海冰变化与全球气候、 生态系统和人类活动密切相关， 海冰厚度是海冰变化研究的重要参数之一。全面立体高精度观测海冰厚度的最有效手段是航空遥感， 而冰桥计划（IceBridge）是当前南北极最大的航空遥感工程。基于2009 - 2014年冰桥计划的激光雷达高程数据和数字测图系统相机光学影像对南极别林斯高晋海的海冰厚度进行研究， 并结合降雪量等气象数据探讨该区域海冰厚度变化的原因。研究发现该海域的海冰厚度在2009 - 2014年间整体呈微弱增长趋势（0.07 m·a-1）， 但是在95%置信水平下不具有显著性。2009 - 2011年呈现先增加后减少的大幅度变化， 其中2010年达到极大值2.42 m， 之后开始缓慢增加。海冰厚度的年际变化与降雪和近地表温度等气象要素相关， 二者相比较而言降雪为主要影响因素。
通过对地形图和Landsat系列影像的目视解译获取冰川边界， 分析得到1971 - 2015年羌塘高原藏色岗日冰川变化。结果表明： 2015年研究区有冰川84条， 总面积（297.65±4.29） km2； 1971 - 2015年冰川持续退缩， 面积减少（19.32±24.31） km2， 年均退缩率为（0.14±0.17）%， 退缩较慢； 五个时段年均退缩速率分别为（0.12±1.46）%、 （0.20±0.32）%、 （0.12±0.50）%、 （0.01±0.57）%和（0.16±0.31）%。消融期（5 - 9月）温度的上升是研究区冰川退缩的主要驱动力。小规模冰川（<0.5 km2）的退缩率14.00%大于大规模冰川（>2 km2）的5.58%； 北朝向冰川的退缩率8.06%大于南朝向冰川的4.16%； 冰川数量由78条增加到84条反映出大冰川在退缩的过程中分裂成小冰川； 2条冰川末端发生前进。
物质平衡是冰川与气候相互作用的关键桥梁， 对气候变化非常敏感。基于青冰滩72号冰川2008 - 2014年冰面花杆和雪坑的观测资料， 结合Landsat系列卫星影像， 利用零平衡线法对青冰滩72号冰川的物质平衡进行计算和分析。结果表明： 青冰滩72号冰川2008 - 2014年平均物质平衡梯度为（0.86 ± 0.19） m w.e.?（100m）-1； 平衡线高度在（4 109 ± 23） ~ （4 317 ± 92） m a.s.l.之间变化， 平均为（4 167.5 ± 33.2） m a.s.l。同时， 青冰滩72号冰川年净物质平衡介于-1.23 m w.e. ~ +0.31 m w.e.， 年平均为-0.38 m w.e.， 累积物质平衡为-2.27 m w.e.。此外， 与位于天山地区图尤克苏冰川、 乌鲁木齐河源1号冰川平衡线高度和累积物质平衡的比较发现， 青冰滩72号冰川平衡线高度和物质平衡的变化与图尤克苏冰川相似， 而与乌鲁木齐河源1号冰川的差异相对较大。
冰川表面能量平衡模型建立了冰川与大气之间的联系。为探讨不同天气条件对冰川能量收支的影响， 利用祁连山老虎沟12号冰川海拔4 550 m处的气象资料（2011年8月24日 - 9月6日）， 结合能量平衡模型， 分析了不同天气条件下的能量收支变化特征。结果表明： 受云量影响， 晴天条件下向下短波辐射（318.3 W·m-2）是多云条件下的1.5倍， 是阴天条件下的3倍。三种天气条件下的向下长波辐射， 晴天（215.4 W·m-2）<多云（267.4 W·m-2）<阴天（291.6 W·m-2）。受固态降水的影响， 阴天条件下冰川反照率（0.50）是晴天时的2倍多。而三种天气下的最大消融耗热， 晴天（739.6 W·m-2）>多云（582.8 W·m-2）>阴天（324.5 W·m-2）。在能量收入项中， 净短波辐射是主要来源（98%）， 但是受天气条件影响， 能量支出各项所占比例有明显差异； 在三种天气条件下， 净长波辐射所占比例分别为35%、 31%和23%， 消融耗热所占比例分别为62%、 64%和75%， 潜热通量所占比例相差不大。
祁连山冰川融水是维系我国西北地区生态平衡的重要因素。为评估祁连山冰川在全球气候变暖背景下的状态， 利用Landsat-TM、 ETM+、 OLI等遥感影像， 基于波段比值阈值法提取1987 - 2018年共计7期冰川边界进行时序变化分析。结果显示： 近31年来祁连山冰川面积从2 080.39 km2退缩到1 442.09 km2， 年均退缩率达0.99%， 相比1956 - 1990年间的退缩率（0.58%）大幅增加； 近31年来冰川物质平衡线高度稳步上升； 冰川主要分布在海拔4 700 ~ 5 100 m之间， 冰川退缩随海拔降低而增加； 约93%的冰川的面积小于2.0 km2， 小于0.1 km2的冰川的总数和总面积呈增加态势； 0.5 ~ 1.0 km2的冰川退缩最快， 年均退缩率达1.53%， 而大于10.0 km2的冰川退缩最慢， 年均退缩率为0.59%； 祁连山冰川退缩主要由夏季均温升高引起， 且最近十年间冰川呈现出加速退缩的态势。
基于中国北方地区269个站点1960 - 2017年逐日气温观测数据与大气环流指数等， 采用线性回归、 相关分析、 反距离加权法（IDW）及熵权法等方法， 探讨了近58年中国北方地区寒潮频次的时空变化特征及影响因素， 进而利用研究区耕地面积、 人均GDP、 农作物播种面积等社会经济统计数据， 从致灾因子、 孕灾环境、 承灾体易损性、 防灾减灾能力四个方面对中国北方地区寒潮进行风险区划分析。结果表明： 近58年来， 中国北方地区寒潮频次总体呈0.2次·（10a）-1的速率减少， 近58年研究区域共发生了159.7次寒潮， 其中冬季和十一月份寒潮频次最多。高频次出现在吉林省靖宇县、 安图县， 内蒙古阿尔山市、 苏尼特左旗、 苏尼特右旗， 频次高达508次以上， 平均每年8.8次， 最少寒潮频次出现在华北南部， 新疆喀什和阿克苏。不同等级寒潮频次差距较大， 一般寒潮频次最多， 共102.9次。一般寒潮、 较强寒潮、 强寒潮、 特强寒潮与寒潮频次在空间分布上比较相似， 大体呈由南向北增加的分布规律， 东北地区是寒潮的活跃区， 华北地区的活跃区在内蒙古中部， 西北地区寒潮活跃区主要在新疆阿勒泰地区。年尺度而言， 中国北方地区寒潮主要受CA、 APVII、 AO和APVAI的影响， 各季节影响因子有所差异， 春季寒潮主要受CQ和CA的影响， 秋季寒潮与APVII、 CA、 AO关系显著， 冬季寒潮与APVII、 CA、 AO、 SHI均达到显著相关关系。综合风险区划结果表明， 新疆阿勒泰地区、 黑龙江大兴安岭地区、 吉林省东南部以及山东省为寒潮发生的高风险区， 低风险区分布在新疆阿克苏和喀什地区， 与寒潮频次空间分布相吻合。
多年冻土活动层， 尤其是浅层土壤的水热传输机制， 以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据， 比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异， 以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明： 根据一日之内地温的正负波动， 浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、 完全融化期、 始冻期和完全冻结期四个时期， 其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期， 高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0 ~ 20 cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势， 且不同冻融阶段的振幅差异较大， 由于相变的缘故， 解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原， 说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关， 植被作为热绝缘层， 减弱了地温对气温波动的响应。地表下5 ~ 10 cm的热扩散率显著大于10 ~ 20 cm深度， 且5 - 10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。
青藏高原被誉为“中华水塔”， 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）， 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致， 但滞后于日平均气温的变化， 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同， 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征， 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时， 季节冻土消融速率大于冻结速率， 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中， 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移， 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中， 各土层土壤含水量逐渐增加， 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系， 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。
土壤温度是陆面过程中地-气系统间能量与物质交换的重要参数， 它的动态变化及其对气候变化的响应也是研究陆面过程的关键问题之一。在全球变暖背景下， 研究青藏高原多年冻土活动层土壤热状况动态变化， 对深入了解高原活动层厚度的变化特征及下垫面的热力作用均有重要意义。利用BP神经网络模型， 对青藏高原风火山地区的地表温度进行了模拟， 并利用输出的地表温度驱动FEFLOW模型对研究区活动层不同深度土壤温度进行了模拟。与各深度土壤温度观测值对比发现， 均方根误差介于0.09 ~ 1.78 ℃， 纳什效率系数介于0.86 ~ 0.98， 模拟效果良好。结合BP神经网络模型和FEFLOW模型预测了研究区未来50年活动层热状况的动态变化过程， 结果表明： 在0.02、 0.048、 0.07 ℃·a-1三种升温情景下， 50年后研究区活动层厚度将分别增加19.4、 51.8、 64.7 cm， 土壤升温幅度随着深度的增加逐渐减小。同时发现， 随着气温不同程度的升高， 土壤开始融化的时间在不断提前， 开始冻结的时间则不断延迟， 这种规律随着土壤深度的增加而减弱， 但不同深度土壤冻融过程对气温升高的响应差异却随着增温速率的增大而逐渐减小。
地温变化在气候反馈效应中起着重要作用， 理解地温及其与影响因素之间的时空关系对预测全球温度变化至关重要。利用1998 - 2017年石羊河流域的逐日常规气象观测资料， 采用小波分析结合BP（Back Propagation）神经网络构建了石羊河流域夏季地温预报模型， 结果表明： 日平均地温预测效果在不同站点均为最佳， 其中预测值和观测值的相关系数均大于0.87， 3 ℃以内的预测概率均大于84%。其中， 民勤地区地温预测效果最好， 预测值和观测值的相关系数达到0.91， 3 ℃以内的预测概率达到86%。日最高地温的预测值与观测值的相关系数高于0.8， 但误差平方和、 标准差较大。永昌地区日最高地温的模拟效果最好， 3 ℃以内的预测概率达到83%。日最低地温的预测与观测值的平均相关系数高于0.66， 3 ℃以内的预报概率高于83%， 但预测值略低。其中， 武威地区日最低地温的预测效果最好， 预测值与观测值的相关系数为0.72， 3 ℃以内的预测概率达到94%。研究成果可为有效弥补干旱、 半干旱区地温观测资料缺失和探讨其与局地气候的关系提供一些参考。
利用1961 - 2017年青海省43站逐日最低气温观测资料， 依据区域持续性低温事件判识标准， 提取历史上61次典型事件， 对影响该类事件的环流演变和前兆信号进行分析。结果表明： 事件发展中北半球极涡经历分裂 - 收缩增强的变化过程， 中高纬自西向东逐渐发展为“正 - 负 - 正”异常波列状分布； 事件发生当日， 大西洋地区、 乌拉尔山及西伯利亚地区高度场异常偏高， 东亚大槽偏深， 利于自极地南下的冷空气在西欧上空堆积并沿纬向西风急流路径向东传播影响东亚地区。进一步分析表明， 当出现该类事件时， 中高纬地区存在三个关键影响区， 其中乌拉尔山关键区高度场正异常同此类事件的联系最紧密。
利用1961 - 2015年吉林省46个气象站的气象数据， 采用气候诊断分析方法， 研究了吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征及其与经度、 纬度、 海拔的关系。结果表明： 吉林省冻结指数呈由北向南逐渐降低， 融化指数由西向东逐渐降低的趋势分布。1961 - 2015年冻结指数呈显著下降趋势， AFI（空气冻结指数）和SFI（地表冻结指数）气候倾向率分别为-48.7 ℃·d·（10a）-1和-166.8 ℃·d·（10a）-1。融化指数显著上升， ATI（空气融化指数）和STI（地表融化指数）分别以57.0 ℃·d·（10a）-1和93.7 ℃·d·（10a）-1的气候倾向率显著上升。SFI、 ATI和STI分别于2001年、 1994年和1997年发生了突变。20世纪60、 70年代冻结指数异常偏高， 融化指数异常偏低。吉林省年冻融指数的变化趋势在未来整体上依然延续下去， 即冻结指数为下降趋势， 融化指数为上升趋势。冻结指数受纬度影响最大， 随着纬度的升高而上升， 融化指数受海拔影响最大， 随着海拔的升高而显著下降。冻结指数气候倾向率随着海拔的升高而上升， 融化指数气候倾向率随着纬度的升高而上升。
利用1949 - 2015年NCEP/NCAR逐日及月平均资料， 对辽宁省冬季区域暴雪水汽输送特征进行研究， 结果表明： 受冬季风影响， 辽宁省冬季降水水汽主要来自西边界中纬度西风气流的输入， 区域暴雪的发生是经向水汽异常输送的结果， 西风带偏西气流与日本海反气旋性环流西南侧偏南气流在辽宁省交汇是辽宁省区域暴雪产生的主要原因。辽宁省区域暴雪水汽源地主要有西太平洋、 日本海、 东海和黄海， 其中东海、 黄海是直接的水汽源地。日本海高压是辽宁省区域暴雪水汽输送的关键系统， 82.4%的区域暴雪过程海平面气压场有日本海高压存在， 根据其位置和强度可分为偏北型、 偏南型和高压脊型， 不同环流型高压水汽输送强度不同， 区域暴雪分布范围不同。东海、 黄海湿度平流作用和风场辐合作用是辽宁省区域暴雪产生的贡献因子， 不同环流型日本海高压湿度平流作用的贡献不同。
青藏高原变暖变湿， 滑坡灾害频发， 严重影响区域工程建设、 生态环境和人类生产活动。泥流滑坡和热融滑塌、 融冻泥流是季节冻土区和多年冻土区的特殊滑坡类型， 形态上相似， 很难区分。同时， 对青藏高原泥流滑坡灾害关注程度低， 研究较少。以青海省玉树州称多县直美村2017年9月7日泥流滑坡事件为例， 利用实测数据、 多时相遥感影像和无人机数据等多源数据和雷达技术手段进行了调查和分析。研究表明： 滑坡发生在坡积扇， 主滑段平均厚度约5 m， 体积约2.4×104 m3， 滑体的滑动方向和重力作用过程一致， 依据滑坡三级分类系统属于堆积土浅层小型牵引式滑坡， 其形成和发育与当地地质条件、 连续降水和冻融循环作用有关； 然后进一步总结泥流滑坡、 热融滑塌和融冻泥流的特征， 认为玉树滑坡是季节冻土区的泥流滑坡。该研究有助于提高人们对泥流滑坡和青藏高原斜坡灾害的科学认识。
为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响， 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期， 天然场地导热系数在冻结期大于融化期， 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期， 与通常的认知和温度场模拟取值相反； 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体， 冻结期路基土体导热系数有减小趋势， 道砟覆盖路基土体尤为显著； 降雨入渗增大土体导热系数， 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时， 应考虑水热变化对导热系数的影响， 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。
为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理， 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术， 近似还原了管土受冻过程， 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况， 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中， 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布； 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象， 大量的水分向冻结锋面迁移， 使得土体产生线性冻胀； 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响； 当冻结发展到管道处时， 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。
拱北隧道作为港珠澳大桥珠海连接线的关键性工程， 在国内外首次成功运用了管幕冻结技术。以此为背景， 为更加全面地掌握饱和软土地层中管幕冻结温度场的分布特点， 开展了不同顶管组合方式下的管幕冻结温度场模型试验研究。试验结果表明： 各测点温度曲线在积极冻结期前4 h急剧下降， 随后逐渐减缓， 降至砂土冰点后趋于平稳， 三种布管方式均满足冻结设计要求； 冻结管中低温盐水提供的冷量首先传递给顶管管壁， 再以“面”的形式均匀地传递给周围土体； 积极冻结21 h后， 采用四根空顶管组合的C区冻结壁竖向范围最大， 空管管壁正上方冻结壁平均厚度约为105 mm， 在满足管幕刚度设计要求的前提下， 可采此布管方式以达到快速形成冻结帷幕的目的。限位管开启后的4 h内， 实顶管中线垂直距离100 mm范围内测点温度曲线虽有明显回升但仍维持在冻土冰点以下， 超出此范围后温度变化影响逐渐减弱， 且顶管间冻结壁稳定存在， 表明限位管在满足管间有效封水的条件下， 能在一定范围内起到定向限制地层冻胀的作用。优化后的双圆形冻结管在满足冻结设计要求的同时， 更加便于安装且经济环保。
在寒区工程中， 建筑物的冻拔病害和冻土-桩基接触面间的剪切特性密切相关。借助自制的试验模具， 采用压桩法对冻结粉质黏土中埋置的混凝土桩、 钢桩以及木桩进行了不同负温条件下的剪切试验。结果表明： 在负温下随着剪切位移的增加， 剪切力经历线性增长、 骤降的脆性破坏、 维持恒定三阶段。温度越低， 桩与冻土间的冰胶结力越大， 冻结强度越大， 残余强度越大， 破坏允许位移也越大。在-30 ℃时， 木桩与冻土间的冻结强度最大， 混凝土桩与冻土间的冻结强度次之， 钢桩与冻土间的冻结强度最小。混凝土桩、 钢桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用线性拟合， 木桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用二次多项式拟合， 三种桩的破坏允许位移与温度的关系均呈现线性规律。研究成果可为寒区结构物抗冻拔病害防治提供参考。
为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律， 开展了冻结状态下多种含水率、 温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明： 在试验温度下，粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10， 粉质黏土的1/10 ~ 1/7； 含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大， 其次是温度、 干密度； 在试验含水率范围内， 接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关； 温度降低会增大接触面冻结抗拉强度， 在-2 ℃至-6 ℃， 冻结抗拉强度迅速增长， 在-6 ℃以后， 冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明： 低温、 高含水率、 低干密度条件下， 接触面冻结抗拉强度达到最佳； 三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度， 其中含水率、 温度影响显著， 干密度影响不显著； 在试验含水率区间内， 接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势， 且含水率、 温度之间存在交互作用； 随温度降低， 存在一临界负温， 接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。
冻土与结构接触面的力学性能对寒区工程研究具有重要意义， 容易受到外界因素干扰。为研究不同因素对粉质黏土与混凝土衬砌接触面冻结强度的影响， 设计考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间的三水平正交直剪试验。试验结果表明： 在冻结初期， 提高土体含水率， 降低冻结温度， 延长冻结时间有利于接触面早期冻结强度的提升， 且这种作用效果是线性的。基于显著性分析理论， 发现含水率、 冻结温度、 冻结时间对接触面早期冻结强度的显著性等级均为极显著， 三者之中， 冻结温度影响最大， 含水率影响最小。采用多元线性回归， 忽略因素之间的二阶交互作用， 建立了考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间作用的粉质黏土与混凝土接触面的冻结强度预测模型， 为类似工程提供科学参考。
为了研究氯盐侵蚀和冻融循环耦合下水泥土无侧限抗压强度和破坏特征， 进行了不同浓度氯化钠溶液下的水泥土冻融循环试验， 得到了冻融前后的冻融腐蚀因子、 体积变化率和变形模量， 分析了微观结构特征。结果表明： 在氯盐侵蚀和冻融循环耦合下， 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子均随着冻融循环次数的增加而呈现下降趋势； 氯盐浓度越高， 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子下降的幅度越大。随着冻融循环次数的增加， 在同种浓度溶液中， 水泥土的体积变化率增大， 变形模量减小； 氯盐浓度增大， 水泥土体积膨胀变大， 内部结构松散， 抵抗变形的能力减弱。相同冻融循环次数下， 氯盐溶液产生的损伤要大于清水中的损伤， 随着氯盐溶液浓度的增加， 水泥土内部微观结构损伤越严重。
为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律， 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象， 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下， 围压在0 ~ 10 MPa变化时， 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下， 抗压强度随温度的降低而明显提高， 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大， 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高， 但随着温度的降低， 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩， 进而胶结强度增大； 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通， 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触， 进一步增加摩擦力提高岩石强度。
为研究寒区裂隙岩体内冻胀力的变化规律， 从单裂隙入手， 基于弹性力学、 水冰相变理论以及质量守恒关系， 建立了考虑未冻水含量及水分迁移的冻胀力求解模型； 利用MATLAB平台编制程序， 采用扩展有限元方法（XFEM）计算得到了裂隙内冻胀力随冻结时间的演化规律。采用有效体积膨胀系数法计算得到的冻胀力数值解与理论模型计算结果以及其他学者的试验结果吻合较好， 并分析了水冰相变下裂隙尖端应力场， 数值计算结果与理论解吻合较好， 验证了数值方法的可靠性； 通过分析影响冻胀力发展的因素， 指出岩石弹性模量和裂隙几何形状是控制裂隙内冻胀力演化的两个重要因素。
开放系统下土体冻胀引起土工结构变形致使其服役特性面临严峻挑战。基于土体冻胀非线性弹性力学模型， 推导了计算半空间无限体中土单元在自重下冻胀的数学表达式， 建立了水平场地土冻胀模拟方法， 提出了考虑上部压载效应与位移边界变化的场地表面隆起位移及土体应力与应变的计算方法。在此基础上， 利用开放系统下粉质黏土逐级降温冻胀室内试验， 验证了冻胀引起地表隆起变形预测解析方法的可靠性。经验证， 该变形预测解析方法可应用于寒区场地冻胀量的评估， 进而为开放系统下土工结构物变形预测提供科学参考。
冻土的松弛模量是进行蠕变力学分析的关键参数。但在理论方面， 尚未基于球模仪试验建立较完善的松弛模量表征公式。基于半空间黏弹性理论和分数阶微积分理论， 获得了松弛模量公式的非线性Kelvin模型解答并进行了材料参数影响分析。在给出恒载条件下， 可以用单轴蠕变试验的分析结果评估基于球形压痕试验的冻土松弛模量来预测准确性。随后分别以冻结细砂的球模仪试验曲线、 冻结砂和冻结砂质黏土的单轴蠕变曲线为例， 预测了各条试验曲线和冻土的松弛模量， 并通过其他试验实测数据进行了检验。结果表明： 该松弛模量表征公式的材料参数最少， 随各材料参数变化具有较佳单调性； 基于球形模板试验， 非线性Kelvin解答能对冻结细砂的松弛模量和位移曲线做出合理可靠的预测。非线性Kelvin模型能很好地吻合单轴蠕变试验曲线， 基于单轴蠕变试验的冻结砂松弛模量随时间变化规律和数值范围与球模仪试验分析结果较一致， 冻结砂质黏土的松弛模量随应力和温度的变化规律再现了已有研究结论。
冰川融水径流是冰川流域物质运移的重要通道， 对其水化学特征和变化的研究有助于揭示冰川作用区物质的生物地球化学循环过程， 并为认识和评价冰川消融对自然环境和人类生活的影响提供基础。青藏高原及其周边地区分布着除两极以外最大储量的冰川， 近年来在气候变暖背景下冰川加速退缩消融。该地区冰川融水径流中各类化学组分的变化及其气候环境效应研究逐渐成为热点。因此， 通过概述青藏高原冰川融水径流中无机化学组分的含量和时空变化特征， 并总结离子和元素的主要来源及常用的物源追踪手段， 进一步综合分析得到： 冰川融水径流中离子和微量元素的含量及变化特征受冰川消融、 基岩性质、 径流水文特征和其他水体物理化学过程等因子和过程的共同影响。在总结该研究领域现存问题的基础上进行了展望， 认为应加强观测和基础数据积累， 厘清无机水化学组分的输移规律， 深入揭示影响水化学组分变化的多因素的协同拮抗作用机制， 评价冰川融水径流水化学的气候环境效应， 为应对青藏高原冰川消融带来的环境变化提供科学指导。
通过评估GPM计划三种日降水产品（IMERG-E、 IMERG-L和IMERG-F）和TRMM卫星、 两种日降水产品（TMPA 3B42和TMPA 3B42RT）在黄河源及其周边区域38个台站的适用性， 探究了五种产品探测精度和海拔高度及雨强的相关关系， 结果表明： 在与实测资料的一致性和偏差方面， GPM卫星产品要全面优于TMPA产品。在TRMM卫星产品中， 3B42产品明显优于3B42RT。五种产品的相关系数均表现出明显的从东南到西北递减的趋势， 均方根误差北部普遍低于南部。IMERG产品的探测率（POD）和探测成功率（CSI）都要普遍高于TMPA产品， 而误报率（FAR）则是TMPA 产品更低， 表现更好。五种产品均在个别台站出现了严重误报的情况， 这些台站主要分布在研究区的西北部。IMERG三种产品对于海拔高度的依赖程度具有很强的一致性， 而3B42RT产品对海拔高度几乎没有依赖。除3B42RT产品外， 其余四种产品的偏差均随雨强的增加而增大。在探测率方面， IMERG产品对小雨、 中雨和大雨的探测能力均优于TMPA产品。
基流是黄河径流的重要补给来源， 对源区水资源规划和生态环境建设具有重要作用。以黄河源区白河流域为研究区， 利用唐克水文站1981 - 2015年的实测日径流资料， 采用常用的5类12种数值模拟法， 进行基流分割并比较分析其适用性。结果表明： 12种方法估算的基流指数（Baseflow index， BFI）差异明显， Lyne-Hollick滤波法计算的BFI值最大， 为0.91； 加里宁法计算的BFI值最小， 为0.39； Eckhardt滤波法的标准差和极值比最小， 稳定性最好； 加里宁法的标准差和极值比最大， 稳定性最差； 对1992年（丰水年）日径流过程进行分割， Chapman滤波法、 Chapman-Maxwell滤波法和加里宁法的基流过程线平滑缓慢， 更符合实际情况； Boughton-Chapman滤波法、 BFI法和HYSEP法基流模拟效果较好， Nash-Sutcliffe效率系数高于0.87， 决定系数接近0.9， 平均相对误差小于10%。综合比较， 认为Boughton-Chapman滤波法、 BFI法是白河流域较为适宜的基流分割手段。
基于1961 - 2017年6 - 8月新疆北部47个观测站点的逐日降水资料， 根据百分位法定义不同站点的夏季极端降水阈值， 分析了新疆北部地区夏季极端降水事件和最大日降水的时空分布特征、 贡献率及其与海拔的关系。结果表明： 新疆北部地区夏季极端降水事件和最大日降水量的各个特征量分布存在明显的时空差异， 空间上夏季极端降水事件、 最大日降水量表现为山区高、 盆地低的特点，在海拔2 000 m左右存在一个最大降水带； 夏季极端降水事件和最大日降水量呈增多、 增强的趋势， 并从20世纪90年代前后开始有明显的增加。夏季极端降水事件主要以单日为主， 夏季极端降水贡献随时间呈缓慢增加的趋势， 而夏季极端降水过程贡献和最大日降水贡献随时间变化呈下降趋势。
利用2012 - 2017年冬季伊犁河谷10个国家气象站逐小时降水资料， 分析了伊犁河谷不同区域降水日变化特征， 结果表明： 冬季伊犁河谷西部和中部地区降水量日变化呈单峰型， 北京时间09：00 - 12：00是主要的峰值时段； 其他地区降水量日变化单峰特征不显著。伊犁河谷大部分地区降水量与降水频次的关系比降水量与降水强度的关系更为密切。伊犁河谷冬季降水事件以6 h以内的短历时降水为主， 但其对冬季总降水量的贡献率不足30%； 持续12 h以上的长持续性降水事件发生次数虽少， 但它是伊犁河谷冬季总降水量的主要贡献者。短历时和持续性降水事件是伊犁河谷西部地区降水量日变化主峰的重要贡献者； 持续性和长持续性降水事件是伊犁河谷中部及北部地区降水量日变化峰值的重要贡献者； 伊犁河谷西南部地区冬季降水日循环与降水持续性之间的关系不显著。
黄河干流内蒙古段河道冬季流凌封河期， 河道水量除一部分转化为冰量外， 很大一部分转化为槽蓄水量而贮存在河道中， 导致下游头道拐河段出现小流量过程， 上游河道流量转化为槽蓄水量和贮存的冰量越大， 小流量持续时间越长， 开河期发生凌汛洪水风险越高。通过对1998 - 2016年头道拐站凌讯期流量变化过程分析， 重新界定了小流量上限阈值为330 m3·s-1， 并且以此值为标准进行小流量过程研究， 分别采用R/S极差分析法、 Fourier变换分析法对近年来小流量过程变化特征进行分析； 结合非线性概率Logit模型和Probit模型对小流量过程的影响因素进行讨论。结果表明： 小流量持续天数变化呈现缩短趋势； 同时， 小流量过程与上游相对来水之间变化关系显著且过程同步， 而滞后于河道槽蓄水量变化过程； 通过Logit模型和Probit模型分析各影响因素变化时相应小流量持续时间变化的响应概率大小， 明确河道冰流量是小流量过程第一影响因素， 气温条件是小流量过程的决定因素， 首封位置和相对来水量是小流量过程重要影响因素。
通过对黑河上游排露沟流域海拔2 700 m和2 900 m处青海云杉森林生态系统不同季节的土壤水、 植物水和大气水汽等不同水体稳定氧同位素组成（δ18O）的测定， 运用Craig-Gordon模型、 同位素稳态假设和Keeling Plot模型分别得出土壤蒸发、 植物蒸腾和蒸散发的δ18O， 结合多元线性混合模型将生态系统蒸散发分割为土壤蒸发和植物蒸腾。结果表明： 土壤蒸发水汽的δ18OE、 植物蒸腾水汽的δ18OT及蒸散发水汽的δ18OET分别介于-35.9‰ ~ -25.2‰、 -9.0‰ ~ -4.2‰和-18.5‰ ~ -10.2‰之间， 三者顺序为δ18OT > δ18OET > δ18OE， 满足同位素稳态假设。植物蒸腾对蒸散发的贡献率（fT）在52.2% ~ 88.4%之间变化， 土壤蒸发对蒸散发的贡献率（fE）在11.6% ~ 47.8%之间变化， fT远大于fE， 说明生态系统蒸散发大部分来自于植物蒸腾， 即植物蒸腾是青海云杉森林生态系统蒸散发的重要组成部分。fT与气温呈负相关， 而与相对湿度呈正相关， 说明气温对fT起抑制作用， 相对湿度对fT起促进作用， 但是相关系数不高， 说明fT在自然环境下还可能受除气温和相对湿度外的多种环境因素和生物因素综合影响， 具体影响机理有待进一步探究。本研究结果可为进一步研究黑河流域区域内循环和流域尺度水循环研究提供理论依据。
青藏高原植被生态系统脆弱， 是研究全球气候变化陆地植被生态系统响应的理想场所。以GIMMS NDVI、 气温和降水及植被类型数据为基础， 利用一元线性回归模型、 相关系数、 偏相关系数及t检验方法， 分析了青藏高原1982 - 2015年NDVI时空变化及其气温降水响应特征， 结果表明： 1982 - 2015年青藏高原NDVI时间变化过程总体表现为不显著的增加过程， 空间变化以显著增加为主， 占总面积的63.26%， 分布在高原北部、 西部和南部； 显著减少集中分布在高原中东部和东南部， 仅占总面积的3.45%。青藏高原主要植被类型NDVI平均值表现为： 阔叶林>针叶林>灌丛>草甸>高山植被>草原>荒漠， 其中草原、 高山植被和荒漠植被NDVI呈显著线性增加过程， 灌丛、 针叶林和阔叶林植被的NDVI呈不显著的减少过程。青藏高原NDVI与气温相关系数空间上呈南北向分布， 具有纬度地带性特征， 显著正相关分布在高原中北部， 显著负相关分布在高原中南部； NDVI与降水的相关系数呈东西向分布， 具有干湿度地带性特征， 显著正相关分布在高原中部， 显著负相关分布在高原东西两侧。研究认为1982 - 2015年青藏高原北部水热条件缺乏区域NDVI出现显著增加趋势， 而高原东南部水热条件充足地区NDVI呈现出显著减少趋势。深入开展植被类型NDVI气候响应的差异性研究， 有助于深入理解全球气候变化影响的区域差异及科学制定植被生态保护政策。
利用多源气象要素数据估算了1998 - 2016年的藏北高寒牧区植被净初级生产力（Net Primary Productivity， NPP）的变化特征并预估了其在2 ℃全球变暖背景下的变化趋势， 结果表明： 研究区域71.9%的NPP呈上升趋势， 仅中部部分区域有下降趋势； 平均NPP以每年0.54%速率增加， 同期气温和降水均呈增加趋势， NPP和气温在2007前后有显著增加趋势； 总体来说降水是影响NPP的最主要气候因子， 且随着纬度升高其影响越来越大， 气温对于NPP的影响从东南向西北依次递减， 在西北地区出现弱的负相关； 在2 ℃全球变暖大背景下， 分析得出IPCC“典型浓度路径”（Representative Concentration Pathways， 简称RCPs）三种温室气体排放情景下（RCP2.6、 RCP4.5、 RCP8.5）的NPP平均状态几乎没有变化， 其影响仅限于对研究区东南部的较高NPP有较小的改善作用， 其作用依次为
通过监测三江源玛沁县高寒草甸2017年度植被特征及土壤呼吸通量， 探讨了不同退化阶段植被群落、 土壤呼吸特征及其协同关系， 并分析了土壤呼吸的温度敏感性。结果表明： 随着高寒草甸退化程度加剧， 禾本科植物重要值降低， 毒杂草显著增加（P<0.05）； 植被盖度、 物种数、 多样性指数显著下降（P<0.05）， 重度退化阶段的地上生物量比轻度、 中度退化阶段降低了25.36%、 22.37%（P<0.05）； 在中度退化条件下， 均匀度指数和地下生物量显著增多（P<0.05）。在各退化阶段， 土壤呼吸年内均呈单峰式变化过程， 表现出生长季高、 非生长季低的特征， 植物生长旺季（7 - 8月）最高， 且与5 cm深度处土壤温度之间呈显著指数关系（P<0.05）； 2017年轻度退化、 中度退化和重度退化阶段的土壤呼吸碳排放总量分别为626.89 gC·m-2、 386.66 gC·m-2、 393.81 gC·m-2； 同时， 土壤呼吸与植被群落演替具有显著的协同性， 随着退化程度加剧土壤呼吸速率下降。轻度退化、 中度退化、 重度退化阶段土壤呼吸的温度敏感性系数（Q10）分别为2.82、 3.54和2.35， 表明中度退化条件下的温度敏感性最强， 重度退化条件下最弱。
新疆塔什库尔干塔吉克自治县地处中巴经济走廊北段， 自古以来就是东西方文化交流的核心地带。基于地质记录和考古发现， 对该县4 000 a B.P.以来东西方文化交流与气候环境变化的关系进行了梳理与分析。结果发现， 研究区特有的地理环境和气候变化对文化发展与传播起着重要的影响，3 500 ~ 2 800 a B.P.的干旱气候对应了中巴经济走廊东西方文化交流中断， 随着气候好转， 东西方文化交流在该区域再次畅通； 2 600 ~ 2 200 a B.P.气候变干与中巴经济走廊北段文化交流再次衰落对应； 历史时期丝绸之路的兴衰与气候变化密切相关。
咸海是亚洲仅次于里海的第二大内陆咸水湖， 20世纪60年代以来湖泊面积急剧萎缩。基于1960 - 2018年咸海的面积数据、 CRU气温和降水数据以及咸海流域灌溉面积、 水库容量等资料， 定量分析了1960年以来咸海湖泊面积的变化情况， 并从气候变化与人类活动两方面探究了咸海面积变化的主要影响因素。结果表明： 1960 - 2018年咸海的面积由6.85×104 km2持续萎缩至（8.32±0.19）×103 km2， 共减少了（6.02±0.02）×104 km2（约87.85%）， 其中1960 - 2009年面积萎缩了（5.94±0.02）×104 km2（约86.77%）， 而在2009 - 2018年其面积萎缩速率明显放缓， 减少了740.04 km2（约8.17%）。统计结果显示， 1960年以来强烈的人类活动（主要表现为灌溉用水和水库储水量的持续增加）是导致咸海面积急剧萎缩的主要因素， 其对咸海面积变化的影响远大于气候变化。在中亚地区气候继续向暖湿变化的背景下， 咸海流域应尽快调整以农业灌溉为主的用水结构， 否则在上游冰川融水达到峰值后， 咸海可能面临干涸的危险。
基于1992年、 1997年、 2002年、 2007年、 2012年和2017年夜间灯光数据提取得到东北三省的城市建成区， 计算了各省及整体灯光重心位置， 统计了各类资源型城市的灯光总量等指标的变化情况并讨论了灯光变化的影响因素。利用对数变换将DMSP和VIIRS夜间灯光数据的DN值变换到同一范围， 从而提高了研究的时效性。结果表明： 得益于区位、 交通、 政策等优势， 近25年来， 沈阳、 大连、 哈尔滨和长春等区域中心城市持续发展， 对灯光重心的拉动作用明显且不断增强， 各省的灯光重心及东北三省整体灯光重心均向哈尔滨 - 长春 - 沈阳一线靠拢。非资源型城市与资源型城市的发展差距逐步加大， 且资源型城市整体发展较为缓慢。在非资源型城市中， 沈阳、 大连、 哈尔滨和长春的灯光总量始终保持较快增长， 与其他城市相比始终保持绝对优势。资源再生型城市的发展情况各不相同， 内部差异尚不明显。资源成熟型城市个体间差异逐步加大， 而资源衰退型城市之间的差异较小。整体上， 东北三省城市发展的两极分化和区域不均衡现象愈加突出。
针对山区公路沿线复杂地质生态环境动态变化等问题， 以都江堰 - 汶川公路沿线区域为研究对象， 提出了一种基于承载力综合质量和空间聚类关系对区域地质生态环境承载力评价的方法， 实现了对具有地质灾害易发特点的山区公路沿线区域承载力状况的科学评价。通过自然 - 环境 - 人文模型构建区域承载力状况评估指标体系， 借助层次分析法确定各评价指标因子的权重， 采用TOPSIS算法（逼近理想解排序方法）进行计算并加权叠加得到承载力综合质量状况， 结合热点分析的结果对研究区的承载力状况进行等级划分。结果表明： 研究区的地质环境、 生态环境、 社会经济承载力质量空间分布皆呈现出高度聚集性， 划入适宜建设区的面积占比31.12%， 后备调控区的面积占比31.98%， 不宜建设区面积占比36.79%， 研究区内的映秀镇、 漩口镇和都江堰所组成的三角区呈现大面积的高值聚集区， 承载力综合质量好， 空间聚集度高， 利于规划建设。评价结果为区域承载力准确评价和空间利用格局研究提供了新思路， 也可为防灾减灾工作提供参考。
冬季牲畜宿营地是游牧过程中牲畜和人共同休憩的场所。通过解译提孜那甫河流域2000年、 2010年和2018年的Landsat影像， 提取相应时期的冬季牲畜宿营地信息， 探究近18年来宿营地的时空变化特征。结果表明： 研究区冬季牲畜宿营地由2000年的306处增至2018年的712处， 其数量和面积增加显著； 宿营地分布热点区由中部向东西向扩散， 冷点区沿西北 - 东南方向蔓延； 宿营地分布于海拔2 100～3 000 m的水草条件较好的缓坡区域， 由阴坡逐渐向阳坡过渡， 向居民点方向迁移， 与道路的距离呈两级分化的趋势， 冰雪融水是牲畜和牧民的主要水源； 人口、 载畜量、 NDVI和农村公路密度是冬季牲畜宿营地时空变化的最主要驱动力因素。鉴于牧民相对恶劣的生产生活现状， 建议应因地制宜， 增加和改善露营基础设施， 助力脱贫攻坚。
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