“亚洲水塔”流域养育着亚洲十几亿人口，对全球经济发展起着至关重要的作用。在气候变暖背景下，“亚洲水塔”流域的水资源快速变化以及不断增长的人类活动用水需求，使水塔流域水资源压力风险越显突出。为了解“亚洲水塔”流域水资源压力的状况及未来变化，基于部门间影响模式比较计划（ISIMIP）中全球水文模型的径流和用水数据，利用水压力指数方法，系统评估了“亚洲水塔”21个流域的水压力状况和未来的可能变化。结果表明：1971—2010年间，“亚洲水塔”21个流域的水压力总体上呈现升高趋势，多年平均水压力等级达到高或以上的流域为印度河流域、塔里木河流域和黄河流域；针对“亚洲水塔”21个流域未来水压力的变化预估，各流域水压力表现为先增加，之后不同流域表现出持续增加（2个流域）、趋于稳定（5个流域）和下降（14个流域）三种趋势，人类取水活动在未来水压力的变化中起决定性作用。整体上，南亚和东南亚地区水压力将持续增加，例如，布拉马普特拉河流域和湄公河流域，未来水资源短缺和水安全风险很高。
活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面，其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m，并将原模式的4层土层增加到19层土层，同时引入前人的有机质方案和植被根系方案，然后在此基础上，通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力，进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0~20 m的土壤温度与土壤液态含水量，模拟结果用站点0~3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明，由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面（0 ℃等温线）有明显阶梯状特征，最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力，使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻融锋面的变化趋势和最大深度。同时，改进后的模式整体改善了对土壤温度的模拟效果，使得0~3.2 m各土层土壤温度的平均RMSE降至0.89 ℃，减小44%；平均MBE降至-0.13 ℃，减小86%；模拟的3~20 m年均地温与实测数据更为接近。改进后的模式对土壤液态含水量的模拟水平也有一定改善，其中，模拟的0~3.2 m各土层的土壤液态含水量的平均RMSE降至0.06 m3·m-3，减小33%；平均MBE降至-0.01 m3·m-3，减小67%。模式还较好描述了活动层20 cm、40 cm、80 cm、120 cm土壤的融化时间。可以看出，在陆面过程模式中耦合能够较好模拟冻融锋面移动过程的Stefan方法可较大程度提高模式的模拟能力，是陆面过程模式改进的有效途径之一，本研究的结果可为多年冻土区陆面过程模式改进提供参考。
湖泊是气候变化的敏感指示器，研究其动态变化对揭示全球气候变化及水资源利用与管理具有重要意义。本文以长江源区多尔索洞错-米提江占木错为研究对象，应用Landsat-5/7/8卫星和高分遥感影像，分析了1989—2021年湖泊面积变化的时空特征，并探讨了冰湖-冰川对气候变化的响应。结果表明，1989—2021年间，多尔索洞错-米提江占木错湖泊平均面积为1 011.37 km2，由1989年的872.07 km2扩张至2021年的1 119.5 km2，平均扩张率为8.62 km2⋅a-1。从年代际变化来看，21世纪初期湖泊面积扩张最明显，尤其是在湖泊北部、西北部及南部地区；20世纪90年代增长最为缓慢。1990—2020年各拉丹冬冰川面积从1990年的797.85 km2缩小至2020年的766.19 km2，减少了31.66 km2，缩减率为1.106 km2⋅a-1。2004年之前，气温升高引起的冰川融水是多尔索洞错-米提江占木错湖泊面积变化的主要因素，对湖泊面积变化的平均贡献率为66.8%；2004年之后，降水在多尔索洞错-米提江占木错湖泊面积变化因素中起主导作用，降水对湖泊面积变化的平均贡献率为57.8%。
在全球气候变暖背景下，高原山区潜在泥石流暴发的概率将增大，定量评估泥石流易发性是区域减灾防灾的先行手段。基于现场调查和研究结果，首次计算了藏东贡觉地区的冻融侵蚀强度（DR）。选取物源条件和地形条件，采用加权信息量法评价了藏东贡觉地区泥石流的易发性，以四组流量阈值划分的不同流域单元作为评价单元对比分析了易发性评价结果。结果显示，四组易发性评价结果差异明显，随着流域单元划分数量的降低（流量阈值增大），研究区中风险区面积逐渐增大，高~极高风险区面积先增大后降低。受试者特征曲线（ROC）验证结果表明，使用G2组（流量阈值5 000）划分得到的流域单元模型评估效果更好，AUC值为0.895，高易发区、极高易发区面积占全区约34.1%。八个评价因子中，冻融侵蚀强度（DR）、地形特征指数（TCI）和平面曲率（Pl_cv）是泥石流易发程度贡献率较大的三个因子。考虑冻融侵蚀型物源和地形水文因子建立的泥石流易发性评价模型，为冻融侵蚀现象明显的藏东地区泥石流易发性评价提供了新的方法和思路，对指导地方防灾减灾具有重要实践意义。
地球工程作为应对气候变化的潜在备选方案，旨在控制全球变暖速率，抵消人为因素对气候变化的影响。本文基于文献计量学，从发文量、国际合作、高频词等角度系统分析了国际地球工程领域科技前沿的发展态势。近年来，地球工程领域的科学研究整体呈增长趋势，中美英等国在该领域处于世界领先地位，具有较强的科研水平。现阶段的地球工程研究主要停留在模型模拟及评估阶段，大部分研究缺乏实测和分析数据，且地球工程方法技术可能对自然环境和社会存在威胁。太阳辐射管理技术会对全球和区域气候模式存在潜在威胁，而二氧化碳移除技术的问题主要是其可能的意外环境后果，以及对地球气候系统长期影响的不确定性。此外，冰川地球工程正逐渐成为冰冻圈学科和全球变化领域新兴的研究方向，已借助地球工程原理，在极地冰盖和少数山地冰川开展应用研究，但大多是数值模拟和方案设计，少数进行了实地试验。在未来，地球工程研究重点依赖于针对实验工作的资金技术支持，以期改进建模和为技术分析提供实测和理论基础数据，促使地球工程脱离现有的模型模拟阶段，开展大规模商业化示范。地球工程发展需要伦理道德规范，结合我国能源转型战略，有可能基于国际跨学科合作开发和部署以保护环境和改善人类福祉。
积雪深度（雪深）是流域水量平衡、融雪径流模拟等模型的重要输入参数，被动微波雪深遥感产品被广泛用于雪深监测。然而，由于山区积雪时空异质性强，这些空间分辨率较粗的雪深产品受到极大限制。本研究基于MODIS积雪覆盖度数据，根据经验融合规则以及积雪衰退曲线对“中国雪深长时间序列数据集”的两套雪深产品（由SMMR、SSMI和SSMI/S反演的称为Che_SSMI/S产品；由AMSR-2反演称为Che_AMSR2产品）进行空间降尺度，最终获得青藏高原500 m降尺度雪深数据（Che_SSMI/S_NSD和Che_AMSR2_NSD）。利用6景Landsat-8影像对两套降尺度雪深数据进行对比分析，结果发现两套降尺度数据与Landsat-8影像积雪空间分布吻合度均较高。与29个气象站点雪深数据相比，Che_AMSR2_NSD与实测雪深更为接近，相关系数（R）达到0.72，均方根误差（RMSE）为3.21 cm；而Che_SSMI/S_NSD精度较低（R=0.67，RMSE=4.44 cm），可能是由于采用不同传感器亮温数据的两套原始雪深产品精度不同所致。除此之外，实验表明被动微波雪深产品降尺度精度还受积雪深度、积雪期等因素的影响。当积雪深度小于10 cm且在积雪稳定期时，两套雪深产品降尺度精度均最高；当积雪深度大于30 cm且在积雪消融期时，两套雪深产品降尺度精度均最低。通过对比两套降尺度雪深产品，有助于全面地了解青藏高原雪深时空分布变化及其应用提供数据支持。
分析冰川中溶解性有机质（dissolved organic matter， DOM）的迁移转化特征是评估冰川消融对下游生态环境效应的重要依据，但冰川表层雪中DOM在冬春季节的迁移转化特征尚不明确。本文以达古冰川冬春季节表层雪和春季冰川径流为研究对象，使用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）对表层雪和径流中DOM进行分子层次表征。结果显示：达古冰川冬春季节表层雪中DOM化学组成非常丰富，主要包括脂类、多肽类、不饱和烃类，还含有少量的酚类、多环芳烃类和糖类，来源包括微生物活动和陆源性输入。春季径流中DOM的主要来源是陆源性输入，受人类活动影响较大。分析不同季节表层雪DOM的分子组成变化，发现冬季低温环境有利于表层雪中脂类、多肽类和含S类DOM分子的富集，春季气温升高则有利于表层雪中多肽类、不饱和烃类和含N类DOM分子的富集。比较春季径流和表雪中DOM的分子组成变化，发现径流中杂原子类DOM含量降低，微生物来源的脂类和多肽类DOM含量降低，陆源性的酚类和多环芳烃类含量显著增加，说明径流中DOM的生物活性降低而光反应活性增加。因此随着冰川持续消融大量的冰川融水将DOM带入下游水环境，在微生物活动和光反应过程的共同作用下增加温室气体CO2的排放，增强温室效应。
季节冻土在高寒山区广泛分布，其冻融过程会对水文水资源和生态环境产生深刻影响。研究气候变化背景下高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及影响机理，可为高寒山区水资源管理和生态保护提供科学依据。本文选择天山南坡作为研究区，基于13个气象站点1958年以来季节冻土冻融参数（最大冻深、冻结期、始冻日、解冻日）、气温、地表温度、降雨和积雪等数据，使用空间分析和多元线性回归统计等方法对冻融参数的时空变化特征进行分析，量化不同气候因素对季节冻土冻融变化的影响权重。结果表明，季节冻土最大冻深在（48.5±11.4）~（96.8±8.5） cm之间，冻结天数在（102±10）~（141±14） d之间，多年平均始冻日在11月7日至19日之间，多年平均解冻日在3月1日至28日之间。1950年代至2010年代期间，始冻日逐渐推迟，解冻日逐渐提前，冻结天数缩短。空间分布上，最大冻深有“海拔高，最大冻深大”的规律；空间变化趋势上，最大冻深在研究区中部显著增加；冻结天数在研究区内大范围显著缩短。季节冻土冻融变化与气温相关性最强，温度（气温和地表温度）是季节冻土冻融变化的主导因子。定量评价发现，气温影响占比（24.1±3.6）%，地表温度影响占比（12.1±3.1）%，降雨影响占比（9.6±1.7）%，积雪影响占比（5.1±1.5）%。
基于现场详勘，以三亚某河口通道工程推荐采用管幕冻结法施工为背景，考虑到不同塑性状态黏性土分布深度的不确定性，采用径向劈裂试验和单/三轴压缩测试，系统地研究了冻结原状流塑状、硬塑状黏土及可塑状粉质黏土的抗拉与抗压特性。结果表明，无论是拉伸还是压缩应力-应变行为，三种冻结土体的弱应变硬化和弱应变软化行为都可采用偏差应力与轴向应变的双曲线型修正表达式描述，而强应变软化行为可用二次抛物线模型描述。同一负温下，流塑状黏土的抗拉能力最弱，抗变形能力最强；可塑状粉质黏土次之；硬塑状黏土的抗拉能力最强，抗变形能力最弱。三种冻结原状土体的初始切线模量分布范围基本满足可塑状粉质黏土>流塑状黏土>硬塑状黏土，它们的抗剪强度特性都可用线性摩尔-库伦准则描述。三种冻结土体的黏聚力和内摩擦角基本随温度的降低而增大；同一温度下，流塑状黏土的黏聚力最小，可塑状粉质黏土与硬塑状黏土的黏聚力大小接近，而内摩擦角则表现为：硬塑状黏土>流塑状黏土>可塑状粉质黏土。
随着天然气等清洁能源需求的快速增长，液化天然气（LNG）安全存储已成为所面临的一个重要挑战。混凝土由于其良好的力学特性，是目前LNG存储结构的一种重要工程材料。近年来，LNG产业快速发展也推动了混凝土超低温性能的相关研究。在超低温环境下混凝土的性能与常温环境下存在很大差异。现有研究表明，超低温环境下混凝土的抗压、抗拉强度与弹性模量显著增强，学者们根据试验结果给出了不同的性能预测公式，并结合孔隙水-冰相变过程解释了其性能增强的机理。超低温冻融循环试验结果表明，混凝土超低温抗冻融耐久性较差，仅几个冻融循环后力学性能就显著降低。现有的常规冻融试验手段不满足超低温冻融条件，尚缺乏专门针对超低温冻融条件下混凝土性能测试与评价的规范标准。此外，目前相关成果由于试验仪器与测试过程的差异而难以相互参考。因此，亟需系统总结现有超低温冻融条件下混凝土性能试验结果，完善特殊条件下混凝土试验相关规范，并通过大量试验数据的深入分析，助力超低温混凝土研究水平的发展。为此，本文全面总结分析了目前国内外在混凝土超低温试验平台、超低温力学性能、超低温冻融破坏机理与抗冻融耐久性提升方面的研究进展，并结合对现状的认识和思考，提出了未来超低温混凝土的研究方向，旨在为超低温混凝土试验研究提供参考。
为了探究不同低温不利条件下再生微粉ECC材料力学性能的影响，本文采用控制变量法，以再生微粉种类和取代率为研究变量，探究了再生微粉ECC在冻融循环和恒低温两种低温不利条件下的抗压和抗折强度试验。分析了再生微粉种类、再生微粉取代率、冻融循环次数、恒低温温度对再生微粉ECC力学性能的影响。最后基于BP神经网络，建立了3-6-1的冻融循环和3-3-1的恒低温BP神经网络结构抗压强度预测模型。研究结果表明：在相同的冻融循环条件下，再生混凝土微粉ECC的力学性能要高于再生砖粉ECC，且均随再生微粉取代率的增加先小幅度下降后剧烈下降，在经历150冻融循环后力学性能损失20%左右。而经历恒低温保温后的再生微粉ECC力学性能呈现出相反的变化趋势，随着低温保温温度的降低再生微粉ECC的力学强度反而呈现上升趋势，从常温到-40 ℃恒低温状态下力学性能提高22%左右。建立的两个低温不利条件下BP神经网络预测模型，平均相对误差分别为1.43%、1.28%，并以质量损失率和相对动弹模量为评判标准，预测试验范围内不同配合比的再生微粉ECC可经受的最大冻融循环次数。
地震波的放大或衰减受场地条件的影响，因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征，基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论，建立了P波入射下基岩上覆饱和冻土自由场地模型，求得了平面P波入射情况下基岩上覆饱和冻土自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算，分析了平面P波在不同入射角度下，入射频率、孔隙率、介质温度、胶结参数和接触参数等物理力学参数对饱和冻土自由场地地震地面运动的影响规律。分析结果表明：平面P波的入射频率对基岩上覆饱和冻土自由场地地表位移有显著影响。基岩上覆饱和冻土自由场地的水平位移随着平面P波入射频率增大而减小，竖向位移随入射频率增大而增大；孔隙率的增大也会导致饱和冻土自由场地水平位移增大，但其增幅随着平面P波入射角度的增加先增大后减小，竖向位移也增大，但增幅随入射角度增加逐渐减小；冻土场地中介质温度的降低会导致饱和冻土自由场地的水平位移和竖向位移减小。这表明冰相对于冻土场地中地震波传播具有重要影响；此外，泊松比也会对自由场地的位移产生一定影响，水平位移随泊松比增大而减小，增幅随平面P波入射角度增加先增大后减小。随着泊松比增大，饱和冻土自由场地的竖向位移显著增大，增幅随平面P波入射角度增加逐渐减小；接触参数的增加会导致自由场地的水平位移增大，增幅先增大后逐渐减小。同时，地表竖向位移也会增大，但增幅逐渐减小。
冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此，本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验，每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时，模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时，利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试，并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明：单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率，试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著，试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外，反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%，其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。
植物根系对土体有力学加筋作用，可以有效提高土体的强度，防止浅层滑坡和地表侵蚀，因而广泛应用于边坡防护。然而在中西部的季节冻土区，植被边坡的土体反复冻结融化，在植物根系力学加筋和冻融损伤的双重作用下，其力学性质也会发生变化，对边坡稳定性产生不确定因素。因此，为探究冻融和根系分布对土体的复合影响，采用贡嘎山海螺沟流域土壤及花楸根系进行三轴固结不排水试验，研究了冻融循环作用下，含根系土体的强度变化。考虑不同冻融循环次数（0、1、5次）和根系分布方式（竖向均匀分布：三层各一根；水平均匀分布：中间一层三根），绘制应力应变曲线和孔压应变曲线，对比分析两种试样的应力应变特性，并通过抗剪强度包线获得总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标。结果表明：（1）随冻融循环次数的增加，三层各一根试样和中间三根试样的峰值强度均逐渐降低，黏聚力和内摩擦力也逐渐减小，在低围压（25 kPa）条件下冻融循环作用对含根系土强度减弱作用较为明显，但在高围压条件下，植物根系对土的强度的增强作用仍不可忽视；（2）即使发生了冻融循环，根系仍在一定程度上提高了土体的强度，其增强效果受到分布方式的影响，三层各一根的排列方式增强作用最显著；（3）在相同围压、相同冻融循环次数条件下，根系沿竖向分布的试样峰值强度和黏聚力均较高，此外，相较于不含根的素土，根系分布方式主要影响土的黏聚力，对内摩擦角的影响不明显。研究成果可为寒区植被护坡的工程实践提供理论依据。
在冻融循环环境下，路基结构内水分迁移是导致道路冻胀、融沉变形的主要原因。为了探究冻融循环条件下路基结构的水热汽迁移规律，模拟了实际工程的路基结构，基于半透膜材料开展了冻融循环条件下的水、汽分离的水分迁移试验，通过监测试样的水热变化、荧光素上升图像、补水量和集水量变化曲线，得到了水分迁移规律，进而分析了土的孔隙结构、升降温速率和温度梯度等因素对水汽迁移和液态水流出特征的影响。试验结果表明，在土水势作用下，马氏瓶的水分首先以水-汽混合的形式在土柱中向上迁移，达到一定高度后，转变为以水汽的形式向上迁移。非饱和土柱的水汽会透过半透膜向碎石层和控温板底迁移，在整个冻融循环过程中，水汽向碎石层和控温板底的迁移量呈现线性增加的趋势，表明水汽迁移在水分聚集过程中的作用不可忽视。碎石层和控温板底液态水的流出主要集中在每个冻融周期的两个阶段，第一阶段为降温阶段，以冷凝水为主；第二阶段为融化阶段，以融化水为主，融化水占一个冻融周期液态水流出量的70%以上。粉质黏土孔隙较小导致水汽迁移主要受体积含气率的影响，随着粉质黏土土柱含水率的增加，水汽迁移量呈减小趋势。而砂土的孔隙较大，水汽迁移主要受水汽扩散增强因子的影响，随砂土土柱含水率的增加，水汽迁移量呈增大趋势。降温速率减小使冻结锋面有一个缓慢下移的过程，减小土体冻结对水汽迁移通道的封闭影响。升降温速率的减小导致碎石层和控温板底的水分聚集量增大。较大的温度梯度导致水汽扩散系数和水汽密度梯度的增加，从而引起碎石层和控温板底的水汽迁移量增大。
土工合成材料广泛应用于寒区工程建设，但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响，土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响，本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究，试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明，常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用，负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势，经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应，而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析，发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响，法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。
针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论，考虑孔隙水盐相变，建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型，并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验，测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布，并与数值结果进行了比较，验证了理论模型的有效性。结果表明：砂土结构孔隙更大，水分和盐分更容易渗透和迁移，在单向冻结试验中，水盐迁移速度更快；细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势，且收缩变形持续时间较黏土更长；由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小，下部土体变得更加密实，土柱下部侧壁压力大于上部。
土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度，盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型，分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先，依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响，构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型；然后，开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值，通过计算测量值与计算值二者的均方根误差（RMSE）、显著性水平（α）及一致性系数（LA），验证了本文模型的精度与适用性。结果表明：土样中初始含水率越小，土样表面的毛细作用和吸附作用越强，使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大，冻结温度越小。由于盐分结晶的影响，有效浓度随盐浓度增大先增大后减小，然后保持不变。土样孔隙半径越小，冰晶表面曲率影响越大，冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。
为探究土体导热系数的基本规律，采用瞬态平面热源法测试了冻结过程土体导热系数。研究了土体在不同温度、含水率和干密度物理指标下导热系数变化规律，分析了这三个物理指标动态变化对土体导热系数的影响机制。基于试验数据，建立了DT、RF、GBDT、AdaBoost、SVR、BPNN共六种机器学习模型以预测土体导热系数，通过四个性能指标评估了六种机器学习模型的预测能力，并与三种经验模型进行了对比。此外，基于RF和GBDT进行了特征重要性分析。结果表明：未冻结阶段土体导热系数无显著变化。剧烈相变阶段，因含水率和干密度的不同，土体导热系数随温度的降低分别呈现出减小和增大的趋势，其中增大的趋势随着含水率的增加而增加。冻结阶段，因测试过程中土样的水分蒸发和迁移，土体导热系数随着温度的降低而减小。土体导热系数均随干密度和含水率的增加而增加。根据评估结果，六种机器学习模型中RF的表现较好（RMSE=0.036，MAE=0.028，R2=0.993，AD=0.004），明显优于三种经验模型，RF相较于经验模型也能更准确地预测出其他地区的土体导热系数，建议使用RF预测冻结过程土体导热系数。特征重要性分析表明含水率、温度和孔隙率是影响冻结过程土体导热系数的重要因素。
遗传算法（GA）与粒子群算法（PSO）分别具有缺乏目标导向性和易陷入局部最优的缺点，但同时分别具有全局搜索能力强与能有效传递优势信息的优点。本文以GA计算步结合精英保留策略作为PSO计算步的优势信息，避免PSO算法陷入局部最优，以PSO计算步结合非精英优化策略作为GA计算步的导向信息，克服GA算法缺乏目标导向的问题，建立了GA-PSO新算法。其具体过程为，通过采用GA计算步对解空间进行全局搜索并对精英个体进行保留，进一步，将适应度较差的个体利用PSO计算步进行优化。基于多峰函数的验证结果表明，GA-PSO算法在解空间中具有更强的全局搜索能力，同时具有更快的收敛速度。将GA-PSO算法应用到冻土非正交弹塑性本构模型的参数识别中，通过模型的参数识别以及模型预测结果对比与验证，结果表明GA-PSO算法能够有效识别冻土非正交弹塑性本构模型的参数，提升了模型的预测效果。
由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因，部分冻结法施工工程依靠人工经验，缺乏科学的预测模型，与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律，本文首先建立冻结法施工数值模型，并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后，考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素，开展冻结壁形成正交数值试验，确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后，通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型，给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明，建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程，能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现，渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%，是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时，冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈，其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定，二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大，但是对冻结壁交圈时间影响较大，它们之间存在负指数函数关系。本文给出了0~6 m·d-1条件下的临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间计算模型，它们可为粗粒土地层的冻结法施工参数选择和施工工艺设计提供理论指导。
青藏高原暖湿化趋势日益加剧，空气中的水汽质量分数随季节变化差异较大致使空气物性参数、焓值等产生变化，可能会间接影响块石路基的换热过程。本文基于模型试验及空气热力学理论，对等压条件下干、湿空气中块石层内湿热特性进行了分析。结果表明：在等压条件下干、湿空气温差与水汽质量分数呈正相关关系，且水汽质量分数变化速率低于温差变化速率8%。基于地表能量平衡方法计算了考虑水汽影响的块石表层感热通量，发现两种空气条件下的感热通量差值与水汽质量分数也呈正相关关系，此时水汽质量分数变化速率高于感热通量差值变化速率9.8%。日出后干、湿空气与深层块石的对流换热差值主要受空气相对湿度控制，日落后由于干、湿空气温差较大则受空气温差影响。水汽质量分数较低时，干、湿空气焓值差变化速率高于水汽质量分数变化率约87%，焓值差变化率高于水汽质量分数变化率约21%，该现象随着水汽质量分数下降而愈加明显。研究结果对于评价和预测湿空气条件下块石结构路基的长期热稳定性具有重要工程意义。
中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土，随着西部大开发的进行，该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素，通过正交设计，在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验，研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小，同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析，并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明：对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为：冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度；对冻胀变形影响大小排序为：初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率；当冷端温度低、冻结时间长时，冻结锋面上方3~8 cm处存在冻结缘，此处为水分迁移和水冰相变的关键区域，会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀；根据正交试验结果，建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。
中国地域广阔，涵盖了多种气候类型和地形特征，这为降水再循环过程提供了复杂的环境条件，使得在研究降水再循环率特征时难以对区域进行划分和比较。本文利用优化后的降水再循环率评估模型计算中国地区降水再循环率，研究了中国地区降水再循环率的变化特征及其对全球变暖的响应。结果表明，1979—2020年，中国降水再循环率具有明显的区域和季节性差异，其中青藏高原的再循环率最高，降水再循环率的大值区和线性增长的区域主要位于非季风区的内陆湿润地区；但在干旱半干旱的西北地区东部，降水再循环率整体偏低的情况下，其线性趋势增加非常显著。通过经验正交函数（EOF）分解的结果发现，降水再循环率的第一模态在2000年之前以负位相为主，而2000年之后以正位相为主，且从九年滑动平均来看降水再循环率呈先增加再减少的趋势。本研究依据降水再循环率的大小和气候倾向率的正负，将中国分出四类降水再循环率区域：降水再循环率较大且呈上升趋势（Ⅰ类），降水再循环率较大且呈下降趋势（Ⅱ类），降水再循环率较小且呈上升趋势（Ⅲ类），降水再循环率较小且呈下降趋势（Ⅳ类），并在四类区域中筛选出八个典型区域来研究降水再循环率对全球变暖的响应。在Ⅰ类和Ⅱ类区域的典型区域中的降水主要受到本地蒸发的影响，在Ⅲ类和Ⅳ类区域的典型区域中，降水与外来水汽输送之间的关系更为密切。在同一类型区域中内外循环各变量对全球变暖的响应值不同，蒸发量和水汽通量散度的变化会影响降水平流贡献和局地蒸发贡献对全球变暖的响应强弱。研究中国不同类型区域内外循环变量对全球变暖响应差异，有助于深化对气候变化影响的认识，为制定相应的气候适应策略提供科学依据。
气候变化是贯穿整个寒区地下水研究领域中重要的影响因素，对寒区流域水文过程、生态环境、工程地质和水文地质条件的影响已引起诸多学者的关注，截至2022年底该研究领域已呈现出纷繁复杂的现象。为了厘清该领域的研究态势，基于中文库（中国知网）和外文库（Web of Science和Science Direct）的文献数据，分别利用文献计量软件CiteSpace和VOSviewer、网络分析工具SCImago Graphica和Pajek，以及数据分析软件OriginPro对该领域的作者文龄、发文量、科研机构、国家地区以及关键词进行统计分析，在此基础上筛选出60篇具有代表性论文，结合ArcGIS软件所投影的研究区位置，进一步归纳与总结其研究趋势。研究表明作者文龄结构均为增长型，年发文量均呈上升趋势，而后者的作者、各个科研机构和欧美国家之间合作关系更为紧密，且美国、中国和加拿大主导该领域的研究。前者的研究热点相对局限，近年来多致力于多年冻土区冻融循环作用影响下的地下水动态对气候变化的响应研究；后者的研究热点分别从地下水、气候变化、多年冻土三个主题展开：（1）采用数值模拟、同位素和水化学示踪手段研究地下水的年龄、水均衡、水分来源和流动路径；（2）水文输入变化对地下水的补给、径流和排泄过程的影响；（3）研究高纬度寒区多年冻土消融与退化、溶解性有机碳释放与迁移、冻土地貌形成与地下水之间的联系。未来应从不同含水层地下水动态特征及其对气候变化的响应机制、冻土退化影响下含水层系统与地下水的相互作用、冻土区有机碳释放与迁移机制，以及非连续冻土区地下水与地表水的交互作用四个方向继续展开研究，并建议在高海拔山区含水层类型与水力特征，以及高纬度低海拔寒区工程地质和生态环境方面的薄弱环节上加强和完善。
坡向和坡位是影响坡面活动层土壤水分入渗的重要因素，然而当前对多年冻土区活动层土壤冻融循环影响下不同坡向、坡位土壤水分入渗特征的研究甚少。本文设置了不同时空条件的野外试验点，更加系统地分析了青藏高原多年冻土区活动层土壤水分入渗过程的时空差异性。选取青藏高原腹地风火山流域高寒草甸坡面活动层土壤为试验地，分别在不同的坡向（阳坡、阴坡）和坡位（坡顶、坡中）设置观测点，分析活动层土壤在完全融化期（7—8月）和开始冻结期（9—10月）坡面水分的入渗特征及其时空差异性，评估不同入渗模型在研究区的适用性。结果表明，多年冻土区坡面活动层土壤水分入渗特征具有较强的时空差异性。土壤水分入渗过程可以分为入渗瞬变阶段（0~30 min）、入渗渐变阶段（30~100 min）、入渗稳定阶段（>100 min）三个阶段，入渗速率的大小整体表现为阳坡>阴坡，坡顶>坡中，完全融化期>开始冻结期，瞬变阶段>渐变阶段>稳定阶段。五种模型对入渗过程的模拟结果显示，Horton模型对青藏高原多年冻土区土壤水分入渗过程的模拟效果最佳，而通用经验模型和蒋定生公式对入渗的拟合曲线和统计参数几乎完全相同，但模型表达式不同。本文研究结果可为不同时空条件下的陆地水文过程模型参数化提供数据支持。
中国西部五省（区）旅游生态效率的提升，既关乎旅游业自身高质量发展，又关乎西部生态保护与绿色可持续发展。本文以冰冻圈旅游分析为背景，基于碳排放约束视角，从投入、期望产出、非期望产出三个环节构建西部五省（区）旅游生态效率测算框架。在此基础上，采用超效率SBM（slack-based measure）模型对2013—2021年西部五省（区）旅游生态效率展开测度，并采用灰色关联度模型揭示其影响因素。结果表明：（1）西部五省（区）整体旅游生态效率水平不高，其中，甘肃旅游生态效率较高，高于西部五省（区）整体平均水平。（2）2013—2021年期间，西部五省（区）整体旅游生态效率呈增长态势，其中，西藏增速最为显著。（3）经济发展水平、基础设施、碳排放结构、冰冻圈禀赋与环境规制是旅游生态效率的主要影响因素。其中，冰冻圈环境对其他因素具有明显的限制作用。随着冰冻圈工程服役的提升，西部地区旅游流、物流、资金流将显著提升，冰冻圈禀赋将从以往的限制因素逐步转变为经济优势。通过提升冰冻圈旅游效率，将有力助推和提升冬春季西部五省（区）的旅游生态效率。
冰川是冰冻圈的重要部分，对局地乃至全球气候变化响应敏感。冰裂隙作为冰川表面上显著的特征，对于认识冰川的状态、稳定性以及内部应力有着重要的作用。针对冰川冰裂隙高精度快速识别提取问题，本文以玉龙雪山白水河1号冰川为研究对象，使用无人机航拍获取的0.12 m分辨率的正射影像，应用U-Net深度学习网络开展白水河1号冰川的冰裂隙的智能提取研究。使用U-Net网络提取冰裂隙的精度高于传统的Canny算子以及SVM算法，总体精度可高达93%，且U-Net网络泛化能力强。提取结果表明，白水河1号冰川冰裂隙主要为横向裂隙，伸展裂隙以及雁行裂隙，呈现随海拔降低，冰裂隙逐渐由横向裂隙变化为伸展裂隙的趋势，通过不同时期提取结果对比，发现冰裂隙数量和平均长度均有增加。基于无人机影像和深度学习方法的冰裂隙智能提取研究，可为监测冰川变化及其与气候变化的关系提供技术支撑。
表碛的存在影响了大气与冰川间的能量传输过程，一方面，促进了冰面湖（塘）、冰崖的发育；另一方面，改变了冰川的消融过程和水文模式。利用表碛各项属性和物理参数模型化气候-表碛-冰川间的相互作用和反馈过程能够正确认识表碛覆盖型冰川变化的过程和机理，有助于准确估算和预测冰川物质平衡，进而判断冰川未来演变趋势。本文系统总结和对比了识别表碛范围、提取冰川流速以及获取表碛物理参数的各种技术手段，介绍了表碛覆盖影响下冰川消融模型的原理和应用情况，同时还对这些方法或模型的局限性和发展趋势进行了讨论。表碛覆盖型冰川所处山区地形起伏大、地表变化复杂，为遥感方法识别表碛范围和提取冰川流速带来了诸多困难，如现有表碛识别方法仍无法克服固有干扰因素的影响，而流速提取方法需具备较强抗干扰能力，且配对影像时间基线需尽可能短。当前表碛覆盖型冰川相关研究中关键参数、数据存在大量空缺的状况有望在将来得到改善，冰川动力学过程和表碛动态变化的模型描述将更为精细，冰川物质平衡、径流量等指标的评估和预测也将更为真实准确。
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