近50 a来乌鲁木齐河源区径流变化及其机理研究

 乌鲁木齐河源区径流是供给中下游地区和乌鲁木齐市的重要水源。通过对河源区3个水文断面（1号冰川、空冰斗和总控）有观测记录以来的径流变化研究,一方面提供径流观测的最新资料,使人们对乌鲁木齐河源区径流近期变化有新的认识;另一方面通过对气候、冰川变化的综合分析,揭示乌鲁木齐河源区径流近50 a变化事实和可能的原因。结果表明：河源区3个水文断面径流自有观测记录以来整体上呈增加趋势,其中总控水文断面径流虽有增加,但不显著。影响3个水文断面径流变化的因素不同,1号冰川水文断面径流变化受控于冰川区热量条件,当消融期气温大于2 ℃时,径流呈加速增长。1号冰川径流不仅包含了冰川对气候变化的瞬时响应,也包含了冰川对气候变化的滞后响应,由冰川物质平衡和面积计算的冰川体积损失量变化较好地验证了径流变化。对于空冰斗融雪径流,降水量多寡是导致径流变化的主导因素,但冰斗区固态降水多,气温亦起着不可忽视的作用。总控水文断面径流大小与气温和降水关系比较复杂,表现为近年来气温和降水增加,径流却有下降趋势,这可能与河源区实际蒸散增强、冰川快速退缩导致径流峰值已经出现、大范围冻土消融导致的地下渗漏量增多等原因有关。     

开都河流域上下游过去50 a气温降水变化特征分析

利用开都河流域上下游4个气象台站（上游巴音布鲁克,下游焉耆、和静、和硕）1960-2009年的气温、降水资料,采用趋势分析与距平等统计方法,分析了近50 a来开都河流域的主要气象要素变化特征。研究发现：（1）1960-2009年开都河流域上下游年平均气温均呈明显上升趋势,增长强度分别为0.27 ℃/10 a和0.22 ℃/10 a。2000年后气温升高尤其显著,上游和下游的气温分别较50 a平均水平偏高0.97 ℃和0.69 ℃。该流域年最高温没有明显增加,而上下游年最低气温分别上升0.41 ℃/10 a和0.61 ℃/10 a,并与年平均气温有较好的相关性。通过对不同年代际各月气温的分析,发现该地区气温季节性特征在过去50 a发生了明显的变化。主要表现为冬季气温总体上升,夏季气温相对稳定,冬季与夏季温差逐渐减小,季节性呈变弱趋势。上游年代际间气温季节变化较下游更明显;（2）开都河流域降水主要集中在夏季,近50 a上下游降水量均呈增加趋势且上游达显著水平。上下游在降水分布及变化特征上有较大差异,上游年平均降水总量（273 mm）明显高于下游（77 mm）,且上游降水量增加强度（9.13 mm/10 a）高于下游（5.34 mm/10 a）。降水量年代际之间有一定差异,降水波动主要是在夏季,上游降水量的波动性大于下游。     

浑善达克沙地地区的气候变化特征

利用浑善达克沙地地区8个典型气象站近50a的气候资料,以及锡林郭勒盟南部1903-1975年旱涝等级指数数据,主要运用Excel分析了该区时空气候变化特征。近50a来,整个浑善达克沙地地区气温升高的趋势和全球变暖表现一致,而且气温升高更加显著。无论从100a尺度还是50a尺度上看,整个区域在不同的年代都存在有较大的干湿差异;然而降水量的变化趋势表现不同,在50a尺度上,整个区域降水量呈波动中微弱减少的态势,且存在区域差异。从气温、降水量、蒸发量以及平均相对湿度的变化情况看,都有趋势表明浑善达克沙地以朱日和为代表的西北部地区,较中部和东南部有明显暖干化趋势,将可能是未来生态环境更加脆弱的地区。整个区域自1970年以来,年平均风速在减小,但近40a来浑善达克沙地西部地区沙尘暴一直在发展;东部地区的沙尘暴在1980年以前呈增加的趋势,1980年以后则明显减少,但新近频繁发生的沙尘暴表明,东部地区沙尘暴的发展也应当引起关注。     

黄河源区地表水资源变化及其影响因子

利用1955~2005 年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料, 分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律, 揭示了地表水资源变化的成因。研究表明: 近51 年黄河源流量丰枯转化频繁, 但在总体上特别是进入20 世纪90 年代以来黄河源流量呈减少趋势, 流量年内分配表现为单峰型; 降水量对流量有着较为显著的影响, 且具有一定的持续性; 黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用, 其中春季气温回升的这一效应更为显著; 黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势, 冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系, 其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用; 黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势, 并导致流量的减少; 气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%, 其余30%可能是由人类活动加剧造成的, 气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温, 显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。     

气候变化和工程活动对青藏铁路沿线植被指数时空变化的影响

基于1982—2015年的GIMMS NDVI3g+及同期气候数据,利用最大值合成法获得青藏铁路沿线直接影响区和生态背景区的年内NDVI最大值、年际NDVI平均值,对其进行了趋势分析、变异分析、气候相关分析和残差分析,部分结果用MODIS NDVI（2001—2018年）进行了验证。研究表明：① 青藏铁路年际NDVI高度响应气候变化和工程活动,即施工前主要响应气候变化,年际NDVI呈缓慢上升趋势;施工中主要响应工程活动,年际NDVI呈显著下降趋势;运营中响应气候变化和工程活动的综合影响,年际NDVI呈缓慢上升趋势。② 青藏铁路的工程活动对沿线植被有显著影响。即施工前直接影响区和生态背景区年际NDVI增长率相近;施工中直接影响区年际NDVI增长率低于生态背景区;运营中直接影响区年际NDVI增长率高于生态背景区。③ 研究利用时空不变量,剔除了植被覆盖的空间异质性分量、周期性绿度分量,甄别出了气候变化与工程活动的贡献量。     

近50 a来黄河上游水循环要素变化分析

 根据水文、气象台站观测资料,分析了黄河上游有器测资料几十年来降水、温度、径流等水循环素的变化过程与特征。结果显示,温度近几十年来流域各个地方有着不同程度的上升,与全球变暖有着明显的对应关系;而随着气温的上升,蒸发和下渗呈增加的趋势。降水变化的区域性特征十分明显,降水量的增减随地理位置不同而差异较大。受主要产流区域降水减少,气温上升的影响,黄河上游产水量呈持续递减的态势。在上述分析基础上,利用全球气候模式(GCMs)与统计模式对未来流域降水和径流的可能变化进行了预测。结果表明,未来30 a里,随着温度将进一步上升,降水量将比目前有明显增加,黄河上游的径流量将随降水量的增加而进入一个相对丰水的时期。     

Analysis of permanent deformations of railway embankments under repeated vehicle loadings in permafrost regions

By large-scale dynamic tests carried out on a traditional sand-gravel embankment at the Beilu River section along the Qinghai-Tibet Railroad, we collected the acceleration waveforms close to the railway tracks when trains passed. The dynamic train loading was converted into an equivalent creep stress, using an equivalent static force method. Also, the creep equation of frozen soil was introduced according to the results of frozen soil rheological triaxial tests. A coupled creep model based on a time-hardening power function rule and the Druker-Prager yield and failure criterion was established to analyze the creep effects of a plain fill embankment under repeated train loads. The temperature field of the embankment in the permafrost area was set at the current geothermal conditions. As a result, the permanent deformation of the embankment under train loading was obtained, and the permanent deformation under the train loads to the total embankment deformation was also analyzed.     

近30年来青藏高原西大滩多年冻土变化

结合1975年已有勘探资料,对青藏高原多年冻土北界西大滩进行了雷达勘探。勘探发现,近30年来青藏高原多年冻土北界发生较大规模的多年冻土退化,多年冻土面积从1975年的160.5 km²退化成现在的141.0 km²,缩小约12%;开始出现多年冻土的最低高程为4 385 m,比1975年升高了25 m。近30年来研究区的气候变化是造成北界多年冻土退化的主要原因。相同气候背景下,多年冻土腹部地温有升高,但在30年尺度上不会发生明显的退化。本次冻土区域调查的结果可为检验冻土－气候关系模型的可靠与否提供依据。     

近40 年来青藏高原典型高寒湿地系统的动态变化

选择青藏高原长江源区、黄河源区以及若尔盖地区等典型高寒湿地分布区域, 利用1969、1986、2000 和2004 年多期航片和卫星遥感数据, 从湿地主要组分分布、空间格局以及水生态功能等方面, 分析了近40 年来典型高寒湿地系统动态变化特征及其区域差异性。结果表明: 青藏高原典型高寒湿地退化具有普遍性, 湿地面积萎缩在10%以上。以长江源区的沼泽湿地退化最为严重, 退缩幅度达到29%, 同时大约有17.5%的长江源区内流小湖泊干涸消失, 黄河源区和若尔盖地区湿地系统空间分布格局的破碎化和岛屿化程度显著加剧。高寒 湿地系统退化使其水文功能发生变化, 表现在湿地退化较为强烈的长江源区与若尔盖地区枯 水期流量减少、稀遇较大流量径流发生频率增加而常遇流量发生频率减少、水涵养能力下降。湿地系统变化与区域气温显著升高有关, 在20 世纪80 年代以来区域增温幅度升高到过去40 年平均增温幅度的2.3 倍, 湿地系统退化程度也同步在20 世纪80 年代中期以后明显加剧。在降水量呈现增加以及冰川趋于消融的背景下, 高寒湿地退化是导致其流域径流持续递减的主要因素之一。     

The changing process and trend of ground temperature around tower foundations of Qinghai-Tibet Power Transmission line

After the construction of Qinghai-Tibet Highway and Railway, the Qinghai-Tibet Power Transmission(QTPT) line is another major permafrost engineering project with new types of engineering structures. The changing process and trend of ground temperature around tower foundations are crucial for the stability of QTPT. We analyzed the change characteristics and tendencies of the ground temperature based on field monitoring data from 2010 to 2014. The results reveal that soil around the tower foundations froze and connected with the artificial permafrost induced during the construction of footings after the first freezing period, and the soil below the original permafrost table kept freezing in subsequent thawing periods. The ground temperature lowered to that of natural fields, fast or slowly for tower foundations with thermosyphons,while for tower foundations without thermosyphons, the increase in ground temperature resulted in higher temperature than that of natural fields. Also, the permafrost temperature and ice content are significant factors that influence the ground temperature around tower foundations. Specifically, the ground temperature around tower foundations in warm and ice-rich permafrost regions decreased slowly, while that in cold and ice poor permafrost regions cooled faster. Moreover, foundations types impacted the ground temperature, which consisted of different technical processes during construction and variant of tower footing structures. The revealed changing process and trend of the ground temperature is beneficial for evaluating the thermal regime evolution around tower foundations in the context of climate change.     

青藏铁路沱沱河路段风沙危害特征及其动力环境分析

利用青藏铁路沿线沱沱河站详细的风况资料,结合风沙灾害的实地调查数据,在分析沙害特点、来源及其危害特征的基础上,从输沙强度、合成输沙势、起沙风玫瑰及其季节变化等方面对沱沱河路段风沙活动特点及其动力环境做了详细研究。沱沱河路段起沙风向具有明显的季节性,冬春季风向单一,主导风向为西风,持续时间较长。夏季东北风有所增加,出现短暂的多风向季节。年输沙势DP为705.81VU,属于高能风能环境。年方向变率（RDP/DP）为0.84,年合成输沙势RDP为590.42VU,合成输沙方向RDD为89.1°,合成输沙风向以西风为主。     

The response of lake change to climate fluctuationin north Qinghai–Tibet Plateau in last 30 years

According to the analysis of the climate materials including the topographic map in 1975, the TM and CBERS satellite remote sensing materials from the 1980s to 2005 as well as the air temperature, precipitation, evaporation rate, maximum depth of snow and the biggest depth of frozen soil in the past 45 years, the water level area of four lakes at the southeast of Nagqu, Tibet including Bam Co, Pung Co, Dung Co and Nuripung Co show a distinct trend of expansion in the past 30 years. In 2005, the water level area of the above four lakes increased by 48.2 km2, 38.2 km2, 19.8 km2 and 26.0 km2 respectively compared to 1975, with the respective increase rate of 25.6%, 28.2%, 16.2% and 37.6%. That is closely related to the warming and humidified climate change in the recent years such as rise of the air temperature, increase of the precipitation, decrease of the evaporation rate and permafrost degradation.     

河西地区近40a来气候变化与风沙活动

利用1951- 1990年14站的年平均气温、降水和大风日数资料,对近40 a来河西地区气候特征作了初步分析。结果表明, 50年代最暖, 60年代最冷, 70年代后气温开始回升但低于50年代的水平。河西地区40 a来是变冷的,全区年平均温度40 a下降了0.21℃,西部下降了0.27℃,东部下降了0.13℃。全区50年代雨量较多, 60年代是近40 a来的最干旱期, 70年代为最湿润期, 80年代又趋于干旱,总体上降水略有增加。最干旱期与最冷期对应,最多雨期并非最高温期,在温度开始回升时降水量最大,雨量与温度的变化并不同步,降水滞后于温度。40 a来河西西部大风日数是增加的,东部是减少的。高温少雨大风日数少,低温少雨大风日数较多,温度开始回升降水达到最大时,大风日数最多。春季大风日数最多,夏季次之,秋冬相差不大。     

青藏高原未来气温变化趋势的R/S分析

青藏高原气候变化是全球气候变化的重要组成部分。文章采用R/S分析法,对青藏高原拉萨、托托河等9台站的气温平均值和极端值进行了计算分析。研究结果表明:青藏高原气温的长期相关性特征总体表现为持续性,表明青藏高原未来气温总体变化将与过去的变化趋势一致。年平均最高气温、年极端最低气温、年极端最高气温有着几乎一致的升高趋势,其中年极端最低气温升高趋势的持续性相对较强。由青藏高原9台站年平均气温、年平均最低气温和年极端最低气温3项气候要素时间序列的升高趋势及其长期相关的持续性特征,预示着青藏高原未来冷暖气候变化的趋势是持续变暖。     

青藏高原腹地多年冻土区地表反照率的季节变化及主要影响因子

准确获取青藏高原地表反照率的季节变化特征对高原地表能水循环研究具有重要意义。本文利用青藏高原多年冻土区西大滩和唐古拉2007年的气象及辐射数据,运用相关分析方法研究了太阳高度角、积雪及活动层冻融过程对地表反照率变化的影响。结果显示:冷暖季降雪过程中地表反照率的变化差异较明显;地表无积雪覆盖期间,地表反照率与气温和表层土壤含水量呈反相关关系。利用多元回归分析法构建了以积雪日数和气温为影响因子的月均地表反照率计算回归方程,经检验与观测值对比平均相对误差为7.1%,可用于青藏高原北部地表反照率的估算。     

基于MODIS温度的青藏高原多年冻土活动层厚度变化研究

基于MODIS温度数据,采用TTOP模型和Stefan公式模拟了青藏高原地区的冻土分布并计算了活动层厚度,并与地面观测结果进行了对比。结果表明：2003—2019年青藏高原多年冻土面积为1.01×10⁶ km²;多年冻土活动层厚度区域平均值为1.79 m, 活动层厚度区域平均的变化率为3.67 cm/10a,且草甸地区的变化率明显大于草原地区,5100~5300 m高程带的活动层厚度变化速率最大。     

鄂尔多斯高原近40a气候变化研究

鄂尔多斯高原特殊的地理位置对全球气候变化更为敏感,利用1961-2000年地面气温和降水记录,通过计算气候趋势系数和气候倾向率描述鄂尔多斯高原气候空间变化特征。结果表明,40 a来本区气温有明显上升趋势,平均气温以0.43℃·(10a)^-1幅度升高。全年各月气温都在上升,但冬季升温最剧烈,达0.82℃·(10a)^-1,其中12月可达1℃·(10a)^-1,为全年之首。夏季最弱,仅0.31℃·(10a)^-1。本区增温幅度比较剧烈,大于内蒙古全区平均水平。冬、夏增温差异导致气温年较差减小。20世纪60年代年平均气温是下降的,从70年代开始上升,90年代上升最剧烈。冬季温度变化与年均温一致,但夏季不同,90年代以前夏季温度是降低的,到90年代夏季温度上升趋势十分明显。温度升高的程度存在区域差异,西北部最强,东南部最弱。降水的趋势变化不很明显,年降水量略有减少,秋季降水量减少比其他季节明显。降水变化也有区域差异,南部比北部降水量减少明显,毛乌素沙漠及以南降水倾向率为-18.3 mm·(10a)^-1,而北部接近于零。气候变暖会使蒸发量增大,从而导致干旱,气温持续增高再加上降水量减少则形成干旱化,对生态环境和地方经济会产生重大影响。     

Tessellons,topography, and glaciations on the Qinghai-Tibet Plateau

The Qinghai-Tibet Plateau has developed into a vast fortress-like structure that has recently presented a barrier limiting the egress of moisture-bearing air masses. Lower sea levels also affected the climate. This paper examines their effects on the current evidence for the timing of past glaciations, and the development and evolution of permafrost. There are two theories regarding glaciation on the Qinghai-Tibet Plateau(QTP). Kuhle suggested that there was a major, unified ice-cap during the Last Glacial Maximum(LGM), whereas major Chinese glaciologists and others have not found or verified reliable evidence for this per se. There have been limited glaciations during the last 1.1 Ma B.P. but with increasing dominance of permafrost including both primary and secondary tessellons infilled with rock, sand or loess. The East Asia Monsoon was absent in this area during the main LGM, starting at 30 ka B.P. on the plateau, with sufficient precipitation reappearing about 19 ka B.P. to produce ice-wedges. A weak Megathermal event took place between 8.5 and 6.0 ka B.P., followed by Neoglacial events exhibiting peak cold at 5.3–4.7 ka, 3.1–1.5 ka, and the Little Ice Age(LIA) after 0.7 ka. Subsequently,mean annual air temperature has increased by 4 °C.     

气候变化对青藏高原水环境影响初探

利用Penman-Monteith公式和干燥度指数公式,计算并分析了青藏高原65个气象站1972-2011年间记录的气候变化趋势,同时在总结国内外有关气候变化对青藏高原水环境各要素影响研究的基础上,通过简单线性相关统计方法,分析了研究区域气候变化与水环境变化的相关性。结果表明：（1）青藏高原整体升温显著,降水显著增加,最大可能蒸散（ET₀）显著降低,暖湿化趋势显著;高原北部和西部降水显著增加、ET₀显著降低、干燥度指数显著下降,东部和南部ET₀显著降低、干燥度指数显著下降;（2）受升温影响,青藏高原的冰川消融,尤以东部地区变化显著;湖泊因其补给条件不同而分别呈现出扩张、萎缩和基本稳定3种状态,总体上,高原西部的湖泊以扩张为主,东部的湖泊基本稳定,而萎缩的湖泊分布较为分散。水环境的改变对于高原区水循环过程及生态系统都将产生重要影响。     

Qinghai-Tibet Expressway experimental research

As one part of the National Highway Network Planning in China, the Qinghai-Tibet Expressway （QTE） from Golmud to Lhasa will be built in the interior of the Qinghai-Tibet Plateau （QTP） across about 630 km of permafrost lands. Due to the problematic interactions between the engineering foundations and permafrost, the frozen-soil roadbed of the QTE will be subjected to the more intense thermal disturbances due to the wider black surface. The design and construction for long-term thermal and mechanical stability will face more severe challenges than those in ordinary highways and railways in the same region. In order to provide scientific support for cold regions engineering practices, the QTE Experimental Demonstration Project （EDP） was constructed in situ in the vicinity of the Beilu＇he Permafrost Station in the interior of the QTP. In this paper, the anticipated problems of the proposed QTE project are enumerated, and the structures of the test sections for QTE EDP are described. Through numerical simulations, it was found that the heat transfer processes occurring in each specific road structure are significantly different. The heat accumulation in the highway embankment is mainly due to the black bituminous pavement, but in the railway embankment with its gravel surfaces, it mainly comes from the side slopes. As a result, the net heat accumulation of the highway embankment is three times higher than that in the railway. In expressway, the heat accumulation is further increased because of the wider pavement so that significantly more heat will be accumulated in the roadbed beneath the centerline area. Thus, the thermal stability of the fro- zen-soil roadbed and the underlying permafrost of the QTE can be seriously threatened without proper engineering measures protection against thawing. Based on research and practical experiences from the operating Qinghai-Tibet Railway （QTR） and the Qinghai-Tibet Highway （QTH）, combined with the predicted characteristics of heat transfer in an expressway embankment, nine kinds of engineering measures for mitigating the thaw settlement of foundation soils through the cooling the roadbed soils were built and are being tested in the EDP. The design of the monitoring system for the EDP and the observed parameters were also described.