1961-2010年新疆季节性最大冻土深度对冬季负积温的响应

基于新疆96个气象站1961-2010年的逐日平均气温和冻土深度资料,使用线性趋势分析、Mann-Kendall检测以及基于ArcGIS的混合插值法,对新疆冬季负积温和季节性最大冻土深度的时空变化及其相互关系进行了分析. 结果表明：50 a来,新疆冬季负积温绝对值总体以51.5 ℃·d·(10a)^-1的倾向率减少,并于1985年发生了突变. 受其影响,最大冻土深度以-3.5 cm·(10a)^-1的倾向率减小,也于1988年发生了突变. 就全疆平均而言,1961-2010年,负积温每减少100 ℃·d,最大冻土深度将减小4.6 cm.但这种影响区域性差异显著,最大冻土深度减小量呈现"南疆小,北疆和天山山区大"的格局.南疆大部最大冻土深度对负积温变化的响应相对较敏感,一般为-3.0~-12.7 cm·(100℃·d)^-1;北疆和天山山区响应的敏感性较小,多为0.0~-4.9 cm·(100℃·d)^-1,其成因很可能是北疆和天山山区冬季积雪较南疆厚,较厚的积雪所具有的低导热性和较大的容积热容减小了气候变暖对冻土热状况的影响.负积温减少、最大冻土深度变浅将改变土壤的水热物理性状,加剧土壤干化、草场退化以及土地的荒漠化,对新疆脆弱的生态环境产生更加不利的影响.因此,应根据最大冻土深度对负积温变化响应的实际,采取趋利避害的技术措施积极应对.     

1961-2010年西藏季节性冻土对气候变化的响应

利用西藏1961-2010年17个站点最大冻土深度、 土壤解冻日期等资料, 采用气候倾向率、 累积距平、 信噪比和R/S分析等方法, 分析了近50 a西藏季节性冻土的年际和年代际变化特征, 预估了未来50 a和100 a最大冻土深度变化. 结果表明: 近50 a林芝最大冻土深度以1.4 cm·(10a)^-1的速度增大, 其他站点均呈减小趋势, 为-0.7~-21.3 cm·(10a)^-1, 以那曲减幅最大. 近30 a来大部分站点最大冻土深度减幅更大, 为-0.92~-37.2 cm·(10a)^-1, 并随着海拔升高, 最大冻土深度减幅在加大. 近40 a来当雄、 江孜和林芝土壤解冻日期表现为推迟趋势, 为2.1~5.2 d·(10a)^-1, 其他站点呈提早趋势, 平均每10 a提早1.8~12.7 d. 在10 a际尺度变化上, 近40 a大部分站点年最大冻土深度呈逐年代变浅趋势, 土壤解冻日趋于提早. 那曲、 安多和泽当年最大冻土深度分别在1984、 1987年和1979年发生了突变, 从一个相对偏深期跃变为一个相对偏浅期. 近40 a来各站点年最大冻土深度的Hurst值均大于0.5, 说明未来大部分站点年最大冻土深度仍将变薄. 如果未来气候按升温率0.044 ℃·a^-1变化, 50 a后西藏最大冻土深度减小1.1~77.3 cm, 未来100 a可能减小1.2~91.4 cm; 气候按升温率0.052 ℃·a^-1变化, 50 a后最大冻土深度减小2.1~155 cm, 未来100 a可能减小2.5~183 cm. 最大冻土深度变浅显然与气温、 地温的显著升高直接有关.     

新疆冬春季积雪及温度对冻土深度的影响分析

利用新疆64个气象台站1960-2010年的气象资料,分析了新疆50 a来冻土深度的变化趋势,并讨论了温度（平均地温、平均气温）、降水（冬春季年降水、平均积雪深度）与冻土深度（平均冻土深度、最大冻土深度）的相关关系. 结果表明：以10 a时段的年代际变化分析,新疆50 a来平均冻土深度和最大冻土深度均呈明显减小趋势. 50 a来平均冻土深度全疆、北疆、南疆分别减小了约7 cm、10 cm、4 cm,最大冻土深度则分别减小了约11 cm、16 cm、9 cm. 新疆50 a来平均气温和平均地温均呈波动上升趋势,且与冻土深度均有着良好的相关性,其与平均冻土深度的相关系数分别达到了-0.67、-0.77,与最大冻土深度的相关系数也分别达到了-0.51、-0.65,地温与气温的上升对应着冻土深度的减小. 新疆冬春季年降水与冻土深度有着较好的相关性,其与平均冻土深度、最大冻土深度的相关系数分别达到了-0.40、-0.37. 新疆的平均积雪深度与冻土深度也有着一定的弱相关,其原因与积雪对地面的保温作用有关.     

辽宁朝阳地区季节冻土最大冻土深度和持续冻结时间与气候变化的响应研究

利用辽宁省朝阳市气象站1960-2015年的最大季节冻土深度、最长连续冻结时间的起始日和终止日数据,采用小波分析方法对朝阳地区季节性冻土的年际变化特征进行分析,并探讨影响季节性冻土发育的影响因素。结果表明：朝阳地区最大冻土冻结深度存在4种尺度上的周期震荡,其周期分别为23~32 a、16~22 a、10~15 a和4~9 a。冻土年际变化的转折期发生在20世纪90年代初,表明朝阳市冬季气候转暖的时间段也发生在90年代初。通过对气温与季节性冻土冻结深度以及冻结时间的相关性分析,得出气候变暖对朝阳市季节冻土影响显著,冬季平均气温和冬季最低气温是影响朝阳市季节冻土发育的重要因素,其中冬季气温日较差对其影响尤为明显。冬季最低气温与冻土主冻期时间关系最为密切,而影响主冻期结束时间的热力因子为冬季平均最高气温。     

全球变暖背景下新疆地区近45 a来最大冻土深度变化及其突变分析

利用覆盖新疆大部分地区资料完整的93个站点资料,对1961-2005年新疆地区最大冻土深度进行了分析. 结果表明：新疆地区月最大冻土深度有明显的季节变化,低海拔区域(海拔<1 800 m)最大值出现在1月份,而高海拔区域(海拔≥1 800 m)的最大值出现在2月份,比低海拔区域要滞后. 新疆地区最大冻土深度的地理分布特征表现为北疆深于南疆,山区深于平原,且与气温的分布有很好的一致性. 全年和冬、春季最大冻土深度与气温场的空间相关系数分别为-0.795、-0.736和-0.848. 年际变化表明,近45 a来的最大冻土深度出现了较为明显的下降. 高海拔区域与低海拔区域年最大冻土深度的倾向率分别为-15.65 cm·(10a)^-1和-9.48 cm·(10a)^-1,且与气温的相关系数分别为-0.51和-0.69,均通过了0.001的信度检验. 同时发现,高海拔区域冬季下降多,而低海拔区域春季下降多. 新疆地区年最大冻土深度在近45 a有明显的突变现象,高海拔区域和低海拔区域突变发生年份分别为1996/1997年度和1978/1979年度,说明新疆地区高海拔区域的年最大冻土深度对气温变化的响应比低海拔区域要滞后. 突变年后高海拔区域与低海拔区域年最大冻土深度比突变年前的平均值分别降低了61.12 cm和26.67 cm.     

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。     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

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.     

内蒙古呼伦贝尔市地温与冻土对建筑物基础的影响

文章就地温与冻土的时空变化规律进行了详尽的分析,平均地面温度年际变化呈上升趋势。20世纪50~80年代年变化率为0.4~0.7℃、1961~1990年年变化率为0.3~0.8℃、1971~2000年年变化率为0.7~1.6℃;分区计算了融化指数和冻结指数;结合1/25万地球数据,用地理信息系统,采用非线型数学模型统计,得出该地年、四季最大冻土深度随纬度的增加而加深,随经度、高度的增加而减少,在同经度、高度下,年最大冻土深度随纬度的变化率为155cm/1°N,冬季、春季、夏季和秋季最大冻土深度随纬度的变化率分别为48cm/1°N、35cm/1°N、25cm/1°N和47cm/1°N;同时根据其对建筑物地基的影响程度,将全市冻土划分成强冻胀很深区(Ⅰ)、冻胀深区(Ⅱ)、弱冻胀较深区(Ⅲ)。并给出了各个区建筑物的基础埋深。以供选择使用。     

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.     

新疆北疆地区季节性冻土结冻过程与日积温的关系

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明:在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

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...     

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.     

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...     

海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用

海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

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。