青藏高原多年冻土特征、变化及影响

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征

利用青藏高原多年冻土区10个活动层观测场建立以来到2010年的监测资料,构建了青藏公路沿线多年冻土区活动层平均厚度的估算模型,分析了多年冻土区活动层近期的动态变化及区域差异特征.结果表明,研究区活动层厚度30年来以1.33cm/a的速率增大,多年冻土上限温度、50cm土壤温度及5cm土壤积温均呈现出升高的趋势.土壤热通量以0.1Wm-2/a的速率增大,为高原多年冻土区活动层厚度增大和温度升高提供了依据.活动层开始融化日期提前,开始冻结日期推后,融化日数增加,速率达1.18d/a.活动层动态变化特征与多年冻土类型、海拔高度、下垫面类型和土壤组分密切相关.低温多年冻土区较高温多年冻土区变化明显、高海拔地区较低海拔地区变化明显、高寒草甸地区较高寒草原地区变化明显,细粒土较粗颗粒土变化明显.     

青藏铁路建设中冻土工程问题

本文围绕青藏铁路冻土工程地质、气候变化对冻土及铁路路基稳定性的影响等问题,分析了青藏铁路工程建设中存在的冻土工程技术问题。根据国内外在多年冻土区筑路的经验和教训提出青藏铁路的设计应该改变单纯依靠增加热阻(增加路堤高度,使用保温材料)的消极的保护冻土的思路,全面采用“冷却路基”的积极的“降低地温”原则,特别在高温、高含冰量地段必须如此。给出了通过改变路堤的结构和材料来调控辐射,调控对流和调控传导,以达到“冷却路基”目的的具体措施。     

祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结(自地表向下)始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.     

巴丹吉林沙漠东南缘砂楔年代及其环境意义

巴丹吉林沙漠东南缘新近发现的多处砂楔群和融冻褶皱,分别形成于砂砾石层和湖相沉积地层中,楔内充填物的光释光年龄证明其是末次冰期和晚冰期的产物.巴丹吉林沙漠在末次冰期和晚冰期时处于多年冻土带,年平均气温约为-3~-6℃,较现在降温约12~15℃.其时,整个阿拉善高原与纬度多年冻土带和青藏高原冻土区相连接,沙漠腹地及周边的沙丘应处于冻土状态,沙丘的移动和风沙地貌发育均会受到影响.在冷期,巴丹吉林沙漠很有可能相当于冰冻圈气候,前人关于中国北方沙漠非冻土区的认识值得商榷.     

热喀斯特改变多年冻土区景观和地表过程

多年冻土是寒冷气候的产物,气候变暖则会造成多年冻土退化。多年冻土退化的表征之一就是地下冰融化,使得地表土壤失去支撑,从而形成滑塌、沉降等热喀斯特地貌。热喀斯特地貌不仅会影响到工程建筑,还会破坏地表植被,导致生态系统退化。热融沉降形成的低洼地还会积水并逐步发展为热融湖塘。热喀斯特地貌除了直接改变地表景观外,还会改变土壤的水文和碳氮循环的过程。目前热喀斯特地貌的发展及其影响在多年冻土环境研究中已引起了广泛关注,定量评估热喀斯特地貌对碳循环的影响也是评估多年冻土区对全球变化的响应及气候反馈效应的重要环节。     

青藏高原多年冻土区土壤-景观模型与土壤分布制图

为理解青藏高原多年冻土区土壤与环境的关系,同时提供青藏高原基础的土壤数据,以青藏高原多年冻土区为研究对象,基于其2009~2011年的野外土壤调查数据,筛选了10种与土壤形成密切相关的数据作为环境因子,运用决策树See5.0分别建立了青藏高原西部和东部多年冻土区的土壤-景观模型,5折交叉验证的平均精度西部为65.4%,东部为63.5%,显示模型有较好的可靠性.基于此模型,对研究区进行了土壤分布制图.结果表明,青藏高原多年冻土区以寒冻土(Gelisols)和雏形土(Inceptisols)为主,分别占总面积的34%和28%.分区来看,在高原西部多年冻土区,土壤主要以寒冻土、雏形土和干旱土(Aridisols)为主,分别占多年冻土区西部总面积的43%,30%和17%;而在东部,土壤主要以寒冻土、均腐土(Mollisols)和雏形土为主,分别占多年冻土区东部总面积的27%,26%和25%,这主要是因为高原西部气候极端寒冷干旱,而东部相对较为温暖湿润;同一种土壤在东西部的分布有海拔上的差异,也有母质等方面相同的地方.多年冻土的存在也影响了土壤的分布规律,使得干旱土在西部分布在较低的海拔,而在东部却又分布在较高的海拔.从整个多年冻土区来看,青藏高原多年冻土区东部土壤发育要优于西部,土壤类型更多,且各土壤类型所占比例也更趋于均衡.     

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.     

水泥稳定碎石路面基层裂缝成因及防治措施

文章从公路水泥稳定碎石的施工实践出发,介绍了水泥稳定碎石路面基层裂缝的类型,并对裂缝形成的原因进行了全面的分析,提出了水泥稳定碎石裂缝如何进行防治的措施.为水泥稳定碎石路面基层的规模化施工提供了指导依据.     

江河源区典型多年冻土和季节冻土区水热过程对植被盖度的响应

基于青藏高原江河源区典型多年冻土和季节冻土区建立的不同植被盖度下7个地温和水分观测场, 对多年冻土活动层和季节冻土土壤温度和水分对植被盖度的响应分为4个阶段进行分析和对比研究. 结果表明: 随着植被盖度的降低, 多年冻土活动层冻结深度积分减少, 而季节冻土冻结深度积分增加; 多年冻土冻结期负值等温线和未冻结期正值等温线的最大侵入深度和持续时间随着植被盖度降低明显增加; 多年冻土活动层20~60 cm的土壤含水量随着植被盖度降低而减少, 而60~80 cm的土壤含水量反而增加, 季节冻土土壤剖面0~120 cm的水分含量随着植被盖度的降低而减少. 植被盖度的变化改变了冻土水热过程, 且多年冻土和季节冻土对植被盖度的响应不一致.     

地球磁层内近地磁尾流场的分布特性:探测一号卫星的观测结果

TC-1卫星的观测清晰表明近地磁尾流场的流速随地心距离变化. 其中尾向流的流速随地心距离的增加而逐渐增强, 并且有从晨昏两侧向夜侧运动的趋势; 地向对流的流速随地心距离的下降而逐渐下降, 并且有自夜侧向晨昏两侧运动的趋势. 尾向流和地向对流在不同等离子体区域的分布有明显不同: 在低纬瓣区以尾向流为主; 在等离子体片边界层尾向流和对流都较强; 在等离子体片内以地向流为主. 近地磁尾流场的一个重要特征是尾向流和地向流在11 R_E附近形成了一个明显的强流分布区域, 在此区域地向流和尾向流的流速都较强. 强流分布区域的位置和亚暴膨胀相触发区域的位置一致, 可能对亚暴膨胀相的触发有重要的影响. 另外TC-1卫星的观测显示来自中磁尾的BBF和对流有明显区别. BBF基本上分布在9 R_E以外, 且主要发生在|Z|<3 R_E区域.     

1969～2010年青藏高原北麓河盆地热喀斯特湖塘演化过程

<正>青藏高原多年冻土在过去40~50年中经历了显著的退化过程,热喀斯特湖作为冻土退化最直观的表现,其发生和发展直接影响区域水量平衡及生态环境.此外,热喀斯特湖塘在形成过程中还会释放存储于多年冻土层中的碳,影响区域碳循环.因此,青藏高原热喀斯特湖数量和面积演化过程研究对区域水资源、地球化学循环以及气候变化评估具有重要的意义.本文利用青藏高原北麓河盆地1969年的航片资料以及2003和2010年的SPOT-5     

高速公路排水与防护设计

对高速公路排水系统中的路基排水、路面排水及中央分隔带排水分别作了技术介绍,并对路堤边坡防护的情况作了具体分析.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

混合对流的流动与传热特性

混合对流在工程应用中大量存在,有重要研究价值。前人局限于自然对流、混合对流、强迫对流流动区域的划分和整理对流换热准则关系。本文以混合对流流动与传热相似为目标,从控制方程出发,导出了描述混合对流的特征参数,阐述了混合对流特性,介绍了其在模型实验中的应用。     

中国大地形东侧霾空间分布“避风港”效应及其“气候调节”影响下的年代际变异

研究发现中国区域霾日空间分布的大地形影响与季节特征显著,在西风带背景下高原大地形东侧背风坡可构成"避风港"效应,其可能是中国东部区域霾日高频区域性分布重要的影响因素之一;中国区域冬季为霾日高频时段,春、夏、秋季大部分区域为霾日数低频区,但近10年大气污染物排放持续加剧,中国东部霾高发时段由冬季延伸至春、秋、夏季,其呈现出大气环境恶化的"强信号"特征.虽然中国区域霾日数年际变化趋势主要依赖于污染源排放程度,值得注意的是虽然20世纪80,90年代中国区域CO2排放强度加大,但中国东部霾日频数年际变化却表现出波动型相对"平稳"缓升特征,此阶段中国东部对流层中下层出现了大气温度距平垂直结构"上冷下暖"的"不稳定"状态,其有利于中国东部大气扩散或对流;而近10年阶段中国东部出现霾天气与大气污染排放同步加剧异常变化,2001~2012年期间中国东部对流层中下层则呈"上暖下冷"类似"逆温盖",即大气温度距平垂直结构出现年代际"逆转"趋势,此大气温度垂直结构年代际特征可能加剧了大气污染排放的环境影响效应,引发了中国东部大范围霾天气变异现象.     

干旱区夏季晴空期超厚对流边界层发展的能量机制

在全球干旱区,因其特殊的气候环境背景,夏季晴天常常会出现其他地区少见的超厚对流大气边界层(superthick convective boundary layer, SCBL),这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义,但目前对这种超厚对流边界层发展机制理解十分有限.这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进,也限制了超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识.通过选取我国西北干旱区敦煌荒漠戈壁为代表性研究区,利用以往在该区域开展的陆-气相互作用观测试验资料及长期业务探空观测资料,从大气边界层发展的能量机制出发,对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行分析.分析表明:从日际尺度看在持续晴空期即使在白天地表感热通量日积分值不变甚至减弱的情况下,大气对流边界层(convective boundary layer, CBL)的日最大厚度仍然表现为逐日持续增高的特点,且地表感热提供的能量无法平衡对流边界层发展所需要吸收的能量.主要原因是深厚的近中性残余层(residual layer, RL)在对流边界层发展过程中发挥了重要作用,通过夹卷过程从残余层进入对流边界层的夹卷能量是对流边界层逐日持续发展的关键能量补充.在夏季连续晴空期,对流边界层与残余层之间会形成逐日循环增长机制,使干旱区夏季发展出超厚对流大气边界层.     

双向土工格栅在客运专线路基填筑中的应用

文章以胶济客运专线DkK230 784.3～DkK235 993.3段双向土工格栅加固路基为例,具体介绍了路堤边坡土工格栅防护加固机理、施工工艺和质量控制措施等.     

沙漠化对青藏高原冻土地温影响的新发现及意义

青藏高原上发育着世界上独一无二的沙漠和冻土,然而,沙漠化对冻土地温产生的影响目前仍不清楚.近年来,随着青藏高原沙漠化的发展,这个问题愈加令人担忧.为此,作者在青藏高原红梁河建立观测实验场,利用热敏电阻地温探头,通过野外同步对比观测方法,于2010年5月～2011年4月对不同厚度沙层下的冻土地温进行了1个完整年的观测研究.发现沙层对下伏多年冻土有保护作用,表现为厚沙层下地温在多年冻土上限附近以下深度全年均低于天然地表,降温幅度大约稳定在0.2℃,夏半年5～9月最大处降温分别达3.40,3.72,4.85,3.16和1.88℃;薄沙层下地温在上限附近全年都低于相应的天然地表,最大处降温幅度全年平均达0.71℃.其初步结论不仅对探索青藏高原沙漠与冻土之间的关系具有科学意义,而且为青藏高原工程建设地区的冻土保护提供了一种新思路.     

北京一次典型灾害性雹暴、大风的形成过程与云物理特征

利用MM5中尺度模式和强风暴模式对北京2003年8月23日晚发生的一次强雷暴、大风天气的形成过程与云物理结构特征进行了分析研究.研究结果表明,北京地区特有的地形、冷暖气流分布特征对强灾害性风暴的发生、发展和维持具有非常显著的作用.西风气流经过地势较高的地区时,由于受太阳辐射加热和地形抬升的共同作用,易形成对流单体,在随高空气流向地势较低的城区移动过程中,暖湿空气从云体前方进入云体,对流得到显著加强,在云的中上部形成大量的霰/雹粒子.降水主要是由于霰/雹粒子通过融化层融化形成的.强下沉气流主要是由霰/冰雹的拖曳、融化以及雨水的蒸发冷却过程形成的负浮力效应产生的,这种强下沉气流在地面辐散导致地面瞬时局地灾害性大风.同时,强辐散出流也迫使暖湿气流更大程度地抬升而形成新的云系,使强风暴系统得到进一步发展和维持.