南极作为地球的寒极， 其最高点Dome A地区于2013年8月1日气温达到-93.0 ℃的极低值。利用Polar Weather Research and Forecasting （Polar WRF） 3.8.1模式， 对发生在南极Dome A地区的3次极端低温事件进行数值模拟分析。通过与自动气象站实测数据对比验证， 模拟效果较为理想。结果表明： 印度洋和大西洋交界区域的高压加强， 其高压脊开始向南极内陆延伸， 导致Dome A地区气压升高， 使得该地区天气晴好， 云量极低， 为极端低温事件发生奠定基础； 同时， 南极中心冷涡加强， 长时间的冷平流和稳定的逆温层为Dome A地区提供了足够的降温条件， 并且加强了夜间辐射降温效应， 稳定的垂直场、 极低的向下长波辐射使得Dome A地区的极端低温事件得以维持。
基于空间分辨率和精度更高的BLM海冰密集度数据集， 评估了两种时间跨度较长、 应用广泛的25 km分辨率海冰密集度遥感数据集——NSIDC数据集和SICCI数据集。两种数据集与BLM数据集的海冰面积变化趋势相同， 但均低于基于BLM数据集得到的海冰面积， 其中基于SICCI数据集得到的海冰面积更接近BLM数据集。相比于NSIDC数据集， SICCI数据集的年、 月平均和日海冰面积偏差分别低81.88%、 80.90%、 81.44%， 且其海冰密集度平均偏差为-3.28%， 低于NSIDC数据的4.36%， 因此在进行北极地区整体海冰面积及海冰密集度分析时应选用SICCI数据集。按纬度、 海冰密集度值分情况对两种数据进行比较， 发现NSIDC数据集对开阔水域和浮冰区的区分效果较差， 其在低纬度和低密集度区域的平均偏差分别为10.11%和13.13%， 而SICCI数据集的平均偏差达到0.05%和0.44%， 是研究低纬度和中低海冰密集度区域的首选数据。与之相对， NSIDC数据集对中高纬度高海冰密集区域， 特别是近北极点区域的反映能力优于SICCI数据集， 平均偏差为1.08%， 均方根偏差为7.76%， 因此进行中高纬度高海冰密集度区域分析时首选NSIDC数据集。对两类数据集在北极东北航道上的分段评估结果发现， 低纬度海冰边缘地带或中低海冰密集度区域占比较高的航段区， SICCI数据集更接近BLM数据集， 这些航段应使用SICCI数据集进行分析； 而在中高纬度高海冰密集度区域占比较高的航段区， NSIDC数据集更加贴合， 应为首选数据集。
基于新疆阿勒泰地区5个国家气象站的逐日平均气温、 最高气温和最低气温气象数据， 利用一元线性回归、 9 a滑动平均等方法分析了该地区近52年极端气温的时空变化规律。结果表明： （1）阿勒泰地区平均气温、 平均最高气温、 平均最低气温均显著上升， 上升速率为0.40、 0.29、 0.58 ℃·（10a）-1； 秋、 冬季上升幅度最大。（2）极端最高气温、 最低气温极高值、 暖昼、 暖夜以不同的速率上升（增加）， 分别为0.19 ℃·（10a）-1、 0.58 ℃·（10a）-1、 1.45 d·（10a）-1、 3.37 d·（10a）-1。气温日较差以-0.29 ℃·（10a）-1的速率下降； 生长季长度呈上升趋势， 增加速率为3.31 d·（10a）-1。暖日、 暖夜在四季均呈上升趋势。除极端最高气温和生长季长度外， 其他指数均有50%以上的站点呈上升趋势。（3）极端最低气温、 最高气温极低值分别以0.68、 0.48 ℃·（10a）-1的速率上升； 冷昼、 冷夜、 冰日、 霜日均呈下降趋势， 减少速率分别为-1.57、 -3.69、 -1.79、 -4.40 d·（10a）-1。仅冷夜、 霜日两个指数在所有站点显著下降。（4）冷指数的减小幅度大于暖指数的增大幅度， 夜指数的减小幅度大于昼指数的增大幅度。
基于1961 - 2018年冬季逐日降水资料， 研究了新疆北部不同类型暴雪的时空分布和环流特征。结果表明， 冬季新疆北部的局地暴雪日数最多（73.1%）， 区域暴雪次之（20.9%）， 大范围暴雪最少（6.0%）。总暴雪、 区域暴雪和大范围暴雪日数呈显著的增加趋势， 局地暴雪的增加趋势不显著。总暴雪、 局地暴雪和区域暴雪日数在12月最多； 大范围暴雪日数在2月最多。20世纪60 - 80年代， 新疆北部冬季以局地暴雪为主， 暴雪中心主要位于伊犁河谷和塔城地区北部； 90年代至今， 区域暴雪和大范围暴雪日数显著增加， 除伊犁河谷和塔城地区北部外， 阿勒泰地区、 天山北坡中段的暴雪日数增加显著， 乌鲁木齐成为天山北坡新的暴雪中心。新疆北部冬季暴雪的环流形势可分为3类6型， 其中锋区波动类最多， 低槽类次之， 低涡类最少。20世纪90年代前， 锋区波动类最多； 进入21世纪后， 低槽类明显增多。
利用东北地区162个气象台站逐日降水量和天气现象数据， 采用统计分析方法， 对近57年（1961 - 2017年）降雪的气候特征和时空演变规律进行了分析。结果表明： 降雪量和降雪日数最多出现在12月， 小雪和中雪最多出现在11月或12月， 大雪和暴雪在冬末春初出现概率最高。降雪分布为山地大于平原， 平原地区自北向南、 自东向西减少， 降雪高值区主要位于大兴安岭北部、 小兴安岭和长白山区， 降雪强度中心位于长白山区和辽宁中部平原地区。年、 秋季、 冬季、 春季降雪量占同期降水量比例分别为4.7%、 7.0%、 84.4%和7.6%； 辽宁省西部山区和南部大连地区日最大降雪量占年总降雪量比例最高， 最长连续降雪日数在2 d以下， 降雪较高纬度地区更为集中。近57年降雪量和降雪强度分别以1.93 mm?（10a）-1和0.11 mm?d-1?（10a）-1的速率显著增加， 降雪日数以2.08 d?（10a）-1速率显著减少； 降雪量增加主要表现为各等级降雪量的增加， 降雪日数减少主要是微量和小雪日数的减少， 降雪强度增加主要为大雪和暴雪降雪强度的增加。年、 秋季和冬季降雪量占同期降水量比例平均每10年增加0.36%、 0.48%和0.45%， 春季以0.11%?（10a）-1的速率减少。中雪、 大雪和暴雪对降雪贡献率均呈增加趋势， 小雪降雪量和微量降雪日数贡献率减少； 1987年降雪量和降雪日数突变后， 微量降雪日数和暴雪日数、 小雪降雪量贡献率改变显著。就区域平均而言， 2001 - 2017年的降雪量较1961 - 1980年增加了27.8%， 降雪日数减少了22.4%。
根据1961 - 2016年秦岭地区32个气象站点的气温、 降水及积雪等相关数据， 运用REOF、 M-K检验和小波分析等方法， 对秦岭地区冷季积雪日数的时空变化和影响因子进行分析。结果表明： 秦岭地区冷季多年平均积雪日数表现为北坡比南坡积雪日数多。在全球气候变暖的背景下， 海拔越高积雪日数减少的越多。秦岭冷季积雪日数呈现显著减少的趋势， 5个区的积雪日数年代际变化特征显著， 在20世纪末到21世纪初发生了由积雪日数偏多到偏少的突变。各区冷季积雪日数的周期变化主要集中在10 ~ 20 a， 秦岭南坡同时也显示了较为明显的4 a左右的周期变化。西北太平洋海温阶段性增暖是导致秦岭冷季积雪日数减少的外强迫因素。秦岭地区冷季平均气温的显著增暖和冷季降水量的显著减少直接造成积雪日数的减少。秦岭冷季积雪日数减少的突变要比气温增暖的突变大约滞后4 ~ 7 a。
利用华山气象站1953 - 2016年气象观测资料和1989 - 2016年Landsat TM卫星遥感影像数据， 分析华山积雪变化的基本特征及其与气温、 降水和大气环流的关系。结果表明： 1953 - 2016年华山平均积雪日数78.5 d， 积雪主要出现在每年的10月 - 次年5月， 64 a来积雪初日推迟， 终日提前， 初终间日数减少， 年度、 冬半年、 冬季积雪日数分别以8.3 d?（10a）-1、 7.6 d?（10a）-1、 4.7 d?（10a）-1的减少率显著减少。1981 - 2016年华山年度最大积雪深度减少趋势不显著， 年度累积积雪深度以88.2 cm?（10a）-1的减少率显著减少， 一年中积雪日数、 最大积雪深度和累积积雪深度的减少（小）趋势均以3月最为显著。1989 - 2016年华山区域积雪面积、 浅雪和深雪面积减少趋势不明显。1953 - 2016年华山年度、 冬半年、 冬季平均气温升高， 降水量减少。积雪日数与平均气温存在显著的负相关， 与降水量存在显著的正相关， 气温是影响华山积雪日数的最主要因素。年度、 冬半年和冬季积雪日数突变年份与相应时段平均气温突变年份相近。1953 - 2016年华山冬半年、 冬季平均气温和降水量均与大气环流指数相关显著， 华山冬半年和冬季积雪日数与同期西藏高原指数、 印缅槽强度指数、 南极涛动指数和西太平洋副高西伸脊点指数为明显的负相关， 与850 hPa东太平洋信风指数、 亚洲区极涡面积指数为明显正相关。
寒潮是我国北方地区冬、 春、 秋季节常见气象灾害之一， 产生的危害严重影响社会经济发展和人们生产生活。河西走廊生态环境脆弱且处于寒潮影响的重要区域， 揭示河西走廊寒潮频次时空变化特征可以为农牧业防灾减灾提供参考。基于1961 - 2018年河西走廊12个气象站逐日最低气温数据， 采用数据统计和空间可视化表达方法， 分析近60 a河西走廊寒潮频次时空变化特征， 并探讨北极涛动（AO）异常与寒潮频次的响应关系。结果表明： 从时间上看， 河西走廊的寒潮主要发生在10月至4月， 其中11月、 12月、 4月为寒潮高发时期， 近60 a河西走廊寒潮频次呈现出下降的趋势， 其中在20世纪80年代出现明显的低值， 下降趋势在季节上表现为秋季>春季>冬季； 河西走廊寒潮发生频次具有显著的空间差异， 其中西部地区最多， 东部地区居中， 中部地区最少； 北极涛动（AO）强弱与河西走廊寒潮频次变化具有时空响应关系， 当AO处于负相位时， 河西走廊各气象站寒潮发生频次较多， 并且在河西走廊东部和西部表现的较为明显。
冻结指数是某个地区冻结期长短和严寒程度的综合表征， 融化指数是某个地区融化期长短及正积温高低的综合度量， 冻融指数也是计算活动层厚度和季节冻结深度的关键参数， 并可用于多年冻土分布预报。利用雅鲁藏布江（雅江）流域中下游11个气象站点的逐日气温、 地面温度数据计算了1977 - 2017年大气及地面冻融指数， 并分析其时空变化趋势。结果表明： 雅江流域中下游近40年来冻结指数呈显著下降趋势， 大气冻结指数、 地面冻结指数、 大气融化指数、 地面融化指数多年变化范围分别为208.4 ~ 508.0、 136.9 ~ 371.0、 2 171.8 ~ 2 499.8、 3 350.2 ~ 4 315.2 ℃·d； 其气候倾斜率分别为-36.6、 -48.7、 90.7、 115.8 ℃·d·（10a）-1。雅江流域大气和地面冻结指数以海拔4 488.8 m的嘉黎最大， 海拔2 991.9 m的林芝最小； 大气和地面融化指数则以海拔3 560 m的泽当最大， 海拔4 488.8 m的嘉黎最小。流域内大气负温日数变化规律与地面负温日数变化趋势基本一致， 其气候倾向率分别是-6.28 d·（10a）-1和-5.57 d·（10a）-1。研究结果可为雅江流域冻土预报， 冻融作用所形成的冰缘地貌研究及其引发的地质灾害如冻融滑塌、 冻融泥流等灾害的监测与预防提供借鉴。
大兴安岭处于欧亚大陆多年冻土带南缘， 其多年冻土形成、 发展和保存更多受制于植被、 水分等局地因子的影响。采用钻探、 探地雷达和冻土温度长期监测等手段研究发现， 放牧活动会影响大兴安岭东坡新林林区活动层厚度， 放牧活动比较强烈的地段， 活动层可达2.5 m， 放牧区边缘至未放牧区域， 活动层缩减至1.5 m。塔头2013年11月2.0 m处的地温仍然在0 ℃以上（0.04 ℃）， 当放牧行为终止及加漠公路改道后， 2.0 m处的温度开始逐渐恢复， 温度由-0.12 ℃降到-0.69 ℃， 1.5 m处的温度则由0.17 ℃降到-0.42 ℃， 2018年底塔头的活动层厚度已经小于1.5 m。从地表植被类型上看， 松树林、 塔头和灌丛的活动层多年平均厚度分别为0.8 m、 1.3 m和0.7 m， 近地表0.5 m处的年平均地温为0.07 ℃、 0.52 ℃和0.22 ℃， 年变化深度处（11 m）的年均温度为-1.34 ℃， -0.98 ℃和-2.19 ℃。从地温曲线类型上看， 灌丛下的多年冻土比较稳定， 地温曲线属于正梯度型。松树林和塔头下的冻土温度比较复杂， 松树林地温曲线为偏负梯度型-零梯度型-偏正梯度型， 塔头为负梯度型-扭曲型。在地表植被类型和人类活动的共同影响下， 研究区多年冻土经历了地表干扰开始退化、 干扰消除不再退化以及慢慢恢复的过程。
为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用， 分别在含水量15%、 25%及35%， 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa， 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验， 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下， 冻土蠕变变形非常可观， 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段； 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素， 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素； 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著， 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下， 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。
为了反映冻融循环作用对原状黄土渗透各向异性及原状、 重塑黄土渗透差异的影响， 以西安Q3黄土为研究对象， 通过三轴固结渗透试验对比分析了冻融前后水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数随初始含水率、 围压、 冻融循环次数变化的规律。结果表明： 未冻融时各级围压下竖直向原状黄土的渗透系数为2×10-6 ~ 18×10-6 cm?s-1， 水平向原状黄土和重塑黄土的渗透系数为0 ~ 4×10-6 cm?s-1； 经历冻融循环后， 水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数与初始含水率的关系曲线分别呈现逐渐上升、 抛物线形式与变化平缓的不同特征， 而三者的渗透系数均随冻融循环次数的增加呈现数量级增大的趋势； 原状黄土的竖直 - 水平渗透系数比（kv /kh ）由冻融前的4.38逐渐减小到0.90， 可见冻融循环作用在显著提高黄土渗透性能的同时， 可以强烈弱化其各向异性特征。通过建立围压、 渗透系数与土体孔隙率的相关关系可知， 原状、 重塑黄土的孔隙率与围压存在极强的负线性相关性， 渗透系数随围压的增大呈典型指数衰减特征， 渗透系数与孔隙率具有相似的变化趋势， 因此冻融循环过程中土体孔隙率的改变是导致其渗透性质变化的主要原因。
以青海省察尔汗地区盐渍土为研究对象， 借助扫描电子显微镜（SEM）设备和颗粒孔隙及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）， 应用图像分割原理和分形理论， 对交通循环荷载作用下的盐渍土微观结构进行研究， 探讨不同循环应力比和不同振动频率下孔隙分布特征及其微观机制。结果表明： 循环应力比R由0.375增加到0.75， 临界破坏动应变由2.32%增高到3.17%， 动载循环次数相应减少； 振动频率f由0.5 Hz增加到2.0 Hz， 临界破坏动应变由2.82%减小到2.48%， 动载循环次数相应增多； 盐渍土孔隙参数随循环应力比的增大， 孔隙尺度分维值Dv 增长了0.12， 概率熵Hm 减小了0.017， 孔隙的形态分形维数D减小了0.27， 平均形状系数F增加了0.14， 变化规律较明显； 随振动频率的增大， Dv 增长了0.014， Hm 减小了0.002， D变化了0.06， F变化了0.003， 变化规律不明显； 在动荷载作用下， 试样的孔隙空间排列与宏观上的褶皱鼓状变形具有一致性。通过未加载试样与加载后试样的微观结构参数变化对比， 从循环应力比和振动频率对盐渍土微观孔隙特征的影响到宏观变形的相互作用机制进行了系统分析。
土体冻胀产生的切向冻胀力是制约寒区基础工程建设和使用年限的主要原因， 同时也是基础设计中的一个重要参数， 深入研究切向冻胀力问题意义重大。通过回顾国内外相关文献， 对切向冻胀力目前的研究现状进行了总结： 从切向冻胀力产生的条件和过程角度出发， 详细描述了切向冻胀力产生发展的机理； 阐述了影响切向冻胀力的因素和切向冻胀力的分布规律； 从试验、 理论两方面入手， 简要总结了切向冻胀力的测试方法和理论计算方法； 简述了目前确定切向冻胀力取值的方法。最后， 对切向冻胀力未来的研究方向提出了展望。
防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层， 通过热力耦合计算分析， 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时， 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃， 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃， 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m， 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m， 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时， 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时， 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%， 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时， 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa， 比中圈管3.72 MPa大了5.11%， 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa， 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%， 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性， 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应， 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。
针对新疆天山公路岩质边坡的砂岩， 开展了单/三轴压缩试验和不同次数的冻融循环试验， 探讨了岩样强度和变形参数的各向异性随围压和冻融循环次数的变化规律， 分析了层理角度及冻融作用对岩样破坏模式的影响。结果表明： 岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角和峰值强度均随着层理角度的增加呈现先减小后增加的U型发展态势， 在60°时达到最小值， 在0°或90°时其值最大； 岩样的强度以及变形参数随着冻融循环次数的增加逐渐减小， 随着围压的增加而增大； 不同层理角度岩样强度及力学参数的差异性随着围压的增加逐渐较小， 相应的岩样各向异性特性逐渐减弱； 随着冻融循环次数的增加， 岩样内部的裂纹不断扩展导致岩样各向异性程度逐渐增强； 不同层理角度岩样的破坏模式可归纳为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏、 穿越基质和层理弱面的剪切破坏、 拉-剪混合破坏、 沿层理弱面的剪切滑移破坏、 沿层理弱面的竖向劈裂破坏等5种模式。研究成果可为寒区岩体工程相关研究提供参考和依据。
针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态， 根据季节冻土特性选取冻结温度、 融化温度、 围压、 含水率4种影响因素， 对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验， 采用灰色关联分析法对试验结果进行分析， 给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明： 含水率、 融化温度、 冻结温度的敏感性超过60%， 需要重点考虑。9%含水率时， 土样强度较高， 发生脆性破坏， 随着含水率的增大， 向延性破坏转变； 融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度， 温度越低， 土样强度越高； 冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度， 冻结温度越低， 胶结作用越强， 但低于-10 ℃后， 强度增长缓慢； 围压越大， 土体强度越大， 不同围压影响下， 应力-应变曲线的形状和走势却大致相同， 分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。
中国的沙漠和沙地部分或全部分布在季节冻土区， 研究沙丘的冻融过程是讨论季节冻结期间沙丘风蚀和形态演变规律的条件之一。以宁夏河东沙地流动沙丘和沙障固定沙丘为研究对象， 通过野外观测和室内控制实验， 分析了沙丘的冻融过程及其控制因素。结果显示： 沙丘的冻结期在11月中旬至3月上旬， 流动沙丘各地貌部位的冻结时长和冻结层厚度均存在较大差异（背风坡面>迎风坡面>丘顶）， 背风坡脚的冻深最大。在季节冻结期内沙丘表层始终不发生冻结， 未冻层厚度的阈值约为10 cm且具有保护冻结层的作用， 流动沙丘迎风坡中在未冻层风蚀后， 地表冻结层融化再被风蚀， 如此循环过程造成其冻结层厚度远小于沙障固定沙丘的冻结层厚度。流动沙丘丘顶和背风坡面的冻结层厚度分别受短时（32 h）和较长历时（15 d）平均气温的影响。野外观测和室内控制实验均证明水分含量低于1.6%的沙丘沙不发生冻结， 冻结层硬度随含水率的增加呈幂函数递增（P<0.001）， 随温度降低呈缓慢递增。
在2017 - 2018年冬季使用无人机对乌梁素海湖冰的冰面裂缝进行了航拍， 采用改进的自适应阈值分割方法进行图像二值化处理， 提取了冰裂缝的密度和分形维数。分析结果显示： 在固定区域的冰裂缝分形维数在1.35 ~ 1.50间变化， 冰裂缝数量随时间增加， 其分形维数也随之线性增大； 在冰生长期间， 冰厚度与冰裂缝分形维数也呈现出明显的线性关系（相关系数R2=0.75）。冰面不同区域的冰裂缝密度和分形维数在0.017 ~ 0.079、 1.38 ~ 1.64间变化， 且两者之间存在显著的对数相关性（相关系数R2>0.96）， 不同日期航拍数据拟合结果近似相等， 说明冰裂缝密度越大， 对应的分形维数越大。作为表征冰面形态特征的一种物理指标， 建立得到的冰裂缝分形维数与冰厚、 裂缝密度的相关关系， 对未来利用冰面裂缝形态监测冰层的生消过程可提供科学的参考。
屋檐冰柱是中高纬度地区常见的冰现象， 其破碎断裂可能对人们的生产和生活带来不利影响。同样在桥梁工程、 隧道工程和输电工程中也经常受到冰柱的影响， 造成危险和工程设施的损害， 但由于缺乏对冰柱生长发育规律的探索， 导致冰柱冰害防治及处理方式仅以机械破坏和加热为主， 成本较高。利用室外实验获取屋檐冰柱的初步生长发育规律， 以此指导在低温室内利用金属载体精准滴定模拟屋檐冰柱初期生长规律实验。实验中通过观测水滴流速及冰柱形成速率（长度、 直径和冰重）， 得出了冰柱性状和时间、 供给水量的相互关系。结果表明： 屋檐冰柱形成和水流分布受冰柱发育程度的影响， 冰柱表面水流流速与冰柱发育过程之间存在互馈关系， 冰柱形态阻力与径流集中产生的流速增量又影响着冰柱发育速度。试验过程及试验数据不仅仅对屋檐冰柱具有解释分析的作用， 对其他工程实际也具有指导意义， 可为屋檐冰柱的防治方法研究提供依据和借鉴。
为了加深对黑河上游水循环过程的理解， 以研究区5个站点2015年8月至2016年8月的降水同位素实测数据和气象数据为基础， 除对降水同位素特征进行分析外， 主要利用TrajStat软件中的后向轨迹计算模块与潜在源贡献因子分析（PSCF）方法， 对研究区降水的水汽来源进行了分析， 并结合水汽通量等方法进行了补充分析。结果表明： 降水同位素呈夏高冬低趋势， 大气水线斜率（8.02）和截距（11.02）均高于全球大气水线的斜率（8.00）和截距（10.00）， 存在温度效应（δ18O=0.43x-10.82， r=0.54， P<0.0001）， 不存在降水量效应（δ18O=-0.05x-7.81， r=0.03， P<0.0001）； 研究区降水受多种水汽影响， 西风水汽影响最大。夏季除受西风水汽影响外， 还受东南季风水汽影响显著且水汽来源复杂； 研究区夏季的潜在蒸发源地集中在一些相对湿度和蒸发量较大的地区， 如祁连山区、 河西地区、 柴达木盆地北部、 青藏高原东南部及酒泉地区西南部等； 当降水量小、 温度高时， 持续性降水的大气水线方程的斜率和截距较小， 暴雨稳定同位素值较贫化， 受东南季风水汽影响最大， 其次是北方和西风水汽， 多种水汽辐合是暴雨事件发生的必要条件。
在气候变暖背景下， 20世纪60年代以来， 长江源区气温年和四季增温显著， 蒸发量、 径流量总体呈增加趋势； 进入21世纪后， 源区降水量呈增加趋势。沱沱河作为长江源区的主要径流， 以此为代表研究长江源区气候变暖对径流的影响具有重要的现实意义。利用1981 - 2015年沱沱河水文站径流量资料、 沱沱河同期气象站降水量、 气温、 蒸发量的实测资料， 分析了长江源区沱沱河降水、 气温、 蒸发量变化对径流量的影响。结果显示： 在全球变暖背景下， 近35 a来沱沱河流域年及四季平均气温、 平均最高气温、 最低气温均呈显著增加趋势； 年及春、 夏、 秋季降水量增加而冬季降水量减少； 春、 冬季蒸发量呈增加趋势， 年及夏、 秋季蒸发量呈减少趋势。沱沱河流域降水量是影响径流量大小的最主要的气候因子， 夏季降水量的增多与夏季径流量的增多关系密切， 年平均最低气温升高导致的冰川和积雪融水对径流量的影响次之， 蒸发量对径流量的影响明显低于前两者。
依据渭河上游实测水文资料和水利水保措施统计数据， 分析了流域水文要素和水利水保措施的变化规律。根据双累积曲线、 有序聚类、 Lee-Heghinan、 滑动T检验等方法， 结合流域内水利水保措施的变化， 将研究期分为基准期（1956 - 1981年）和措施期（1982 - 2016年）。采用水量平衡法， 分析还原了河流天然径流量和输沙量， 评价了水利工程取用耗水的减水减沙作用； 分别建立拟合了基准期和措施期年径流量、 年输沙量与年降水量的相关公式， 分析计算了措施期的减水减沙效应。结果表明： 基准期主要为水利工程减水减沙， 分别减水6.8%， 减沙3.9%； 措施期综合减水效应42.9%， 综合减沙效应76.5%， 水保措施减水减沙效应大于水利工程减水减沙效应， 综合减沙效应大于综合减水效应。
降水中氢氧稳定同位素的空间分布是同位素水文学和同位素生态学研究的基础资料， 近年来高空间分辨率的氢氧稳定同位素分布数据产品获得了越来越多的重视。利用新疆天山地区实测降水同位素数据， 评估两套常用的全球降水同位素分布模拟数据（OIPC和RCWIP）的适用性。结果表明： 从时间尺度来看， 两套产品在夏半年（4 - 10月）的模拟效果明显优于冬半年（11月 - 次年3月）； 在各自然区中， 准噶尔盆地荒漠自然区的模拟效果相对较好， 而吐鲁番盆地-哈密（戈壁）荒漠自然区模拟效果相对较差。通过均方根误差、 线性判定系数、 平均偏置误差、 平均绝对误差等指标的比较， 在本研究区内RCWIP数据产品对降水同位素值的模拟效果比OIPC的效果好。结合乌鲁木齐多年降水氢氧稳定同位素数据， 发现降水同位素年际变化差异并未明显影响到代表性， 在缺乏长期监测的情况下这两套数据仍有重要的使用价值。
为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响， 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象， 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响， 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期， 冻结层含水率几乎都呈增加趋势， 其中浅层土壤增幅最大； 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大， 反之则小。融化期， 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势， 且主要集中在表层0 ~ 30 cm， 水分损失以蒸发为主， 冻结层对土壤蒸发有抑制作用； 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异， 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。
基于青海高原1961 - 2018年47个气象站昼夜雨量数据， 分析了青海高原及各生态功能区的昼夜雨量及雨日的时空变化特征。结果表明： 近58年来， 青海高原昼夜雨量空间分布基本一致， 总体表现为东南向西北减少， 夜雨日多于昼雨日分布。青海高原昼夜雨量总体均呈增多趋势， 昼雨量的增加速率大于夜雨量； 从空间分布来看， 柴达木盆地西部、 东部农业区大部及青南牧区南部少数地区昼夜雨量呈减少趋势， 而柴达木盆地东部、 环青海湖地区、 青南牧区大部昼夜雨量均呈增多趋势。青海高原昼雨日略有增加， 夜雨日有减少趋势； 在地域上， 柴达木盆地昼夜雨日增多趋势明显， 而东部农业区昼夜雨日减少趋势明显。青海高原昼夜雨量分别呈2 a、 3 a的周期。近58年来， 青海高原、 东部农业区、 环青海湖地区、 柴达木地区昼雨量均无明显的突变现象， 仅青南牧区昼雨量在2003年前后存在明显突变现象； 青海高原、 东部农业区、 青南牧区夜雨量无明显突变现象， 环青海湖地区、 柴达木盆地夜雨量分别在1979年、 2003年出现了突变现象。
兰州新区位于黄土高原西段， 为典型干旱区， 道路修建形成了许多坡度大于30°的工程开挖边坡。在边坡上重建植被对改善局地景观和防治水土流失具有重要的作用， 而坡面土壤水分状况对植被重建影响重大。选择3种整地类型（条形坑、 圆形坑和原状坡样地）， 研究兰州新区黄土工程开挖边坡植被重建的初期土壤水分状况， 结果表明： 3种整地类型中条形坑的土壤水分条件最好， 与圆形坑、 原状坡样地土壤水分存在显著差异（P<0.05）。不同灌溉频率下原状坡样地0 ~ 20 cm土层土壤含水量较低， 20 ~ 50 cm土层土壤含水量较高。土壤含水量的变异系数随土层深度的增加而减小， 随灌溉频率的降低而增加。在边坡植被重建初期， 需把土壤水分维持在8.4% ~ 10.8%， 即田间持水量的38% ~ 49%， 才能保证植物正常生育生长。当栽植的植被根系长度大于10 cm时， 可考虑将喷灌频率从每天喷灌改为隔天喷灌， 否则植物有死亡的风险。研究结果可为类似的黄土边坡植被恢复和生态建设提供参考。
利用羌塘国家级自然保护区边缘5个气象站1971 - 2017年逐月平均气温、 平均最高气温、 平均最低气温、 降水量和逐年最大冻土深度等气象资料， 以及卫星遥感资料， 采用线性回归、 相关系数等方法， 分析了自然保护区气候（气温、 降水等）、 水体（湖泊、 冰川）和植被等生态环境因子的变化。结果表明： 近47年自然保护区年平均气温以0.46 ℃·（10a）-1的速率显著升高， 明显高于同期全球和亚洲地表温度的升温率。四季平均气温升温率为0.37 ~ 0.55 ℃·（10a）-1， 升幅在冬季最大、 夏季最小。年降水量呈明显的增加趋势， 增幅为11.0 mm·（10a）-1， 主要表现在春、 夏两季。近43年（1975 - 2017年）色林错面积呈显著增加趋势， 平均增长率为38.48 km2·a-1。1973 - 2017年， 普若岗日冰川面积整体上趋于减少， 平均每年减少2.11 km2； 自然保护区年最大冻土深度变化率为-35.7 cm·（10a）-1。1999 - 2013年保护区NDVI增幅达25.3%， 平均每10年增加0.0184， 植被覆盖度明显增加。总之， 近47年自然保护区表现为气候暖湿化、 冰川退缩、 湖泊扩涨、 冻土退化、 植被覆盖增加的变化特征， 而冰川变化引发的水资源时空分布和水循环过程的变化， 无疑将给高原社会经济发展带来深刻影响。
高寒草甸是青藏高原面积最大的草地类型， 对全球生态环境的影响十分巨大。然而在外界干扰下， 使得本身就很脆弱的高寒草甸发生了不同程度的退化。为探究翻耕补播对土壤微生物的影响， 以疏勒河上游不同季节（4月、 6月、 9月）原生高寒草甸、 退化草甸和翻耕补播草甸土壤为对象， 研究了土壤可培养细菌数量的季节变化及其影响因素。结果表明： 研究区域可培养细菌数量介于4.3×106 ~ 4.5×107 CFU·g-1之间， 不同季节退化草甸与翻耕补播草甸土壤细菌数量均显著低于原生高寒草甸， 且不同类型高寒草甸生态系统下可培养细菌具有明显的季节差异： 原生高寒草甸生态系统下土壤细菌在6月生物量最高， 4月最低； 而退化草甸与翻耕补播草甸土壤细菌生物量并没有表现出明显的季节波动； 相关分析表明， 可培养细菌数量与土壤全氮、 植被盖度及土壤含水量存在极显著正相关关系。研究发现， 翻耕补播措施并没有恢复该区域微生物数量， 研究结果对于认识高寒草甸生态系统的退化成因， 判断恢复措施的有效性和合理性具有重要意义。
青藏高原土壤有机碳储量（soil organic carbon stocks， SOCS）对于区域生态环境演替具有重要作用， 但是其空间分布数据还比较缺乏， 特别是季节冻土区的数据较少。基于378个土壤剖面数据， 结合与土壤有机碳（soil organic carbon， SOC）相关的地形、 气候以及植被等环境因子， 使用地理加权回归（geographically weighted regression， GWR）模型模拟了青藏高原季节冻土区0 ~ 30 cm、 0 ~ 50 cm、 0 ~ 100 cm和0 ~ 200 cm深度的SOC总量和空间分布。结果表明： 青藏高原季节冻土区SOCS自东南向西北递减， 表层0 ~ 200 cm的SOC总量约15.37 Pg； 季节冻土区不同植被类型SOC从大到小依次为森林、 灌丛、 高寒草甸、 高寒草原和高寒荒漠； 各土壤类型中棕壤、 黑钙土和泥炭土的SOC最大， 而棕钙土、 棕漠土、 灰棕漠土、 风沙土、 石质土、 盐土、 冷钙土、 寒漠土以及冷漠土的SOC最小。研究结果给出了青藏高原季节冻土区SOC的总量、 空间分布及规律， 可为相关地球模式的发展提供基础数据。
利用1979 - 2018年羌塘国家级自然保护区边缘的3个气象站点狮泉河（西部）、 申扎（中部）和安多（东部）的观测气温（OT）， 与ERA-Interim（ET）、 NCEP/NCAR（NT1）、 NCEP/DOE（NT2）和JRA-55（JT）4种再分析气温资料， 从年际变化和年变化两方面采用多年气温变化趋势、 均方差、 相关性等参数方法在羌塘自然保护区进行了适用性研究。结果表明： 从多年平均气温年际变化来看， 4种再分析资料在狮泉河（西部）的适用性较差， JRA-55资料在安多（东部）和申扎（中部）的适用性较好， 且冬季再分析气温资料与观测气温的相关性好于夏季； 从多年平均气温年变化来看， 均表现为冬季（1月或12月）最低， 夏季（7月或8月）最高的“单峰型”变化。综合来看， JRA-55资料在羌塘自然保护区的适用性较好， ERA-Interim对多年气温趋势变化表现不准确， NCEP/NCAR和NCEP/DOE与观测气温相比显著偏低。
水资源是干旱区内陆河流域环境与发展的主导因素， 其承载力是评判水资源与经济社会及生态环境之间协调发展的重要依据。从承载程度和承载能力两方面构建评价指标， 对黑河流域张掖市县区尺度的水资源承载力进行评价， 结果表明： 承载程度方面， 张掖市从2015 - 2017年用水总量承载状况整体好转， 但民乐县用水总量面临超载， 各县区地下水承载状况明显改善， 地下水超采得到有效管控与治理。从2015 - 2017年， 张掖市水资源的承载状况整体上改善， 从2015年甘州区、 临泽县、 高台县、 山丹县4县区的超载转变为2017年临泽县、 高台县、 山丹县、 肃南县4县区的临界超载状况， 反映出张掖市近年来水资源开发利用的管理成效初步显现； 承载能力方面， 全市各县区2020年和2030年水资源可承载人口均小于2017年水平， 可承载的经济规模约是2017年90%； 提出了农业节水效率提升和耕地灌溉面积缩减两种未来水资源承载力提升情景， 并以此提出了张掖市水资源承载力提升的对策建议。
利用1961 - 2017年逐日平均、 最低、 最高气温资料、 DMSP/OLS卫星夜晚灯光数据， 定量分析了城市化对辽宁省平均气温和极端气温指数趋势变化的影响。研究表明： 辽宁省气温呈显著增加趋势， 城市站增温速率明显快于乡村站； 平均最低气温增温率最快， 平均气温次之， 平均最高气温相对较慢； 四季增温速率依次为： 冬季>春季>秋季>夏季； 最低气温的城市化影响贡献率最大， 平均气温次之， 最高气温相对较小； 城市站最低气温的明显升高和最高气温增幅较小， 必将导致日较差明显减小和日较差城市化影响贡献率的增大。城市化加剧了辽宁省极端低温事件的显著减少和极端高温事件的明显增加， 城市化对极端气温事件影响显著。与冷事件有关的极端气温指数的城市化影响均为负值， 与暖事件有关的均为正值； 相对指数的城市化影响贡献率较大， 持续时间指数次之， 除气温日较差以外的绝对指数相对较小。基于最低气温的极端气温指数比基于最高气温的极端气温指数受城市化影响更显著， 其原因可能是城市热岛强度的非对称性以及城市站和乡村站气溶胶浓度之间的差异， 导致最高气温的增加没有最低气温的增加显著。
青藏高原因其复杂的地形地势和和积雪分布使得多种雪深算法未达到理想的精度。基于新一代被动微波数据AMSR2（Advanced Microwave Scanning Radiometer 2）， 应用随机森林算法（Random Forest， RF）将亮温（Brightness Temperature， BT）和亮温差（Brightness Temperature Difference， BTD）作为参数输入， 并将高程和纬度参数引入雪深反演模型中， 经过模拟退火算法进行有效反演因子筛选， 构建了基于随机森林算法的青藏高原雪深反演模型。结果表明： 与AMSR2全球雪深产品相比， 随机森林算法的拟合优度（R2）由0.41提升至0.60， 均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）由7.36 cm降至4.88 cm， 偏差（BIAS）由3.24 cm减小至-0.16 cm， 随机森林雪深反演模型在青藏高原的精度更高； 青藏高原平均海拔超过4 000 m， 当海拔大于青藏高原平均海拔时， 随机森林算法的反演效果最差， 但RMSE仅为3.78 cm， BIAS仅为-0.09 cm； 高原南部（25° ~ 30° N）因其复杂的地势和相对较少的气象站点使得反演效果较差， RMSE为5.94 cm， BIAS为-0.39 cm； 青藏高原的主要土地覆盖类型为草地， 随机森林算法在草地的RMSE约为3 cm， BIAS接近0 cm。
多年冻土区地表变形严重影响着区域内生态环境和工程设施的稳定性。合成孔径雷达差分干涉测量（differential interferometric synthetic aperture radar， D-InSAR）技术作为一种新型的空间对地观测技术， 为多年冻土区地表变形监测提供了新方法。通过近20年的不断深入研究， 利用D-InSAR技术的多年冻土区地表变形监测取得了大量研究成果。首先介绍了D-InSAR技术测量地表变形的理论基础， 进而概述了D-InSAR技术在多年冻土区地表变形测量中的应用现状， 然后总结了D-InSAR测量过程中存在的关键问题及可能的解决方法。在此认识和分析的基础上， 对D-InSAR技术今后在多年冻土区地表变形监测中的发展方向进行了探讨， 以期为D-InSAR技术在多年冻土区地表变形监测中的推广应用和深入研究提供参考。
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