Sensitivity of thermal parameters affecting cold-region ground-temperature predictions

This study formulates a heat-flux upper boundary to model ground temperatures in the Qinghai-Tibet plateau. This model considers the impacts of the environmental conditions, e.g., air temperature, ground-surface albedo, wind speed, and solar radiation on the ground-surface heat flux and on subsequent subsurface temperature profiles. It speculates that in arid regions, neglecting the evaporation-induced heat flux does not compromise the ground-temperature predictions notably. The predicted results are validated by the observed temperature profiles at a test station on the Qinghai-Tibet plateau. A temperature-controlled upper boundary model is also utilized to simulate the ground-temperature profile and is compared to the same field-observed temperature profiles. A sensitivity study is conducted to characterize the influence of local weather conditions on the ground-temperature development. Conditions considered include mean annual air temperature, seasonal air temperature amplitude, daily air temperature variation, mean annual wind speed, seasonal wind-speed variation, and daily wind-speed fluctuation. The sensitivity study also considers effects of variations the ground-surface albedo on the ground-temperature development and on the ground thermal re-equilibrium. It finally presents the implication of this re-equilibrium on the specified initial ground-temperature profile.     

青藏高原地气温度之间的关系

应用多元线性回归分析方法,对位于40°~25°N,75°~102°E范围内的119个气象观测台站的1991—2000年平均气温和地面温度观测资料进行分析,获得了研究区域的月平均气温、地面温度与纬度、经度和海拔高度间关系的线性统计系数.统计结果和实测资料的比较以及统计分析的相关系数结果表明,高原地区的气温、地面温度和它的年较差与经度、纬度及海拔高度具有很好的相关性.应用曲线拟合方法将所得统计分析系数拟合成时间函数,就可将高原地区的气温和地面温度表示成统一的空间坐标和时间的函数.如果将已验证的1991—2000年平均地面温度与气温差统计结果作为气温与地面温度间关系的实验结果,那么,就可以解决长期困扰多年冻土预报研究中在任意已知时间和空间点上气温条件下,难以确定影响多年冻土温度状况变化上边界条件的变化这一难题.这一结果对于目前正在进行的青藏铁路冻土工程和环境预报研究具有重要意义.     

基于年平均地温的青藏高原冻土分布制图及应用

年平均地温是指多年冻土年较差为零的深度处的地温,是冻土分带划分的主要指标之一.利用青藏公路沿线钻孔实测年平均地温数据,进行回归统计分析,获取年平均地温与纬度、高程的关系,并基于该结果,结合TOPO30高程数据模拟得到整个青藏高原范围上的年平均地温分布.以年平均地温0.5℃作为多年冻土与季节冻土的界限,对比分析模拟图与青藏高原冻土图,除个别区域有较明显的差异,模拟结果图较好地体现了青藏高原冻土的分布情况.利用模拟结果,根据青藏高原多年冻土分带指标及寒区工程多年冻土区划指标,对青藏高原多年冻土分布进行了分带划分,并统计各分带面积;根据简化的冻土厚度计算公式,计算了青藏高原多年冻土的厚度分布.最后,利用数值预测方法的结果,在气候年增温0.04℃的背景下,对高原未来冻土分布进行了预测.     

3D thermal structure of the continental lithosphere beneath China and adjacent regions

Based on the Crust2.0 model and the topography data of Chinese continent and its adjacent regions, a three-dimensional finite element model is constructed in terms of the spherical coordinate system. In our numerical model, the average annual ground temperature from 195 meteorological stations and temperature of upper mantle derived from the seismic velocities are adopted as the top and bottom boundary conditions, respectively. The observed thermal conductivity and heat production from P wave velocity based on empirical formula are employed in our numerical model as well. The comparison between the calculated and observed surface heat flow proved that our results are reliable. The temperature beneath the Precambrian cratons is lower than that of other areas for 100–300 °C also. The typical temperature rang at the Moho is estimated to be 800–1000 °C beneath the Tibetan plateau and 500–700 °C beneath the Precambrian cratons (such as Indian plate, Sichuan basin, South China, North China and Tarim), respectively. The thermal state in the eastern part of Sino-Korean craton at the depth deeper than 60 km indicates that it was destructed. The thermal structure in center of Tibetan plateau (especially beneath Qiangtang area) supports the proposed flow of lower crustal or upper mantle material to the east. Generally, the distribution of volcanoes in Chinese continent is consistent with the high temperature areas in the crust or upper mantle. There are many obvious thermal transition zones across the orogenic belts. The thermal transition zone between eastern and western parts in the crust of Chinese continent is consistent with the north–south seismic zone.     

青藏铁路清水河地区路基下伏多年冻土地温变化特征研究

基于埋设在青藏铁路清水河地区路基中两个断面内的共8个地温测试孔3年来的地温观测资料,研究了该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征,分析了多年冻土上限的变化规律以及填筑铁路路基施工对下伏多年冻土赋存条件的影响。研究表明,由于受到填筑路基时赋存在路基填料内的热量的影响,铁路路基下伏多年冻土近地表的地温变化特征与天然地面下的多年冻土的地温变化特征有明显的不同,且向阳面与被阴面差别较大。多年冻土的上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,随着时间的推移,虽然残存在路基中的热量逐渐消散,多年冻土上限下降会逐渐稳定。由于受到太阳辐射和路基边坡形状及融化夹层的影响,多年冻土上限会逐渐稳定,但不会在短时期内上升到天然地面下多年冻土的上限水平。     

黑龙江省春季浅层(0～20cm)地温变化特征及预报

利用1981-2012年黑龙江省74个气象观测站的气温、0 cm、10 cm、20 cm地温春季(3-5月)逐日资料,分析了黑龙江省春季浅层地温、气温变化特征.结果表明:0 cm地温年际间波动大,全省平均1987年最低,2008年最高;全省变化存在明显的空间一致性;尽管气候变暖使1990年代以后春季0 cm地温偏低年出现相对减少,但是出现春季浅层地温偏低的年份比例仍超过三分之一,并具有南部、北部反向变化的特征,2005年以后南北差异有减小的趋势.各地3月份开始解冻,主要农区10 cm地温稳定通过6℃的日期主要集中在4月中下旬.以10 cm地温为预报量,利用黑龙江省逐日气温、20 cm地温资料建立春季浅层地温预报模型,回代和2013年预报检验平均绝对误差平均为1.05℃,绝对误差最大值为1.9℃,4月份的预报结果要好于3、5月,可以应用于业务指导.     

气候变化条件下青藏铁路沿线多年冻土概率预报(I):活动层厚度与地温

对1961-2100年IPCC气候模拟与预测结果进行降尺度处理,得到铁路沿线空间分辨率为1km、时间分辨率为1h的大气边界条件.对铁路和公路沿线钻孔资料在垂直和水平两个方向进行空间差值处理,得到水平1 km、垂直0.1m分辨率的沿线地下含水（冰）量的二维分布,作为初始条件.考虑气候模型预测误差和空间格网内地形的变化,以...     

喜马拉雅山北坡冰碛湖坝温度特征及其对堤坝稳定的影响

堤坝稳定性是评价冰湖溃决危险性的重要指标, 而堤坝的温度特征与其稳定性密切相关. 基于2012年11月-2013年9月对西藏定结县龙巴萨巴湖冰碛坝的0~150 cm不同深度的温度观测数据, 分析冰碛坝地温变化特征及其影响. 结果显示: 冰碛坝表层(<20 cm)地温与气温变化一致, 温度日变化常出现白天为正温梯度而夜间为负温度梯度的特征, 全年日均梯度一般为负温梯度(上部温度高、下部温度低); 中层(20~100 cm)和深层(>100 cm)表现为冬季下层温度高于上层温度的正温梯度, 夏季下层温度低于上层的负温梯度逐渐加强, 但地温日变幅逐渐减弱; 中间层地温变化不到气温变化幅度的1/5~1/10; 深层地温无明显的日变化. 冰碛坝的消融率约为2.1 cm·d^-1, 夏季消融深度超过250 cm. 现有夏季消融深度对堤坝的稳定影响有限, 但是湖盆区如果持续升温, 冰碛坝冻土的年消融率和消融深度都将增大, 致使堤坝稳定性下降, 溃决风险增大.     

中国西部及邻区岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国西部及邻区岩石圈的温度分布状态,以40、100km和莫霍面深度等温线图的形式表示,同时计算了以1 350℃等温面深度表示的中国西部及邻区的热岩石圈厚度。结果显示:中国大陆西北部地区、哈萨克斯坦东部地区以及上扬子地块、蒙古中西部地区和青藏高原中部的深部地温较低,青藏高原北部、东部以及天山褶皱带中部的深部地温高。在中国西部及邻区范围内,岩石圈厚度在180km以上的地区包括准噶尔盆地,塔里木盆地核心部位,西藏东部、中部以及祁连山地区。上扬子地块(四川盆地)岩石圈厚度为160km或更多,蒙古中西部地区以及哈萨克斯坦东部地区的岩石圈厚度为140～180km。青藏高原东部边缘和藏北地区以及天山中部吉尔吉斯伊塞克湖地区的岩石圈厚度较薄(<140km)。地热计算得到的结果与地震层析成像研究结果之间相互吻合。采用湿的上地幔流变学模型的计算结果表明,青藏高原及其东部边缘、天山褶皱带中部和蒙古中西部地区的岩石圈流变学强度模型为"奶油蛋糕(crèmebrlée)"型,其强度剖面显示强地壳而弱地幔的特点;上扬子地块(四川盆地)、准噶尔盆地、塔里木盆地和哈萨克斯坦东部地区岩石圈流变学强度模型为"果冻三明治(jelly sandwich)"型。     

多年冻土区青藏公路路基边界温度及计算模型研究

温度边界是冻土工程模拟中重要的边界条件之一。依据青藏公路多年冻土段不同走向路基断面表层温度的连续观测数据,分析了青藏工程走廊内路基实测的边界温度特征。结果表明：走向为W8° S的断面阴阳坡温差最大为5.81 ℃,走向为W34°S的断面坡面温差为5.68 ℃,走向为W86° S度的断面坡面温差为1.38 ℃,说明高原上无论路基走向如何,路基两侧坡面都存在温度差异,因此,两侧必须采取差异设计,以减少路基温度的不对称。同时,根据路基接收太阳能辐射反演路面及边坡表面温度,提出了工程热边界的简化计算模型,并将模型计算结果与实测数据进行对比,两者吻合较好。     

保温处理措施在多年冻土区道路工程中的应用

阐述了保温处理措施保护多年冻土的原理, 认为保温材料下部地温年变幅的减小是保温处理措施保护多年冻土上限下降的主要效果. 青藏公路昆仑山越岭地段保温处理试验路段路基、路肩及天然地表下的地温观测资料证实, 保温处理处理措施并不能改变因修筑路基而引起的路基吸热趋势, 但是保温处理后浅层地温下降; 地温年变幅明显减小, 多年冻土上限比无保温处理路段高. 青藏铁路北麓河试验段保温处理试验路段半年的观测资料表明, 保温层上下面温度存在巨大差异, 充分体现了保温材料的热阻效应, 可望大幅度减小保温材料下部地温的年变幅, 起到保护或延缓多年冻土融化的效果.     

青藏高原构造动力及变形机制的弹性有限元分析

利用现今青藏高原地质和地球物理研究成果,本文建立了垂直高原总体构造走向的南北向直立剖面的有限元模型,其根据实际资料,划分成分层和有限单元。在此模型基础上进行弹性材料的计算模拟和分析。 印度板块向北运动挤压、高原北部岩石圈阻碍及软流圈拖曳是青藏高原北移变形、隆升和地壳增厚的动力机制;重力及其均衡调整作用是地体间相对运动和地体内差异运动的主要动力,另外青藏高原还受地壳和上地幔结构构造的影响。计算模拟还得到了一些有实际意义的结果,如活动的地质构造和地球物理现象的分带集中、主边界和雅鲁藏布江等地体边界断裂的逆冲性质、各地体南部地表的南倾正断层及喜马拉雅山南坡向南的重力推覆等。     

考虑椭圆化地层变形影响的浅埋隧道弹性解

研究了浅埋隧道周围地层最终变形的计算问题,提出了考虑椭圆化变形影响的计算模型和浅埋隧道位移边界条件,并利用Airy应力函数得到了该问题弹性解析解。在此基础上,通过算例分析了椭圆化变形对竖向位移和水平位移的影响。结果表明,椭圆化变形对水平位移的影响远大于竖向位移。     

高原冻土区不同下垫面的附面层研究

下垫面附面层中的热量交换和水分交换是大气与地面间的热质交换现象的集中反映。笔者导出一个气温与下垫面附面层底面温度直接相关的方程,从而可较为方便地确定热量的上边界条件。还从理论上导出适用于不同基本参数的近似解并揭示了长期观测资料的物理意义。     

Reconsideration of the age of blueschist facies metamorphism on the Seward Peninsula, Alaska, based on phengite 40Ar/39Ar results

Abstract ⁴⁰Ar/³⁹Ar step-heating and single-grain laser fusion ages from phengites from the polydeformed and polymetamorphosed blueschist-greenschist facies Nome Group fall into two groups. Samples from the upper part of the structural section that have experienced a relatively weak metamorphic and deformational post-blueschist facies overprint and one sample from the Cape Nome orthogneiss yield plateau ages of 116-125 Ma. More intensely overprinted samples yield hump-shaped spectra with minimum ages of 123 Ma and maximum ages of 334 Ma. Samples with hump-shaped spectra are derived from a greater structural depth than most samples with plateau ages. Unreasonably old maximum ages from some of the disturbed spectra suggest that the hump-shaped spectra result from the incorporation of excess ⁴⁰Ar. This interpretation conflicts with previous interpretations of similarly disturbed spectra from the Brooks Range, which have been argued to provide minimum ages for blueschist facies metamorphism. Since the maximum temperatures achieved by all samples were probably above the blocking temperature of Ar in phengite, the 116-125 Ma plateau ages are a minimum age for blueschist facies metamorphism on the Seward Peninsula, Alaska.     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.     

浅层地温场连续监测和高精度模拟时空误差研究

为探究浅层地温场的时空演化规律,综合使用多种温度传感器,获得了南京市3个钻孔0~100 m的连续高精度温度数据。采用不同精度的地层模型和上边界温度条件,开展了3个月时间尺度的地温数值模拟,分析了地温在模拟时间内时空变化规律和模拟精度。相对于平均热扩散系数,采用分层热扩散系数时提高了浅部0~4 m模拟温度的精度,降低误差为2%~4%;与高精度边界模拟结果相比,边界为日均温度时的模拟结果相差不大,而月均温度降低了0~5 m模拟温度的精度,增大误差为2%~3%,但对于均质地层影响深度较小。对于浅地表变温层处的地温模拟,在浅部0~5 m处使用分层热扩散系数,以日均温度作为边界条件能够在保证结果准确的前提下减少监测成本。文章也为南京市浅层地温长期预测和评价提供了参考。     

上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析

以玛多地区多年冻土为背景,建立多年冻土地温场的数值计算模型,以不同的方式考虑近 60 a 来的气温变化构成不同的上边界条件,通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、未来冻土退化特征.结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近60 a波动温度值和采用近60 a平均恒定值时,浅层冻土地温差异明显,且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关.预测未来100 a冻土地温变化趋势发现,相同升温速率和升温初始温度条件下,上边界采用实测60 a波动温度值对冻土退化过程影响较小;升温初始温度值提高到与趋势线衔接后,冻土退化起始时间从约第45年提前到约第20年;60 a实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后,冻土退化起始时间从约第20年提前到约第15年;冻土退化从开始到完全退化经历时间为25 a左右.     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

隧道开挖地表沉降动态预测及影响因素分析

城市地铁隧道施工不可避免地对围岩产生扰动引起地表沉降,动态预测隧道开挖引起的地表沉降是确保地表建构筑物与隧道施工安全的重要基础。针对隧道施工过程中地表沉降难以准确动态预测的问题,在定义纵向开挖度系数? 的基础上,建立横向地表沉降动态预测模型。该模型能够描述同一监测位置沉降曲线随掌子面推进而不断变化的规律,实现施工现场沉降动态预测。结果表明：在特定约束条件下,该模型能够退化为Peck模型以及随机介质理论预测模型;通过现场施工验证了该动态预测模型的准确性与适用性;基于纵向开挖度系数? 将隧道沿纵向分为强烈、中度和轻度共3个影响段,较好地反映了开挖掌子面在不同位置对同一监测截面的影响程度;通过分析建筑物和隔离桩对地表沉降曲线的影响可知,建筑物与其附近地层呈现出协同变形、共同承载的特征,在隧道一侧添加地质钻隔离桩对该侧地表沉降值的减小程度可达71.9%。研究成果对滇中引水工程现场施工与类似工程具有一定指导和借鉴意义。