为表征冻土地层天然存在的三维空间变异性并阐明冻结帷幕温度特征值演化过程与统计规律，将冻土地层热学参数建模为三维空间随机场，提出用于不规则三维空间随机场离散的四面体单元局部平均法；引进体积坐标变换和高斯数值积分呈现了不规则三维四面体随机场单元协方差矩阵的解析计算方法和数值计算方法；构建考虑冻土地层三维空间变异性的冻结帷幕水热耦合随机分析模型，获得温度特征值动态演化过程与统计规律，讨论表征三维空间变异性的随机场相关结构模式对冻结帷幕温度特征值的影响。结果表明：提出的三维随机场四面体单元离散法能与有限元四面体单元离散法完美结合，随机场网格与有限元网格的对应关系清晰，易于随机有限元程序的编制；冻土地层热学参数的空间变异性对冻结帷幕温度特征值有显著影响，其中导热系数空间变异性影响最为强烈；不同三维随机场相关结构模式对冻结帷幕温度特征值影响程度存在差异，其中三角型模式影响最大，高斯型为中间值，指数型影响最小。

为深入揭示坡面冻土水分运移规律及其主要影响因子,以青藏高原巴颜喀拉山北坡为例,结合冻融变化过程,研究不同地形条件冻土土壤水分空间变异特征,利用分类回归树模型(CART)和典范对应分析(CCA)识别影响坡面冻土土壤水分空间异质性的主控因子及其相互作用关系。研究结果表明:1受坡面地形与冻融过程影响,冻结期坡面冻土土壤水分侧向流动减弱,以垂直迁移为主,上坡位含量高于下坡位,反之,融化期上坡位含量则低于下坡位。2影响坡面冻土土壤水分的主要环境因子为高程、土壤质地、土壤温度和植被覆盖度,但在不同冻融阶段下其影响因子存在差异,在冻结状态下主要因子为高程、土壤质地和土壤温度,其相对贡献率分别达到19.97%、19.45%和9.56%;在融化阶段下主要因子为高程、植被覆盖度和土壤质地,其相对贡献率分别为37.4%、14.9%和10.7%。3 0～20 cm浅层深度上影响坡面冻土土壤水分的主要因素为坡度、高程和植被覆盖度,其相关系数分别高达0.941 2、0.903 9和0.563 1;中下层深度上其主要影响因素较为复杂。

为解决季节性冻土水分在冻融过程中迁移复杂性及空间非均一性的定量化描述困难问题,以季节性冻土区土壤剖面水分为研究对象,运用地统计学的理论与方法对季节性冻土区不同时期土壤剖面水分的空间变异特征进行研究。结果表明,不同时期土壤剖面水分具有良好的空间结构及较强的空间相关性;季节冻融过程削弱土壤剖面水分的空间相关性,并且对土壤含水量具有强烈的空间重分布作用。地统计学理论与方法的应用可为季节性冻土区土壤冻融过程中水分运移机理的研究提供一种新的思路和方法。

该文利用人工神经网络的BP模型建立了具有类似普通Kriging(OK)法和条件模拟(CS)运算目标的人工神经Kriging(NK)方法,在黄河河套平原进行了耕地和盐荒地初冻期、最大冻深期和融通期土壤水盐时空变异性的模拟和估值,通过NK法与OK法、CS法模拟、估值、检验结果及3种方法的理论变异函数、统计参数与实验变异函数的对比,结果表明NK法在消除滑动平均影响方面优于OK法,并以类似于CS法的空间变异性进行模拟,而且NK法有自身独特的优点,它不需要协方差函数的估计和变异函数的推求,对于含有一定特异值和一维到三维空间的扩展有更强的适应性,是对空间变异性应用研究方法的一种补充,同时拓宽了ANN的应用领域,具学科融合的优势。