寒区灌丛与积雪关系研究进展

在气候变化的背景下, 寒区灌丛与积雪的相互关系成为寒区水文循环研究的重要环节. 综述近几十年来寒区灌丛-积雪相互关系的国内外研究现状, 并对未来研究提出了展望. 寒区灌丛过去几十年来覆盖面积和生物量等呈现增加趋势, 灌丛的增加可截留积雪, 改变积雪重分布, 影响积雪消融过程; 积雪可增加灌丛区地温, 制约灌丛区融雪时空变化过程, 影响寒区灌丛的生理生态过程. 灌丛与积雪同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分, 二者相互作用使地面太阳辐射和地表水分分配过程复杂化, 从而间接地影响寒区冻土环境变化. 最后, 指出了未来研究需要重点关注的几个问题: 寒区灌丛区积雪分布的精确估计; 灌丛-积雪-冻土连续体的研究; 耦合灌丛-积雪作用的寒区水文模型的构建.     

寒区植被对冻土微波辐射影响的研究

理论和实验表明,微波辐射可以用来研究冻土的特性.但当冻土的上层被植被层覆盖时,植被吸收、发射并散射微波信号,冻土的微波辐射特征就会被改变.所以,研究植被层对冻土微波辐射特征的影响,对于准确获取下层冻土的微波辐射特性及冻土的变化监测极为重要.介绍了一种基于光线跟踪原理和耦合矩阵算法的微波辐射模型,用来计算植被层的发射率,可以计算得到视场内来自不同观测角度的整体发射率,以及V和H极化的相位差.根据车载双极化微波辐射计在C,X,K,Ka等4个波段的实测数据与模拟结果的比较,分别计算出来自植被层和冻土层的辐射,从而研究寒区植被对冻土的微波辐射影响.     

寒区线性工程沿线冻土区的植被恢复

寒区油气管道、公路、铁路等线性工程占地、建设和开挖对沿线寒区生态环境是一个切割、破碎的过程, 对自然植被和下伏冻土造成了很大的扰动. 管道泄露引发的油污还可引起植被的退化和死亡. 植被覆盖层破坏后改变了原有的地气界面之间的水、热交换条件和力学性质, 反过来又可加速引发下伏冻土和线性工程地基的退化. 基于保护线性工程地基及下伏冻土的目的, 同时顺应环境保护的要求, 目前就寒区线性工程的植被恢复问题已经有许多探索和实践. 当前, 寒区植被恢复注重最低限度的人为介入干预下的自然恢复, 根据线性工程沿线土壤、湿度、营养条件、物种分布和丰度, 视具体情况选择物种, 确定建植方法. 阿拉斯加管道和青藏铁路植被恢复上的经验和方法, 可为拟建的冻土区中俄输油管道项目沿线的植被恢复问题提供科学的参考和借鉴.     

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ)：模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础. 以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明：4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R²分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R²为0.72和0.93. 总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.     

东北北部冻土退化与寒区生态环境变化

我国东北地区位于中高纬度欧亚大陆东缘,大、小兴安岭多年冻土区是欧亚大陆高纬冻土区向南最突出的部位,属于高纬山地冻土.东北多年冻土区是我国,乃至全球范围内,受气候变暖和人为活动影响最显著的冻土区之一.过去40 a来该区冻土显著退化,主要表现在:1)冻土南界及不连续多年冻土各分区边界北移而导致总面积减小、空间分布破碎化;2)活动层加深,融区扩大,局地冻土岛消失;3)冻土温度升高、厚度减薄、热稳定性降低等.由于各种因素的共同影响,寒区生态环境也发生了一系列变化.这具体表现为以兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,整个北方森林带北移,沼泽湿地面积减小等,寒区生态系统和环境已出现恶性循环.关注、研究、整治和管护寒区环境对区域社会、经济和生态可持续发展不可或缺.     

冻土工程中力学问题的研究进展和思考

随着寒区工程,如青藏公路、青藏铁路、输油管道、西气东输等工程的日益增加,冻土的研究越来越深入,而力学问题是贯穿始终。本文从两个方面讨论冻土工程中力学问题的研究进展,(1)冻土受多种因素的影响,不能单一的用某一个条件解释,因此冻土水、热、力和变形的耦合问题已取得了长足的进展;(2)冻土路基受动荷载的影响非常显著,冻土的动力学性质的研究已全面开展。     

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟——在中国西北寒区的应用

中国西北高山、 高原广泛分布着冻土和积雪, 春季融雪和冻土融化是该地区重要的水文过程.基于模块化的寒区水文建模环境CRHM, 根据流域水文过程特征和观测数据约束, 选取描述不同寒区子水文过程的模块构建寒区水文模型, 并基于长期观测的两个典型寒区小流域来验证模块化的寒区水文模型.在冰沟流域, 主要模拟雪的积累/消融、 雪的升华、 融雪下渗和融雪径流过程. 结果显示: 冰沟流域积雪升华占降雪量(145.5 cm)的48%, 其中风吹雪引起的升华损失量(35 cm)占积雪升华(69 cm)的一半, 风速和辐射引起的积雪升华是该地区积雪物质平衡的重要组成; 构建的寒区水文模型可以再现春季积雪消融引起的径流过程.在左冒孔冻土流域, 主要模拟冻土下渗过程、 冻土坡面产流过程和土壤冻融对径流的影响. 结果显示: 构建的寒区水文模型可以捕捉到春季主要的冻土融化径流过程.两个流域的验证结果揭示: 模块化的建模方法在搭建模型结构的时候减少了模型的不确定性, 所以在未经率定的情况下, 具有在无资料和资料缺少地区模拟寒区水文要素和水文过程的能力.     

论冰缘寒区景观生态与景观演变过程的基本特征

冰缘区复杂多样的地域环境和分异显著的生物带谱特征,形成了高寒环境条件下特有的景观生态格局和结构。景观异质镶嵌具有三向性带谱规律,并表现出不同方向上景观过渡的渐变和突变差异,在空间上形成４种基本景观结构类型。景观嵌块以环境和干扰类型为主,景观结构简单、粗粒化。景观格局变化速度快、范围大,气候条件变化、各类冰缘作用尤其是冻土冻融条件的改变。是景观生态过程的驱动力,形成特有的冻融生态过程。     

青藏高原土壤水热过程模拟研究(Ⅰ):土壤湿度

模拟青藏高原土壤水分和热量迁移过程的连续变化对于全球变化研究具有非常重要的意义,其准确模拟是提高陆面过程模拟精度的重要条件.利用大尺度水文模型中对冻土中水分和能量平衡过程的描述,对沱沱河站点超过一年时间的土壤湿度进行了步长为1h,总时间为399d的连续模拟.与Game Tibet项目中同一时刻的土壤湿度观测资料比较的结果表明,Fuchs方程对于描述冻土中的最大未冻水含量是有效的,利用能量平衡计算获得的土壤各层的湿度与观测值相比较,其连续变化基本合理.结果表明,用该模型对高原水热过程进行长期模拟是可行的.     

青藏高原土壤水热过程模拟研究(Ⅱ):土壤温度

模拟青藏高原土壤水分和热量迁移过程的连续变化对于全球变化研究具有非常重要的意义, 其准确模拟是提高陆面过程模拟精度的重要条件. 利用大尺度水文模型对沱沱河站点以1 h为步长, 共399 d的土壤温度模拟结果与观测结果的对比表明, 土壤中共11个不同深度的观测点的模拟温度总体的变化趋势与观测值一致, 可以进行长时间的模拟. 对于地表温度, 模拟的日变化幅度比实测的变化幅度大, 但均值一致, 原因在于模型的土壤参数中没有考虑有机质含量, 在计算能量平衡时需要增加该土壤参数. 对于土壤底部的土壤温度的连续模拟表明, 采用常数的土壤下界算法和倾斜的(damping)土壤下界算法均与观测值的变化具有一定的差别, 而常数的下界算法与观测值更为接近.     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

青藏高原冬春积雪和季节冻土年际变化差异的成因分析

利用青藏高原上72个常规气象观测站的逐日积雪厚度、冻结深度、气温、降水和地表温度资料,分析了高原积雪和季节冻土年际变化差异的原因.结果表明:气温和地表温度对高原积雪和季节冻土都有重要的影响,而降水对积雪的影响很重要,但是对季节冻土的影响则比较小.高原积雪对季节冻土有较大的影响,在积雪达到一定厚度以后,积雪的保温作用会影响冻结深度的变化,积雪越厚,保温作用越强;积雪越浅,保温作用越弱,当积雪小于某一厚度时其主要起降温作用.积雪的保温作用可能是积雪与季节冻土年际变化差异的原因之一.     

工程活动下的冻土环境研究

冻土与人类活动及环境息息相关，人类工程活动能诱发冻土环境、生态环境变化和冻融灾害及工程稳定性变化，因此，人类工程活动下的冻土环境变化及冻融灾害问题已日益引起国内外冻土研究的重视。人类工程活动加快了冻融过程变化，产生了极大的负面影响。文章主要从冻土稳定性、地面敏感性评价；冻土环境与工程建筑物的稳定性及相互关系；冻土环境保护和土地合理利用；冻土区生态环境研究等四个方面评述了近年来人类工程活动对冻土环境的影响研究。     

青藏高原积雪、冻土对中国夏季降水影响研究

利用RegCM3模式,通过计算青藏高原不同积雪、冻土年的气候状况,分析了高原地区不同积雪状况下土壤冻结差异对中国夏季降水的影响及其机理.结果表明:RegCM3模式能够较好的模拟不同积雪状态下高原土壤冻结差异对中国夏季降水的影响.多雪年当高原土壤冻结较厚时,在长江流域和西北地区中部降水偏多,东北地区、华北地区、华南地区、...     

青藏高原中部冻土环境下土壤水分监测

利用2006-2007年冬季青藏高原中部那曲布交(BJ)站测量的土壤水势、未冻水含量以及土壤温度资料, 分析了冻土环境下土壤水势、 未冻水含量和土壤温度三者的关系. 结果表明: 青藏高原中部冻土环境下, 土壤水势随着土壤温度及未冻水含量的变化而变化, 土壤质地是决定土壤水势的一个重要因素;未冻水含量与土壤温度保持着动态平衡, 随着土壤温度的降低, 未冻水含量减小, 土壤水势也随之减小;20 cm处砂质壤土的未冻水含量与土壤温度呈指数函数关系, 土壤水势与未冻水含量可用二次曲线拟合, 土壤水势与土壤温度呈指数函数关系;Clausius-Clapeyron方程对于计算青藏高原中部非饱和冻土水势存在局限性.     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.     

若尔盖高原及其周围山地的冻土和环境

若尔盖高原内部年平均气温０．６～３．３℃，气温年较差１９．１～２１．２℃，已不具备多年冻土形成和保存的气候条件。据１９９２年７月间试坑和钻孔测温，在１．０～２．２ｍ深处地温为５～８．４℃，浅层地下水温６．０～７．８℃，由此判断不存在多年冻土，季节冻结深度为１．０～２．０ｍ。据冻土现象和试坑资料判断，周围山地海拔４１５０～４２００ｍ以上发育山地岛状多年冻土。区内沼泽演化表明，部分沼泽已疏干或向疏干趋势发展，草场退化和草原沙化已成为本区生态环境的重要问题，并已影响畜牧业发展