渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应

为了掌握季节冻土冻结深度的变化对气候的响应,利用1961-2015年吉林省46个气象站的逐日平均气温、地表温度、积雪深度、冻土冻结深度等数据,采用线性倾向估计、突变分析等方法,研究了吉林省季节冻土冻结深度的时空演变规律及其与气温、积雪的关系。结果表明：吉林省季节冻土最大冻结深度呈由西向东逐渐减小的空间分布特征,绝大多数站最大冻结深度呈减小趋势。基本上在10月开始冻结,次年3月达到最深,6月完全融化。西部冻土冻结深度变幅较大,其次是中部,东部最小。1961-2015年季节冻土最大冻结深度以-5.8 cm·（10a）^-1的速率显著减小（P<0.01）。最大冻结深度基本上呈逐年代减小的趋势,从20世纪90年代开始,最大冻结深度明显减小。最大冻结深度在1987年发生了突变,突变后平均最大冻结深度比突变前平均最大冻结深度减小了22.2 cm。通过分析气温和积雪深度对冻结深度的影响,认为冻土冻结深度对气温变化较为敏感,绝大多数站最大冻结深度与平均气温呈负相关关系。在年际变化上,气温的上升是最大冻结深度减小的主要原因。在季节冻土稳定冻结期,积雪深度超过10 cm,保温作用逐渐变强;当积雪深度达到20 cm时,保温作用显著,冻土冻结深度变浅。     

新疆伊犁地区季节冻土沿海拔的分布规律及其影响因素

基于2000 - 2014年新疆伊犁地区不同海拔区域观测的冻融期内的冻土、 积雪和气象数据, 应用相关性分析和回归分析方法, 分析该地区季节冻土沿海拔的分布规律, 以及气温、 积雪对季节冻土特征的影响。结果表明： 伊犁地区表层土壤存在着每年11月份开始结冻, 于次年4月份完全融化的周期性变化。每个周期内土壤冻结时长随海拔以4 d·（100m）^-1的趋势增加, 土壤最大冻结深度随海拔以3.9 cm·（100m）^-1的趋势增加。土壤冻结时长与冻结期的平均气温具有显著负相关关系, 相关系数为-0.98（P<0.05）。土壤冻结日数与积雪覆盖历时呈正相关关系, 土壤的最大冻结深度与最大雪深呈负相关关系。随着海拔升高, 温度递减, 导致伊犁地区土壤最大冻结深度和土壤冻结日数整体呈现增加趋势。但在海拔相对较高的地区, 由于相对较厚积雪的影响, 出现土壤最大冻结深度随海拔升高而减小的反常现象。研究结果可为新疆伊犁地区季节冻土的分布对气候变化的响应研究提供支持, 帮助研究区域生态规划和水资源管理, 为农业发展制定适应气候变化对策。     

青藏铁路隧道浅埋多年冻土区冻融特征分析

本文根据一个寒季末的地温观测资料，分析了昆仑山隧道的一个多年冻土沟谷地形的地温特征。采用数值模拟技术，模拟该沟谷地形地温变化情况，认为该区沟谷的冻融特征不同于非沟谷地形，其融化深度远大于该区的冻土上限，从而得出该冲沟存在一个未被冻结的通道；隧道工程对周边地温产生较大影响；最大冻结深度约10,受气温影响的最大融化深度不超过4m,本研究为再认识多年冻土区沟谷地形的冻融特征提供了一条途径。     

黑河源区高山草甸的冻土及水文过程初步研究

介绍了黑河源区野牛沟流域在试验点尺度和山坡尺度上所开展的冻土水文过程初步结果.冻土水文观测场建于最大冻结深度约为3.0 m的季节冻土区,近50 a来,该区降水量变化不大,器测蒸发量(Φ20)和风速呈明显的降低趋势,而气温和地表温度则分别上升约1.0℃和1.7℃.研究区季节冻土冻结上限和下限深度均与地表温度呈二次多项式关系,这表明地表温度与冻结或融化区地温变化之间有一个滞后过程.在地表融化季节,季节冻土存在两层现象.当融化深度接近最大冻结深度时,存在向上和向下的双向融化现象,但自下而上融化速率较慢.2005年9月-2006年9月,具有较高代表性的3个山坡径流场均没有观测到产流量,结合蒸散发观测和野外调查,发现夏季高山草甸具有明显的地表径流拦蓄和水源涵养作用.COUP模型能够较好的连续演算试验场生长季节高山草甸-季节冻土-大气-维水热传输和耦合过程,但因其土壤完全冻结临界温度阀值设置偏高,影响了非生长季节的计算精度.     

新疆北疆地区季节性冻土结冻过程与日积温的关系

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明:在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

Relationship between Soil＇s Seasonal Freezing Process and Daily Accumulative Hourly Temperature in Northern Xinjiang Region

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明：在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

黑龙江省土壤冻融期气象要素变化特征

黑龙江省春季土壤冻融剧烈,土壤湿度和温度受土壤冻融影响较大,利用黑龙江省64个气象观测站1961—2018年的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、地温资料及34个农气观测站人工观测的1981—2018年的土壤湿度资料,分析土壤冻结期间的气象要素变化,研究春季土壤冻融过程中湿度和温度的变化。结果表明：土壤冻结期从北向南缩短,且逐年缩短,冻结期平均气温从北向南升高,逐年上升,降水量西部少、东部和北部多,逐年增加;春季冻融次数平原少、山区多,逐年减少。春季融雪开始日期由北向南提前,并且呈现逐年提前的趋势,融雪期升温速率北部、东部低,中部、南部高;在春季冻融过程中,土壤湿度随着土壤深度的增加而增多,东部土壤湿度受土壤融冻影响最大;在整个冬季土壤冻结期间,北部、中部及东部土壤湿度是增加的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度增加的越多,而西部土壤湿度是减少的,且随着土壤深度的增加,土壤湿度减少的越少;春季土壤冻融期间,0 cm平均地温全省平均在-17.3~22.1 ℃之间,南部与全省变化趋势基本一致,升温趋势明显,而北部升温速度明显慢于南部。     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、 积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料, 讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征. 结果表明: 阿勒泰地区近50 a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势, 且西部最大积雪深增加趋势大于东部. 积雪日数变化较为复杂, 在空间分布上有差异, 位于最东面的富蕴和青河50 a来积雪日数呈减少趋势, 其余各站均为增加趋势, 且东部历年平均积雪日数略高于西部, 积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓. 2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明, 在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程, 升华可能是其主要的物质损失过程, 引起升华的主要气象要素是气温、 风速和水汽压. 各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切, 随海拔的增加而增大. 积雪20 cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限, 积雪厚度超过20 cm就有一定的保温作用; 积雪超过40 cm时, 气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定, 冻结深度也达到稳定值; 但当积雪厚度超过70 cm之后, 冻结深度会再次发生变化, 可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

原状枯落物覆盖对土壤温度及冻融过程的影响

为揭示枯落物在调节土壤温度及土壤冻融过程方面的作用, 对8 cm油松林原状枯落物覆盖(C8)、4 cm油松林原状枯落物覆盖(C4)、8 cm柞树林原状枯落物覆盖(B8)和裸地(CK)4种处理条件下10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm和60 cm深度的土壤温度进行监测, 结果表明: (1) 枯落物覆盖可以延长观测层土壤冻结期, C8观测层完成冻结比CK滞后18 d. (2) 枯落物覆盖对观测层土壤温度的影响具有双重性, 始冻期和完全冻结期具有保温效应, 解冻期主要为隔热降温效应. (3) 枯落物覆盖对30 cm以上土壤影响强于深层, C8处理下仅20 cm以上土层对气温变化敏感. (4) 枯落物对土壤温度的调解作用与覆盖枯落物的厚度和结构有关, 枯落物越厚, 结构越完整, 其调节土壤温度的作用越明显, 不同枯落物覆盖下的土壤温度差异系数为CK > C4 > B8 > C8.     

东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响

利用东北地区121个气象站逐日冻土深度、积雪深度、平均气温、地表平均气温及降水量数据,分析了1964—2017年冬半年冻土的变化特征及气象要素对冻土的影响。结果表明：东北地区积雪深度、平均气温、地表平均气温与冻土深度相关系数较高,降水量相关性不大。20世纪60年代平均气温、地表平均气温及负积温最低,最大冻土深度为历年代最深;随着气候变暖,最大冻土深度以6.15 cm?（10a）^-1的速率显著减小。冬半年平均最大冻土深度为123 cm,呈显著纬向分布,自辽东半岛向大兴安岭北部递增;随纬度和海拔高度的增加,平均气温和地表平均气温降低,负积温增加,且由北向南地气温差增大。最大冻土深度全区有90%以上的站点减少,减少速率以0.1~10 cm?（10a）^-1为主。冻土持续时间随纬度升高而增加,月最大冻土深度和积雪深度最大值分别出现在3月和1月,最大冻土深度的增加要滞后于积雪深度的增加。由于积雪对地温的保温作用,积雪深度较浅时,冻土深度增加较明显,随着积雪深度的增加,冻土深度变化较小,积雪对冻土起到了保温的作用。对于高纬度地区站点,30 cm左右为积雪的保温界限值;对于沿海站点,积雪保温的界限值在5 cm左右;在相同地形下,冻土深度较浅区域积雪的保温值因海拔高度、气候特点而异。最大冻土深度对地表平均气温升温的响应更为显著,地表平均气温和平均气温每升高1 ℃,最大冻土深度将减小8.4 cm和10.6 cm,负积温每减少100 ℃?d,最大冻土深度减少4.9 cm。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

青藏高原玉树地区巴塘高寒草甸土壤温湿特征分析

在青藏高原腹地青海省玉树藏族自治州玉树县巴塘高寒草甸草场设立野外试验场, 进行土壤温、湿动态监测. 利用温、湿监测数据及同步气象数据资料, 采用对比分析及线性趋势等方法, 分析了巴塘高寒草甸日、年土壤温、湿变化状况. 结果表明: 土壤温度从10:00时左右开始上升, 至17:00-18:00时达到最高值, 然后开始下降, 在第二天9:00时左右到达最低; 土壤湿度在10:00时达到最低值, 在18:00时达到最大值, 随着土壤深度的增加, 土壤湿度逐渐降低. 土壤温、湿度在不同的季节表现出不同的变化趋势, 二个点不同土层表现出相对一致的变化, 随着土壤深度的增加, 土壤温、湿度逐渐降低; 随着与雪栅距离的增加, 土壤温、湿度的变化幅度减弱; 随着土壤深度的增加, 雪栅的影响也逐渐减小. 通过对土壤温、湿不同时期的特征分析, 5月中旬至8月中旬, 土壤湿度与土壤温度呈现相反的变化趋势, 而在其余时期土壤温湿变化趋势一致; 秋季向冬季转换时, 土壤温湿呈显著下降趋势, 而后土壤进入封冻时期; 冬季向春季转换时, 土壤温湿呈显著上升趋势, 土壤进入解冻时期. 冷季时, 25 cm土壤温度高于5 cm; 暖季时, 5 cm土壤温度高于25 cm.     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.