青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991-2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.     

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。     

祁连山天涝池流域亚高山草甸冻融期土壤水热变化特征

祁连山是我国重要的生态安全屏障,其高寒生态环境和水源涵养能力广泛受到近地表冻融过程的复杂影响。为了解土壤水热在冻融期的变化情况,以祁连山中部天涝池流域亚高山草甸为研究对象,分析2014—2019年冻融期大气温度、土壤温度及未冻水体积含水量(USWC)变化特征,通过统计分析法对亚高山草甸土壤冻融期土壤温度对大气温度的响应及土壤水热拟合进行了探讨。研究结果表明：冻融期亚高山草甸土壤呈单向冻结双向融化特征,观测时段内冻结深度在100～140 cm,土壤温度与大气温度的相关性较好,其中0～40 cm深度土壤温度与大气温度显著正相关(P<0.01),120～180 cm土壤温度与大气温度显著负相关(P<0.05);冻融过程中土壤USWC变化趋势呈“U”形,40～60 cm深度土壤层和表层分别在冻结期和融化期出现水分高值区;土壤USWC与负温绝对值之间具有较好的幂函数相关关系(y=ax^b),其中经验参数a始终为正值,b始终为负值且逐年增大;观测期间(2014—2019年)的土壤冻结时长、冻结速率和冻结深度等都在减小。本研究可为祁连山亚高山草甸土壤冻融作用对径流形成...     

探地雷达探测季节性冻土的正演模拟

随着季节的变化,季节性冻土区活动层在冻融过程中物性参数变化显著。以东北地区季节性冻土为研究对象,采用高斯随机粗糙面来模拟粗糙不平的冻结层和融化层界面,建立了能精细描述活动层非均匀性的随机介质模型,并进行了探地雷达正演模拟。研究结果表明:活动层的冻结深度和融化深度随季节而变化,其介电常数和电导率也随季节而变化;非均匀性的活性层、起伏不平的冻结层和融化层使雷达剖面中的散射波非常发育,随时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难。同时,证明应用探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的。     

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。     

1961—2019年三江源地区季节冻土冻融状态时空变化及影响因素研究

季节冻土是气候变化的重要指示器,对区域气候变化具有重要的表征作用。本文利用青海省三江源地区20个位于季节冻土区的气象观测站点数据,通过计算最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期和冻融期4个指标,分析了1961—2019年期间三江源地区季节冻土冻融状态时空变化特征;并通过计算空气冻结、融化指数及其变化趋势,结合地理因子(海拔、经度和纬度)和气候因子(气温、降水和雪深)评估了三江源地区季节冻土最大冻结深度与冻融状态的影响因素。结果表明：三江源地区季节冻土最大冻结深度为64.7～214.1 cm,冻结开始日期为9月初—10月底,完全融化日期为3月下旬—6月底,冻融期为144.7～288.4 d;1961—2019年期间三江源地区季节冻土最大冻结深度呈显著减小趋势[2.5 cm·(10a)^-1],冻结开始日期显著推迟[2.9 d·(10a)^-1],完全融化日期显著提前[2.6 d·(10a)^-1],冻融期显著缩短[5.5 d·(10a)^-1];三江源地区季节冻土冻融状态变化主要受温度变化的影响,表现为冷季...     

青藏公路沿线通信光缆埋设地段冻土工程地质条件及评价

青藏公路沿线季节冻土和多年冻土的总长度为７６０ｋｍ，根据气温冻结指数和融化指数可估算最大季节冻结深度和最大季节融化深度。根据含水量划分出５种冻土类型和５个冻胀敏感性等级。提出了光缆埋设若干选线和施工建议。     

青藏高原季节冻土的气候学特征

青藏高原季节最大冻土深度变化特征是研究寒区陆面过程的重要方面. 利用青藏高原地区35个地面站1961-1998年最大冻土深度的观测资料及5 cm土壤温度资料, 分析了青藏高原地区土壤季节最大冻结深度时空变化特征. 结果显示: 青藏高原土壤季节最大冻结深度度呈现明显的变化规律, 20世纪60年代至80年代中期土壤季节最大冻结深度相对处于一个增大期, 80年代中期至今土壤季节最大冻结深度在减小. 冻结期间5 cm土壤累积负温距平指标能够较好的描述土壤季节最大冻结深度变化特征, 土壤季节最大冻结深度也是高原地区地面热源强度一个较好的表征参数.     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

季节冻土区地下水观测成果在流域产汇流理论研究中的应用述评

将山坡水文学产流机制——超渗地面径流、饱和地面径流、壤中径流和地下径流等成分的产流机制,概括为界面(不透水层)产流机制。介绍季节冻土区近地表地下水若干创新的观测成果,综述其在季节冻土区流域产汇流理论研究领域中的应用,建议水利、农业、气象、林业、地质等部门在季节冻土区近地表地下水观测方面通力合作。可以预期,季节冻土区近地表地下水观测成果在产汇流理论研究以及流域水文模型研制中得到进一步的应用。     

青藏高原多年冻土区不同草地类型生态系统呼吸季节差异性

研究多年冻土区不同草地类型及季节生态系统呼吸,对理解青藏高原碳源汇关系及其对气候变化响应具有重要意义。在青藏高原风火山选取高寒草甸和沼泽草甸对生长季和非生长季生态系统呼吸进行观测。结果表明：生态系统呼吸呈明显的日变化和季节变化,高寒草甸日变异系数（0.30~0.92）高于沼泽草甸（0.12~0.29）,高寒草甸非生长季生态系统呼吸白天/晚上比高于生长季,而沼泽草甸季节变化较小;季节变化与5 cm地温变化一致。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸平均速率分别为0.31和0.36 μmol·m^-2·s^-1,生长季分别为1.99和2.85 μmol·m^-2·s^-1。沼泽草甸生态系统呼吸年排放总量为1 419.01 gCO₂·m^-2,显著高于高寒草甸（1 042.99 gCO₂·m^-2）,其中非生长季高27%,生长季高39%。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸总量分别为268.13和340.40 gCO₂·m^-2,分别占全年的25.71%和23.99%。两种草地类型生态系统呼吸与气温、5 cm和20 cm地温均显著相关,可解释37%~73%的季节变异,除生长季沼泽草甸外,生态系统呼吸与5 cm地温相关性最高。非生长季5 cm地温对应Q₁₀为4.34~5.02,高于生长季（2.35~2.75）,且沼泽草甸高于高寒草甸。生长季生态系统呼吸与土壤水分无显著关系,而非生长季生态系统呼吸受土壤水分显著影响（R²：0.21~0.40）,随土壤水分增加而增加。     

祁连山疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO2通量特征

研究青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量有助于准确估算该区域的土壤CO₂排放, 对认识高原土壤碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义. 利用静态箱-气相色谱法和LI-8100土壤CO₂通量自动测量系统对疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量进行了定期观测, 结合气象和土壤环境因子进行了分析. 结果表明: 整个观测期高寒草甸土壤表现为CO₂的源, 土壤CO₂通量的日变化范围为2.52～532.81 mg·m^-2·h^-1. 土壤CO₂年排放总量为1 429.88 g·m^-2, 年均通量为163.23 mg·m^-2·h^-1; 其中, CO₂通量与空气温度和相对湿度、活动层表层2 cm、10 cm、20 cm、30 cm 土壤温度、含水量和盐分均显著相关. 2 cm土壤温度、空气温度和总辐射、空气温度、2 cm土壤盐分分别是影响活动层表层2 cm土壤完全融化期、冻结过程期、完全冻结期、融化过程期土壤CO₂通量的最重要因子. 在完全融化期、冻结过程期和整个观测期, 拟合最佳的温度因子变化分别能够解释土壤CO₂通量变化的72.0%、82.0%和38.0%, 对应的Q₁₀值分别为1.93、6.62和2.09. 冻融期(含融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期的土壤CO₂排放量分别占年排放总量的15.35%和11.04%, 在年排放总量估算中不容忽视.     

基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型——Ⅰ.“积雪-土壤-砂砾石层”连续体水热耦合模拟

青藏高原号称"亚洲水塔",是典型的高寒山区,其广泛存在的积雪、多年和季节冻土,影响了整个区域的水循环过程;青藏高原具有土层较薄、下伏砂砾石层较厚的特点,形成了特殊的"积雪-土壤-砂砾石层"水热介质结构。为深入研究青藏高原的水循环机理,本文选取尼洋河流域作为典型区,基于野外冻土水热耦合试验,结合青藏高原地质及气候特点,构建了包含12层"积雪-土壤-砂砾石层"连续体的青藏高原水热耦合模型,描述了完整的水热耦合模拟方程和参数计算方法。采用2016-2017年冻结融化期0~160 cm深度内的土壤和砂砾石层的温度、液态含水率和冻结深度的实测结果对模型进行了验证,各层温度模拟R2均值为0.91,冻结融化期内液态含水率模拟R2均值为0.52,土壤冻结深度模拟R2值为0.76。结果表明该模型在青藏高原地区有较好的适用性,可反映该地区冻结融化过程中土壤和砂砾石层水分与温度的特殊变化规律。     

多年冻土区高寒草甸根系分布与活动层温度变化特征的关系

多年冻土区植物根系的地下分布格局是其适应高寒、反复冻融作用等特殊环境条件的重要体现.针对目前青藏高原高寒植物根系研究不足的现状,对青藏铁路沿线高寒草甸植物群落根系的分布特征及多年冻土活动层地温变化等进行调查观测.研究高寒植物群落根系在活动层土壤中的垂直分布特征,重点探讨多年冻土活动层温度变化对于高寒植物根系分布和格局的影响,揭示植物根系对冻土环境变化的响应特征及其对逆境条件的适应策略.研究结果表明:活动层季节性冻融对于高寒植物和地下根系分布格局具有深刻的影响,多年冻土表层最先具备适宜根系生长的温度和水分条件,导致高寒草甸根系分布浅层化,生物量大量累积在土壤表层,并随深度增加而减少.高寒草甸地下平均总根量为3.38 kg·m^-2,0~10 cm土层根量密度平均为21.41 kg·m^-3,约占地下根系总量的63.4%.高寒草甸植物群落具极高的根茎比,活动层长期的低温环境增加了根系的干物质总量和高寒植物总的生物产量.活动层0℃以上积温是根系分布的主要影响因子.     

青藏高原高寒草甸土壤水分运移机制

查明青藏高原高寒草甸区土壤水分运移机制,对正确理解土壤水分迁移过程、提高高寒草甸重建效率具有重要指导意义。通过开展土壤剖面负压、地温观测等原位试验,结合气象资料,对土壤剖面地温、含水率及总水头特征进行分析。结果表明,土壤的冻结期起始于10月,解冻期起始于4月;地温最高值出现在植物生长旺盛期8月,最低值出现在1月;1～3月土壤水分呈固态,6～10月土壤水分呈液态,处于稳定变化阶段,4～5月、11～12月土壤水分呈固液转化态,含水率变化幅度较大,处于过渡阶段。随着气温升高及降水量增加,6～8月水热同季有利于高寒草甸生长,属于高寒草甸主要生长阶段;春季土层由表及深土壤解冻,冻土层滞水性能保障了返青期春旱牧草生长的水分需求;深秋季节的由表及深的土壤冻结,深层土壤水分随水汽发生的表聚作用保障了牧草生长的水分需求,也是高原生态系统能够维持稳定的原因之一。     

玛曲高寒草甸夏季近地层微气象和CO2通量特征分析

利用2015年夏季玛曲高寒草甸观测资料,从中选取7月10个连续完整的观测日,分析了近地层气象要素、地表辐射和能量传输以及CO₂通量日变化特征。结果表明：夏季玛曲地区气温和比湿昼夜差异较大,最大温差为19.2 ℃,平均风速为2.7 m?s^-1,风向以东风为主。晴天条件下向下短波辐射可达1 200 W?m^-2左右,平均地表反照率为0.22,均大于藏北那曲地区。净辐射峰值可达850 W?m^-2左右,陆-气间能量传输以潜热输送为主。10 d能量闭合度平均值为0.61,能量不平衡程度较大。夏季玛曲高寒草甸表现为“碳汇”,CO₂通量平均值为-0.20 mg?m^-2?s^-1,晴天碳吸收最大速率为-14.05 mg?m^-2?s^-1,显著大于阴天,最大碳吸收时长为13 h,CO₂密度平均值为530.7 mg?m^-3。     

青藏高原不同高寒生态系统类型下多年冻土活动层水热过程差异研究

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。     

青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究

多年冻土活动层, 尤其是浅层土壤的水热传输机制, 以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据, 比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异, 以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明： 根据一日之内地温的正负波动, 浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、 完全融化期、 始冻期和完全冻结期四个时期, 其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期, 高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0 ~ 20 cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势, 且不同冻融阶段的振幅差异较大, 由于相变的缘故, 解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原, 说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关, 植被作为热绝缘层, 减弱了地温对气温波动的响应。地表下5 ~ 10 cm的热扩散率显著大于10 ~ 20 cm深度, 且5 - 10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。     

祁连山黑河上游多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征,且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品,测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2）,高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2）,高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性,高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显,高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小,存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异,其中土壤含水率贡献了81.53%,pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异,山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。     

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。