高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及其影响因素——以天山南坡为例

季节冻土在高寒山区广泛分布,其冻融过程会对水文水资源和生态环境产生深刻影响。研究气候变化背景下高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及影响机理,可为高寒山区水资源管理和生态保护提供科学依据。本文选择天山南坡作为研究区,基于13个气象站点1958年以来季节冻土冻融参数(最大冻深、冻结期、始冻日、解冻日)、气温、地表温度、降雨和积雪等数据,使用空间分析和多元线性回归统计等方法对冻融参数的时空变化特征进行分析,量化不同气候因素对季节冻土冻融变化的影响权重。结果表明,季节冻土最大冻深在(48.5±11.4)~(96.8±8.5)cm之间,冻结天数在(102±10)~(141±14)d之间,多年平均始冻日在11月7日至19日之间,多年平均解冻日在3月1日至28日之间。1950年代至2010年代期间,始冻日逐渐推迟,解冻日逐渐提前,冻结天数缩短。空间分布上,最大冻深有“海拔高,最大冻深大”的规律;空间变化趋势上,最大冻深在研究区中部显著增加;冻结天数在研究区内大范围显著缩短。季节冻土冻融变化与气温相关性最强,温度(气温和地表温度)是季节冻土冻融变化的主导因子。定量评价发现,气温影响占比(24.1±3.6)%,地表温度影响占比(12.1±3.1)%,降雨影响占比(9.6±1.7)%,积雪影响占比(5.1±1.5)%。

季节冻土山区公路路基阴阳坡效应及其防治措施研究

大量工程实践表明,在寒冷山区公路建设过程中,路基阴阳坡效应对冻土区路基的稳定性具有重要影响。以甘肃省南部山区季节冻土路基为例,基于新建宕昌—迭部二级公路试验段的现场监测资料,分析了季节冻土山区公路路基阴阳面的地温和变形差异,提出针对性的两种新型防治措施——措施A(阴坡侧路基下半幅铺设10 cm厚XPS板,阳坡侧路基下半幅铺设6 cm厚XPS板)和措施B(路基下满幅+阴坡坡面铺设6 cm厚XPS板),并通过数值模拟分析了这两种措施控制路基阴阳坡效应的效果。结果表明,在甘肃南部季节冻土山区,山体遮挡作用使公路路基阴阳坡发生转换,对路基横向地温的影响不容忽视,试验段K18+180段阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6℃左右,公路路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。地温的横向差异导致公路路基土体冻深和冻胀变形的横向差异,两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m,K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm,出现在春融初期。路堤高度为1.0 m、2.0 m时,措施A和措施B都能显著地减小公路路基阴阳坡温度差异,并且控制效果明显优于普通措施(满幅铺设8 cm厚XPS板、满幅铺设6 cm厚XPS板)。建议季节冻土山区公路设计时应充分考虑山体遮挡这一局地因素对路基土体冻融状态的影响,并采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式,以减少因阴阳坡现象导致的路基病害。研究结果可为季节冻土山区路基阴阳坡效应及其防治研究以及冻害研究提供参考和借鉴。

北京地区冻土时空分布特征

基于1981—2021年北京地区6个气象站的逐日最大冻土深度、平均气温、平均地表温度及5、10、15、20、40、80 cm地温等资料,分析了近40年北京地区最大冻土深度的时空分布特征及其与气温和地温的关系。结果表明:北京地区最大冻土深度总体呈变浅趋势,气候倾向率为-2.3 cm/10 a,各站点最大冻土深度变浅趋势从西到东呈逐渐减弱趋势。北京地区最大冻土深度与40、80 cm地温相关性最好,与地表温度相关性较差。选取2021—2022年北京地区冻土进行对比试验,发现仪器安装至少一个冻融周期后与冻土人工观测吻合度更好,测温式冻土自动观测仪的观测精度与仪器安装位置的地下岩层、土质分布密切相关,需要在仪器稳定运行后根据当地情况优化算法和冻融阈值。

基于机器学习的第三极季节冻土最大冻结深度未来变化预测

最大冻结深度是季节冻土的重要指标,预测第三极地区未来最大冻结深度的变化,对于理解该区域的环境变化,指导生态保护、农牧业生产、工程建设等都具有重要意义。本研究利用基准时期(2000s)良好训练的支持向量回归模型,使用集合模拟策略,预测了2050s和2090s第三极地区在4种SSP情景下最大冻结深度的变化。结果表明,在可持续路径(SSP126)、中间路径(SSP245)、区域竞争路径(SSP370)和化石燃料为主发展路径(SSP585)情景下,不包括多年冻土退化为季节冻土的区域,相对于基准期,季节冻土的最大冻结深度到21世纪末将分别减小10.41 cm(11.69%)、24.00 cm(26.95%)、37.71 cm(42.34%)和47.71 cm(53.57%)。最大冻结深度的减小具有海拔依赖性,随着海拔的升高,最大冻结深度减小的速率变大,但是海拔超过5000 m后,最大冻结深度减小速率逐渐减小,这与升温的海拔依赖性较为一致。最大冻结深度的变化也与生物群区有关,在4种SSP情景下,山地草地和灌木区的最大冻结深度减小速率最快,到21世纪末平均每十年分别减小1.80 cm、3.77 cm、5.77 cm和7.24 cm。分流域来看,青海湖流域减小速率最快。模拟预测结果可通过国家青藏高原科学数据中心(DOI:10.11888/Cryos.tpdc.273002)下载使用。该研究结果可为在全球变暖背景下理解第三极季节冻土的未来变化及其生态水文效应提供基础数据与信息。

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5cm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5cm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.

若尔盖青海沙蜥——洞穴密度与深度的生态内涵

20 0 2年 9月 ,采用样方法和挖掘法分别对分布在若尔盖草原荒漠 (东经 10 2°2 9′0 4 1″,北纬 33°4 3′2 5 0″ ,海拔 346 4m)上的青海沙蜥 (Phrynocephalusvlangalii)的洞穴密度及深度进行了研究。结果表明 :①青海沙蜥的洞穴密度随植被盖度的升高而下降 (r =- 0 81,P <0 0 1) ,这说明青海沙蜥的生境选择是偏向于植被盖度较低的荒漠 ,因此可以把该物种作为草地荒漠化的一种指示生物。②青海沙蜥居住洞穴深度大于 74cm ,在冻土层之下。青海沙蜥选择深度达到最大冻土之下的洞穴居住是它抵御低温的一种行为机制 ,而深度小于 74cm的洞穴则可能是用于逃避敌害的临时隐蔽所。

黄河源区季节冻土最大冻结深度估算方法

鉴于黄河源区实测季节冻土最大冻结深度资料极其匮乏,基于1996～2008年黄河源区及其周边气象站点季节冻土数据,分析了季节冻土最大冻结深度与负积温的关系及时空变化规律,建立了最大冻结深度估算公式,对气温空间插值并由最大负积温和高程估算季节冻土最大冻结深度。结果表明,在季节冻土的迅速发展期,冻结下界深度与负积温呈线性相关;最大冻结深度和最大负积温相关性显著;最大负积温可反映季节冻土随时间的变化趋势;黄河源区仅阿尼玛卿山及其周边存在山地多年冻土,季节冻土最大冻结深度由西北向东南方向递减;气温较高年份中东部地区最大冻结深度明显变小,最大冻结深度小的地区对气候变暖更加敏感;1996～2007年间,最大冻结深度随时间推移呈减小趋势。

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料,讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征.结果表明:阿勒泰地区近50a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势,且西部最大积雪深增加趋势大于东部.积雪日数变化较为复杂,在空间分布上有差异,位于最东面的富蕴和青河50a来积雪日数呈减少趋势,其余各站均为增加趋势,且东部历年平均积雪日数略高于西部,积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓.2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明,在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程,升华可能是其主要的物质损失过程,引起升华的主要气象要素是气温、风速和水汽压.各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切,随海拔的增加而增大.积雪20cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限,积雪厚度超过20cm就有一定的保温作用;积雪超过40cm时,气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定,冻结深度也达到稳定值;但当积雪厚度超过70cm之后,冻结深度会再次发生变化,可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.

新疆阿勒泰地区1963—2012年最大冻土深度的时空分布及其对气温变化的响应

利用阿勒泰地区1963—2012年7个气象站的最大冻土深度、平均气温,极端最低气温资料,采用回归分析、相关性检验、Mann-Kendall突变检测、Hurst提出的R/S分析等方法,对阿勒泰地区最大冻土深度的时间演变、空间分布及与气温的关系进行了分析。结果表明:吉木乃站的均方差和变差系数最大;阿勒泰地区最大冻土深度以0.574 cm·a-1的速度显著减少;年最大冻土深度几乎出现在2—3月;阿勒泰地区的最大冻土深度的突变时间是在1986—1987年,发生了下降趋势的突变,福海和富蕴站没有发生突变;阿勒泰地区年极端最大值、最大值的平均值、平均最大值均出现在青河站;年最大冻土深度与平均气温和极端最低气温呈显著负相关,其相关系数分别为-0.508和-0.293。

全球变暖背景下新疆地区近45a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 800m)最大值出现在1月份,而高海拔区域(海拔≥1 800m)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45a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-15.65cm·(10a)-1和-9.48cm·(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45a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61.12cm和26.67cm.

近50年石河子地区冻土变化特征及影响因子分析

为了研究石河子地区冻土分布的时空演变规律及其影响冻土的主要气象因子,通过对石河子地区4个气象台站冻土气象观测资料的整理和分析。结果表明:在全球变暖背景下,近50年来各站最大冻土深度逐渐减少,但减少的程度不一致,其中莫索湾站减少明显,石河子站次之,炮台站、乌兰乌苏站变化不明显。石河子的冻结始日最早,莫索湾地区最晚;炮台解冻最晚,莫索湾站最早;冻土持续时间炮台站、石河子站、乌兰乌苏逐渐减少,莫索湾站逐渐增加。影响冻土变化的主要影响因子是冬季平均气温和最大积雪深度。

新疆最北部阿勒泰市冬季最大冻土深度对春小麦生育期的影响

为了分析新疆最北部阿勒泰市冻土深度的气候变化特征,及对春小麦生育期的影响,利用阿勒泰市冬季最大冻土资料,分析冻土深度的年际和月变化特征,并分析冻土深度对春小麦生育期的影响效应。结果表明:近52年来,阿勒泰市冬季冻土深度的变化呈现出逐年减小的趋势,其减小速率为2.84 cm/10 a;冬季最大冻土深度以2—3月最大;春小麦全发育期天数的变化是呈减少趋势的,减少率为3.97 d/10 a;最大冻土深度对生育期的影响效应(除全生育期外)均为负值,即b均小于0,即生育期随冻土深度的减小(增加)而提前(推迟);阿勒泰市冬季最大冻土深度对春小麦的全生育期的影响是正值,推迟率为3.01d/10cm。

吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应

为了掌握季节冻土冻结深度的变化对气候的响应,利用1961-2015年吉林省46个气象站的逐日平均气温、地表温度、积雪深度、冻土冻结深度等数据,采用线性倾向估计、突变分析等方法,研究了吉林省季节冻土冻结深度的时空演变规律及其与气温、积雪的关系。结果表明:吉林省季节冻土最大冻结深度呈由西向东逐渐减小的空间分布特征,绝大多数站最大冻结深度呈减小趋势。基本上在10月开始冻结,次年3月达到最深,6月完全融化。西部冻土冻结深度变幅较大,其次是中部,东部最小。1961-2015年季节冻土最大冻结深度以-5.8 cm·(10a)-1的速率显著减小(P<0.01)。最大冻结深度基本上呈逐年代减小的趋势,从20世纪90年代开始,最大冻结深度明显减小。最大冻结深度在1987年发生了突变,突变后平均最大冻结深度比突变前平均最大冻结深度减小了22.2 cm。通过分析气温和积雪深度对冻结深度的影响,认为冻土冻结深度对气温变化较为敏感,绝大多数站最大冻结深度与平均气温呈负相关关系。在年际变化上,气温的上升是最大冻结深度减小的主要原因。在季节冻土稳定冻结期,积雪深度超过10 cm,保温作用逐渐变强;当积雪深度达到20 cm时,保温作用显著,冻土冻结深度变浅。

青藏高原季节冻融过程与东亚大气环流关系的研究

利用青藏高原 46个气象站的最大冻土深度观测资料、中国 16 0个气象站降水资料和NCAR NCEP资料 ,对青藏高原冻土的季节性冻融过程进行合成分析 ,发现青藏高原土壤的季节冻融过程对青藏高原上空及东亚大气环流有显著的影响 ,在高原最大冻土深度较小的年份中 ,7月份 ,南亚高压强且偏西 ,5 0 0hPa印度低压强 ,西太平洋副热带高压弱且偏东 ,高原南部的东风较强 ;最大冻土深度较大的年份 ,南亚高压弱且偏东 ,印度低压弱 ,西太平洋副热带高压强且偏西 .在不同的冻融年份 ,85 0hPa上纬向风的差异显著区反映了西南季风的活动 .最大冻土深度与中国夏季 ( 7月份 )降水有 3条显著相关带 ,雨带的分布与中国夏季平均雨带相吻合 .由此 ,青藏高原季节冻融过程引起的水热变化是影响东亚气候的一个重要外源 .

西藏纳木错流域冻土环境初步研究

利用在西藏纳木错流域念青唐古拉山北坡(NQN,海拔5400m)和西北保吉乡(BJ,海拔4730m)布设的两台带有四层土壤探头自动气象站(AWS)2005—2006年冬季10个月观测数据进行了统计分析。结果表明:观测期间NQN日及月平均气温均低于BJ,但变化幅度均小于BJ,土壤冻结时间比BJ长,两处的气温梯度为0.31℃/100m。与安多月平均气温比较,推断NQN存在高山多年冻土。NQN大气—土壤及土壤内热传输速度快于BJ;冻结期内土壤中未冻水含量在0^-2.5℃时发生跃变且与土壤温度存在较好的线性关系;相同深度处NQN土未冻水含量较小。土壤温度日变化在0~40cm深度处较明显,40cm深度以下变化很小,未冻水含量日变化在5cm深度较明显,20cm以下变化微弱。利用两观测点冻结深度(Df)与冻结积温(Tg)的良好相关建立模型,NQN为:Df-n=0.0016Tg+1.69,R2=0.9958;BJ为:Df-b=0.002Tg+1.13,R2=0.9424,并由此推断出两观测点最大季节冻结深度分别为1.69m和1.13m。

严寒地区客专路堤阴阳面地温及变形差异分析

基于对寒区哈(尔滨)齐(齐哈尔)铁路客运专线泰康试验段路堤的地温与变形监测资料分析,研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。测试和计算结果表明:(1)右侧(阴面)路肩和坡脚的最大冻深均大于左侧(阳面)相同位置;(2)地温大多数时间呈左高右低现象,同时阴、阳坡路基浅层相应深度处的温差不会随时间推移和埋深增大而完全消失,但阴、阳坡路基温差逐年减小并趋于恒定,且温差波动幅度随埋深逐渐减小;(3)基床表层阴、阳面各测点的冻胀起始时间一致,而阴面的融沉起始时间却比阳面晚一个月;当路堤浅层地温处于-2~0℃且冻结层上下同时发生融化时,路基冻胀显著,此时产生的冻胀量占总冻胀量的40%左右;(4)施工完成初期,路堤浅层和基底在阳面的累积沉降量较阴面大;距离坡脚越近,基底阴阳面沉降差异越明显,但该差异逐年减小。由此表明,即使有保温护道保护严寒地区冻土路基,经历多次冻融循环后,路基阴阳坡差异受外界气温影响仍然存在,但随时间推移逐渐趋于稳定。建议在严寒地区冻土路基的阳坡侧采取降低地温的措施,减小阴阳坡地温和变形差异,保持冻土路堤的整体稳定性。

东北黑土区利用融冻水缓解春旱的冻深分区法

由于气候和土壤特性等条件的差异，各地区缓解春旱的方式不同。为了对东北地区利用融冻水缓解春旱进行分区研究，对该地区49个台站多年平均最大冻深数据进行层次聚类分析。结合聚类结果及东北地区的实际情况，从利用融冻水缓解春旱的角度，将该地区分为南区（多年平均最大冻深〈1．2m）、中区（多年平均最大冻深介于1．2～1．7m之间）和北区（多年平均最大冻深〉1．7m）三个区。针对三个区的地域和气候特点，提出相应的春旱缓解措施。结果表明，基于融冻水缓解春旱的分区研究对于指导东北地区的春旱缓解工作具有重要的实际意义。

1959—2018年沈阳地区冻土时空变化特征

利用1959年10月至2018年4月沈阳地区7个气象站逐日冻土观测资料、逐日平均气温、逐日平均地温及5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm地温观测资料,分析了近60 a沈阳地区最大冻土深度的时空变化特征,并探讨了其对气候变暖的响应。结果表明:近60 a来沈阳地区冻土一般在10月开始出现,翌年4月消融。1959-2018年沈阳地区年平均月最大冻土深度在2月和3月最大,10月最小;年最大冻土深度以-4.8 cm/10 a的速度显著变浅,年代平均最大冻土深度也呈变浅趋势。相关分析表明,近60 a沈阳地区日最大冻土深度与日平均气温、地温呈显著负相关关系,相关系数分别为-0.60和-0.72。Mann-Kendall检验表明,7个气象站年平均最大冻土深度均有突变发生,突变点大多出现在20世纪80年代。近60 a沈阳地区最大冻土深度开始日期和结束日期分别呈延后和提前趋势,趋势率分别为1.0 d/10 a和-3.2 d/10 a。1959-2018年沈阳地区平均冻土持续时间为164 d,年变化呈缩短趋势,趋势率为-4.4 d/10 a。

喀什地区1961—2010年最大冻土深度变化

利用1961—2010年喀什地区所属喀什市、莎车县、巴楚县、塔什库尔干县等4个代表性站50 a的年最大冻土深度、冬季平均气温、极端最低气温、极端最低地温等资料,采用气候趋势系数和气候倾向率方法,对1961年以来喀什地区最大冻土深度变化进行了分析。结果表明,喀什地区平原多年平均最大冻土深度为48.1 cm,年际最大值与最小值深度差为82 cm,年际变化总体呈明显的减小趋势,其变化倾向率为-3.8 cm/10 a,年代际变化呈阶梯状逐渐减小,冻土深度减小主要受冬季平均气温升高的影响,气温每升高1℃,冻土深度减小7.75 cm;山区多年平均最大冻土深度为148.8 cm,年际最大值与最小值深度差为88 cm,年际变化总体呈明显的减小趋势,其变化倾向率为-2.5 cm/10 a。

我国最大冻土深度变化及初步解释

利用我国年最大冻土深度数据集 ,分析了我国最大冻土深度的空间分布及年代际变化。结果表明 ,我国最大冻土深度 2 0世纪 80年代以来开始减小 ,90年代显著减小。冻土深度减小的事实 ,反映了我国冬季极端最低气温升高与我国年平均日较差显著变小的趋势。冻土对气候变化具有敏感性。