1961-2020年三江源地区季节性冻土冻融特征分析

基于1961-2020年三江源地区21个气象观测站点逐日冻土深度、平均气温和降水资料,利用数理统计方法分析了季节性冻土冻结初始日、融化终止日、最大冻结深度的时空分布特征及其与气温、降水的关系。结果表明：1961-2020年,三江源地区季节性冻土平均冻结初始日始于9月下旬至10月下旬,融化终止日多出现在4-5月。近60年来,三江源地区季节性冻土冻结初始日（融化终止日）显著推迟（提前）,尤其是20世纪90年代以来,推迟（提前）尤为明显。三江源地区季节性冻土年最大冻结深度呈显著减小趋势,进入21世纪后,尤其是近10年来最大冻结深度减小明显。在空间分布上,冻结初始日、融化终止日、年最大冻结深度的分布主要受海拔的影响,冻结初始日（融化终止日）由高海拔向低海拔逐渐推迟（提前）,年最大冻结深度也由高海拔向低海拔逐渐变浅。近60年来,三江源气候暖湿化导致季节性冻土封冻时间缩短、年最大冻结深度变浅。冻结初始日与10月气温、降水的正相关最高,融化终止日与气温和降水的负相关性在4月达最大,年最大冻结深度与1月气温和上一年8月降水呈显著负相关性。     

青藏高原近地表土壤冻融状况的时空变化特征

利用青藏高原(下称高原)87个气象台站的日最低地表温度和气温资料,通过线性回归和相关分析法,分析高原1980-2015年近地表土壤冻融状况变化趋势及其与气温、海拔和纬度的相关性。利用M ann-Kendall检验对其进行突变分析,并探讨其空间变化特征。结果表明:近36年,高原近地表土壤冻融状况发生显著变化。冻结起始时间推迟约26天,其变化速率为0.72 d·a~(-1),冻结结束时间提前约14天,速率为0.40 d·a~(-1);冻结持续时间和冻结天数分别缩短约41天和33天,其变化速率分别为1.13 d·a~(-1)和0.93 d·a~(-1)。高原冻融状况变化整体表现一致,局部地区略有差异。高原中东部地区冻结起始时间较早,结束时间较晚;而在东南部地区则存在相反的变化特征,这是由于该地区海拔较低,且全年土壤温度较高导致。就冻融状况变化速率而言,东部地区变化最快,西部适中,变化较慢的站点零星分布在中部和南部地区。气温对近地表土壤冻融状况有重要影响,但气温对土壤冻融循环存在一定的滞后作用。此外,高原近地表土壤冻融状况与海拔呈极显著相关,随海拔的降低,冻结起始推迟,冻结结束时间提前,冻结持续时间和冻结天数显著减少。     

高寒地区冻土活动层变化特征分析

利用1960-2010年黑龙江省83个气象站的冻土和0 cm地温资料,采用线性回归和多项式回归方法,分析了黑龙江省冻土活动层的时空变化特征,揭示了黑龙江省五个典型气候区域最大冻土深度的变化趋势与特征,讨论了黑龙江省冻土活动层的影响因子。结果表明：黑龙江省冻土活动层冻结开始于9月份,至冬季3月份冻土深度达到最大值,8月份时冻土厚度接近于0 cm。由北向南,最大冻土深度逐渐变小,冻结开始时间逐渐推迟,融化结束时间逐渐提前。黑龙江省最大冻土深度均呈显著减小趋势,存在明显的退化趋势。从年代际变化上看,20世纪90年代前黑龙江省最大冻土深度变化不大,最大冻土深度较深,90年代后最大冻土深度呈显著减小趋势。高纬度地区地温低,在同等条件下冻土深度较低纬度地区大。     

青藏高原1977—2006年土壤热状况研究

浅层土壤温度的变化可以指示活动层厚度变化。利用青藏高原及毗邻地区74个站1977—2006年近30年的土壤温度资料,研究了青藏高原及毗邻地区土壤热状况。结果表明,自1977年的近30年来,5 cm土壤负积温绝对值有减小的趋势,在高原的不同区域减小的幅度不同,对整个研究区域而言,负积温绝对值每10年降低了35℃;近30年来研究区内土壤的最大冻结深度呈现减薄的趋势;冻结期间（冷季）高原腹地负积温变化幅度要比边缘地区大,而在一个完整的冻融循环过程中,高原腹地相对于边缘地区稳定;近30年来高原地区冻融强度（FTI）呈现增大的趋势,这在某种程度上表明高原多年冻土区冻土的稳定性发生了变化;纬度及海拔对FTI值的影响较大,当海拔低于4000 m时,33°N南北两区域FTI值随海拔升高的减小率不同,南部减小的量是北部的2.5倍,海拔高于4000 m时,FTI值受纬度影响相对减弱。     

近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征

在对中国冻土气象观测资料整理和分析的基础上, 研究了中国冻土分布的时空演变规律。主要分析了中国冻土分布的季节变化、冻土深度的空间变化, 以及冻结日期、解冻日期、冻结时间长度的空间分布特征, 同时也分析了以上各要素的时间变化特征。结果表明: 中国冻土分布广泛, 在我国东部的长江以北地区、西北地区及青藏高原地区均有分布; 其中季节性冻土具有显著的年内变化特征, 冻结一般从秋季开始, 冬末春初冻结的面积和深度达到最大, 春季逐渐开始融化, 夏季冻结的面积和厚度达到最小; 冻土的冻结过程和融化过程表现出各自不同的特征, 整个中国地区冻土的融化过程所持续的时间比冻结持续的时间长, 也更为复杂, 这与地形及土壤特性有着密切的关系; 近几十年来, 在全球变暖背景下, 中国冻土主要表现为最大冻土深度减小, 冻结日期推迟, 融化日期提前, 冻结持续期缩短, 以及冻土下界上升的总体退化趋势, 冻土的主要转型时期发生在20世纪80年代中期。     

石家庄冻土变化特征与气候因子的关系分析

探讨石家庄冻土变化特征与气候因子的关系,以期作好土壤冻融预测.利用石家庄地区5个观测站1981—2010年逐日地温、降水量、蒸发量和冻土观测数据,采用线性趋势、完全相关系数和多元回归方法,分析讨论了该地区冻土变化特征与地温、降水量、蒸发量的变化关系.结果表明:石家庄地区土壤表面始冻期呈现明显推迟趋势,土壤表面解冻期呈现明显提前趋势,其中,中部地区始冻期推迟,解冻期提前趋势最为明显;11—12月平均地面最低温度与土壤表面始冻期正相关明显,2—3月平均地面最低温度与土壤表面解冻期负相关明显;秋季降水量和蒸发量对土壤表面始冻期推迟,冬季降水量和蒸发量对土壤表面解冻期提前影响较小.     

三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望

三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系,并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候,加快或减缓气候变化,源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应,在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下：三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等,植被生长季较短。近几十年来,在全球变化影响下,源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高;多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加;多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前,黄枯期推迟,生长季延长的特征;同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态,土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响;同时位于冻土上层的植被,又通过植被特征和生态系统的变化,影响土壤温度、湿度,反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面,在陆-气相互作用...     

大同市冻土气候变化初探

利用大同市所辖8个站1962—2012年地面气象观测记录中的冻土资料,采用线性倾向估计、累积距平等方法,分析大同市土壤开始冻结期、完全解冻期、冻结期及最大冻土深度的变化特征及其影响因素。结果发现：51年中大同市冻土主要表现为最大冻土深度减小, 开始冻结期推迟,解冻期提前, 冻结持续期缩短的总体变化趋势,冻土除了受气温的影响外,局地因素对最大冻土深度的影响较大。     

一种浙江省冻雨落区的推算方法

2008年初浙江省出现全省性的大范围强冻雨天气,在输电线路上形成很厚的覆冰,致使浙江电网遭受巨大的损失。然而,浙江省却仅有三分之一的气象站观测到冻雨,持续时间也很短。本文利用全球再分析资料ERA-Interim结合浙江电网覆冰灾情资料,分析了2008和2013年的两次强冻雨过程。研究表明浙江省强冻雨发生时具备冷暖冷的层结结构,且中间暖层气温0℃,但相比湖南省,浙江省的暖层中心气温稍低,下层冷层厚度略厚,暖层中的液态水进人到下层冷层后易被冻结,落到低海拔地面为冰粒,或者低海拔地面层气温高于0℃,冻雨落到地面为降雨,所以冻雨期间浙江省绝大多数气象站(海拔在200 m以下)观测不到雨凇,观测到的多是冰粒或降雨;而在海拔较高的山区,冷层厚度变薄,液态水被冻结的概率大大降低,而且山区地面气温多低于0℃,有利于冻雨落在山区地面形成雨凇,因此浙江省冻雨多出现在浙中海拔400 m以上和浙南海拔600 m以上的山区。根据浙江省冻雨的特点,采用全球再分析资料进行冻雨落区推算,结果与浙江电网实际的覆冰灾情吻合得较好。本研究利用输电线路覆冰厚度确定冻雨强弱和分布,采用再分析资料推算冻雨落区,为地形起伏度较大的省份开展冻雨研究,进行冻雨监测和预报提供一条新的思路。     

新疆乌兰乌苏物候变化规律及其对气候变化的响应

分析新疆乌兰乌苏农业气象试验站1980—2002年物候与相应气候因子资料,得出乌兰乌苏23a来气温增高,降水增多,气候增暖增湿;候鸟停留时间增长,与积温、日照时数和降水量的年变化趋势一致,除降水外,其他均存在显著正相关关系;木本植物生育期延长,与4—10月平均气温、平均相对湿度、总日照时数和总降水量趋势一致;初霜和终霜均推迟,无霜期缩短;初雪和初次积雪提前,终雪推迟,冬季雪日增长;积雪开始融化提前,完全融化推迟,融化时间增长;土壤表面开始解冻日期趋势提前,而土壤表面开始冻结日期趋势推迟。另外,通过物候与气象因子建立的最优回归方程,获得物候对气候响应的定量关系,为生态环境研究提供一定的理论依据。     

青藏高原多年冻土区典型下垫面冻融过程作用分析

利用青藏高原腹地安多站土壤观测资料,根据10cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,并结合感热通量、积雪深度、相对湿度和降水资料定性的探讨了冻融过程对地气热量、水分交换的影响。结果表明:各层土壤在东亚季风爆发前期由上至下完成融化过程,10月中旬～12月上旬完成冻结过程,融化期普遍长于冻结期。土壤湿度大值区在时间上集中在高原雨季,空间上10cm深度以上为湿度大值区,而且上层土壤的温度梯度要明显大于下层。在融化阶段整层土壤的温度长期保持0℃的等温相变现象,此时,表层土壤温度日变化幅度为全年最大,最高日变幅达22.5℃。安多站地面除12月个别天数和1月上旬是冷源外,全年为地面热源,近地面感热通量从1月开始增大,到6月上旬达到峰值,之后逐渐减小。同时,感热通量的变化对相对湿度、降水和积雪的变化较为敏感。      

多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性分析

由于不同区域蒸散发对气候变化的敏感性各不相同,为摸清多年冻土活动层陆面过程中冻土-气候变化-水文循环之间的相互关系,选择青藏高原风火山区域的典型多年冻土区,依据气象站观测资料,应用Penman-Monteith公式计算了典型多年冻土区土壤蒸散发和蒸散发气候敏感系数,分析了多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性。结果表明:多年冻土区土壤蒸散量对相对湿度的敏感性最高(-1. 291),其次为风速(0. 658),对空气温度的敏感性最低(0. 248);土壤完全融化的植被生长期,蒸散发对各气象因子的敏感性最高,土壤完全冻结的植被枯萎期,蒸散发对各气象因子的敏感性都最低;年内尺度,蒸散发对气温、相对湿度和风速的敏感性均在8月最高,在1月或12月最低;蒸散发对气温和相对湿度的敏感性变化与植物生长变化过程高度一致,而蒸散发对风速的敏感性则较为复杂,与土壤的冻融过程相关,分别在土壤逐渐融化的植物生长前期和土壤完全融化的植物生长期敏感性较高。     

CMIP6 BCC等模式对青藏高原土壤冻融模拟性能分析

利用CMIP6 模式模拟的多层土壤温度资料,结合鄂陵湖草地站土壤观测资料和欧洲中心ERA5再分析资料,评估了BCC陆面过程模式对青藏高原土壤冻融过程的模拟能力。结果表明:BCC-CSM2-MR对青藏高原冻融总天数,特别是对于消融过程阶段的模拟接近观测值,但其完全冻结阶段和消融过程阶段的日期都有所推迟,可能与陆面模式物理参数化过程不完善导致土壤温度下降更慢有关。BCC-CSM2-MR 对青藏高原土壤冻结时段前期的冻土深度变化曲线模拟效果最佳,但由于网格分辨率低且对地形刻画不准确,BCC-CSM2-MR 不能模拟出青藏高原西南部相间分布的冻土深度特征。BCC-CSM2-MR 可以模拟青藏高原土壤温度在 1985~2014 年的升高趋势。对于气候倾向率空间分布,BCC-CSM2-MR模拟结果相较于集合平均,在青藏高原东北部偏低而西部偏高,且不能模拟出北部存在的少量相对低值区域。      

1985—2020年呼伦贝尔市冻土气候变化特征

利用1985—2021年呼伦贝尔市15个国家气象站各层地温、第一冻土层下限、最大冻土深度资料,研究呼伦贝尔市冻土气候演变特征,同时采用重标极差（R/S）和非周期循环分析,统计最大冻土深度等气象要素时间序列的Hurst指数、分维数和非周期循环的平均循环长度,分析最大冻土深度等气象要素变化趋势和记忆周期。研究表明：（1）0cm地温、40cm平均地温、80cm平均地温都呈现出增大趋势,且0cm地温增大趋势最显著,特别是0cm地温最小值增大更加明显。（2）冻结持续日数呈缓慢减小趋势,其中中部偏北海拔超过600 m山区持续时间最长,西南部和东南部地区持续时间最短。（3）7月中旬冻土在北部地区开始,9月开始到10月下旬向西南和东南地区扩展,次年5月上旬至6月下旬自西南和东南地区向北部地区开始消失。（4）最大冻土深度呈现逐年减小趋势,突变年份出现在1988年,最大冻土深度在7－9月最浅,次年2－4月最深,10月－次年1月是最大冻土深度不断加深的过程,5－6月是最大冻土深度显著减小的时段,其中最大冻土深度最大值出现在西部偏南地区。（5）R/S和非周期循环分析表明,冻结持续日数和最大冻土深度未来减小趋势仍将持续,持续时间分别为10 a和8 a;0cm地温、40cm平均地温、80cm平均地温未来增大趋势仍将持续,持续时间都为12 a。     

1971~2013年我国四季开始日期及生长期长度的变化特征分析

利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国584个气象站点1971～2013年的逐日气温数据,采用线性倾向估计和经验模态分解（EMD）等方法,以地理信息系统为数据处理平台,分析我国43年来四季起始日以及生长期的变化特征。结果表明：新疆、云南和四川地区的四季起始日变化呈现明显的南北差异;全国大部分地区春、夏季起始日提前,春季比夏季提前趋势更明显,江苏、安徽、湖北大部和云南北部春季提前显著,提前率为4.1～7.2 d/10 a;夏季提前的区域更广,新疆东部、甘肃西部、华南大部和云南南部夏季提前显著,提前率为2.9～4.6 d/10 a;全国大部分地区秋、冬季起始日推迟,秋季比冬季推迟的范围更大,新疆南部和四川西部秋季推迟明显,推迟率为4.4～8.6 d/10 a;冬季推迟趋势更显著,新疆东南部和青海大部冬季推迟明显,推迟率为4.7～13.8 d/10 a;全国各地区生长期均有延长,最显著的是云川交界处和新疆东南部地区,延长率为20.1 d/10 a。EMD和线性倾向估计的结果基本一致,但EMD得到的春季起始日推迟地区的范围更大,夏、秋、冬季起始日以及生长期的变化趋势更显著。     

黄河源区若尔盖站冻融期土壤温、湿度的模拟与改进

利用陆面过程模式CLM3.5对黄河源区若尔盖站进行了一年的数值模拟试验,通过比较土壤温度、土壤含水量的观测值与模拟值,检验了该模式在黄河源季节性冻土地区的模拟能力。结果表明,模式对土壤温度的模拟,非冻结期较好,深层土壤温度稍偏高;冻结期模拟值偏低,冻结深度偏大。对土壤含水量的模拟,在冻融期出现了较大偏差,含水量骤降(冻结)、骤增(消融)的时间均较观测提前。模式土壤热传导参数化方案中的土壤基质热导率计算偏大是造成土壤温、湿度偏差的主要原因。将Johansen土壤基质热导率方案替换了原模式参数化方案后,模拟结果有一定的改进,土壤温度暖舌、冷舌的模拟深度显著减小,冻结期土壤温度模拟偏低的现象也得到了改进,土壤含水量骤降、骤增的时间与观测更为接近。     

青海高原不同海拔高度区小麦生长对气候变暖的响应

利用青海高原上两个不同海拔高度区农业气象观测站1980—2007年的观测资料,就低海拔地（民和）和高海拔地（诺木洪）的气候变化及其对春小麦生长发育和产量的影响差异进行研究。结果显示：28年来民和和诺木洪两站均存在变暖趋势,且高海拔地区的线性增暖幅度大于低海拔地区。春小麦对气候变暖的响应表现在低海拔地区播种期提前,成熟期基本没有变化,生育期延长,产量下降;高海拔地区播种期推迟,成熟期提前,生育期缩短,产量波动较大。春小麦生长期内日平均气温每升高1℃,高海拔地区春小麦生育期缩短11.7 d,而低海拔地区无显著变化。分蘖期是两地小麦生育时期变化的转折点,是环境与群体的“缓冲者”。     

青藏高原多年冻土区土壤冻融过程对地表能量通量的影响研究北大核心CSCD

利用国家重大科学研究计划项目"青藏高原沙漠化对全球变化的响应"北麓河站2014-2015年陆面过程观测资料,根据5 cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,分析了地表感热通量Hs、潜热通量LE、地表土壤热通量G_0和波文比在不同冻融阶段的季节和日变化特征,并探讨了土壤冻融过程对地表能量及其分配的影响。结果表明,波文比和G_0的季节变化受土壤冻融阶段转变的影响显著,其中土壤完全融化使波文比减小,G_0变为正值;土壤冻结使波文比增大,G_0变为负值。冻结过程对Hs和LE变化趋势的影响不明显,但是使波文比显著增大;融化过程使Hs停止增长并出现减小趋势,使LE增大,从而使波文比显著减小。Hs的日变化在不同冻融阶段差异较小。LE的日变化主要与浅层土壤含水量的大小和日变化有关,其中完全融化和完全冻结阶段土壤含水量的日变化较小,土壤含水量越大,LE越大;在融化过程和冻结过程阶段,土壤含水量的日变化较大,且与R_(net)的日变化相反,限制了LE的增长。在冻结过程阶段,受冻融过程的影响,G_0的日变化小于其他阶段。     

青藏高原高寒湿地冻融过程土壤温湿变化特征

青藏高原高寒湿地作为大江大河支流的发源地,其冻融过程对该地区及下游的生态系统和气候调节有重要意义。利用青藏高原腹地三江源区隆宝高寒湿地试验站的高时间分辨率土壤温湿数据,对冻融过程中土壤温湿的季节、日以及冻融转换期变化特征进行分析和探讨。结果表明:(1)高寒湿地土壤冻融过程中,土壤温度整体表现出夏高冬低的变化特征,冻结期5 cm、40 cm、20 cm、30 cm和10 cm地温依次增大,地温随深度变化存在一定的不规律性,而非冻结期则正好相反;土壤湿度在冻结期自上而下逐渐降低,融化期自上而下逐渐增加。(2)土壤表层5 cm和深层40 cm地温存在显著的日变化特征,表层较深层变化更显著,且夏季变化幅度最大;土壤含水率较稳定,除表层有一定波动,其他各层无明显日变化。(3)冻融转换期,土壤温度垂直分布存在显著的三层结构,10 cm和30 cm处与邻近层的温度差异是导致这种特殊分布的主要原因;随着深度的加深,土壤含水率冻结期(融化期)逐渐增加(减少),且深层比浅层的变化时间明显滞后。     

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。