地表变形是反映活动层冻融过程的重要特征。为研究地表变形与活动层水热过程的相关性，采用SBAS-InSAR技术对祁连山地区野牛沟多年冻土区近5a的地表变形进行长期连续监测，并基于野外观测数据研究了地表变形与土壤水热过程的关系。结果表明，冻融过程与水力侵蚀作用引起的地表变形最为显著，地表变形表现出明显的季节性特征。冻融过程引起的地表累积变形较小，年际冻胀、融沉幅度约为10～20 mm；水力侵蚀引起的地表累积变形较大，年际地表变形幅度超过50 mm。野外观测数据表明活动层土壤温度具有轻微的下降趋势，负温等温线下探深度增加、历时加长，冻结锋面交汇日逐渐提前。地表变形与土壤温度、土壤湿度具有较好的相关性，在土壤水分富集区相关性更强，相关系数分别为-0.522、-0.415(P<0.001)。土壤水分富集区土壤含水量的变化对地表冻胀、融沉幅度变化的影响也更显著，两者具有良好的线性关系。笔者定量描述了活动层地表变形与土壤水热过程的关系，对大范围活动层冻融参数的监测研究具有参考意义。

青藏高原海拔高,太阳辐射强,坡向效应显著。其中阴阳坡效应不仅导致多年冻土空间分布格局的差异性,也严重影响了冻土路基工程稳定性。目前虽有大量关于阴阳坡热效应的研究,但定量化和多因素耦合作用的研究,特别是场地内多次重复测量的定量评估研究仍不多见。通过对青藏高原多年冻土区北麓河盆地两个具有相反坡向研究场近4年(2016年9月至2020年5月)近地表温湿度、辐射和风速等野外多重观测资料的分析,研究了高海拔多年冻土区阴阳坡效应对近地表水热及能量平衡的影响。结果表明:在坡向的长期影响下,阴阳坡下垫面性质(辐射、温湿度和土壤质地等)存在较大的差异。其中,阳坡土质相对粗糙,不利于水分的保持,阴坡反之。0.05 m深度阳坡(朝南坡向)的日冻融循环次数明显高于阴坡(朝北坡向)。2016—2019年阳坡和阴坡的日冻融循环总次数分别为368和109次,差异非常明显。阳坡各深度土壤温度均显著大于阴坡,温差约1.4℃。浅层地温对地表热量变化的响应速率较快,但随深度的增加阴坡地温的响应速率逐渐滞后于阳坡,且这一现象在融化阶段更为显著。融化阶段,阳坡水分的变化速率较快,随深度的变幅较大,但土壤含水量却明显低于阴坡。地...

活动层作为多年冻土与大气系统之间能量和水分交换通道,其内部的水热状况是控制水循环和地表能量平衡的主要因素,并直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用一维水热耦合模型CoupModel,对青藏高原风火山试验点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。模拟效率参数表明模拟结果很好地反映了研究区多年冻土活动层水热状况。基于已验证的模型,设置多种不同气候变化情形,来分析活动层内部水热状况对全球气候变化的响应。研究结果表明:(1)土壤温度与气温呈正相关关系,气温每升高1℃活动层平均增温约0.78℃,但随着土壤深度增加,增温幅度逐渐减小;(2)升温导致活动层土壤冻结和融化过程发生变化,且对融化过程的影响明显大于冻结过程;(3)活动层各深度土壤含水量随气温升高而增大,且增大幅度随土壤深度增加而不断增大;(4)在完全融化期,降水量增加降低了浅层土壤温度,升高了深层土壤温度,而完全冻结期土壤温度均随降水量增加而升高;(5)降水量增加导致活动层含水量增加,其中完全融化期土壤含水量变化最明显。因此,气候暖湿化将对青藏高原多年冻土区活动层土壤温湿度及冻融循环过程产生较大影响,可能不利于冻土发育。

尼洋河流域是雅鲁藏布江第四大支流,受冰川、积雪和冻土影响,水循环关系极其复杂。为深入研究该区域内的水文循环过程,本文在寒区水循环模型(WEP-COR)的基础上,针对青藏高原气候和地质特点,构建了耦合"积雪-土壤-砂砾石层"连续体和"积雪-冰川"水热过程模拟的青藏高原分布式水循环模型(WEP-QTP)。在尼洋河流域通过对2013—2016年的流量过程模拟发现,工布江达和泥曲站的逐月流量Nash-Sutcliffe效率系数分别达到0.810和0.752,比改进前的0.430和0.095有明显提升;以2015年为例,对比WEP-COR和WEP-QTP模型发现,WEP-QTP模型在汛期特别是主汛前(冻土融化期)模拟的流量过程不会出现较大的波动,模拟得到的逐日流量Nash-Sutcliffe效率系数相比WEP-COR从-0.67提高到0.54。模型增强了地下水含水层的调节作用,使得流量过程更加平稳且接近实测,研究结果表明,WEP-QTP模型适用于青藏高原的水文模拟。

季节冻土区道路工程冻融病害频繁,路基的水热耦合作用是病害发育的控制因素。为揭示该地区公路路基的水热作用过程,分析其影响因素和变化规律,基于内蒙古深季节冻土区室韦—拉布达林公路实体工程3年的观测数据,分析了沥青路面结构层和路基的冻融规律、含水率变化特征以及水热相互作用过程。观测数据表明,该地区公路路基冻融频繁,面层处的最高、最低温度和融化指数、冻结指数均为最大,其他部位的地温随着路基深度的增加有所减小,路基底部附近的融冻指数比约为天然地表的1.6倍以上。路基的完全冻结时间在150 d左右,且随着运营时间的延长,融化期有所延长。路基内含水率表现出显著的季节交替特性,底基层处的含水率最大,暖季时达到40%左右,基层处的含水率最小,在10%以下,路基体内的含水率在20%～25%。地温与含水率存在显著的线性相关性,水分的波动受温度影响显著。沥青路面的温度梯度和水分通量的统计关系表明,水分通量的变化主要集中在融化期内,且与温度梯度的变化吻合较好,底基层内的水分通量最为活跃,说明温度梯度是水分迁移和聚集的重要驱动力,沥青路面吸热和封水的结构特性是诱发路基下部水分在底基层处聚集的主要原因,提出此类地区...

生物结皮在高寒地区广泛发育,是影响冻土环境的重要因素之一。为了解高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响,以黄河源区玛多县季节冻土区生物结皮为研究对象,采用定位监测的方法,分析了统一地貌单元内两种不同类型的生物结皮对浅层(0—50 cm)土壤水热变化的影响。研究结果表明(1)生物结皮对冻土浅层土壤水热过程有显著的影响,且与土壤的冻结融化状态密切相关:在冻结状态下,生物结皮对土壤水分和温度均没有显著影响;而在融化期,与裸地相比,两种类型生物结皮均增加了不同土层土壤未冻水含量,同时降低了浅层土体温度。(2)生物结皮对冻土浅层土壤水热过程的影响还与生物结皮的类型密切相关:1)其中深色藻结皮增加了5—15 cm土层土壤含水量(1%—5.4%),而浅色藻结皮增加了30 cm土层土壤含水量(5%—12%),且深色藻结皮的降温效应(1.1—2.1℃)显著高于浅色藻结皮(0.8—1.3℃)。(3)生物结皮覆盖下冻土浅层土壤中未冻水含量与土壤温度呈复杂的耦合作用。根据土壤中未冻水含量与温度的变化关系可分为三个阶段:T<-4℃时,土壤处于完全冻结状态,深色藻结皮覆盖下,土壤未冻水含量保持在4.3%...

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.

季节冻土区公路工程冻胀破坏是影响工程安全运营与路基寿命的关键问题，这一问题在高纬度季节性冻土地区更为突出。为掌握高纬度地区公路冻胀特性，分析其影响因素和变化规律，本文基于内蒙古S201室韦至拉布大林公路深季节冻土区公路冻胀现场试验断面监测数据，分析了公路冻胀变形特征和水热状态。研究结果表明：该地区公路冻胀显著，冻胀变形过程表现出显著的季节周期性特征，主要发生在砂砾垫层和路基体，其中路面砂砾垫层的冻胀变形占总冻胀量的50%以上。该地区强烈的冻融循环和显著的水分迁移是发生冻胀的主要诱因。水热状态监测数据表明：路面结构层、路基及浅层地基受冻融循环影响显著，最大冻深在路面以下2.2～4.0 m附近，该区域显著的温度梯度使得水分在路面附近不断聚集，砂砾垫层的含水率高达70%，为该部位的冻胀变形提供了丰富的水分来源。

以青藏高原查拉坪地区一处热融湖塘(40 m×50 m,最大深度为1 m)为研究对象,由实测数据对比分析了热融湖塘与天然地表相同深度的温度变化特征.结果表明:与天然地表相比,热融湖塘融化时间长,冻结时间短,且存在接近4℃的水温变化;受太阳辐射及热对流的影响,垂向水温梯度仅在水表从4℃降温及冻结阶段较大,其余时段接近0;湖底年均温度比相同深度的天然地表高约6.4℃,湖底下部存在约14 m深随时间发展的融区,土体吸热增大,放热减小;热融湖塘2.5～3.0 m土体的年内热交换为19592.0 k J/m2,约是天然地表的230倍,其中吸热量及放热量分别为后者的1.4倍及8.7%.湖塘下部的融化夹层是深层冻土的主要热源,湖塘对下部土体放热的抑制作用是湖塘对土体产生热影响的主要原因.

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。