祁连山区1961—2014年冻融指数时空变化特征

冻融指数不仅对冻土研究具有重要意义,而且是反映气候变化的有用指标。利用祁连山区11个主要气象站点的逐日温度观测值计算了1961—2014年的年大气及地面冻融指数,分析了这些指数的统计与分布特征,并通过非参数Mann-Kendall检验法、Sen斜率估计法及相关性分析法分析了年冻融指数的时空变化趋势。结果表明:祁连山区近54年来冻结指数呈显著下降趋势,融化指数呈显著上升趋势,多年平均大气冻结指数、大气融化指数、地面冻结指数和地面融化指数大致分布在994.3~1 540.9℃·d、1 828.2~2 376.6℃·d、744.7~1 287.3℃·d、2 706.0~3 542.6℃·d之间;其气候倾向率分别为-6.5、6.5、-7.7、9.1℃·d·a^(-1)。从西北向东南方向,冻结指数表现出中部高,往东西方向逐渐降低的分布特征,而融化指数则相反;冻融指数除了受海拔和纬度综合影响外,还受台站地的坡向、周边地形、积雪深度以及人类活动等因数的影响。冻融指数时间序列的突变点发生在1994—1995年,与其气温的突变相对应;在突变点以后,大气和地面融化指数的增长速率和地面冻结指数的下降速率增大,大气冻结指数的下降速率减小,且在整个研究期间地面冻融指数的变化率均大于大气冻融指数的变化率,说明地面温度变化对全球变暖更敏感。此外,冻融指数与年平均气温和地面温度的线性关系非常强,且年融化指数在年平均地面温度的构成中所占的比重比冻结指数大。该研究结果对于了解祁连山区气候和冻土变化,进一步计算冻土参数变化和进行祁连山生态环境治理具有借鉴意义。

基于观测数据的全球大气冻融指数变化研究

冻融指数是气候变化的一个重要敏感指示器,被广泛应用于冻土变化研究中。研究全球范围内冻融指数的空间分布特征与时间变化趋势,可为全球冻土环境评估、工程建设以及应对气候变化提供依据。本文基于1973—2021年覆盖全球陆地且超过14000个站点的逐日气温观测数据,计算大气冻融指数并分析其时空变化特征,探讨其与地理因子的关系。研究结果表明:近49年全球平均冻结指数为610.8℃·d,最大值为19653.3℃·d,北半球(667.9℃·d)大于南半球(152.4℃·d);全球平均融化指数为4709.6℃·d,最大值为11217.0℃·d,北半球(4444.5℃·d)小于南半球(6927.3℃·d)。空间上,近赤道等低纬地区的站点冻结指数基本为0℃·d,融化指数为0℃·d的站点仅出现在南极洲和格陵兰岛。冻融指数受纬度和海拔的双重影响,且具有明显的气候带分布特征。全球站点的冻结指数以平均6.4℃·d·a-1的速率下降,而融化指数以平均14.0℃·d·a-1的速率呈上升趋势;但在21世纪初冻融指数变化均趋于平缓。在1973—2021年间,全球范围内冻结指数平均减少了36%(净变化为-160.2℃·d),冷温带气候带下的高纬地区平均减少了68%;全球融化指数平均增加了11%(净变化为437.5℃·d),而冷温带气候带下的高纬地区平均增加了16%。冻融指数的长时间变化趋势反映了全球正在不同程度地变暖,高纬高海拔地区尤为强烈,且冷季增温趋势比暖季更大。

黑河上游地表冻融指数与径流关系

[目的]探讨黑河上游地表冻融指数与径流的关系,为该流域的径流预测及水资源合理开发利用提供科学依据。[方法]利用1979—2006年黑河上游西支水文站和气象站的月平均径流、降水和气温资料,对该流域冻融指数变化、融化和冻结阶段径流变化进行分析,并对地表冻融指数与径流的关系做了进一步探讨。[结果]冻结指数和融化指数分别具有明显减少和增加的趋势,且在1990—2005年表现更为突出。径流在融化阶段变化趋势不明显,在冻结阶段呈现减少趋势,其中冬季径流减少趋势较为明显。季节冻融过程对冬季径流减少具有较为重要的影响,主要表现为冻结指数显著减小,表明土壤季节冻结过程中气温升高,这很可能使得冬季地表积雪更多地进行升华,从而削减了对径流的补给,导致了径流量的减少;融化指数显著增大,导致土壤季节融化深度增加了13~14cm,从而增加了土壤的调蓄空间,使得部分地表水储存于活动层,导致地表冬季径流量减少。[结论]季节冻融变化是影响黑河上游径流的一个不可忽视的特殊因子。

内蒙古地表冻融指数动态变化与驱动因素分析

基于内蒙古45个气象站点1980—2019年日均地表温度数据、结合中国第一代全球陆面再分析产品(CRA)数据以及NDVI数据,利用趋势分析法、相关性分析法和灰色关联度,对内蒙古近40 a地表冻融指数时空变化特征及驱动因素进行分析。研究表明:(1)SFI(地表冻结指数)年均值的空间分布特征表现出自西南向东北递增的规律,STI(地表融化指数)则反之,纬度是影响地表冻融指数空间分布的关键因子。研究期间SFI和STI分别呈现出显著下降和上升趋势,多年变化范围分别为956.1~1848.3℃·d和3717.6~4442.3℃·d,变化率分别为-156.4℃·d·(10a)^(-1)和152.4℃·d·(10a)^(-1);与季节冻土区相比,多年冻土区的冻融指数对气候变暖的响应更加敏感。(2)研究区近40 a土壤表层含水量、降水量、NDVI呈增加趋势,雪深呈减少趋势,但年际变化表现出不同的空间差异性,多年冻土区呈暖干化发展趋势,季节冻土区呈暖湿化发展趋势。(3)地表冻融指数与影响因素以负相关关系为主,SFI与影响因素在多年冻土区大部呈正相关关系,在季节冻土区大部呈负相关关系,STI则反之。内蒙古地表冻融指数变化受影响因素共同驱动,0.4 m土壤含水量是影响SFI变化的主导因素,NDVI是影响STI变化的主导因素。研究结果可为内蒙古冻土退化、农牧业生产等提供科学的参考。

1901—2018年三江源地区大气冻融指数变化特征

三江源地区是我国重要生态安全屏障,冻土是其高寒生态系统的重要组成部分,冻土的变化深刻影响高寒生态系统固碳及水源涵养。基于英国东英吉利大学(University of East Anglia,UEA)气候研究中心(Climatic Research Unit,CRU)月平均气温再分析资料,利用线性倾向法和滑动平均法并结合GIS空间分析和制图,计算并分析了三江源地区1901—2018年冻融指数变化趋势及其空间分布特征。结果表明:三江源地区冻结指数在1901—2018年整体以-1.1℃·d·a^(-1)的斜率呈波动减少趋势,经历了三个波动变化阶段:1901—1943年的下降(-3.4℃·d·a^(-1))、1943—1966年的升高(8.8℃·d·a^(-1))、1966—2018年的再次下降(-4.3℃·d·a^(-1))。融化指数与冻结指数的变化相反,整体以0.34℃·d·a^(-1)的斜率呈波动上升趋势,呈现升高(1901—1943年,3.3℃·d·a^(-1))、下降(1943—1981年,-3.1℃·d·a^(-1))、再次升高(1981—2018年,2.9℃·d·a^(-1))的趋势。在空间分布上,自西向东随海拔和多年冻土连续性降低,冻结指数由3 400℃·d递减到600℃·d,融化指数由接近0℃·d增加到1 800℃·d。长江源区冻结指数最大,融化指数最小;黄河源区冻结指数最小,融化指数最大。研究成果可为三江源地区冻土变化及其对高寒生态环境的影响研究提供科学借鉴。

1960—2012年东北地区冻融指数时空变化研究

利用中国东北地区39个气象站点的逐日平均气温数据计算冻融指数及其变化率,并分析其时间变化趋势和变化率的空间分布特征。结果表明:在过去50多年以来,东北地区有着很明显的变暖趋势,平均上升速率为0.37℃/10 a;东北地区冻结指数出现明显的下降趋势,整体下降率为66.63℃·d/10 a;融化指数出现明显的上升趋势,整体上升率为71.68℃·d/10 a。

高温高含冰量地区片块石路基冻融指数变化分析

冻融指数反映了路基热能和冷能蓄积的大小,是评价多年冻土分布、了解冻土变形的重要指标。本文针对沥青路面下高温高含冰量地区片块石路基的地温、冻融指数变化特征进行了分析,发现沥青路面吸收了较多的热量传送给路基下部土体,下伏多年冻土仍处于融化状态。从路基融化指数、融冻比及温度比来看,路基阴阳坡效应严重,路基中心和阳坡年平均融化指数大于冻结指数,阴坡则相反。而不论阳坡还是阴坡,块石层层顶冻结指数均要小于融化指数,年积温为正值,表现为吸热状态。

1977-2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征

冻结指数是某个地区冻结期长短和严寒程度的综合表征,融化指数是某个地区融化期长短及正积温高低的综合度量,冻融指数也是计算活动层厚度和季节冻结深度的关键参数,并可用于多年冻土分布预报。利用雅鲁藏布江(雅江)流域中下游11个气象站点的逐日气温、地面温度数据计算了1977-2017年大气及地面冻融指数,并分析其时空变化趋势。结果表明:雅江流域中下游近40年来冻结指数呈显著下降趋势,大气冻结指数、地面冻结指数、大气融化指数、地面融化指数多年变化范围分别为208.4~508.0、136.9~371.0、2171.8~2499.8、3350.2~4315.2℃·d;其气候倾斜率分别为-36.6、-48.7、90.7、115.8℃·d·(10a)^-1。雅江流域大气和地面冻结指数以海拔4488.8m的嘉黎最大,海拔2991.9m的林芝最小;大气和地面融化指数则以海拔3560m的泽当最大,海拔4488.8m的嘉黎最小。流域内大气负温日数变化规律与地面负温日数变化趋势基本一致,其气候倾向率分别是-6.28d·(10a)^-1和-5.57d·(10a)^-1。研究结果可为雅江流域冻土预报,冻融作用所形成的冰缘地貌研究及其引发的地质灾害如冻融滑塌、冻融泥流等灾害的监测与预防提供借鉴。

黑河流域年冻融指数及其时空变化特征分析

利用黑河流域气象站点的逐日平均温度数据计算空气及地表冻融指数,并分析其变化趋势以及空间分布。结果表明,黑河流域空气冻结指数、空气融化指数、地表冻结指数和地表融化指数变化范围依次为：673-2135℃·d,1028-4177℃·d,682-1702℃·d,1956-5278℃·d;黑河流域冻结指数出现明显的下降趋势,其中空气冻结指数（1951—2007年）下降速率为56.0℃·d/10a,地表冻结指数（1954—2005年）下降速率为35.4℃·d/10a;融化指数表现为上升,其中空气融化指数（1951—2008年）整体以每年47.8℃·d/10a的速率上升,地表融化指数在1954—1975年以135.9℃·d/10a的速率下降,在1976—2006年以185.3℃·d/10a的速率上升;黑河流域各站点冻结指数受海拔及纬度双重影响,而融化指数则主要受海拔影响;年平均气温与冻融指数有非常强的线性关系。

石河子地区年冻融指数的多尺度变化特征

基于石河子地区各气象站点1961─2013年的逐日平均气温数据,计算年冻融指数,并利用集合经验模态分解(EEMD)分析其多尺度变化特征。结果表明:在过去53 a,石河子地区冻结指数和融化指数的年际变化明显,其中冻结指数总体呈减少趋势,融化指数总体呈增加趋势,气候倾向率分别为-3.84℃·a-1和8.64℃·a-1。在年际变化上,冻结指数年际波动较大,其变幅为820~1 900.7℃;融化指数年际波动较小,变幅为3 518.8~4 577.9℃。在年代尺度上,冻结指数与气温呈明显的负相位,且两者的年际变化周期相同(3 a),年代尺度周期大致相当(10 a左右);融化指数与气温呈明显的正相位,且两者存在年际变化的同周期(3 a)。变化趋势特征表明,伴随着气温的增加,冻结指数呈非线性减少趋势,而融化指数呈非线性增加趋势。

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。

引气剂对混凝土性能的影响研究

测试了掺引气剂混凝土硬化后的气泡参数,并分析了引气剂对混凝土性能的影响。试验发现,引气剂的泡沫稳定性越高,新拌混凝土含气量的经时损失越小;新拌混凝土经90min后含气量与硬化混凝土含气量线性相关。引气剂的掺入降低了混凝土的强度,且掺引气剂混凝土的强度随气泡平均半径增大而降低。掺入引气剂后,混凝土的冻融耐久性得以改善;气泡间距系数对引气混凝土抗冻性的影响非常显著,当气泡间距系数超过300μm时,混凝土的抗冻性较差。

气泡参数对引气混凝土性能的影响

通过试验研究,测试了硬化混凝土的含气量、气泡平均半径、气泡数量、气泡间隔系数,探讨了气泡参数对引气混凝土性能的影响。试验结果表明,气泡平均半径对引气混凝土抗压强度的影响最大,混凝土抗压强度随气泡平均半径的增大而降低;随着气泡数量的增多,引气混凝土干燥收缩变形呈减小趋势;气泡间距系数对引气混凝土抗冻性的影响非常显著,当气泡间距系数超过300μm时,混凝土抗冻性较差。

西藏高海拔地区不同路面类型温度特性实测分析

在拉萨周边选取沥青路面和水泥路面两种路面类型进行了太阳辐射反射系数测试,修筑了沥青路面和水泥路面两种路面形式的试验段,通过路面结构内埋设的温度传感器分析了不同深度处温度的变化规律和冻融特性。结果表明:太阳辐射反射系数与路面的颜色深浅关系密切,水泥混凝土路面约为0.45~0.50,沥青路面约为0.2~0.3;拉萨地区沥青混凝土面层温度、水泥混凝土面层温度和温度梯度频次分布均呈现出较为明显的单峰形态;拉萨地区一年内沥青路面路表和水泥路面路表冻融次数分别为188次和182次,表明沥青混凝土与水泥混凝土配合比设计应重视其抗冻融耐久性能。

青藏高原高等级道路路基路面温度变化特征

连续观测了青藏高原多年冻土区道路结构不同层位和天然大地不同深度处温度,分析了不同层位日均温度的时空变化趋势、实时温度的频率分布特性与不同结构层材料的冻融特性。分析结果表明:空气、面层、基层、路基和天然大地温度年度变化趋势均呈现明显的热季与冷季之分,转换时间分别是4月份和9月份;观测周期年内,沥青混凝土路面路表日平均温度为-17℃~40℃,水泥混凝土路面路表温度为-18℃~17℃,沥青混凝土路面下的路基顶面以下0.8m处温度波动范围为-2.8℃~6.3℃,水泥混凝土路面下的路基顶面下0.7m处温度波动范围为-3.4℃~5.4℃;空气、沥青混凝土面层、水泥混凝土面层的温度和温度梯度频率分布均呈现出明显的单峰形态,且峰值对应的温度或温度梯度与相应的年均值存在偏差;基层、垫层和路基的温度频率分布均呈现多峰并存的形态,分别与冷季、热季、冷热季转换期相对应;分析周期年内沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的路表冻融次数分别为182、178;沥青混凝土与水泥混凝土冻结融化持续时间频率分布均呈现主峰+多副峰的形态,主峰对应的持续时间分别为0~2h和18~20h。可见,在多年冻土区,可优先选择水泥混凝土路面,以利于冻土的保护,沥青混凝土与水泥混凝土配合比设计均应验证抗冻融耐久性能。