基于船基图像的北极冰面融池形态研究

基于中国第12次北极科学考察期间获取的船侧倾斜拍摄海冰图像,研究了北极冰面融池大小和形态参数的空间分布及统计特征。应用自动检测算法将图像划分为水、冰、融池三种表面类别,经倾斜校正后计算每种类别的面积分数及单个融池的大小和形态。结果显示,融池的面积分数随纬度升高先增大后减小,较短的融化时间和较早的再冻结导致高纬度地区融池面积分数一直较低。融池的面积、周长和平均钳测直径随纬度升高具有相似变化规律,均为先增大后减小。不同大小融池面积的频率分布与幂律函数相吻合,对应指数均在1.4~1.8范围内,具有一定相似性。融池的分形维数随纬度升高分布较均匀,而周长与面积比值随纬度变化较大。不同纬度融池边缘凸度与圆形的对应值π相差较大,而各纬度融池圆度平均值为2.39±0.23;融池圆度和凸度与其面积成正比,周长与面积比值则与融池面积成反比,表明融池边缘随着融池面积增加而变得更长更曲折。冰面融池变化引起的平均海表反照率空间差异较大,随着纬度升高在0.24~0.67之间变化,变化率为0.10(°N)^(-1)。本文研究的融池大小和形态参数可为融池演变模拟及遥感反演算法改进提供重要观测依据和地面验证。

基于SHAW模型的黑河上游多年冻土与季节冻土水热过程模拟

全球气候变暖导致多年冻土快速升温,并逐渐退化为季节冻土,而多年冻土和季节冻土在土壤稳定性、水分传输及地气交换等方面存在显著差异。因此,探究多年冻土与季节冻土的冻融特征差异具有重要意义。本文基于水热耦合模型(SHAW),以黑河上游祁连山区的大沙龙站(多年冻土)和阿柔站(季节冻土)为研究对象,对土壤温度、湿度和土壤冻融过程进行模拟分析。结果表明:SHAW模型在模拟两种类型冻土站点水热过程时均显示出了良好的精度,在多年冻土站点的总体表现更好。具体而言,多年冻土/季节冻土站点的土壤温度和土壤湿度的平均纳什效率系数(NSE)分别为0.95/0.91和0.74/0.37。同时,两个站点的水热过程差异显著,多年冻土站点模拟期平均冻结速率(6.75 cm·d^(-1))显著大于季节冻土站点(1.33 cm·d^(-1)),而平均融化速率(2.11 cm·d^(-1))略小于季节冻土站点(3.15 cm·d^(-1))。由于多年冻土站点的下伏多年冻土层起着“地下冷源”的作用,深层(80 cm以下)土壤温度的季节波动幅度小于季节冻土站点。本文结论可为研究黑河上游多年冻土与季节冻土的冻融差异提供参考。

冰川前缘冰舌区可培养细菌多样性及抗辐射-抗氧化特征——以老虎沟12号冰川为例

全球变化导致气温上升加速冰川退缩,冰川前缘进化出大量抗辐射-抗氧化微生物资源。细菌作为影响冰川前缘演替过程的重要类群之一,对其冰舌区新融化的冰碛物生境中抗辐射-抗氧化细菌的研究却较为少见。基于16S rRNA基因序列系统发育学的研究,不仅对老虎沟12号冰川前缘冰舌区冰碛物生境可培养细菌多样性进行研究,同时对菌株的抗辐射和抗氧化能力进行筛选和评估。研究表明,研究区域分离出的259株细菌分别归属于放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和异常球菌-栖热菌门(Deinococcus-Thermus),其中放线菌门的菌株数量最多,其次是变形菌门>拟杆菌门>厚壁菌门>异常球菌-栖热菌门;在物种多样性方面,放线菌门和变形菌门是物种丰富度最高的门。TN、TOC、WC和pH是影响可培养细菌群落结构的主要因素。UVC辐照强度的D10(致死率为10%)剂量高于100 J·m^(-2)的菌株占可培养细菌总数的94.9%,过氧化氢耐受浓度的D10剂量高于10 mmol·L^(-1)的菌株占100%;其中有20株抗辐射菌株氧化胁迫后的存活率在90%以上。此外,氧化胁迫后存活率高于Deinococcus-radiodurans R1的菌株均是100 J·m^(-2)UVC辐照后抗辐射存活率高于50%的抗辐射菌株。该研究不仅可以为冰川前缘环境中细菌的多样性和生态适应性提供理论基础,也可以为后续辐照、氧化损伤保护机制的研究提供丰富的抗辐射-抗氧化冰川细菌资源。

缅怀阿瑟·赫罗尔德·拉肯布鲁克博士(1925—2021)

从20世纪80年代初第一次阅读拉肯布鲁克博士的论文开始,我一直被他的冻土物理热学的研究方法吸引着,也在很长一段时间内影响着我对科研课题的选择。我曾把他的热学方程应用到自己的研究。1993年在北京举行的第六届国际冻土大会期间,我与拉肯布鲁克博士相见,并在会后一起参加了青藏高原调研旅行。尽管他个头高大,但说话却很温和,是一位非常耐心的良师益友。我曾通过信件联系他,并向他请求寄送其发表的文章给我,另外,他也曾作为专家为我的文章审稿。拉肯布鲁克博士的去世是地球物理学和冻土学界的一大损失,他是冻土物理热学研究的巨匠和先驱。他在美国地质调查局的专业研究生涯长达60多年,他的研究深入到地球物理、地热热流、多年冻土、地貌,以及大地构造和地震学,并在这些领域作出了杰出的贡献。他对深层冻土温度剖面的测量和研究使他比较早地提供了地球变暖及全球变化的证据。他对热油管道和多年冻土相互作用的研究避免了掩埋热油管道对冻土环境灾难性的破坏。拉肯布鲁克博士是一位多产的科学家,出版了大量的著作,他的许多文章已成为冻土学研究的基准和经典,这是他留给后人的宝贵遗产和财富。在我们缅怀这位大师的同时,也为他对地球物理及冻土学所作出的巨大贡献致以敬意。拉肯布鲁克博士不仅是一位科学家,他还是一位城市规划能手,他曾志愿担任所居城市市政规划委员会主任长达10年之久。为了纪念拉肯布鲁克博士,市政府最近决定用他的名字来命名一条人行道。

《冰川冻土》征稿简则

《冰川冻土》聚焦服务于冰冻圈科学及其分支学科,如冰川学、冻土学、寒区工程学、冰冻圈水文学、冰冻圈生态学等学科发展,重点报道冰川(冰盖)、积雪、冻土、海冰等关键冰冻圈要素的过程与机理、冰冻圈变化的影响与适应,以及相关的全球变化方面的基础研究和应用研究。重点关注具有创新性、高水平及对国民经济建设有重要意义的新思想、新观点、新理论和新方法,传播冰冻圈科学与可持续发展相关的科学知识,推动国内外学术交流,服务冰冻圈及其影响区域的经济社会可持续发展。

近相变区细砂土导热系数试验及预测模型研究

近相变区冻土导热系数是影响寒区岩土工程热稳定性的关键物性参数,针对该温度区间冻土导热系数难以精确测量的问题,提出了一种稳态热流计法试验获得导热系数、量子粒子群寻优算法近似回归定性温度的近相变区冻土导热系数测试方法,采用核磁共振技术对细砂土近相变区未冻水含量进行测试并探究了其与导热系数的关系,分析了负温区细砂土导热系数的分布特征和参数影响规律,建立了不同温度区间的导热系数预测模型。结果表明:负温区细砂土未冻水含量变化曲线与其导热系数呈现出极为相似的变化规律,温度-导热系数曲线可划分为-3.2℃为界的近相变区和稳定相变区;冻结细砂土导热系数的增幅区间主要发生在近相变区,增长幅度约占整个负温区导热系数总增幅的50%,且随温度降低,导热系数的增幅逐渐减小;预测模型平均相对误差为4.14%,±10%误差内占比为94.7%,稳定相变区确定系数R2为0.892,近相变区确定系数R2为0.883,证明了该模型具有较好的准确性。研究成果可为寒区工程温度场的计算与分析提供基础参数,亦可为寒区重大基础设施精细化设计和冻土风险精细化防控提供数据支持。

大尺度驱动因子对新疆极端冷事件的单一与耦合影响

全球变暖背景下,偶发极端冷事件产生的重大灾害损失不容忽视。探究区域极端冷事件的大尺度驱动因子的耦合影响,对预估和应对气候变化产生的极端灾害具有重要意义。本文基于新疆1961—2016年53个气象站点的逐日气温资料,通过反距离加权等方法对极端冷事件的时空演变特征进行分析;利用交叉小波变换对6个极端冷指数与大尺度驱动因子--北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)进行多尺度分析;使用参数假设检验对大尺度驱动因子单一/耦合模态下的冷指数变化进行统计学显著性检验,随后对大尺度环流机制进行距平合成分析。结果表明:年均冷指数在时间尺度上均有显著性变化,新疆气温有明显的变暖趋势;空间尺度上冷指数在北疆、东疆和伊犁河谷地区的变化幅度远大于其他区域,存在空间差异性。AO、NAO与冷指数的相关性较强,ENSO与冷指数相关关系最弱但存在明显的时滞效应,大尺度驱动因子对极端冷指数的总体影响程度为AO>NAO>ENSO。单一模态下,极端冷事件在AO负位相、NAO负位相和La Niña事件期间易发生。耦合模态下,EI Niño-AO正位相和EI Niño-NAO正位相配置下冷日日数偏多;EI Niño-NAO负位相配置时极端低温值更小;La Niña-AO负位相和La Niña-NAO正位相时极端冷事件发生的可能性更大。EI Niño(La Niña)事件对AO(NAO)有一定的调制作用。新疆极端冷事件更易出现在La Niña-AO负位相、La Niña-NAO正位相时期,成因与亚欧大陆中高纬度位势异常导致冷空气路径偏西、乌拉尔阻塞加强与偏北气流影响新疆有关。

不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异研究

在多年冻土区,道路工程会对周边的多年冻土产生热影响,但不同地表条件下的多年冻土对道路热影响的反馈差异尚不完全清楚。本研究基于青藏公路沿线两处监测场地的多年冻土监测数据,研究了不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异。结果表明,青藏公路对多年冻土的热影响因地表条件的不同而存在差异。与植被覆盖率较高的监测场地相比,在植被覆盖率较低的监测场地,其多年冻土年平均地温更高、多年冻土活动层厚度更大,且青藏公路对多年冻土的水平热影响范围也相对更大。此外,在植被覆盖率较低的监测场地最靠近坡脚的位置处,由于地表条件的不同,其浅层土壤更易受到外界扰动,导致该位置浅层土壤与外界的热交换特征迥异于其他监测位置,这可能也是导致两处监测场地多年冻土的热状态存在差异的原因。目前,青藏工程走廊内各线性工程密布,工程间的相互影响及其与多年冻土间的关系已成为必须考虑的问题。本研究工作对于青藏高原多年冻土区工程走廊内线性工程之间的合理间距设定,以及即将建设的青藏高速公路双向路基间的合理距离设计都可提供参考,以达到减少工程热扰动,保障工程安全运营的目的。

最近十多年来冰冻圈加速萎缩--IPCC第六次评估报告之冰冻圈变化解读

政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2021年8月发布了第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》。该报告基于最新的观测和模拟研究,评估了冰冻圈变化的现状,并采用CMIP6模式对未来变化进行了预估。报告明确指出,近十多年来冰冻圈呈现加速萎缩状态:北极海冰面积显著减小、厚度减薄、冰量迅速减少;格陵兰冰盖、南极冰盖和全球山地冰川物质亏损加剧;多年冻土温度升高、活动层增厚,海底多年冻土范围减少;北半球积雪范围也在明显变小,但积雪量有较大空间差异。冰冻圈的快速萎缩加速海平面的上升。未来人类活动对冰冻圈萎缩的影响将愈加显著,从而导致北极海冰面积继续减少乃至消失,冰盖和冰川物质将持续亏损,多年冻土和积雪的范围继续缩减。报告也提出,目前冰冻圈研究仍存在观测资料稀缺、模型对各影响因素的敏感性参数和过程描述亟需提升、对吸光性杂质的变化机制认知不足等问题,从而影响了对冰冻圈变化预估的准确性,未来需要重点关注。

天山南坡高冰川覆盖率的木扎提河流域水文过程对气候变化的响应

木扎提河是天山南坡冰川面积覆盖率最大(48.2%)的河流,流域径流过程对气候变化极为敏感,为了合理管理和规划水资源,确保水资源的可持续利用,亟需定量评估气候变化对该流域水文过程的影响。以VIC-CAS分布式水文模型为计算平台,利用实测的径流和两次冰川编目间的冰川面积变化数据开展了模型的多目标参数化校正和验证,有效提高了模拟结果的"真实性",然后通过数值模拟结果结合观测数据定量解析了流域径流的组成、变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明:木扎提河总径流集中在暖季(5-9月),占全年总径流量的77.9%,冰川径流、融雪径流和降雨径流分别占总径流量的66.6%、26.4%和7.0%。1971-2010年木扎提河流域气温和降水呈显著增加趋势,由于降水的增加,降雨和融雪径流均呈增加趋势,但冰川径流呈现明显减少趋势,导致总径流呈现下降趋势。在RCP4.5情景下,未来该流域气温呈现明显升高趋势,降水表现为微弱下降趋势;气候变暖后,更多降水以降雨形式发生,未来降雨径流将明显增加,降雪和融雪径流已于20世纪90年代达到峰值,随后明显减少;冰川面积将持续萎缩,冰川径流于21世纪10年代达到拐点,随后明显减少,导致河道总径流量也将明显减少。

考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究

黄土的冻胀特性与土体的含水率、土体的密度以及外部荷载关系密切。在室内对不同含水率、不同密度的黄土试样施加不同荷载,进行了冻胀试验研究。结果表明:黄土试样的冻胀率随着荷载增加呈指数形式递减;冻胀率在土样含水率越大时随干密度的变化越大;在自由冻胀状态下,冻胀率随干密度的变化较大,施加荷载后随干密度的变化较小。在荷载水平较高时,冻胀率随着含水率增大而增大,但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。对于密度相同、作用荷载相同的土样,含水率增大时冻胀率线性增大。黄土地区的冻胀影响因素中,荷载、含水率、干密度对冻胀影响是依次减小的。对不同含水率、不同干密度以及不同作用荷载条件下的黄土冻胀试验结果进行拟合,得到了可综合考虑含水率、干密度和荷载的冻胀预报模型。

不同顶管组合方式的管幕冻结温度场模型试验

拱北隧道作为港珠澳大桥珠海连接线的关键性工程,在国内外首次成功运用了管幕冻结技术。以此为背景,为更加全面地掌握饱和软土地层中管幕冻结温度场的分布特点,开展了不同顶管组合方式下的管幕冻结温度场模型试验研究。试验结果表明:各测点温度曲线在积极冻结期前4h急剧下降,随后逐渐减缓,降至砂土冰点后趋于平稳,三种布管方式均满足冻结设计要求;冻结管中低温盐水提供的冷量首先传递给顶管管壁,再以"面"的形式均匀地传递给周围土体;积极冻结21h后,采用四根空顶管组合的C区冻结壁竖向范围最大,空管管壁正上方冻结壁平均厚度约为105mm,在满足管幕刚度设计要求的前提下,可采此布管方式以达到快速形成冻结帷幕的目的。限位管开启后的4h内,实顶管中线垂直距离100mm范围内测点温度曲线虽有明显回升但仍维持在冻土冰点以下,超出此范围后温度变化影响逐渐减弱,且顶管间冻结壁稳定存在,表明限位管在满足管间有效封水的条件下,能在一定范围内起到定向限制地层冻胀的作用。优化后的双圆形冻结管在满足冻结设计要求的同时,更加便于安装且经济环保。

环北极多年冻土区碳循环研究进展与展望

环北极多年冻土区作为全球碳库的重要组成部分,它以一种独特的方式响应着气候变化。在气候变暖的背景下,冻土中的有机碳将在全球碳循环中扮演着更活跃的角色。为增进对环北极多年冻土区碳循环的认识,分析了近年来北极多年冻土区碳储量和碳迁移状况,以及相关模型在模拟碳循环应用方面的最新进展。目前,对北极多年冻土区碳源/汇的时空分布格局、碳循环过程的关键驱动因子以及碳循环对全球变化的响应等一系列问题尚不能作出完整的、系统性的科学解释。同时,还进一步分析了北极多年冻土区碳循环模拟的三大不确定性因素。基于以上分析,提出未来对北极多年冻土区碳循环的研究还应在典型研究区开展长期的野外系统监测、创新研究方法,深化碳循环机制研究,重视学科交叉以及多模型集成,宏观与微观相结合、多途径与多尺度综合研究。

祁连山地区不同植被生态系统固碳价值量估算及时空演变分析

基于改进的CASA模型测算祁连山地区植被净初级生产力(NPP)物质量,并进一步基于光合作用方程式、碳循环过程模型估算了研究区2005年、2010年、2015年植被、土壤固碳量及价值,旨在定量分析该区域不同植被生态系统植被、土壤固碳价值时空演变情况,为制定更科学合理的碳管理措施提供科学依据。研究表明:祁连山地区2005-2015年植被、土壤固碳价值呈递增趋势,2005年、2010年、2015年植被、土壤固碳价值分别为515.95、356.56亿元;491.05、404.36亿元;581.55、465.65亿元,土地类型的改变使得植被、土壤固碳分别增长12.72%、30.39%。从空间分布上看,东部植被、土壤固碳量明显高于西部,林地固碳能力最高,单位面积固碳量为10.19t·hm^-2。草地是研究区分布最广的植被,且其对该地区植被、土壤固碳贡献比为51.13%、49.34%。

青藏高原土壤中一株原油降解菌的作用机制探究

分别采用原油和丙酮酸作为碳源培养Pedobacter steynii DX4细胞,采用Illumina高通量测序技术对两种碳源条件下细胞的转录组进行测序,测序数据拼接组装后共得到7 693个Unigene,其中有5 017个Unigene获得CDS注释。对Unigene进行筛选共获得1 195个差异表达基因,约占Unigene总数的15. 5%,对差异表达基因进行功能分析发现,在原油为碳源的生长条件下,DX4细胞中Luciferase-like monooxygenase基因和卤代烷脱氢酶基因表达水平显著提高,这两个基因可能在DX4细胞中催化烷烃末端氧化反应。KEGG分析显示,以原油为碳源的DX4细胞中的脂肪酸降解途径中发现了8个UPDEGs、苯酸盐降解途径中发现了10个UPDEGs,揭示了细胞对原油中烷烃和芳香烃类物质的降解通路。此外,关于信号处理、物质转运、胞外多糖合成以及细胞趋向运动代谢途径的基因表达水平上调,表明DX4细胞可能依赖细胞趋向运动和合成生物表面活性物质来辅助原油降解。

青藏公路沿线多年冻土区土壤热通量参数化方案的优化和检验

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,其估算方案在研究地表能量平衡研究中必不可少。利用青藏公路沿线5个站点0~20 cm的实测土壤层温、湿度及5 cm土壤热通量资料,以翁笃鸣气候学计算方案为基础建立了优化的5 cm土壤热通量计算方案。通过唐古拉和西大滩两个独立站点的检验结果表明,优化方案的结果相对于原方案有较大的改善,唐古拉和西大滩5 cm土壤热通量均方根误差值分别减小了3.2 W·m^(-2)和4.8 W·m^(-2),而相对误差分别减小了61.9%和36.1%,即新方案能够较好地估算出青藏公路沿线多年冻土区5 cm土壤热通量。使用优化方案模拟了青藏公路沿线11个站点5 cm土壤热通量变化,结果显示,近十年青藏公路沿线土壤热通量呈现出增大的趋势,其中,5 cm土壤热通量增大了近1.0 W·m^(-2),而且各观测场的年平均土壤热通量值均大于0.0 W·m^(-2),表明就年尺度而言,热量有盈余,盈余热量用于加热下层土壤,引起活动层厚度增加,平均状况下土壤热通量每增大1.0 W·m^(-2),活动层厚度增大约21.0 cm。

黑龙江省两次温带气旋暴雪过程对比分析

利用多种资料对黑龙江省两次由江淮气旋和蒙古气旋合并引发的暴雪过程的水汽、热动力条件和中尺度特征进行了对比分析。结果表明:(1)两次暴雪过程都发生在北支槽和短波槽合并、北支槽北部有冷涡的背景下,850 h Pa上低涡合并促使江淮气旋和蒙古气旋合并;气旋合并后,低空急流为降雪提供了充足水汽,强暖平流使气旋爆发性发展,导致降雪加强。(2)两次降雪过程都表现出逗点云系的合并发展,"1211"暴雪过程中高层形成涡旋偏西,700 h Pa低涡东部偏南风引导气旋北上西折,低空急流和地形共同作用使暖湿空气强烈辐合上升,产生对流云,暴雪发生在A类逗点云系的头部,降雪强度大,范围广;"1412"暴雪过程高空槽低涡位置偏东,700 h Pa低涡东部西南风始终引导气旋向东北方向移动,近地面层具有冷垫,暴雪主要发生在B类气旋逗点云系头部西侧中低云团中,降雪范围和强度较"1211"过程小。(3)低层(0. 3 km)冷空气侵入和中高层(5. 5 km)转为偏北风对判断降雪开始和结束有很好的表征意义。(4)冷涡前部强高压脊使冷涡移动缓慢,从而延长了降水的持续时间,气旋移动路径与高压脊伸展方向密切相关。

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明:一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na+在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。

1980-2017年青海省玉树地区季节冻土变化对气候变暖的响应

利用玉树地区5个气象台站1980-2017年逐月温度和最大冻土深度资料,采用线性趋势、相关及主成分分析等统计方法,对玉树地区最大季节冻土深度在气候变暖背景下的变化规律进行了详细探讨,在分析冻土深度与气温及地表温度变化关系的基础上给出最大冻土深度对温度变化的响应模型。结果表明:1980-2017年玉树地区最大冻土深度以10 cm·(10a)^(-1)速率呈显著下降趋势,年代际间变化则表现出"减-增-减-增"波动特征,年内对温度变化的响应在时间上存在一定滞后性;最大冻土深度空间分布呈"西北高、东南低"且具有明显的垂直地带性分布;温度变化对局地季节性冻土的影响有一定差异性,除平均最高地温外其余各温度因子与最大冻土深度变化具有良好的一致性,对冻土影响最大的是平均地温,其次为平均最低气温和平均气温,季节性冻土对气温变暖的响应呈现为退化状态。最大冻土深度变化的温度影响因子主成分回归表明,近年来气温和地温的显著升高是玉树地区冻土退化的最大驱动力,响应模型对估算玉树地区未来最大冻土深度的变化具有较高的可信度。