顾及土壤热传导-对流效应的InSAR冻土活动层厚度估计

冻土活动层厚度(Active Layer Thickness,ALT)的变化是反映青藏高原多年冻土发育情况及其状态的一个重要指标,监测活动层厚度变化对寒区景观稳定发展、碳循环等方面具有非常重要的意义.由于合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术具有大范围、高精度、高时空分辨率等优势,近年来逐渐被用于反演活动层厚度.已有研究中基于InSAR和土壤一维热传导模型的活动层厚度估计方法,没有充分考虑到冻土中土壤水分对流引起的热量传递.因此本文提出了基于InSAR时序形变及土壤热传导-对流模型的活动层厚度估计方法,利用土壤热传导-对流模型建立InSAR探测的最大融沉形变与最高地温之间的滞后时间与活动层厚度之间的相关关系,实现了由滞后时间直接推算大范围、高分辨率的冻土活动层厚度.本文以青藏高原五道梁多年冻土区为例,利用116景Sentinel-1影像图作为实验数据,估计了该地区2017—2020年的平均活动层厚度.结果表明,活动层厚度值范围为0~7.0 m,平均活动层厚度为3.06 m,与已有研究中相近时间段相关成果及观测数据结果一致.本文方法兼顾冻土水热过程,证明了土壤热传导-对流模型在冻土活动层厚度反演中具有良好的应用前景,可用于青藏高原其他偏远地区的高空间分辨率活动层厚度反演.

泛北极地区冻土活动层厚度变化及影响因素研究

北极地区是冻土广泛分布的地区,针对泛北极地区冻土退化的现象进行分析,对于预测全球气候的改变,植被类型和覆盖度的剖析具有十分重要的意义。现如今,随着工业和科技的飞速发展,全球变暖的趋势日益明显,这可能使地球上的多年冻土加速退化。并且多年冻土极易受气温的影响,不同植被类型冻土活动层也有所不同。本研究基于站点监测数据MODIS (Moderate resolution Imaging Spectroradiometer)数据(MCD12Q1和MCD12C1产品)对泛北极地区活动层厚度进行研究。结果表明:北极地区活动层厚度存在纬度地带性,全球气候的变暖与活动层厚度的增加有极大关系,且不一样的植被类型所对应的活动层厚度也不尽相同(林地最高,灌丛最低)。该结果对于深刻理解北半球高纬度地区的冻土冻融格局有很大帮助,而且可以为冻土区的资源和环境保护提供有效的支持。

天然状态下多年冻土区活动层厚度研究进展与展望

活动层作为多年冻土区水热物理和力学动态最活跃的近地表层,是供给高寒植物生长所需水分和营养物质的关键区,是多年冻土与大气圈、土壤圈进行能水和物质交换的主要通道,也是微生物活动最频繁和生物地球化学循环最关键的冷生土壤层。近几十年来,在气候变暖和人类活动增强影响下,多年冻土区活动层厚度(ALT)普遍增加,对寒区环境与冻土工程产生了不利影响。本文对影响天然状态下ALT空间分异的宏观地质地理和微观局地因子、ALT的野外测量和模拟计算方法、ALT对气候变化的响应特征进行了回顾,并探讨了ALT变化对高寒生态环境的影响。研究表明:太阳辐射及其重分布和下垫面的复合作用是ALT空间分异的主因,在其他因素和条件一致时,高程多年冻土下界和纬度多年冻土南界附近的ALT较厚;近三十年来ALT积极响应气候变暖,随气温升高而增加,但区域差异明显,中纬高海拔和山地多年冻土区ALT大部分呈显著增加趋势,而高纬富含冰多年冻土区ALT因地下冰融化下沉,一定程度上抵消了因气候变暖而增加的部分。本文还展望了ALT未来研究方向,认为应聚焦ALT精准模拟制图、ALT变化的自适应机制、ALT变化对生物地球化学循环的影响和ALT变化对水文水资源的影响等四个方面。

呼中自然保护区多年冻土活动层厚度的影响因子分析

以大兴安岭呼中国家级自然保护区为对象,调查了该区多年冻土的活动层厚度,并利用多重对比分析和相关分析方法,对多年冻土活动层的影响因子进行了分析。结果表明,多年冻土活动层厚度与多个环境因子之间存在着复杂的关系。土壤含水量、地形条件和不同群落对于活动层厚度具有重要影响,而活动层厚度也会反作用于这些影响因子。其中,土壤表层含水量与活动层厚度呈极显著负相关(P<0.001)。地形坡度和活动层厚度呈显著正相关(P=0.006)。几乎每个样带的海拔与活动层厚度都有显著的相关性,但在整个研究区域内海拔与活动层厚度不存在相关性。这说明活动层厚度的变异仅在本研究的样带尺度上具有规律性,而这种规律性在稍大尺度上会消失。对于不同的群落活动层厚度的多重对比分析表明,群落的差异对活动层厚度也有明显的影响,其中狭叶杜香-泥炭藓群落更有利于多年冻土的保存。

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991—2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.

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1km、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Monte Carlo方法产生气温的概率分布,以此作为冻土模型的驱动.对公共陆面过程模型(CoLM)的土壤分层进行细化,使得模型更为细致地模拟多年冻土地表及活动层的水热交换过程.在此基础上,模拟过去40a和未来100a铁路沿线多年冻土路段1km分辨率的活动层厚度概率预报结果,根据沿线观测和考察数据进行分区验证.结果表明:模拟的活动层厚度可以反映出不同分区的异同,但是模拟的活动层厚度总体偏小.根据青藏高原1961—2002年土壤表层温度(0cm)和2006年铁路沿线土壤温度观测廓线数据进行验证,发现表层和浅层土壤温度相对误差较小,而深层土壤温度相对误差较大.

气候变化条件下青藏铁路沿线多年冻土概率预报(Ⅱ):活动层厚度与沉降变形

利用土壤表层温度计算Stefan公式中融化指数,并结合铁路沿线地下冰和土体干密度分布特征,由Stefan公式集合预报未来100a逐年最大季节融化深度;利用铁路沿线地下冰和干密度分布特征计算冻土融化时最大沉降量空间分布,与Stefan公式计算得到的活动层厚度变化数据叠加分析,得到未来100a逐年的沉降量空间分布及其置信区间.根据沉降量大小对青藏铁路沿线多年冻土区进行稳定性分类,用铁路沿线地质勘察结果对预测结果验证,表明模拟结果和目前冻土稳定性有很大的相关性.活动层厚度未来变化总体呈增加趋势,活动层厚度变化和地下冰分布(尤其是上限附近的高含冰量冻土)是决定沉降量变化的两大主要因素.

青藏工程走廊活动层厚度预测模型与分布特征研究

为探究青藏工程走廊沿线多年冻土区活动层厚度分布情况,结合青藏公路、青藏铁路沿线300个钻孔点的活动层厚度监测数据,基于年平均地表温度、平均植被指数、等效纬度、纬度、高程和含冰量等参数建立了活动层厚度的经验公式、随机森林和径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络预测模型。各预测模型结果表明,活动层厚度与各预测因子间具有极强的非线性关系;RBF神经网络预测模型具有最高的预测精确度,拟合优度R^(2)达到0.84。运用RBF神经网络预测模型和高精度遥感数据绘制活动层厚度分布图,分布图显示研究区内活动层厚度主要为2~4 m,总面积为5468.3 km^(2),面积占比为47.27%,主要分布于楚玛尔平原至北麓河盆地和唐古拉山区南部至头二九山区;活动层厚度大于4 m次之,总面积为3382.3 km^(2),面积占比为29.24%,整体分布偏向南部地区,主要分布于布曲河谷地至头二九山区。并对研究区活动层厚度与含冰量、地温关系进行了研究,结果表明活动层厚度随含冰量增加而减小、随地温升高而增加。

兰州马衔山多年冻土活动层厚度估算及影响因素分析

马衔山残存的多年冻土被誉为黄土高原地区多年冻土的"活化石".自1986年发现多年冻土存在至今,多年冻土发生了严重的退化,活动层厚度增大,面积由原来的0.16 km2减少到现在的0.134 km2.本文基于马衔山多年冻土区的实际监测资料分析了气温、地表温度和N系数随时间变化特征以及活动层温度、土壤含水量的时空特征.根据2010-2013年马衔山多年冻土区的日平均地表温度和土壤参数实测及实验室分析资料,利用X-G算法模拟了马衔山多年冻土的冻融过程,并模拟得到4年的活动层厚度均比实测值小,这可能与活动层底部较高的未冻水含量有关.然后进一步探讨了泥炭层和含水量对活动层厚度的影响,泥炭层越厚,其隔热作用越强,活动层厚度越小;反之,活动层厚度越大;含水量越高,土壤的容积热容量越大,活动层厚度越小;反之,活动层厚度越大.

2000~2020年青藏高原冻土活动层厚度变化规律

为探究青藏高原近年来冻土退化情况,使用MOD11A1地温数据和Stefan模型,在1 km的空间尺度上模拟了青藏高原2000~2020年的多年冻土活动层厚度(A_(ALT))。结果表明,近20年来青藏高原多年冻土A_(ALT)平均值达到2.43 m,A_(ALT)较厚的地区主要分布在多年冻土区的边缘,而A_(ALT)较薄的地区主要分布在大片连续多年冻土区的内部。A_(ALT)增厚区多呈面状、集中分布,主要分布在气温较高的青藏高原西部,且A_(ALT)与气温随时间的波动情况相似,都有增加趋势,说明A_(ALT)可能受气温的影响;而A_(ALT)变薄区多呈点状、零散分布,主要分布在青藏高原东部和西南部分地区。青藏高原上不同植被类型的A_(ALT)从大到小依次为灌丛>林地>草地>永久湿地;在灌丛地区,A_(ALT)与N_(NDVI)呈显著负相关关系。

不同大气强迫作用下陆面模式CAS-LSM多年冻土活动层厚度模拟与不确定性研究

冻土在气候系统中起重要作用,研究并揭示冻土时空变化对于增加陆气相互作用的理解具有重要意义。本研究利用包含土壤冻结融化界面动态变化的陆面过程模式CAS-LSM(Chinese Academy of Sciences Land Surface Model),采用0.9°(纬度)×1.25°(经度)分辨率,结合4种大气强迫数据(全球土壤湿度项目强迫数据集GSWP3、美国国家大气研究中心/美国国家环境预报中心强迫数据集CRU-NCEP、普林斯顿全球强迫数据集Princeton、全球变化以及水文观测项目强迫数据集WFDEI)针对1960~2009年进行全球模拟,研究不同大气强迫作用下多年冻土活动层厚度变化趋势及其不确定性。通过与活动层厚度观测数据比较,陆面过程模式CASLSM模拟的活动层厚度与观测值比较接近。结果表明:在1960~2009年期间,不同大气强迫作用下多年冻土活动层厚度基本呈现增加的趋势,基于强迫数据WFDEI模拟的活动层厚度增加趋势最大。不同大气强迫数据模拟的活动层厚度区域平均和变化趋势范围为1.1~1.25 m和0.27~0.51 cm/a,相对变化的不确定性范围为11.2%~23.5%。其中青藏高原地区、北美地区、欧亚大陆北部地区的活动层厚度区域平均和变化趋势范围分别为2.26~2.81 m、1.07~1.31 m、1.32~1.48 m和0.47~1.0 4 cm/a、0.29~0.48 cm/a、0.25~0.55 cm/a。通过对地表温度以及气温的变化趋势分析表明:大气强迫数据中气温的差异是造成这些差异的主要原因。

青藏高原永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图

以青藏高原为研究区,采用数字土壤制图方法,进行了少量调查样本支持下的永冻土活动层厚度预测指标集的建立及制图研究。利用土壤和景观环境之间关系,筛选建立了活动层厚度预测指标集:地表昼夜温差、海拔、坡度、坡向、归一化植被指数(NDVI)、母岩。利用样点个体代表性方法实现了该区永冻土活动层厚度分布制图,取得了较高的精度和分辨率,克服了永冻土活动层厚度模拟过程中数学物理模型难以进行空间扩展制图以及半经验模型制图分辨率粗的局限。针对调查样点全局代表性较差以及数量有限的局限,本研究没有采用常规的一次性全样本最优建模方式,而采取多次抽样分别建模方式,获得预测指标集和制图结果。

基于MODIS温度的青藏高原多年冻土活动层厚度变化研究

基于MODIS温度数据,采用TTOP模型和Stefan公式模拟了青藏高原地区的冻土分布并计算了活动层厚度,并与地面观测结果进行了对比。结果表明:2003—2019年青藏高原多年冻土面积为1.01×10^(6) km^(2);多年冻土活动层厚度区域平均值为1.79 m,活动层厚度区域平均的变化率为3.67 cm/10a,且草甸地区的变化率明显大于草原地区,5100~5300 m高程带的活动层厚度变化速率最大。

大兴安岭北部多年冻土区植被对活动层厚度变化的响应

植被与多年冻土共同维系着大兴安岭地区的冷湿环境。随着全球气候变暖,大兴安岭多年冻土已发生严重退化,植被的生长也受到影响。在大兴安岭北部多年冻土区设置55个采样点,每个采样点采集多年冻土活动层厚度、林下灌木生物量和落叶松胸径树龄等指标,同时借助增强型植被指数(EVI)在区域尺度比较大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区的植被生长状况。结果表明:黑龙江呼中国家级自然保护区(简称呼中保护区)活动层厚度的平均值为(0.47±0.14)m,保护区周边为(0.83±0.38)m,呼中保护区周边的活动层厚度大于保护区内。大片多年冻土区的活动层厚度平均值为(1.04±0.47)m,小于岛状融区多年冻土区的(1.40±0.41)m。呼中保护区和周边灌木生物量的平均值分别为(201.75±71.70)g·m^(-2)和(259.10±111.14)g·m^(-2),胸径与树龄比值的平均值分别为(0.20±0.08)和(0.26±0.14)。大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区林下灌木生物量的平均值分别为(128.31±63.33)g·m^(-2)和(199.04±66.13)g·m^(-2),胸径树龄比的平均值分别为(0.30±0.13)和(0.59±0.21)。活动层厚度大的区域,灌木的生物量以及落叶松胸径树龄比都大于活动层厚度小的区域,表明活动层厚度增加对灌木和乔木的生长有一定的促进作用。EVI的结果显示岛状融区多年冻土区植被的生长状况以及植被覆盖情况好于大片多年冻土区,从区域尺度证明了多年冻土对植被生长存在限制作用。研究结果对于深入理解多年冻土变化及其环境效应具有重要意义。

青藏高原多年冻土活动层厚度探测方法综述

青藏高原是世界上海拔最高、面积最大的高原,被称为"世界的屋脊"和"世界第三极",较高的海拔和严酷的气候发育出世界上中低纬度区海拔最高、面积最大、分布最广的多年冻土。

泛北极地区多年冻土活动层厚度演变

深入理解泛北极地区多年冻土活动层厚度的演变,对于全球碳通量模拟、气候变化预测及泛北极地区冻融风险评估具有重要意义。目前开展的泛北极地区多年冻土活动层厚度模拟与分析,大多无法全覆盖或空间分辨率过低(25 km或是更大),在景观尺度(公里级)上的多年冻土活动层厚度变化特征仍有待解析,尤其是关键基础设施区的活动层厚度变化仍不清楚。本研究基于站点监测数据、MOD11B3地表温度数据、MCD12C1土地覆盖数据,采用Stefan模型,在公里级空间分辨率上模拟泛北极地区2001年—2017年多年冻土活动层厚度,并解析泛北极地区及主要油气区多年冻土活动层厚度时空变化格局及主要原因。研究发现:2001年—2017年泛北极地区约有78.4%的冻土区域多年冻土活动层厚度呈现增长趋势,尽管全区多年平均的增长速率为0.22 cm/a(p<0.05),但具有较强的时空差异性。显著增长区主要集中在加拿大西北部的落基山脉及劳伦琴高原一带以及俄罗斯中西伯利亚高原中部地区,增加速率主要在0.5—1 cm/a;而减少区主要分布在加拿大的哈得孙湾沿岸平原、拉布拉多高原一带,俄罗斯的东西伯利亚山地北部、中西伯利亚高原的北部、贝加尔湖以东区域和泰拉尔半岛一带。泛北极地区主要油气区多年冻土活动层厚度也以增加为主,80%以上的油气区呈现增加趋势,增长速率在0.1—0.7 cm/a。泛北极地区多年冻土活动层厚度变化与气温变化在空间上具有较好的一致性;积雪厚度与活动层厚度关系复杂;不同植被类型的多年冻土活动层厚度有所差异(林地>草地>稀树草原>灌丛),且多年冻土活动层厚度变化与植被转化方向一致。该成果将有助于深入理解北半球高纬度多年冻土区冻融格局,尤其可为冻土区的油气设施冻融风险识别与防控提供参考。

北半球冻土顶板温度与活动层厚度0.625°×0.4712°栅格数据集(2015-2100)研发方法

评估当前和未来多年冻土空间分布和动态变化对全球碳循环模拟、气候变化预测以及工程风险评估至关重要。本文使用经广泛验证和应用的半经验模型Kudryavtsev方法,综合考虑温度、积雪、植被、土壤等因素对冻土的影响,以国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)模式模拟结果和SoilGrids 2.0数据集等作为输入,计算了2015-2100年北半球冻土顶板温度与活动层厚度在SSP126、SSP245、SSP370和SSP585四种不同情景下的逐年时间序列数据,并根据顶板温度计算了北半球冻土面积。该数据集填补了未来不同情境下冻土分布预测数据的空缺,为冻土退化、气候变化、北极生态等相关研究提供了数据参考。数据集包括2015-2100年逐年以下实验数据:(1)冻土顶板温度数据;(2)活动层厚度数据;(3)冻土面积数据。数据集存储为.tif和.xls格式,空间分辨率为0.625°×0.4712°,由690个数据文件组成,数据量为35.6 MB。

积雪对祁连山区黑河上游活动层热状态的影响研究

积雪对多年冻土活动层和近地表的热状态具有重要影响。然而,积雪对祁连山区黑河上游地区多年冻土热状态的影响机制尚不清楚,迫切需要可靠的野外观测数据进行定量研究。基于两个典型野外监测站点2012—2019年观测数据,分析积雪对表面能量平衡、5cm地表热通量及活动层热状态的影响。结果表明:厚度约21cm的积雪在秋冬季对活动层具有保温作用;2013—2018年,俄博岭(EB)和野牛沟(PT1)监测场,活动层厚度分别为61~86cm和159~164cm,平均活动层厚度分别为74.2cm和162.1cm。受积雪影响,相隔两年(2015—2017年)的活动层厚度变化达25cm。定量分析了祁连山积雪对多年冻土热状态的影响,为未来祁连山相关研究提供重要资料。

青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析

基于2005—2016年青藏高原多年冻土区唐古拉和西大滩站的气象、涡动通量以及活动层资料,利用涡动相关法、气象梯度法和SHAW模型等方法探究了气候变化背景下高原多年冻土区地表能量通量变化规律及其对活动层的影响。结果表明:2005—2016年唐古拉和西大滩气温、地气温差有所升高,年降水量、10 cm土壤含水量及风速有所下降。2005年以来唐古拉和西大滩净辐射(Rn)与感热(H)呈增加趋势,潜热(LE)呈减小趋势,地表土壤热通量(G)变化较小。唐古拉和西大滩地表能量通量季节变化明显,但受海拔、纬度、坡向、土壤冻融过程、降水、下垫面状况等因素的影响,地表能量通量存在区域差异。研究时段内,唐古拉和西大滩地表冻结指数与土壤热通量呈负相关;融化指数、活动层厚度与土壤热通量呈正相关,融化期间土壤热通量积累量与融化深度的变化呈线性增加关系。

2000~2021年北半球多年冻土区NDVI变化趋势及其影响因素

气候变暖正在导致北半球多年冻土区的土地覆被类型和植被生物量发生快速变化,而不同冻土类型区和不同土地覆被类型区对气候变化的响应程度尚不清楚。基于Slope趋势分析和皮尔逊相关性分析,量化了2000~2021年北半球多年冻土区归一化植被指数(NDVI)的时空变化及其对气候变化的响应。结果表明:约21.43%的多年冻土区NDVI值表现出显著增长趋势,其中连续和不连续多年冻土区的NDVI值增长速率是零星多年冻土区的2~3倍。在月尺度上,约33.75%多年冻土区的NDVI值在6月呈显著增长趋势,其中连续多年冻土区和灌丛植被类型区的增长速率最快。气温、降水量和活动层厚度均呈显著上升趋势,积雪覆盖率呈下降趋势。气温升高对俄罗斯等低纬度冻土区的植被生长起到了促进作用;降水在蒙古高原等一些特定干旱区对植被生长具有促进作用,但在俄罗斯中部和加拿大南部存在不利影响;积雪对于俄罗斯南部等积雪覆盖较低地区的植被生长有促进作用,而对于北极等积雪覆盖较高的地区存在不利影响;活动层厚度的增加有助于俄罗斯北部等冻土区的植被加速生长。总之,北半球多年冻土区植被整体呈增长趋势,气温升高仍然是北半球多年冻土区植被生长的主控因素,但不同多年冻土类型区的NDVI值增长有着明显的月份差异,因此在以后植被模型的发展和改进时需要考虑月份的差异。