青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础长期热稳定性预测研究北大核心CSCD

对于冻土工程而言, 基础热稳定性是决定工程稳定性及服役性能的关键. 为预测±400 kV青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础的长期热稳定性, 建立了考虑相变问题的二维数值传热分析模型, 应用有限元方法研究了气候变暖背景下, 不同年平均地温、不同含冰量条件下灌注桩基础传热特性和长期热稳定性. 结果表明： 单桩对周围土体的热影响范围是桩径的4~5倍, 桩基周围融化深度随时间推移而增大, 在低含冰量的高温和低温冻土区桩基50 a后最大融化深度分别为6.65 m和3.05 m, 所对应的冻土上限平均融化速率分别为9.5 cm·a-1和3.6 cm·a-1;在高含冰量的高温和低温冻土区50 a后最大融化深度分别为5.25 m和2.77 m, 其冻土上限平均融化速率分别为6.7 cm·a-1和2.0 cm·a-1. 在气候变暖背景下, 桩基上部周围冻土逐渐升温、融化, 50 a后, 在低含冰量的高温冻土区桩基由于融化深度增大导致有效冻结长度减少28%, 在高含冰量的高温冻土区桩基的有效冻结长度减少15%, 桩侧冻结力随之相应减小. 该研究对于冻土区桩基长度设计、桩基工程的维护和冻土稳定性评价提供了重要的科学依据.     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

古环境证据表明海冰消退加剧冻土消融

正近几十年来,北极圈夏季海冰的面积在持续快速下降,同时伴随着海冰的厚度逐渐减薄以及开放海洋面积的扩大。曾有预言,到本世纪中期夏季北极圈海冰可能完全融化。假如北极海冰完全融化,势必给全球气候系统带来严重的后果,比如造成冻土的加速消融。冻土在消融过程中会释放大量温室气体到大气中,进而加剧全球气候的波动,对气候变化起到正反馈,加速全球气候变暖。另外,冻土的消融往往会给全球地形地貌特征带来严重危害,如喀斯特地貌加速退化,海岸侵蚀作用加强,土壤结构     

青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化。本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征。同时,系统梳理了青藏高原冻土工程防治冻土融化的工程技术措施,讨论了未来气候变暖下青藏高原多年冻土的变化特征及其对冻土工程服役性的影响。青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,工程作用加速了工程下部多年冻土退化,严重影响工程稳定性。青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的技术措施,但冻土工程仅能适应气候变暖1 ℃的情况。未来气候变暖1.5 ℃,青藏铁路冻土工程的补强措施需尽早谋划。     

1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析

对新疆41 a(1961/1962-2001/2002年)冬季平均冻土深度、最大冻土深度、土壤10 cm深度封冻时段资料分析表明,随着全疆气候的变暖,各地的平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短.尤其是1986年以后,暖湿化特征十分明显,冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南、北疆分别在1982/1983年和1986/1987年冬季发生了明显的突变.     

新疆开都河流域季节性冻土特征的控制和影响因子分析

全球变暖使季节性冻土范围逐渐缩小,而季节性冻土对春季径流,尤其是春季洪峰的影响使得该方面的研究更为重要。为了分析季节性冻土广泛分布的山区不同海拔高度条件下季节性冻土发育和融化期影响因子的差异,采用通径分析方法对开都河流域不同海拔高度季节性冻土最大冻结深度和解冻日数的影响因子进行了分析。结果表明,不同海拔高度这两者的影响因子差异不大,但其控制因子存在差异。季节性冻土最大冻结深度的控制因子由低海拔处的负积温和最大积雪深度转为中高海拔处的平均相对湿度;解冻日数的控制因子由低海拔处的平均风速和最大冻结深度转变为高海拔处的平均相对湿度。该差异主要由不同海拔高度的地理位置和局地气候条件等决定。     

周期温度边界条件下一维融化固结特性研究

在周期温度边界条件下,冻土呈现出与常温边界不同的融化固结特性. 基于融化固结理论提出了一种适用于周期温度边界条件下融化固结计算的数值模拟方法,并通过试验验证了该方法的有效性. 通过对比分析试验及数值结果表明,提出的数值方法能够很好地描述周期温度边界条件下冻土的融化固结特性. 同时,融化深度和变形均随时间呈现出阶梯型的变化趋势. 这是周期温度边界下土体融化固结行为最显著的特点. 随着冻融次数的增加,融化深度和变形均趋近于常温边界条件下的结果,这表明若干个冻融循环后周期温度边界对融化固结行为的影响将逐渐消失.     

THE RESPONSE OF RIVER DISCHARGE TO CLIMATE WARMING IN COLD REGION OVER CHINA

文章总结了近期我国冰冻圈变化对水文过程影响研究的主要成果.研究表明,过去50年全球变暖已经对我国主要寒区河流径流产生了影响.实测资料和模拟结果均表明气候变暖导致冰川径流的显著增加,但未来气候变暖导致的冰川径流峰值大小和出现时间取决于冰川规模和升温速率.同时冰川融化加剧已经导致青藏高原冰川补给湖泊面积扩大、水位上升,随着气温的变暖,冰川减薄后退、冰川融水增多、冰湖库容增加,结果是洪水总量在不断增大,洪水频率也在不断增加;气候变暖已经导致融雪径流过程提前,改变了径流的年内分配;冻土退化使径流年内过程趋于平缓,主要是由于随着冻土退化,冻土的隔水作用减小,一方面使冻土区地表径流减少,有更多的地表水人渗变成地下水,使流域地下水水库的储水量加大,导致冬季径流增加;另一方面,入渗区域的加大和活动层的加厚,使流域地下水库库容增加,使流域退水过程更为缓慢.     

积雪和有机质土对青藏高原冻土活动层的影响

随着全球气候变暖,青藏高原冻土活动层正在逐渐加深,为了理解积雪和表层有机质土壤对冻土活动层的影响机理,一维水热耦合模型CoupModel被用于模拟气象驱动下土壤冻融的动态过程.基于祁连山冰沟和青藏高原唐古拉站长期监测数据,CoupModel模型被成功的率定和验证.在冰沟站验证的模型被用于研究积雪对冻土活动层的影响,结果显示:目前较浅积雪情景(雪深＜20 cm)比完全忽略积雪的情景模拟的冬季土壤冻结深度深,说明青藏高原现状下较浅的积雪有利于冻土发育.原因是雪面较高的反照率造成地表吸收的太阳辐射减少,导致雪面温度较低,加之浅雪的阻热性能又较小,综合导致浅雪覆盖时表层土壤向大气释放的能量增加.但随着积雪深度逐渐增加,模拟的冬季土壤冻结深度反而越来越浅,说明较厚的积雪(＞20 cm的雪深)并不利于冻土的发育,主要是雪相对于空气低的热传导隔绝了表层土壤向大气的热损失.在唐古拉站验证的模型被用于研究有机质土对冻土活动层的影响,结果显示:随着有机质土壤深度增加,模拟的活动层夏季融化深度逐渐较小.有机质土壤较矿物质土壤低的热传导和高的热容性质减少了下伏土壤热状况对太阳辐射和气温波动的响应,说明有机质土有利于冻土的保护.     

高温多年冻土区冻土地基预先融化技术研究现状及展望

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.     

冻土-气候关系模型评述

冻土-气候关系模型是目前冻土学领域的研究热点,评述了冻土对气候系统的响应模型以及陆面过程模型中的各种冻土参数化方案.建立在传热学基础上的物理模型具有动态性、普适性的优点,适合于冻土工程计算,当把它们推广到面上时,需要对其进行简化.经验模型大都只使用有限的变量,与地理信息系统结合紧密,因此模型具有空间性,较为适合于冻土制图.陆面过程模型中的冻土参数化目前有3类方法:1)限定或修正水热参数;2)比较单位土层中耗热或放热量与可耗热或可放热量而计算产冰率;3)使用土壤基质势定义土壤冻结后的未冻水含量.现有的陆面过程模型中的冻土参数化方案需要进一步的改进.     

2012-2016年基于文献计量的全球冻土研究发展态势分析

冻土是冰冻圈的重要组成部分,其对全球变暖敏感且对工程稳定性影响显著,近年来全球科学家更多地关注这一研究领域。作为世界冻土大区的中国,对冻土学科的发展和动态尤其重视。本文基于文献计量的方法,对近五年（2012-2016）冻土学领域发表的SCI（E）/CPCI收录论文进行统计分析,得到该领域在全球的研究力量分布。同时,分别从冻土工程、冻土力学、冻土环境、冻土物理这四个方向加以区分,得到其不同机构与科学家论文发表情况。从论文产出的角度,宏观地反映了冻土科学在这五年中的发展脉络与国际影响力。这一工作可为全面了解近期该领域的研究发展动态提供数据参考。     

1990-2014年西藏季节冻土最大冻结深度的时空变化

最大冻结深度是季节冻土变化的主要指标,也是季节冻土地区工程设计、建设、运营的重要参数。通过斯蒂芬（Stefan）方法计算了1990-2014年西藏地区季节冻土的最大冻结深度,分析了其时空变化特征,结果表明：近25 a西藏地区季节冻土最大冻结深度在空间分布具有垂直分带性、纬度地带性和区域性等规律,基本上呈自西北向东南方向递减的空间分布特征;时间上,在全球气候变暖的背景下,最大冻结深度基本呈逐年减薄的特征。西藏地区季节冻土最大冻结深度与年平均气温和年降水量呈现负相关,随着年平均气温和年降水量的上升,最大冻结深度呈减小的趋势,且最大冻结深度对年平均气温的响应比对年降水量的响应显著。     

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

寒区渠基黏土热参数最优概率分布

为分析寒区渠基黏土热参数的随机分布特征及概率分布模型,以寒区渠基黏土的导热系数为样本,结合经典分布拟合法、多项式逼近法、最大熵法和正态信息扩散法,分别对寒区渠基黏土热参数的概率分布规律进行了研究。首先通过分析热参数的离散性,并比较概率分布曲线、拟合检验值和累计概率分布值,对不同方法描述热参数随机性的优劣进行了评价;然后,基于寒区渠基黏土热学参数对温度的敏感性,提出了一个可以达到理想拟合精度的寒区渠基黏土热参数概率推断的区间取值标准。研究结果表明：寒区渠基黏土的热参数具有随机变量的特征;正态信息扩散法可以描述热参数样本的随机波动性;在4种方法中,正态信息扩散法的拟合精度最高。使用3.5σ法,将[μ-3.5σ,μ+3.5σ]（μ为随机变量的均值,σ为标准差）作为概率函数推断时的取值区间,同时考虑偏度的影响,可使得累计概率值达到1.000 0的精度,能够较准确地推断热参数的概率分布函数。     

祁连山区黑河流域季节冻土时空变化研究

季节冻土的时空变化对地—气水热交换、地表能量平衡、地表水文过程、生态系统及碳循环等有着非常重要的影响.利用黑河流域11个气象站40多年的气温数据和5 cm深度处的土壤温度数据,建立了月平均气温与土壤冻结天数之间的关系.同时应用月平均气温与冻结天数的相关关系和5 km网格化月平均气温及30 m分辨率的DEM数据,编制了黑河流域逐月季节冻土分布图,并按其空间分布特征,将逐月地表冻融状态划分为:完全冻结、不完全冻结和不冻结3种.系统研究了黑河流域2000-2009年逐月季节冻土分布及冻结概率的时空变化特征.在季节分配上,黑河流域完全冻结面积最大值出现在1月;不完全冻结面积最大值在11月;而不冻结面积最大值在6月和7月.在年际变化上,完全冻结状态的离差值在冷季变化大,暖季变化小;不完全冻结状态在一年的回暖期和降温初期,年际变化较大;不冻结状态分别在4月和10月变化较大.冻结概率在1月达到最大值,6月和7月降低到最小值.在空间分布上,黑河流域季节冻土的逐月分布与变化和冻结概率主要受海拔高度控制,纬度的影响次之.     

被动微波遥感近地表土壤冻融状态数据产品对比及分析

近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的“开关”,对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响。除了依靠传统观测手段判别地表冻融,被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中。利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三个主要过程,并基于不同的算法针对不同目的分别发布了不同地区、不同时间序列的近地表土壤冻融数据集。以中国气象局435个气象台站观测的0 cm土壤温度为标准,对比分析了基于目前较为通用的双指标算法、单指标算法、决策树算法和判别式算法建立的近地表土壤冻融数据集的分类结果。结果表明：单指标算法数据集冻结指标的平均值与观测资料最接近,其偏差和均方根误差最小,而决策树算法由于全局采用单一的37 GHz垂直极化亮温阈值,低估了地表冻结,导致偏差和均方根误差最大。近地表土壤冻融数据集和观测资料均表明随着全球变暖,近地表土壤呈冻结首日推迟、冻结终日提前和冻结天数减少的趋势。通过对不同冻融数据集的比较研究,为未来被动微波卫星遥感算法改进、近地表土壤冻融数据的合理使用提供了可靠的科学依据。     

1980-2017年青海省玉树地区季节冻土变化对气候变暖的响应

利用玉树地区5个气象台站1980-2017年逐月温度和最大冻土深度资料,采用线性趋势、相关及主成分分析等统计方法,对玉树地区最大季节冻土深度在气候变暖背景下的变化规律进行了详细探讨,在分析冻土深度与气温及地表温度变化关系的基础上给出最大冻土深度对温度变化的响应模型。结果表明：1980-2017年玉树地区最大冻土深度以10 cm·（10a）^-1速率呈显著下降趋势,年代际间变化则表现出“减-增-减-增”波动特征,年内对温度变化的响应在时间上存在一定滞后性;最大冻土深度空间分布呈“西北高、东南低”且具有明显的垂直地带性分布;温度变化对局地季节性冻土的影响有一定差异性,除平均最高地温外其余各温度因子与最大冻土深度变化具有良好的一致性,对冻土影响最大的是平均地温,其次为平均最低气温和平均气温,季节性冻土对气温变暖的响应呈现为退化状态。最大冻土深度变化的温度影响因子主成分回归表明,近年来气温和地温的显著升高是玉树地区冻土退化的最大驱动力,响应模型对估算玉树地区未来最大冻土深度的变化具有较高的可信度。     

地表冻融过程被动微波遥感机理研究进展

地表冻融过程及参数特征是陆表过程、气候模式、全球变化等研究的重要方面。被动微波遥感由于具有对土壤水分敏感、高时间分辨率等特点,非常适合用于地表冻融过程的监测和相关参数的反演。在分析地表冻融过程被动微波遥感机理研究发展现状的基础上,面向全球范围内大尺度陆表冻融过程微波遥感算法发展的需求,针对由土壤、积雪和植被组合的复杂地...