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。     

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.     

末次冰期以来中国季风区西北边缘沙漠演化研究

我国季风区西北边缘的沙漠是全球中纬度敏感带的重要组成部分.本文选取区内的毛乌素沙地、共和沙地和腾格里沙漠,通过对末次冰期以来地层年代学、沉积相和地层空间分布的研究,重点探讨了末次冰期和全新世时期两个特征时段的沙漠演化.其中末次冰期是沙漠的持续发展、扩张期,奠定了沙漠的空间格局;全新世早期沙漠总体趋于固定、缩小,中期沙漠大部处于固定、缩小状态,晚期沙漠有所扩大,但未达到末次冰期的最大规模.     

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。     

青藏高原末次盛冰期和全新世大暖期多年冻土边界变化的探讨

位于中低纬的青藏高原多年冻土是第四纪高原隆升和冰期气候叠加的产物,与高纬多年冻土相比,具有厚度薄和不稳定的特点,对全球变化反应敏感.因此,评价冰期-间冰期多年冻土扩张-收缩过程和其范围重建,是研究高原环境变化的重要工作.本文依据青藏高原及周边地区温度数据和《中国冰川冻土沙漠图》,对青藏高原现代大片多年冻土、岛状多年冻土和高山多年冻土分布进行恢复.依据来自冰川、冰缘和湖泊等证据,采用末次盛冰期气温较现代低7℃,全新世大暖期气温较现代高4℃,进行末次盛冰期和全新世大暖期多年冻土分布重建.重建结果表明:末次盛冰期多年冻土扩张明显,面积约为现代冻土面积的195％;末次盛冰期大片多年冻土几乎覆盖整个高原,岛状多年冻土向东扩张明显,向西范围逐渐收缩变窄,高山多年冻土在喜马拉雅山、祁连山和横断山脉等地区扩张明显.全新世大暖期多年冻土明显收缩,面积是现代多年冻土的73％;大片多年冻土收缩幅度较小,岛状多年冻土在高原东南部收缩明显,高山多年冻土在喜马拉雅山脉、祁连山脉、横断山脉等高海拔山地发育.     

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。     

河西走廊地区路基阴阳坡效应及合理高度分析

河西走廊是丝绸之路的咽喉,区域内季节冻土路基的稳定性对亚欧大陆运输通道有重要影响。以张掖地区季节冻土路基为例,基于传热学及弹塑性变形理论探讨了路基在阴阳坡效应下的地温和变形分布;通过比较路基最大冻结深度到地下水位的距离与毛细水最大上升高度,得到河西走廊地区路基合理高度的确定方法及拟合公式,来表示其与地下水位以及年平均气温的相互关系。结果表明：张掖地区路基阴阳坡效应明显,阴坡冻结时间比阳坡长2个月;1月阴阳坡的温差最大,达到3℃;2月,路基的竖向最大位移达到26 mm,横向位移差达到6 mm;路基合理高度随年平均气温的升高而逐渐降低,随地下水位的增加而逐渐变大,其随年平均气温的变化幅度小于地下水。该研究可定性分析路基合理高度与年平均气温、地下水位的关系,为河西走廊地区定量计算路基高度提供理论参考。     

祁连山黑河中上游季节冻土年际变化特征分析

研究祁连山黑河中上游地区季节冻土的变化特征,对合理预测该区气候变化有重要的指导意义.利用1994—2009年祁连山黑河中上游地区3个气象站常年监测的冻土资料及气象资料,对黑河中上游地区的温度变化、季节冻土最大冻结深度年变化、年平均气温与年冻土最大冻结深度的关系、季节冻土的年冻结与消融规律等内容进行了分析.结果表明：气温...     

巴丹吉林沙漠地下水与湖泊的相互作用

巴丹吉林沙漠以其独特的沙丘湖泊景观而受到关注。地下水对湖泊的强烈蒸散耗水起到了支撑作用,而湖泊群的存在反过来也会影响该沙漠的区域地下水循环模式。在区域尺度上,银根-额济纳旗中生代盆地对巴丹吉林沙漠的水文地质特征具有控制作用。通过水文地质调查和典型湖泊的综合观测,表明沙漠湖水的年蒸发量可以达到1 200~1 550 mm,盐湖形成时间达到千年尺度,本地降水入渗形成的浅层地下水和来自沙漠周边地区的深层地下水对湖水都有贡献。地下水总体上自东向西流动并受到湖泊群的干扰,形成了局部地下水系统与区域地下水系统的嵌套结构。越靠近沙漠东侧,区域侧向径流对湖泊的补给贡献越大,反之则浅层地下水循环对湖泊的补给贡献更大。     

末次盛冰期和全新世大暖期中国季风区西北缘沙漠空间格局重建初探

通过实际考察和总结分析位于中国季风区西北缘的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠以及共和沙地的地层年代资料,初步确定这些沙漠/沙地在末次盛冰期和全新世大暖期的空间范围.结果发现,在末次盛冰期腾格里沙漠扩张到了香山北麓和祁连山北麓,东至贺兰山前,向西覆盖了整个民勤盆地,面积至少扩大了28.8％:巴丹吉林沙漠南到北大山,东至雅布赖山,北部覆盖了整个额济纳盆地,面积扩大了39.0％;共和盆地沙地流沙面积至少扩大了19.8％.在全新世大暖期,腾格里沙漠南部边界向北退缩了20km左右,共和盆地沙地流沙大范围固定成壤.     

Groundwater characteristics and climate and ecological evolution in the Badain Jaran Desert in the southwest Mongolian Plateau

The Badain Jaran Desert is the third largest desert in China, covering an area of 50000 km². It lies in Northwest China, where the arid and rainless natural environment has a great impact on the climate, environment, and human living conditions. Based on the results of 1∶250000 regional hydrogeological surveys and previous researches, this study systematically investigates the circulation characteristics and resource properties of the groundwater as well as the evolution of the climate and ecological environment since the Quaternary in the Badain Jaran Desert by means of geophysical exploration, hydrogeological drilling, hydrogeochemistry, and isotopic tracing. The results are as follows. (1) The groundwater in the Badain Jaran Desert is mainly recharged through the infiltration of local precipitation and has poor renewability. The groundwater recharge in the desert was calculated to be 1.8684×10⁸ m³/a using the water balance method. (2) The Badain Jaran Desert has experienced four humid stages since the Quaternary, namely MIS 13-15, MIS 5, MIS 3, and the Early–Middle Holocene, but the climate in the desert has shown a trend towards aridity overall. The average annual temperature in the Badain Jaran Desert has significantly increased in the past 50 years. In detail, it has increased by about 2.5°C, with a higher rate in the south than in the north. Meanwhile, the precipitation amount has shown high spatial variability and the climate has shown a warming-drying trend in the past 50 years. (3) The lakes in the hinterland of the Badain Jaran Desert continuously shrank during 1973–2015. However, the vegetation communities maintained a highly natural distribution during 2000–2016, with the vegetation cover has increased overall. Accordingly, the Badain Jaran Desert did not show any notable expansion in that period. This study deepens the understanding of groundwater circulation and the climate and ecological evolution in the Badain Jaran Desert. It will provide a scientific basis for the rational exploitation of the groundwater resources and the ecological protection and restoration in the Badain Jaran Desert.© 2021 China Geology Editorial Office.     

内蒙巴丹吉林沙漠成因的粒度分析和热发光测年新证据

巴丹吉林沙漠位于中国内蒙古自治区的西部,是中国第三大沙漠。过去通常认为该沙漠中沙丘的可能沙源来自附近的各种沉积物和岩石,包括弱水河扇的沉积物,弱固结的二叠纪页岩、白垩纪砂岩和砾岩以及戈壁阿尔泰的古老岩石。根据对风成砂的粒度观测,有证据表明在沙漠内部的风成砂沉积朝东南方向具有较弱的但又确实的变细趋势。这与沙丘横脊线的SW-NE向排列以及坡面的南东指向是一致的。因此,可以认为西北部的弱水河冲积扇是巴丹吉林沙漠风成砂的最可能的沙源。在西北部风成床沙覆盖了较老弱水河扇起源的冲积物。这种沉积物的热发光测年范围在190～100 ka BP之间。由于测量中对沉积物漂白可能不完全以及对其中平均古水含量估算均存在不确定性,同时由于对沙漠该地区风成作用开始之前堆积的沉积物进行了测年,这一数据范围代表了最大的年龄。另外三个风成砂测年结果分别接近133.66和22 ka,代表有关巴丹吉林沙漠西北部风成作用开始的最小年龄。沙漠的沙丘高度平均为200～300m,但在东南部偶尔可达450m。一些学者曾提出风成床沙覆盖了一个陡峭岛山突起的假说,来解释这些异常的空间。本次研究发现,在研究区之下是一个产状水平的白垩纪扇砾岩和砂岩的台地,可以断定在沙漠东南部呈现台地地貌,但进一步向北该台地明显延伸到这些沙丘之下。因此现在可以认为巴丹吉林沙漠中高的沙丘是不同区域气候和地貌因素相互作用的结果,而不是覆盖一个陡峭的岛山突起。对弱水河冲积扇作为巴丹吉林沙漠的主要源区的证实强调区域环境的重要性。在全新世,沿河流的绿洲植被在某种程度上阻碍了冲积扇提供沙源。现在,河西走廊的农业用水量极大地危及沿河森林,因此沿着作为天然拦沙阱的弱水河,维持足够的河水流量来保护区域性密集的沙丘植被,一定会避免具有重大威胁的沙的活动性增加。     

Geochemical Information Indicating the Water Recharge to Lakes and Immovable Megadunes in the Badain Jaran Desert

1 Introduction The Badain Jaran Desert, located in western Inner Mongolia, China, has a unique landscape containing 144 lakes (72 of which are still watery) with a total water area of about 23 km2, and the world’s highest stationary sand dunes with a height between 200 m and 500 m. Much attention has been paid to the water recharge of the desert in the past decade. Investigations on the resources of water system there have been performed continuously since the early 1990s, which lead to th…     

巴丹吉林沙漠降水稳定同位素特征与水汽再循环

了解沙漠降水稳定同位素特征,有助于研究干旱区水循环过程.根据2015-2016年取自巴丹吉林沙漠4个站点的降水样品,分析了δ2H、δ18O的时空分布特征及影响因素;借助后向气团轨迹模型分析了降水水汽来源;采用氘盈余模型计算了水汽再循环比.结果显示,降水δ2H、δ18O均表现出季节效应,夏高冬低;沙漠腹地较外围山区δ2H、δ18O偏正,d-excess偏负,反映出腹地降水的蒸发程度更高.年内降水主要来自西风水汽,夏季部分受东南季风影响.沙漠湖泊区再循环比为10.3%~10.9%,略大于山区的8.5%;再循环水汽在总蒸发量中占比11.1%,反映出沙漠强烈的蒸发对本地降水的贡献较为有限.      

中国北方风沙沉积物气候代用指标对比研究

在浑善达克沙地和巴丹吉林沙漠各选择近NS走向的大断面采集表层样品,用筛析法对样品进行粒度分析,用Eijkelkamp碳酸钙测定仪测定其碳酸钙含量。两地沙质沉积物的粒度参数对比结果显示,巴丹吉林沙漠沙总体上比浑善达克沙地沙粗,分选性比浑善达克沙地沙好,同时在粒度分布频率曲线上表现出明显的双峰,这应与其地处冬夏季风交替地带、冬季风和夏季风搬运营力上的差别有关。巴丹吉林沙漠和浑善达克沙地沙质沉积物粒度参数上的差别反映了两地不同的风动力条件和下垫面性质。浑善达克沙地的沙粒较细在一定程度上也与该地区较湿润条件下的成土作用有关。气候差异应是导致两地沙质沉积物粒度参数区别的主导因素。碳酸钙测量结果说明,浑善达克沙地的碳酸钙含量明显低于巴丹吉林沙漠。巴丹吉林沙漠沙的碳酸钙含量从北往南呈增加趋势,与该地区年降水量的南北方向变化相一致。从对这两个地区沙质沉积物的碳酸钙含量对比中可以看出,即使在干旱背景下,当多年平均降雨量达到一定临界值时,地表碳酸钙含量将达到一最大值,随后则呈降低趋势     

巴丹吉林沙漠南缘冲洪积物的光释光年代及其水文学意义

冲洪积物是古气候和古水文信息的重要记录,为了探讨巴丹吉林沙漠南缘地区全新世气候环境及其对区域地下水的影响,对沙漠南缘的水成沉积物进行了沉积学分析和光释光年代学测试,结果表明本文研究的两个沙漠南缘沉积剖面分别为全新世中期（6.6~5.2 ka）的间歇性河流沉积和暂时性流水形成的洪泛沉积.基于前人全新世中期沙漠中湖泊水位、气候环境重建,以及本文研究的冲洪积物的沉积特征与年代,表明在气候湿润的地质时期巴丹吉林沙漠南缘及山区的区域降水形成暂时性洪流和/或间歇性河流会对沙漠地区地下水进行补给.      

巴丹吉林沙漠腹地降水特征的初步分析

利用巴丹吉林沙漠腹地定位观测的降水数据,结合其外围南缘、东南缘、北缘和西北缘4个气象站同期降水资料,分析了沙漠腹地的降水特征以及高大沙山对降水的影响,比较了沙漠腹地与外围降水量的差异。结果表明,沙漠腹地降水以小雨为主,且一般在1～2 h内结束。沙漠腹地与外围的降水在季节分布上有较好的一致性,观测期间腹地的年降水量少于南缘阿拉善右旗气象站,但明显多于东南缘、北缘和西北缘。沙漠腹地降水的季节变率很大,年降水量往往由某些集中降水日决定,具有高度集中性。腹地的高大沙山对降水有一定影响,沙山顶部年降水量和年降水日数皆略多于丘间地,较长的单次降水过程之持续时间及累积降水量亦有类似特征。强降水事件发生时,沙漠腹地在16.8 km的空间距离上有"斑块"现象。日降水量的相关距离分析显示,夏半年日降水量空间相关性随距离的增大而明显减小;冬半年因多冷锋降水而使其日降水量在约50 km空间尺度上仍有较好的相关性,50 km以外相关性则显著减小。     

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.     

应用环境示踪剂探讨巴丹吉林沙漠及古日乃绿洲地下水补给

巴丹吉林沙漠位于我国西北部的阿拉善高原。近年来,许多中外学者应用天然水样及土壤水分的水化学、同位素等技术手段研究了该地区地下水补给及环境演化。基于这些研究,试图给出巴丹吉林沙漠和古日乃绿洲一个完整的二维地下水系统概念模型。巴丹吉林沙漠地下水在浅埋区和出露区蒸发,同时接受少量当地降水补给,其最终的排泄区是古日乃绿洲。巴丹吉林沙漠地下水垂向补给微弱,地下水很可能是更新世晚期至全新世早期周边的雅布赖山区降水径流及发源于祁连山的河流古河道补给的古水。在全新世中-晚期,地下水得到有限的降水补给,并且经受蒸发作用。随着千年尺度的气候转型,两千年以来,巴丹吉林沙漠干旱化加剧,正在经历地下水位下降、湖泊绿洲逐渐萎缩消亡的过程。     

巴丹东、西湖地貌演化及其对湖泊水体特征的影响

巴丹湖区位于巴丹吉林沙漠的东南缘,发育很多被纵向沙垄一分为二、水体化学特征悬殊的双湖系统。前人对此类湖泊成因及风成地貌过程如何影响湖泊水文特征缺乏系统的研究。通过对沙漠东南缘局部风向和巴丹东、西湖湖盆形态的分析反演湖区的地貌演化,从而对湖泊水化学等特征的差异进行解释。水化学测试结果显示：巴丹东湖湖水的TDS为15 g/L左右,为微咸水;西湖的TDS是东湖的上百倍,为盐水。Google Earth遥感影像和DEM反映出巴丹吉林沙漠盛行NW风,东南缘风向及风力多变;巴丹东湖湖盆深于西湖湖盆。反演了巴丹湖地貌演化的3个阶段：(1)月牙湖形成阶段,即巴丹湖的形成阶段;(2)双湖系统形成阶段,气候干旱使湖泊水位降低、湖盆出露,在NW定向风作用下,新的新月形沙丘形成于湖盆上,将其分割从而导致巴丹东湖湖盆遭受风蚀;(3)纵向沙垄形成阶段,由于局部风向的改变,新月形沙丘在SW向风力作用下往NE向不断延伸,并转变成纵向沙垄。综合分析认为：气候变化是风成地貌演化的驱动力,多次风向的改变产生了湖盆地形西高东低的差异,导致东湖接受的浅层地下水补给大于西湖;当气候变得暖湿时,水位上升致两湖水体连通,由于东湖水位高于西湖,使东湖盐分释放、西湖盐分积累。因此,受地貌演化的影响,巴丹东、西湖形成了悬殊的盐度特征。