青藏高原大尺度冻土水文监测研究

１９９７￣１９９８年中日双文合作首次在青藏高原大尺度范围内进行了冻土水文连续监测工作,获得了大量高精度实测数据,对实测的土壤温、湿资料进行了分析了高原冻土活动层内的冻融过程,估计了不同深度最大冻结和融化深度及年冻结日数给出了在宏观尺度上土壤水热状况的时间和空间分布特点及地形对土壤水热条件的影响作用。     

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

当前随着经济的飞速发展和科学技术的进步, 广大寒区的道路、水利、建筑、能源等工程应运而生并迅猛发展, 特别是在我国随着青藏铁路的建成通车, 关于冻土的物理力学研究显得越来越重要而急迫. 冻土问题是涉及到地理学、物理学、力学等多学科的综合性问题. 土体在冻胀融沉过程中最本质的要素是水、热、力三场耦合问题, 但由于问题的极端复杂性和研究手段的限制, 以往的研究仅以水、热两场耦合问题研究为主, 而忽略应力场的作用, 这样会导致冻融过程研究的不完整, 进而影响到冻胀融沉预测的准确性. 因此, 水、热、力三场耦合问题是冻土研究领域的关键问题所在, 也是国际前沿和热点研究课题......     

冻土水热变化对东亚气候影响的模拟

利用气候模式Community Atmosphere Model(CAM3.1)作为工具,在保持模式陆-气之间能量、水量守恒的状况下,通过在其陆面模式Community Land Model(CLM3.0)中引入了未冻水过程,改变了冻土中的水热属性,分析了欧亚区域气候对冻土变化的敏感性、东亚季风对冻土变化的响应等相关问题.研究发现:(1)未冻水过程较为显著的改变土壤中冰、水比例,其对地表温度、土壤温度有显著影响.(2)欧亚区域(包括东亚)气候对冻土变化较为敏感,1月海平面阿留申低压有所加强,500hPa乌拉尔阻塞高压减弱,东亚大槽减弱.7月阿留申群岛地区海平面气压显著减弱,500hPa位势高度大陆有显著的负异常,海洋有显著的正异常.(3)1月东亚地区850hPa风场南风分量增大,冬季风减弱;7月大陆气旋性异常,海洋反气旋性异常,东部沿海地区夏季风加强.(4)东亚夏季降水有显著改变,其中青藏高原南部、长江流域中部地区和东北地区降水显著增大,华南、海南岛地区显著较少,我国中部、华北地区减少,但不显著.进一步分析发现,30°N附近,有显著的空气上升运动,其南北两侧有显著的下沉运动,中高纬度太平洋暖湿气流在东北与北方冷空气汇合,这些因素是上述降水异常的主要原因.     

青藏高原冰冻圈变化及其对区域水循环和生态条件的影响*

以青藏高原为中心的冰川群是中国乃至整个高亚洲冰川的核心,由于全球变暖,青藏高原冰川自20 世纪90年代以来呈全面、加速退缩趋势。作为全球最主要的高海拔冻土区,青藏高原近几十年气候变暖是冻土退化的基础因素,人为活动在局部加速了冻土退化,推测未来几十年内冻土退化仍会保持或加速。过去50 年,青藏高原积雪面积总体呈减少趋势。由于气温升高,青藏高原处于降雪和积雪临界状态的区域大大增加,导致青藏高原积雪期开始时间的推迟和结束时间的提前。冰川加速消融退缩,融水在逐年增加,冰川变化引发的水资源时空分布和水循环过程的变化,无疑将给青藏高原社会经济发展带来深刻影响。冻土及其孕育的高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统具有显著的水源涵养功能,是稳定江河源区水循环与河川径流的重要因素。青藏高原江河源区近几十年来生态退化和河流、湖泊、沼泽、湿地等水文环境的显著变化就与冻土退化密切相关。过去十年来由于冻胀和融沉破坏,青藏公路已经进行了多次全线性大规模的整修。在未来几十年内多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融和低温冻土向高温冻土转化,这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。为应对气候变化对青藏高原冰冻圈影响,应加强冰川融水对地表水和冰川融水补给河流的水文过程与预测研究,针对未来可能出现的各种灾害,要在科学预测和普查的基础上评价灾害风险。     

热厚衬底上薄膜材料热导率测量

热导率是表征材料热学性能的重要参数之一.为了测量材料的热导率,人们发展了多种测量方法,光热偏转技术便是其中重要的一种.该方法已被成功地用于测量体材料和无衬底的薄膜材料的热导率,但在测量带有衬底的薄膜材料时,同其他方法一样,遇到了困难,目前尚未很好解决.本文报道应用光热偏转技术,测量了导热较差的热厚衬底(热波长小于本身厚度)上铜膜和金刚石膜的热导率.l 样品和实验方法     

航天技术“下凡”青藏铁路

“如履薄冰”的青藏铁路青藏铁路东起青海格尔木,西至西藏拉萨,全长1200千米,其中有600千米属于高海拔寒冷区冻土地质。高原寒冷区冻土层地基的稳定性是铁路面临的最大难题!这也是一个世界难题!为什么呢?我们知道,盖楼房需要打好地基,铺设铁路也需要稳定的路基。现在路基在冻土上面,就仿佛在冰上行走。随着温度的变化,冻土具有“顽皮好动”的特性。在寒季,冻土像冰一样冻结,并且随着温度的降低体积发生膨胀,建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起;到了夏季,冻土融化体积缩小,路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地…     

青藏高原东北部土壤冻融过程的数值模拟

利用青海省苏里站2009 年2 月1 日~12 月31 日的气象观测资料作为模式强迫场, 使用陆面过程模式CLM3.0(Community Land Model), 对青藏高原东北部季节性冻土区域进行模拟.结果表明, 模式能够较好地模拟出各层土壤的冻融变化趋势, 但在融化阶段, 模拟的土壤温度高于观测, 融化结束时间早于观测; 冻结阶段, 模拟的土壤温度略低于观测, 深层土壤冻结时间早于观测; 整体看来, 模式对冻结过程的模拟好于对融化过程的模拟, 对靠近表层的土壤模拟好于深层. CLM3.0 模式中认为冻土在土壤温度高于0℃时发生融化, 本文根据热力学平衡方程得到土壤发生冻融的临界温度, 进而对冻土的融化条件进行调整, 融化条件的调整减缓了冻土的融化速率, 使得土壤温度模拟降低, 同时, 调整后的模式模拟结果反映了冻土融化过程中伴随有冻结过程的发生, 与真实的冻土融化过程更为接近. 此外, 通过敏感性试验发现, 融化过程和冻结过程中土壤水的冻结速率是不同的, 表明模式中用于计算土壤发生相变后温度的方案还有待进一步改进.     

青藏高原坡面尺度冻融循环与水热条件空间分布

冻土的广泛分布使得青藏高原地表冻融循环与水热条件成为地球科学系统研究的关键之一.高原复杂的下垫面条件导致了冻融循环与水热交换显著的空间非均一性,而坡面尺度是认识地表过程空间变化的基础.本文基于青藏高原地表冻融循环与水热交换空间非均一性研究成果的回顾,利用安多地区近期的观测、模拟成果揭示了该领域的最新进展:首先评价了探地雷达在冻融循环与土壤水热空间变化研究的适用性;其次利用多元手段,显示了冻融循环与土壤水分坡面尺度的空间非均一性.另外利用冻土水热模型的敏感性试验发现:地表升温背景下,冻融过程与土壤水分在不同时期、不同深度、不同坡面的响应均有所不同,升温引起两个坡面冻结周期和速率变化明显.而且升温幅度越大,土壤水分的响应越明显,表层土壤水分的相对变化更为剧烈;对坡面而言,北坡的响应更为显著.     

信息论和热力学结合的思考

科学史上力学和热学曾经分家达一个世纪之久,这并不是力学家一点也看不到热现象往往伴随着力现象以俱生,而只不过认为这不在他们的研究范围之内罢了.我觉得在过去百余年中,热力学家不注意信息,似乎是这一现象的历史重复.既然过去把力学和热学结合起来曾经改变了整个力学的面貌,现在如果我们在布里渊研究的基础上再走一步,直接把信息引入热力学,也必将大大开阔人们的眼界,从而促使热力学和信息论在科学史上必然地统一. 布里渊曾说过第二定律原来形式的缺点:第二定律是死亡的宣判,可是在时间上却没有     

铝硅酸盐无机聚合物转化法制备先进陶瓷材料研究进展

铝硅酸盐无机聚合物及其转化制备的陶瓷材料具有节能环保、制备温度低、耐热性能良好、热学性能可调控的优点,因此在航空航天、原子能、生物以及化工等领域具有广阔的应用前景.此外,随温度升高,铝硅酸盐无机聚合物会转变为辉石或榴石陶瓷,具有可调控的力学和热学性能;铝硅酸盐无机聚合物的低温成型特性也使得增强的种类选择非常广泛,并且可以很方便地引入.因此铝硅酸盐无机聚合物技术为低成本成型制备高性能陶瓷和陶瓷基复合材料提供了一种新工艺.本文综述了铝硅酸盐无机聚合物热演变、结晶动力学、显微组织结构演变、性能演化等方面的主要研究进展,并阐述了碳纤维强韧铝硅酸盐无机聚合物复合材料的陶瓷化过程和性能演化研究,指出了今后的发展方向.     

人类工程活动影响下冻土生态系统的变化及其对铁路建设的启示

通过样带与样方结合的调查方法, 从冻土生态系统结构、群落种类、生物多样性以及生物生产力等生态要素和生物生境条件: 如土壤环境、冻土环境等方面研究了青藏公路沿线多年冻土区公路工程干扰迹地生态系统的变化特征. 结果表明, 经过近25年的自然恢复, 在生态系统恢复的生物学方面, 高寒草原生态系统明显优于高寒草甸生态系统, 表现在高寒草原的优势建群植物种类已出现并占据优势地位, 局部地带生物物种多样性与种群多度恢复到接近甚至高于自然未干扰草原系统水平; 在土壤环境方面, 高寒草原干扰迹地土壤有机质含量平均减少61.65%, 全氮含量减少52.51%, 但大部分地区其表层土壤养分现状与干旱区主要草原土壤相当, 有利于耐寒旱生物物种生长; 高寒草甸干扰迹地土壤(寒冻雏形土)平均养分含量高于天然寒冻干旱土壤, 保存草甸土壤结构的完整程度对于高寒草甸生态系统恢复至关重要. 受扰动高寒草原生态系统的恢复程度与冻土环境没有明显制约关系, 高寒草甸生态系统的分布和保育与冻土环境关系密切, 受工程活动破坏后恢复困难. 类比青藏公路沿线生态系统变化规律, 提出了青藏铁路建设过程中保护生态环境的几点启示.     

青藏高原多年冻土变化与工程稳定性

气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大、地下冰融化, 导致路基工程稳定性变化. 本研究在综述青藏高原多年冻土变化和冻土工程研究重要进展的基础上, 利用青藏公路和青藏铁路沿线冻土与工程监测数据, 给出了青藏高原多年冻土温度和活动层厚度变化及其与气候变化的关系、多年冻土对工程活动的响应过程, 青藏铁路工程稳定性动态变化以及块石结构路基降温机制和过程. 最后, 提出了在气候变化下冻土工程将来亟待解决的关键科学问题.     

对流云发展问题数值试验的一个例子

分析观測资料表明,在通常条件下,对流云发展强盛时,大气层結对于湿絕热过程經常是不稳定的。这表明水分对于积云或积雨云的发展有重要作用。其原因主要是水汽凝結潛热释放使空气貭点不断产生向上加速。因此,对流云中水汽凝结不仅是对流运动发展的結果,也是对流运动发展的原因。     

土冻结动态温度场计算公式

1890年维也纳数学家Stefan首次用共轭变量法解出了含相变一维初值问题的动态解,开创了寒区冻土热动力学的研究;1973年苏联数学物理学家用变量交换求得了Aτ~(1/2)+Bτ类型边值问题的解析解,成为在动态边值条件下求解冻土温度场的里程碑;1981年美国Luandini用小参数法对更接近实际的Asinωt类型的动态边值问题进行了求解。本文亦用小参数法,求得了与天然上边界条件基本符合的动边界值(?)+Asinωt条     

高海拔多年冻土与地下冰研究的新进展

1988年,中国雪、冰、冻土图(1:4000000)正式出版。该图是中国区域冻土研究近三十年来工作的总结。业已查明,中国多年冻土面积占世界第三位,其中高海拔多年冻土面积居世界第一位。因而中国的区域冻土研究,特别是高海拔多年冻土的研究,在国际上占有重要地位。多年来,中国学者在这一领域提出的一些见解和理论受到了国际同行的关注。     

量热技术在生命科学中的应用

量热学是一门古老而又新兴的高技术综合性学科.微量热技术和差示扫描量热技术(DSC)等在生命科学各领域的应用,为研究生命现象提供了定量的热化学信息,有助于从静态和动态的角度研究生命代谢过程,其研究的层次为:生态系统→生物群体→生物个体→生物组织→细胞→细胞器→生物大分子→生物小分子.量热学与生命科学的结合符合当代学科间相互交叉渗透的发展趋势,因此形成的生物量热学无论在学科的基础理论,还是在技术应用上都是很有生命力的方向.值得有关同行共同开拓.     

采暖建筑地基融区的最大融深和稳定时间的计算

采暖建筑地基融区的形成、状态和变化规律,是工程冻土学急待解决的关键课题之一。这是因为不仅它本身为一个量大面广的实践任务,而且它的研究对冻土应用热工理论的发展具有普遍的指导意义。就冻土上的建筑物而言,地基土的温度-冻融过程是其力学(地基、基础及上部结构)稳定状况的决定性因素,而它也使传统的建筑热工(围护结构、暖通及采光)条件复杂化。为此,这一课题引起了国内外冻土学研究者的极大兴趣和重视。     

优质陶瓷零件的超精加工技术研究

陶瓷零件是烧结材料制品,属典型的硬脆材料,加工困难。其特有的物理、机械、热学和摩擦学等性能在很多领域中具有广泛的应用前景。而陶瓷零件的高精度、高效率和低成本加工方法是目前世界各工业先进国家正努力攻克的技术难题。超精加工在此特指产生粗糙度     

神奇的量子

在我们所生活的世界中,物质的运动是连续的,流水、风、奔驰的汽车以及我们自身的运动都无时无刻不在证明这一点;不仅如此,能量的流动也是连续的,光的辐射、热的传递以及电磁波的传播都被认为是在时空中连续存在的。所有这些都在我们心里造成了这样一个根深蒂固的观念：物质的运动和能量是连续的。在20世纪以前,人们丝毫都不怀疑这个判断,经验常识和经典科学都不容置疑地支持这一观点。     

热子气-气体和金属中热量传递的载体

热子气可以认为是热传导的主要载体, 是热量传递的载体. 类似于介电体中晶格振动能量量子化定义的声子, 大量的声子组成了声子气. 在气体和金属中则可以根据无规则运动的分子和电子所具有的能量定义热子, 大量无规则运动的热子就组成了热子气. 热子和声子、光子一样都没有静止质量, 但是热子的动质量可以连续变化, 即热子是非量子化的准粒子. 热子气在一定温度梯度驱动下的定向运动就形成了热流. 根据Einstein质能关系可以得到热子的质量为m_h=E/c², 即热能除以光速的平方. 热子气是具有真实质量的可压缩流体, 根据气体动力学原理, 并结合理想气体和金属中电子气的统计规律分别得到了两种体系中热子气的状态方程, 通过流体力学分析方法进一步推导出热子气的动量守恒方程, 它是具有阻尼的波动方程, 也就是普适导热定律. 基于热子气概念得到的普适导热定律可以用于定量研究由于热惯性作用而导致的极端条件下的非Fourier导热现象, 例如在超快速激光加热实验中出现的热波现象. 在通常情况下当热质惯性力作用可以忽略时普适导热定律将退化为Fourier定律. 利用两阶精度的有限差分格式, 计算了超快速飞秒激光加热金属薄膜条件下普适导热定律的热波解, 结果显示热波传递的波动性会随着热子气运动惯性作用的增强而增强.