多年冻土与大气间的相互作用主要是通过活动层中的水热动态变化过程而实现。气候变化背景下的多年冻土活动层冻融过程模拟、多年冻土厚度制图和变化预测是研究冻土区生态环境、水文、工程以及碳循环的基础。根据国内外研究进展，总结了不同修正形式的Stefan方程在多年冻土活动层冻融过程和活动层厚度模拟中的应用进展，对将Stefan方程应用到分层堆积土壤中的不同算法进行了简要介绍，并指出了其在应用过程中存在的问题。Stefan方程首次将地表（或者大气）温度的变化与冰层（或者土层）的冻结融化过程以简单公式的形式联系起来，极大地简化了土壤冻结融化过程的分析计算。由于其输入参数少、形式简单、模拟效果可靠，成为常用模拟土壤冻融过程的方法之一，将其耦合到气候模型、陆面模型和水文模型中的研究也越来越多。Stefan方程最初在研究北极地区湖冰形成过程时提出，在应用到冻土学中后，不同学者在考虑土壤含水量、不同下垫面地气温差、地形和降水等因素后对方程进行了改进，并有多种算法试图将这一方程应用到非均质土壤中，取得了较好的模拟效果。但是，Stefan方程在国内的应用更多地用于简单模拟均质土壤多年冻土活动层厚度的空间分布状况，...
多年冻土活动层变化导致冻土区大范围地面变形,严重破坏区域内基础设施和水文地质条件,亟需加强活动层季节冻融过程的观测研究.本文提出一种基于分布式目标的小基线集时序InSAR（DSs-SBAS）的冻土形变监测方法.该方法采用分布式目标提取和特征值分解算法,并结合基于地温-形变约束关系的参考点选取新策略,提高了冻土形变监测结果的时空分辨率和可靠性.以祁连山黑河西支源头的野牛沟为研究区域,通过对27景Sentinel-1SAR影像进行时序InSAR分析,获取了2014—2016年该区多年冻土的形变时间序列和年均形变速率,并利用Stefan模型联合地温数据估算其季节性形变幅度.实地踏勘和结果分析表明:（1）研究区大部分多年冻土处于稳定状态(-1.0～+1.0cm·a-1),在地形陡峭的南坡边缘及含冰量丰富的野牛沟河上游两侧沟底部分区域存在较大形变;（2）区域内冻土形变时间序列呈现年周期变化,冻土冻融形变存在季节性周期形变和季节性波动下沉两种形变特征,形变幅度和速率最大可达6.0cm和-3.0cm·a-1;（3）不同区域的活动层冻结/融化始日和冻土形变存...
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。
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.
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.
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.
