利用"中国冰川资源及其变化调查"项目最新冰川编目成果和中国第一次冰川编目结果, 对中国叶尔羌河流域1968-2009年冰川变化进行了分析. 结果表明:叶尔羌河流域冰川总体上处于退缩状态, 面积减少了927 km2, 年平均面积减少23.2 km2, 年均面积缩小比例为0.36%·a-1, 与中国其他地区冰川退缩程度相比属于中等水平. 叶尔羌河流域不同规模冰川的退缩幅度存在差异, 小冰川大幅萎缩, 甚至消失; 规模较大的冰川相对变化幅度较小, 一些冰川出现过跃动. 从朝向分布来看, 位于南坡的冰川退缩最为严重, 而西坡较小. 冰川集中分布在海拔5 100~5 500 m和5 500~5 900 m区间, 海拔4 700~5 100 m区间的冰川面积减少最为显著. 消失冰川大多数为面积在0.2~0.5 km2的小冰川, 且朝向东北坡的冰川消失数量最多. 研究区有冰川分裂现象, 也出现了支冰川前进超覆现象, 统计表明该流域有13条冰川在前进后形成6条冰川. 1968-2009年研究区气温升高、降水增加, 总体上看, 降水增加缓解了因升温而导致的冰川退缩.
利用1962-2012年260个常规气象观测站的逐日资料, 使用模糊信息分配方法划分我国南方出现低温雨雪冰冻天气时各气象要素的等级, 计算各等级出现的概率, 选取合理的气象要素条件建立了低温雨雪冰冻综合评估指数, 并给出了我国南方发生低温雨雪冰冻的风险区划. 结果表明:日最高气温≤6 ℃, 日最低气温≤0 ℃, 相对湿度≥80%, 日照时数≤1.3 h这一综合气象阈值条件能够合理地评估出南方地区低温雨雪冰冻事件发生的次数和持续时间. 四川省中南部、云南省东北部和贵州省西部、湖南省东部、江西省北部、安徽省、湖北省大部分地区以及陕西省的部分地区发生低温雨雪冰冻的风险等级最高. 近51 a来我国南方低温雨雪冰冻的风险虽有减小的趋势, 但近年出现重大灾害的可能性将有所增加.
大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a-1的速率上升.
积雪反照率在全球气候和能量收支平衡模型中起着重要的作用. 利用祁连山地区大冬树垭口站点反照率实测数据对由TM/ETM+得到的反照率数据进行标定, 然后将TM/ETM+反照率数据通过升尺度对MODIS逐日积雪反照率(SAD)产品在晴空条件下的精度进行了验证. 同时, 发展了一个基于MODIS SAD与AMSR-E SWE数据融合并结合Noah积雪反照率参数化方案估算MODIS SAD数据云下积雪反照率的算法, 通过统计分析纠正了云对积雪反照率的影响, 对云下积雪反照率进行了验证分析. 结果表明:MODIS SAD产品在祁连山地区的精度要低于大面积积雪覆盖的平坦地区(如格陵兰岛), 其平均绝对误差及均方根误差分别为0.0548和0.0727; 云下积雪反照率估算方法可以有效地获取云覆盖下积雪像元的反照率值, 纠正后的无云MODIS SAD数据与地面观测值有较好的一致性, 其平均绝对误差为0.078.
为了解脆弱的高原生态环境对升温过程的响应, 利用1982-2006年国家标准地面气象站地表温度和GIMMS-NDVI数据集, 探讨了青藏高原高寒草地植被指数和地表温度的变化特征及其相互关系. 结果表明:1982-2006年, 高寒草地NDVI、地表温度整体均呈现增加趋势, 年均NDVI、生长季NDVI、年最大NDVI(NDVImax)与年均地表温度、生长季地表温度的上升趋势分别为0.007 (10a)-1、0.011 (10a)-1、0.007 (10a)-1与0.60 ℃·(10a)-1、0.43 ℃·(10a)-1; NDVImax与地表温度显著相关的地区达70.49%. 但是高原地形、气候、水文环境的空间差异性导致高寒草地NDVI与地表温度的相关关系十分复杂. NDVImax与年均地表温度的相关性最为显著; 在返青期和枯萎期, NDVI与地表温度均为显著正相关. 不同的植被覆盖条件下, NDVI对地表温度的响应不同:植被覆盖差以及退化严重的地区, NDVImax与地表温度呈负相关性; 反之, NDVImax与地表温度主要表现为正相关.
林线作为高山系统中郁闭林与无林高山植被带间特殊的生态过渡带, 对全球气候变化极为敏感. 柴达木盆地林线附近的祁连圆柏作为青藏高原东北部高山生态系统中海拔分布最高的单一优势树种, 是研究林线植物响应气候变化的理想材料. 为明确祁连圆柏重要叶片功能性状对林线附近环境变化的响应模式, 分别测定了东、西两个坡向上林线附近(郁闭林、林线和树线)祁连圆柏的叶片干物质含量(LDMC)、单位面积的叶片重量(LMA)、叶片碳稳定同位素(δ13C)、叶片单位重量的碳氮含量(Cmass, Nmass)、碳氮比(C/N)、叶片自由水含量(FW)和叶片自由水与束缚水比(FW/BW). 结果显示:LMA、δ13C和Cmass在林线附近无显著变化, 但林线和树线的Nmass、FW及FW/BW显著高于郁闭林, 而LDMC和C/N则相反; 在不同坡向上, 西坡LMA显著高于东坡. 此外, FW与LDMC、Nmass显著正相关, 而FW与FW/BW、LMA与Cmass以及Nmass与C/N显著负相关. 以上结果表明, 祁连圆柏作为我国西北高山生态系统中耐旱、耐寒的树种在林线附近并未受到明显的水分胁迫, 其可能主要通过提高叶片自由水含量、光合能力、含氮渗透调节物含量等策略来适应林线附近的恶劣生境, 以保证自身的正常生长发育.
利用SF-300树干液流仪对祁连山中段青海云杉(Picea crassifolia)2011年生长季树干液流进行监测, 研究了在典型天气条件下青海云杉的夜间树干液流特征, 以及气象因子和树形特征对其夜间液流变化的影响. 结果表明:典型晴天、阴天, 夜间树干液流速率分别在(2.78±0.64)~(5.02±1.06) g·cm-2·h-1、(2.31±0.62)~(3.94±1.22) g·cm-2·h-1之间波动, 其平均值分别为(3.55±0.28) g·cm-2·h-1、(3.06±0.24) g·cm-2·h-1; 夜间树干液流量分别占当日总液流量的(34.51±6.20)%、(46.06±11.20)%. 夜间树干液流速率与饱和水汽压差、气温呈显著相关关系, 与风速相关性不显著; 夜间树干液流与胸径、树高、边材面积、胸径平方与树高之积呈显著线性相关, 与冠幅相关性不显著. 青海云杉夜间树干液流的变化是其生理特征与环境因素综合作用的结果, 夜间树干液流可能用于夜间蒸腾和植物体内部的水分补充.
湖泊沉积物中矿物组合是古气候环境研究的敏感性指标之一, 充分认识湖泊沉积物中各类矿物组合类型、沉积过程, 对正确解释矿物学指标有重要意义. 我国晚第四纪湖泊沉积记录中, 盐类矿物与碎屑矿物含量普遍存在反相关关系, 影响了矿物组合作为气候指标的解释和应用. 从地球科学的角度正确理解这种关系, 可以为湖泊动力学以及古气候环境定量研究提供重要的科学依据. 选择甘肃民勤盆地石羊河下游终端湖猪野泽不同位置5个全新世剖面, 在明确湖泊沉积物来源、搬运方式和沉积动力机制的基础上, 研究了以碳酸盐矿物为主的盐类矿物含量与粒度指标之间的关系. 结果表明:猪野泽各剖面砂层富含的中砂、细砂沉积物主要是来自于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的风成砂; 水动力作用主导了湖相沉积层200 μm以下沉积物的沉积, 风力作用对20~70 μm粉砂组分沉积也有所贡献. 同时, 猪野泽湖相沉积层中高含量的碳酸盐主要来自于流水搬运, 湖相沉积层位200 μm以下的粉砂和极细砂是碳酸盐的主要富集区. 综上所述, 干旱区湖泊沉积物中盐类矿物含量与其沉积过程密切相关, 盐类矿物在全球变化研究中的应用要建立在充分研究其沉积动力机制的基础上.
青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.
基于青藏铁路多年冻土区路基地温与变形现场监测资料, 研究了青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响. 结果表明:在已有监测场地中, 青藏铁路沿线天然场地融化夹层发育较少, 而路基下融化夹层发育较多. 低温冻土区路基下融化夹层能够逐渐完全回冻使其消失, 高温冻土区大部分路基下融化夹层有进一步发展的趋势. 当融化夹层下部为高含冰量冻土时, 融化夹层与路基沉降变形关系密切, 路基易产生较大的沉降变形; 当融化夹层下部为低含冰量冻土时, 路基沉降变形较小.
冻融循环对不同土的结构性具有不同的影响效果, 通过探讨冻融循环对土结构性影响的机理, 认为土的三相组成是水分相变和水分迁移的基础; 在冻融过程中, 土的三相比例与分布在不断地发生变化, 导致土的结构性随冻融循环发生改变. 对土的结构性要素进行了讨论, 建立了适于定量分析的结构性要素层次划分体系, 定义"冻融结构势"作为土体结构性的定量参数, 提出用结构性要素在冻融循环过程中的变化率来估计土体的损伤比, 初步探索了冻融循环对土结构性影响的定量研究方法.
风沙危害正在威胁着青藏铁路的安全营运. 通过数值方法研究了风积沙填堵和覆盖青藏铁路块碎石路基后, 块碎石层降温机理以及降温效果的变化特征. 结果表明:开放条件下块石路基具有较强的强迫对流效应; 风积沙填堵后, 块碎石层降温效果减弱. 封闭条件下, 冷季路基坡脚处自然对流较强, 冻土上限抬升; 路基内部自然对流较弱, 由于路基填土作用, 路基中心处冻土上限抬升较大, 但随时间增长而降低; 沙层覆盖后, 块碎石层降温效果减弱, 路基下部冻土上限下降. 在气候变暖背景条件下, 封闭块碎石层自然对流减弱, 冻土上限下降, 不利于冻土路基的热稳定. 因此, 建议对沙害路段的块碎石路基采取补强措施.
随着我国高寒区沙漠化问题的日益严重, 由此产生的地表风沙堆积对多年冻土影响的范围和强度越来越大, 但目前风沙堆积对多年冻土温度的影响过程及机理仍不明确, 特别是缺少室内模型试验方面的研究. 通过室内试验模拟了不同厚度的积沙对多年冻土温度的影响. 结果表明:除试验箱气温为正负温过渡阶段外, 当试验箱气温为负温时期, 积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土高, 且沙层越厚温度越高, 但均为负温, 整个土层仍对应冻结状态; 当试验箱气温为正温时期, 积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土低, 且沙层越厚温度越低, 而正温阶段对应冻土融化时期, 积沙的降温作用可延缓冻土的融化. 在3个冻融循环周期内, 积沙冻土的底面平均温度均比无积沙冻土低, 且沙层越厚, 冻土底面温度波幅越小.
以陕西富平重塑黄土为研究对象, 引入有关变异性分析的变化量和变异系数两个参数, 对历经不同冻融循环次数后黄土的物理性质指标进行清晰全面的描述. 结果表明:土样的密度和孔隙比的变化量呈现"共轭"变化, 水理性质指标的变化量均随冻融次数的增加而变小; 各项指标的变异系数均随冻融次数逐渐减小, 即土样内部形成新的结构, 并趋于稳定. 在分析黄土基本物理性质变异性的基础上, 可进一步探讨其内部颗粒排列、粒度成分及矿物成分等的发展转变, 为解决该地区冻融黄土的土工问题提供了参考, 同时, 也是判断其工程性质最基本的依据之一.
冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.
基于移动网格技术建立了热融湖动态演化有限元数值模型, 研究了青藏高原多年冻土区典型热融湖动态演化过程, 分析了热融湖半径、深度的变化过程及其对湖底及周围多年冻土温度状况的影响. 结果表明:在移动边界热融湖模型中, 热融湖半径以0.7 m·a-1的速度近线性地增大; 随着下伏高含冰量冻土的融化, 热融湖深度增加先慢后快, 最后逐渐减小趋于稳定. 热融湖深度和半径从5月末至翌年1月末增加显著, 在2-5月间基本保持稳定. 伴随着热融湖的扩展, 地表边界逐渐演变为湖底边界, 热融湖的热影响范围逐渐增大. 在固定边界热融湖模型中, 其热影响会逐渐趋于稳定, 由于初始尺寸大, 其湖底多年冻土退化速率大于移动边界模型, 而远离湖边的多年冻土退化速率要小于移动边界模型. 如果不考虑热融湖边界随时间的变化, 可能会高估热融湖对湖底多年冻土的热影响, 而低估其对附近多年冻土的热影响.
室内试验和现场监测数据表明, 粗颗粒土的冻胀敏感性与土的级配、初始含水量、温度、外载等诸多因素有关; 在一定的组合条件下, 粗颗粒土也可以发生显著的冻胀. 以认识哈大高铁路基冻胀特性为目的, 在分类梳理有关粗颗粒土冻胀特性研究文献的基础上, 简要论述了粗颗粒土的冻胀理论及其发展现状, 然后重点论述了有关影响粗颗粒土冻胀特性的几个关键因素——细颗粒含量、水分特征及温度状况方面的研究成果和存在的问题. 最后, 讨论了研究粗颗粒土冻胀模型及其冻胀机理时应关注的问题, 以更好地评价、防治公路和铁路路基土冻胀.
受地形起伏影响, 山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大. 利用水文模型VIC (variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟, 并通过观测对模拟结果进行了验证. 结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程, 对净辐射的计算也较准确, 模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致, 但在数量上存在偏差. 积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响, VIC模型对积雪的模拟偏差较大, 导致了每年4月左右的模拟径流偏低, 也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升; 同时, 积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟. 在研究区, 土壤水分变化受土壤冻融影响明显, VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好, 但是在其他月份, 对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差; VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布, 较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.
利用2001-2012年新疆区域内发生的融雪型洪水资料, 分析研究了近12 a新疆融雪型洪水时空分布特征. 结果表明:新疆融雪型洪水与前一年10月至当年3月新疆全站总累计降水量大小相关, 降水量大的年份, 对应的融雪型洪水发生次数也多; 冬末至夏季融雪型洪水在北疆地区基本上是从西向东、从南向北的先后顺序出现, 而在南疆地区的融雪洪水基本上是从西向东、从北向南先后顺序出现. 新疆融雪型洪水主要集中出现在春夏季, 其中, 北疆地区在3月, 南疆地区在7月发生较多; 伊犁河谷、昌吉、阿勒泰、和田等地区及青河、乌鲁木齐、阿克陶、民丰等市县是新疆融雪型洪水的高发区.
利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.
蒸散发是水循环的关键环节, 是水量平衡的重要组成部分. 由于在高寒山区进行长期野外观测的难度较大, 导致对区域实际蒸散发的认识不清, 从而无法明确区域水资源分配与不同植被的生态水文功能. 在天山山区, 高寒草甸占其总面积近15%, 其对降水的调节作用巨大, 但目前高寒草甸的实际蒸散发量多用潜在蒸散发进行推算, 缺少实际观测数据. 2012年10月-2013年9月, 利用3个小型蒸渗仪观测了阿克苏河上游科其喀尔冰川综合考察站附近山区的高寒草甸的实际蒸散量, 并尝试利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)估算实际蒸散发. 结果表明:研究区高寒草甸全年内实测蒸散量511.3 mm, 日均蒸散量为1.4 mm·d-1; 在不同时期, 蒸散量变化剧烈, 冻结期、生长前期、生长期和生长后期的蒸散量分别为53.9、41.0、363.8和52.6 mm, 分别占全年蒸散量的10.5%、8.0%、71.2%和10.3%. 最小二乘支持向量机对实际蒸散发的估算精度较高, 对观测资料相对缺乏的高寒山区来说, 不失为一种较好的估算蒸散发方法.
利用稳定同位素大气水平衡模式(iAWBM)模拟了季风区长沙站大气水汽和降水中δ18O的时间变化, 并与实际监测结果进行比较, 其目的在于检验iAWBM在模拟季风区大气中水稳定同位素循环方面的能力, 揭示影响水稳定同位素变化的主要原因, 改善对季风区水循环中稳定同位素效应的理解和认识. 模拟结果很好地再现了长沙降水中δ18O的季节变化, 季风区降水中稳定同位素雨季被贫化旱季被富集的基本特点以及存在的显著降水量效应均被模拟出. 在2010年1月-2012年12月, 模拟的冬季风盛行期间的加权平均δ18O为-6.58‰, 与该时段的实际监测值相当; 模拟的夏季风盛行期间的加权平均δ18O为-9.58‰, 低于该时段的实际监测值. iAWBM主要利用大气的可降水量、水汽通量、蒸发量和降水量4个驱动变量来模拟水稳定同位素的循环. 其中, 可降水量对水稳定同位素变化的贡献被包含在其他3个驱动变量中. 水汽通量对水汽同位素变化的贡献具有富集和贫化的双重作用, 蒸发量和降水量对水汽同位素变化的贡献分别具有富集和贫化的作用. 在对水汽同位素起富集作用的两个因子中, 水汽通量的平均同位素贡献为1.66‰, 贡献率为63.97%; 蒸发量的平均同位素贡献为0.91‰, 贡献率为36.03%, 水汽通量的同位素贡献起主要作用. 在对水汽同位素起贫化作用的两个因子中, 水汽通量的平均同位素贡献为-1.40‰, 贡献率为53.47%; 降水量的平均同位素贡献为-1.09‰, 贡献率为46.53%, 水汽通量和降水量的同位素贡献大致相当.
随着社会经济的不断发展, 环境污染问题在西部地区经济发展中越来越凸显出来, 不同省区受到不同程度的影响. 同时, 不同地区的环境污染问题有一定的相似性. 应用系统聚类分析方法, 通过提炼选取11类指标, 对西部地区12省区环境污染程度的距离相似情况进行了评价. 结果表明:贵州、甘肃、广西、云南、重庆和陕西等省区的距离相似归为第一类聚类; 内蒙古和四川归为第二类聚类; 西藏、宁夏和青海等省区的距离相似属于第三类聚类; 新疆归为第四类聚类. 要处理好生态系统和社会经济发展之间的关系, 需要对二者进行协调, 并坚持走可持续发展的道路.
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