适用于多年冻土区具有碳通量自动观测性能的OTC系统开发设计

在现有的OTC内碳通量观测仪器设备基础上, 设计开发出一套以AT89S51单片机为控制核心, 通过L293D控制电机正反转控制箱盖定时开关, 实现了多年冻土区OTC内碳通量自动观测. 观测主体箱用透明采光性良好的玻璃纤维材料制成, 电机传动采用齿轮传动, 箱口和箱盖接触地方用橡胶密封圈包裹, 防止箱盖密闭时漏气. OTC内碳通量自动观测仪最大可能性的减小了当前模拟增温条件下碳通量观测受自然条件和人为因素的影响, 极大的降低观测费用, 提高了数据的连续性, 基本上实现了多年冻土区模拟增温条件下碳通量较为精确地自动、连续观测. 试验表明: 在气象条件相对较好的2013年5月15日, OTC内碳通量自动观测仪观测结果和传统OTC内利用LI-COR6400观测结果规律性都较强, 野点较少, 二者相关性显著(R²=0.96); 而在气象条件相对较差的2013年9月1日, OTC内碳通量自动观测仪观测结果受外界干扰小, 观测结果规律性强, 野点较少; 而传统OTC内利用LI-COR6400 观测结果规律性较差, 野点较多, 数据可信度不高, 二者观测结果相关性不显著(R²=0.67).     

中德合作三江源区和甜水海地区多年冻土退化过程科学考察和研究进展

为准确了解青藏高原多年冻土退化过程及其环境效应,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和德国海德堡大学环境物理研究所共同组成科研小组,先后对我国三江源区、西昆仑甜水海地区进行了多年冻土退化过程的前期勘察研究工作.首次在人烟稀少的玉树-不冻泉沿线等地建立了3个长期综合观测研究站.在技术手段上,除应用常规的坑探、水土取样、水分现场观测、地面调查外,主要应用了最新的双天线、多回路探地雷达勘测技术,对不同地貌条件下的活动层结构特征、上限附近冻土结构、冷生组构等诸多方面进行了快速勘察,同时还进行了水分场分布规律、盐份迁移过程的初步研究.研究结果表明:地表景观特征对热质迁移规律、地温场具有重要影响;青藏高原新疆甜水海地区的低温(<-4℃)冻土与高原东部和腹地的高温(>-1℃)冻土在地质背景和地下冰发育情况等方面有所区别;甜水海地区生态环境在过去30多年的时间里已发生重大改变:地表植被发生大面积退化,地表普遍发生不同程度盐渍化;在该地区发现大量小型冻胀丘、石环等冰缘现象的存在.探地雷达勘察结果显示,地表地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化均对多年冻土上限变化和地下冰的赋存产生重要影响.     

黄河源区多年冻土退化及其环境反映

基于黄河源区多年冻土退化引起的生态环境地质问题与效应的实际资料, 明确了多年冻土的生态环境功能和多年冻土退化引起的危害. 提出多年冻土退化使赋存于高寒草地和维系高寒草地生长发育的多年冻土表部的冻结层地下水水位持续下降或消失, 从而引发和加剧了高寒草地的"三化"(草地退化、沙漠化和盐渍化)和水环境变异, 是导致黄河源区占主导地位的高寒草甸失水向沙漠化草地和"黑土滩"型次生裸地退化的主要地质原因.     

Major Ion Geochemistry of Nam Co Lake and its Sources, Tibetan Plateau

The major cations and anions from lake water samples and its sources, including glacier snow, precipitation, stream, and swamp water in the Nam Co basin, central Tibetan Plateau, were studied. The concentrations of the major ions varied significantly in the five environmental matrices. Generally, the mean concentrations of most ions are in the order of lake water > swamp water > stream water > precipitation > snow. Rock weathering is the dominant process controlling the chemical compositions of the stream and swamp waters, with carbonate weathering being the primary source of the dissolved ions. The Nam Co lake water is characterized by high Na⁺ concentration and extremely low Ca²⁺ concentration relative to other ions, resulting from evapoconcentration and chemical precipitation within the lake. Comparison with the water chemistry of other lakes over the Tibetan Plateau indicated that Nam Co is located in a transition area between non-saline lakes and highly saline lakes. The relatively low concentration of total dissolved solids is possibly due to the abundant inflow of glacial meltwater and relatively high annual precipitation.     

黄河源高寒湿地-大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究

湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地-大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式（Community Land Model,简称CLM）模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:（1）暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;（2）温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00（北京时,下同）下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;（3）土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;（4）麻多高寒湿地动力学粗糙度Z_0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z_0m=0.0143 m;（5）提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼kB-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。     

青藏高原多年冻土区路基工程地质研究

回顾了青藏高原多年冻土区近年来所开展的路基工程地质研究工作,指出冻土工程地质勘探在方法上有很大进展,总结出了一整套冻土区工程地质勘察的暂行规定和细则.近年来的工作特别注重了对冻土地温和含冰量的研究,这是冻土工程地质中特有的十分重要的参数.在大量观测试验的基础上,总结出了有关路基稳定性的若干重要结论.据此提出,在气候转暖的背景下,高温冻土区筑路必须采用"冷却路基"的方法.为寻求气候转暖的对策,冻土工程地质预报的研究也取得了很大的进展,对冻土区路基工程地质的研究方向提出了新的建议.     

青海木里地区天然气水合物反射地震试验研究

天然气水合物是一种新型潜在能源,广泛分布于大陆边缘海底沉积物和陆上永久冻土带中。2008年,在我国祁连山冻土区首次钻获天然气水合物实物样品。2010年,作者在木里地区开展了反射地震方法探测天然气水合物的试验研究,通过综合分析解释反射地震和测井及地质资料,初步认为含天然气水合物介质形成的反射波在地震剖面上具有低速、弱振幅、高频的特征。在成藏机制上,天然气水合物的分布与深部断裂破碎带有关,天然气沿深部断裂构造向上运移,并受冻土层的封闭而富集,在合适的温压条件下形成天然气水合物矿藏。     

祁连山中东部的冻土特征(Ⅱ):多年冻土特征

祁连山中东部地区多年冻土年平均地温、冻土厚度等基本特征参量与海拔具有明显的相关性,海拔越高,地温越低,厚度亦越厚.年平均地温、厚度与纬度、经度关系不明显,可能与工作范围较小有关.对比分析了地表植被、地层岩性、土层含水(冰)量等局域性(非地带性)因素对冻土年平均地温的影响,发现腐殖层较厚,下伏细粒土层,较高的含水(冰)量对保持多年冻土较低的温度有利.阐述了冻土厚度的变化及其影响因素.与前人工作比较,分析冻土层钻孔测温曲线,发现该地区多年冻土正处于退化之中.     

成都平原第四纪化石冰楔的发现及古气候意义

最近,在成都平原西缘,大邑城西氮肥厂附近,斜江河西岸,上新统-下更新统大邑砾岩剖面的北端新开挖的露头上,发现了4条化石冰楔。这里的地理坐标是30°35'N103°31'E,海拔530m.这些冰楔发育于大邑砾岩露头的顶部。其中最大的一条,顶部宽3m,向下延伸2.5m.这些冰楔垂直向下延伸,与大邑砾岩层面斜交。所以,它们是在大邑砾岩沉积之后并经过构造变动后形成的,是大邑砾岩的后生冰楔。化石冰楔的充填物的特征与大邑砾岩有明显差别:前者为棕黄色,后者为灰白-黄色;前者砾径分选较好,砾径较细,一般长5cm~15cm,而后者砾径分选较差,粗大者20cm~30cm;前者的砾石含量高,约95%,后者的砾石含量低,约85%;前者砾石ab面产状无优势方向,而后者的ab面产状显示优势方向,倾向170°~210°,倾角30°~40°.由于两者有上述差别,所以,化石冰楔在露头上可以被识别出来。采用ESR法测定冰楔充填物的时代为0.171Ma.由此看来,这些冰楔的形成时代可能相当于V28-238深海岩心氧同位素曲线第6气候期(0.195Ma~0.128Ma),也可与中国黄土L_2~5(0.195Ma~0.180Ma)和L_2~4(0.180Ma~0.167Ma)所记录的气候波动和青藏高原倒数第二次冰期对比。
一般认为,冰楔是多年冻土的指示器,所以这些化石冰楔反映了成都平原在第四纪曾一度发育多年冻土。据研究,冰楔只能形成于年均温<-6℃的地方,高海拔多年冻土下界大致与-2℃~-4℃年均等温线相符。现今,大邑附近年均温约16℃.那么,化石冰楔形成时期,成都平原年均温至少比现今下降了18℃.      

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.