基于移动网格技术的热融湖动态演化过程数值模拟

基于移动网格技术建立了热融湖动态演化有限元数值模型, 研究了青藏高原多年冻土区典型热融湖动态演化过程, 分析了热融湖半径、深度的变化过程及其对湖底及周围多年冻土温度状况的影响. 结果表明:在移动边界热融湖模型中, 热融湖半径以0.7 m·a^-1的速度近线性地增大; 随着下伏高含冰量冻土的融化, 热融湖深度增加先慢后快, 最后逐渐减小趋于稳定. 热融湖深度和半径从5月末至翌年1月末增加显著, 在2-5月间基本保持稳定. 伴随着热融湖的扩展, 地表边界逐渐演变为湖底边界, 热融湖的热影响范围逐渐增大. 在固定边界热融湖模型中, 其热影响会逐渐趋于稳定, 由于初始尺寸大, 其湖底多年冻土退化速率大于移动边界模型, 而远离湖边的多年冻土退化速率要小于移动边界模型. 如果不考虑热融湖边界随时间的变化, 可能会高估热融湖对湖底多年冻土的热影响, 而低估其对附近多年冻土的热影响.     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

青藏高原热喀斯特湖演化及其对多年冻土的热影响模型计算研究北大核心CSCD

青藏高原热喀斯特湖分布广泛,近年来在气候变暖背景下快速发展。热喀斯特湖的形成和发展与地下冰含量及气候变化有着密切关系,强烈影响多年冻土的热稳定性。为了更深入理解在气候变暖背景下热喀斯特湖的发展及其对下伏多年冻土的影响,以青藏高原北麓河地区一个典型热喀斯特湖的长期监测数据为资料,发展了耦合大气—湖塘—冻土三个过程要素的一维热传导模型,模拟了四种不同深度热喀斯特湖在气候变暖背景下的发展规律及其对多年冻土的热影响。结果表明:浅湖(<1.0m)在目前稳定气候背景下处于较稳定状态,湖冰能够回冻至湖底,对下伏多年冻土影响较小;较深湖塘(≥1.0m)冬季不能回冻至湖底,湖深不断增加,且底部在50年内将会形成不同深度的融区。随着气候变暖,热喀斯特湖的热效应显著,深度快速增加,较深湖塘的最大湖冰厚度减小,底部多年冻土快速融化形成开放融区。研究将有助于理解气候变化对青藏高原多年冻土区地貌演化及水文过程的影响。     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

青藏高原北麓河地区典型热融湖塘周边多年冻土特征研究

青藏高原多年冻土区广泛分布着热融湖塘, 热融湖塘的形成会对周边的多年冻土产生显著的影响. 选取北麓河地区一典型热融湖, 运用探地雷达技术对该湖塘周边的多年冻土进行了探测.结果表明: 湖岸坍塌剧烈区一侧的多年冻土上限深度大于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区, 并且在湖水的热作用下, 湖岸多年冻土的上限深度随离湖岸距离的减小而增大; 湖岸坍塌剧烈区上限附近的地下冰含量也明显高于湖岸轻微坍塌区和湖岸稳定区. 同时, 通过对湖岸测温孔的地温观测数据的分析可以看出, 湖岸地温正在逐年升高且升高的速率快于天然状态, 湖岸地温随离湖岸距离的减小逐渐增大.     

多年冻土区热融湖研究现状与展望

热融湖是多年冻土区地下冰融化形成的典型地貌单元,热融湖及其变化对多年冻土热状态、水文过程、生态环境、冻土工程稳定性等有着重要的影响. 热融湖还是重要的温室气体源,与全球气候系统存在着复杂而显著的互馈过程,是气候与环境变化的指示器. 因此,开展热融湖的相关研究是近年来冻土学研究的热点之一. 通过文献综述,从以下方面评述了热融湖研究的现状与进展：1) 热融湖形态特征及其演化过程;2) 热融湖热状况及其热效应研究;3) 热融湖和多年冻土区土壤-植被生态系统的相互作用研究;4) 热融湖对大气中温室气体的贡献. 最后,讨论了该领域目前面临的主要问题,提出了应在热融湖演化的基础理论、动态变化过程的预测、热融湖的冻土水文效应、区域尺度热融湖与冻土、生态、水文和气候耦合过程的综合等方面进一步开展研究,为定量预测和评价冻土区热融湖环境工程效应,应发展不同尺度的计算模型.     

北半球热融湖塘分布及其甲烷排放潜力

热融湖塘作为多年冻土退化产生的分布最广的热喀斯特景观,是大气中甲烷(CH₄)的重要来源。热融湖塘的形成和演化及其对全球大气CH₄循环的影响是气候变化研究领域的重要问题之一。本文综合阐述了北半球多年冻土区热融湖塘的演化、分布及变化特征,揭示了热融湖塘CH₄的产生、氧化、排放过程及其影响因素。研究表明,环北极地区热融湖塘总面积约为1.4×10⁶ km²,虽然部分地区可能导致湖塘扩张或形成新的湖塘,但整体上湖塘覆盖面积呈减少趋势;青藏高原热融湖塘总面积约为2.83×10³ km²,表现为中部地区湖塘数量和面积显著增加,黄河源地区呈减少趋势。受有机质稳定性和微生物群落差异的影响,热融湖塘表层富含有机质的淤泥层及融化的深层冻土层CH₄产生潜力较大,但CH₄氧化过程极大地限制了湖塘CH₄的排放。目前,环北极地区热融湖塘CH₄排放量为1.9～6.3 Tg CH<...     

热融湖影响下多年冻土退化的数值模拟

在柱坐标下,运用带相变的数值热传导模型,预测了千年尺度上热融湖对多年冻土退化的影响。预测结果表明,受热融湖的影响,湖底下部及周围多年冻土温度状态发生了较大变化。在湖深相同的情况下,湖底年平均温度越高,对多年冻土的热扰动越明显。当湖底年平均温度等于0℃时,湖底下部及周围多年冻土一般不会形成融化层,只可能引起地温升高;当湖底年平均温度大于0℃时,多年冻土不但温度升高,上限下移,而且可能形成融化层,最终导致多年冻土可能被融穿。湖底年平均温度越高,地温增加越快,融穿多年冻土的时间越短。在湖底年平均温度相同的情况下,水深差异对多年冻土退化的影响不明显。     

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用, 本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例, 构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型, 对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明: 热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区, 导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下, 形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡, 其排泄量在285~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。     

基于遥感影像的祁连山区俄博岭热融滑塌发育特征

热融滑塌是山地多年冻土退化最直接的表现形式之一,通过解译祁连山俄博岭地区遥感影像,结合实地考察,对俄博岭热融滑塌的空间分布和时间变化进行了研究,明确了热融滑塌的发育特征。结果表明,俄博岭热融滑塌发育活跃,1997~2015年热融滑塌数量增加(11~13个),面积增大(7765~20605m^2),其中1997~2009年面积增加速率为679.9m^2/a,2009~2015年面积增加速率为780.2m^2/a。通过分析热融滑塌景观分布与地形因子的关系,发现俄博岭热融滑塌在海拔3570~3700m,坡度3°~10°的富冰多年冻土区北向斜坡发育;通过对典型热融滑塌溯源后退速率分析发现,1997~2009年其平均后退速率为2m/a,2009~2015年平均后退速率为5m/a,呈明显增大趋势,且其后退速率主要与坡度、地下冰含量和地表径流相关。     

青藏公路沿线热喀斯特湖分布特征及其热效应研究

热喀斯特湖的出现和发育是多年冻土变暖的指示器,研究热喀斯特湖发育及其热效应是应对青藏高原气候变化和人类活动诱发冻土灾害的基础工作.基于SPOT-5卫星影像资料,在ArcGIS平台下解译遥感影像,获取了青藏公路沿线楚玛尔河至风火山段热喀斯特湖的数量和分布特征,这些热喀斯特湖以楚玛尔河高平原和北麓河盆地为主要分布区,且80％发育于高含冰量多年冻土区.热喀斯特湖通过竖向和侧向2种传热方式影响多年冻土,竖向传热会造成其下部多年冻土融穿,侧向传热会造成湖岸多年冻土增温,扩大热影响范围.通过北麓河地区一典型热喀斯特湖的数值计算,湖全年都在向湖岸放热.当热喀斯特湖离路基较近,将会对公路产生潜在或者直接的危害,其侧向热侵蚀往往会导致冻土路基温度升高,诱发路基病害.     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。     

Progress in Numerical Simulation of Long-Term Impact of Thermokarst Lakes on Permafrost Thermal Regime

Thermokarst lakes are a major heat source for the adjacent permafrost and a significant source of atmospheric methane. These lakes have important impacts on the physical, chemical, biological, geomorphological and hydrological processes occurring in the ground under and around thermokarst lakes, and seriously affect the local environment and the stability of the structures constructed in permafrost regions. Numerical simulation methods provide an effective method for quantitative analysis of the long-term impact of thermokarst lakes and their evolution on permafrost surrounding the lakes, and have deepened our knowledge about the impact of thermokarst lakes immensely. Summarizing the research progresses in numerical simulation of long-term impact of thermokarst lakes on thermal regime of surrounding permafrost has an important guiding function to improve mathematical models and develop more effective models. In this study, the components, functions, advantages and defects of several typical mathematical models having developed over the past ten years or so were reviewed, such as the heat conduction model with phase change, thaw slumping model, the coupled lake-permafrost model, thaw lake expansion model combining thermal processes with mass wasting and thaw-driven subsidence, the coupled heat conduction and moisture migration model, and the moving mesh method based thermokarst lake dynamic evolution model. Several issues deserving to be paid further attention in the future researches were proposed, including creating more effective models, determining the more realistic initial condition, lucubrating thermal and physical parameters of the typical soils, consider the impact of lake water replenishment, quantitative analysis of the thermal effect of supra-permafrost water flow around the thermokarst lakes, creating the coupled governing equation of heat conduction with phase change and convective heat transfer, embed ding the effect of climate warming in the model, numerical investigation of the long-term influence of thermokarst lake drainage on the environment change in permafrost regions, analyzing the long-term joint impact of multiple lakes on adjacent permafrost, simulating the near-shore talik development process and feature beneath shallow water in expanding thermokarst lakes, and continuing to do the systemic and comprehensive field measurements.     

Study on Environmental and Hydrological Effects of Thermokarst Lakes in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau

Thermokarst lake is the most visible morphologic landscape developing during the process of permafrost degradation, and it is still an international hot topic in permafrost research. The climate warming, and the consequent degradation of the permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau aggravate thermokarst lake development. The permafrost is normally considered as an aquiclude, and the permafrost degradation, especially when the permafrost is completely thawed by a thermokarst lake, might influence regional ground water. Therefore, a research program focusing on environmental and hydrological effects of thermokarst lakes in permafrost regions of the Qinghai-Tibet Plateau was started and supported by the National Natural Science Foundation of China. The work proposed by the application includes: To analysis the spatial and temporal distribution rule of thermokarst lakes in the Qinghai-Tibet Engineering Corridor (QTEC) under the climate change and engineering activities, and to evaluate the ecological environment effects through remote sensing and field investigation; to reveal the main factors influencing a typical thermokarst lake and its hydrothermal condition, and to elucidate the conversion relationship between the thermokarst lake and the groundwater with hydrological and isotope tracer tests; to make an analysis of the influences of different lake stage and size on regional permafrost, hydrological conditions and ecological environment through numerical simulation and statistical modelling, considering the relationships between the thermokarst lake and the ground water level. The research results will help to accurately assess regional permafrost ecological environment evolution and trend prediction, and to reasonably understand the impact factors of the permafrost hydrological evolution and its response mechanism to the ecological environment in the river source regions of the Qinghai-Tibet Plateau. In this paper, the research status analysis, the main research contents, research objectives and prospects were introduced so as to provide some references for related researchers and engineers.     

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖水文特征及环境效应

全面认识热喀斯特湖水文过程的季节变化特征是准确评估其生态环境效应的关键。以青藏高原典型热喀斯特湖为例, 基于2018—2020年水文气象要素的野外观测及计算, 分析热喀斯特湖的水文特征及产生的环境效应。研究结果表明: ①春季降水补给热喀斯特湖, 迅速升高湖塘水位, 其中湖塘的储水量与湖塘水位之间存在较好的幂函数关系; ②湖面年均蒸发量和湖冰年均升华量分别可达738 mm和198 mm, 受温度升高的影响, 未来有增多的可能; ③热喀斯特湖水中离子质量浓度在暖季初期和后期较高, 冷季湖冰形成过程中自净作用和地球化学过程的影响使各离子表现出不同的迁移机制。受局地因素的影响, 热喀斯特湖的水文要素呈明显的季节变化特征, 水文循环过程会引起多年冻土退化、湖岸坍塌后退、水环境恶化、温室气体释放、土壤盐渍化、植被退化等, 未来研究需对整个高原地区热喀斯特湖的环境效应进行全面评估。     

青藏工程走廊热融湖塘水理化特性分析

为查明青藏工程走廊热融湖塘水理化特性及其理化特性与湖塘分布之间的关系,选取青藏工程走廊楚玛尔河至风火山段为研究区域,沿青藏公路从北向南依次选取19个热融湖塘进行水深、面积等几何特征调研并取水样,进行阴阳离子等理化参数测定。分析了热融湖塘水的理化特性,并结合调研资料探讨了热融湖塘理化特性与区域环境及湖塘分布之间的相关性。结果表明在3个研究亚区湖的水理化特性有较大差别,楚玛尔河高平原从北向南湖水矿化度逐渐升高,水质由淡水向咸水再到强咸水过渡,主要与该区域"碟"状湖的分布特征和寒旱多风及蒸发量大有关;可可西里山区和北麓河盆地的湖水矿化度较低,水质以弱咸水或淡水为主。这两个亚区湖较深,地形以丘陵盆地为主,降低了湖面的蒸发量。