地理学

中国冻土对气候变化的脆弱性

杨建平，杨岁桥，李曼，等

摘要：目的：气候持续变暖，冻土显著退化，如何应对与适应冻土变化的影响，是当前和今后一段时间区域生态环境建设与社会经济可持续发展面临的重要问题之一。本文以中国冻土为研究对象，通过构建冻土脆弱性评价指标体系，采用空间主成分方法建立评价模型，综合评价冻土对气候变化的脆弱性水平，揭示其脆弱程度与空间分布格局，为各级政府部门科学应对冻土变化及其影响提供科学依据。方法：在科学性与实际相结合的原则、全面性与主导性原则、可操作性原则的指导下，以暴露度、敏感性与适应能力为标准，用坡度、坡向、海拔高度、地形遮蔽度、气温和降水量变化趋势刻画冻土的地形和气候暴露，0 cm 地温和冻结深度变化趋势反映冻土对气候变化的敏感程度，用冻土类型反映冻土的自适应能力，构建了我国冻土脆弱性评价体系。使用GIS 工具，以1 km×1 km 的DEM 数据为基础，提取坡度、坡向和海拔高度，计算地形遮蔽度与研究区各站点气温、降水量、0 cm 地温和冻结深度变化趋势，运用克里格方法（Kriging）对其进行空间插值，得到气温、降水量、0 cm 地温和冻结深度变化趋势的空间插值数据。基于高海拔与高纬度多年冻土的分布特点，文中对青藏高原多年冻土采用分带方案，使用年平均地温作为分带依据，年平均地温指示的不同稳定型代表多年冻土的类型；对东北多年冻土采用连续性分带方案，以连续系数作为分带依据，不同连续系数反映不同冻土类型。采用极差标准化对原始数据进行标准化处理，以消除各原始变量的量纲差异。冻土脆弱性评价使用了空间主成分分析法，该方法是主成分分析法在空间化数据中的一种应用，除具有主成分分析法的所有功能之外，它还可处理空间数据，且评价结果比较客观。为降低主观人为影响，采用自然分类法将评价结果分为5 级：潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱与极强度脆弱。结果：就脆弱 程 度而言，78.29%的冻土区存在不同程度的脆弱性，其中，中度脆弱型所占研究区总面积的比例最大，约为29.0%；其次为轻度脆弱型，为21.27%；强度脆弱型占16.21%；极强度脆弱型占12.82%。空间分布上，冻土脆弱性具有显著的空间差异性。总体上呈现青藏高原、西部高山、东北北部多年冻土区脆弱性相对较高，季节冻土区相对较低的分布规律。青藏高原多年冻土对气候变化尤为脆弱，不仅脆弱度高，以强度和极强度脆弱为主，而且分布连续；西部高山与东北多年冻土对气候变化较脆弱，除极强度脆弱型之外，各种脆弱型均有分布。季节冻土对气候变化的脆弱性较差，主要以潜在和轻度脆弱为主，只有局部地区分布中度脆弱类型。就影响因素而言，在1961—2007年气候变化水平下，冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力，而气温和降水量变化对冻土脆弱性的影响较小。结论：冻土是冰冻圈的重要组成部分，其变化对生态、水文、气候以及工程稳定性有重要影响，探讨冻土对气候变化的脆弱性是适应冻土变化诸种影响的前提和基础。通过评价冻土对气候变化的脆弱性，明晰了中国冻土总体上以中度脆弱为主。相较季节冻土，多年冻土对气候变化更脆弱；冻土脆弱性空间差异显著，青藏高原南部、北部与东北部边缘地区脆弱程度相对最高，藏北高原、西部高山、东北北部多年冻土区脆弱性相对较高，季节冻土区相对较低。在当前升温幅度条件下，冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力。

来源出版物：冰川冻土,2013,35(6): 1436-1445

入选年份：2017

土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望

张莲海，马巍，杨成松，等

摘要：目的：随着我国经济的快速发展以及“一带一路”战略的实施，在寒区工程构筑物的建立越来越频繁，主要包括铁路、公路、输电线路和石油管道等。大量工程项目在寒区的建立使得土体冻结以及融化过程中的变形过程研究变的尤为重要。而冻胀和融沉变形是寒区工程建设两个最主要的病害，给工程建设及运营带来极大了的危害，是科研人员及工程建设者亟待需要解决的重大问题。方法：近年来，随着实验技术的发展，各种先进的探头及仪器设备被开发应用于冻结及融化过程的室内或者场地试验研究，以期揭示其内部的微结构特征及其热力学机理。本文参阅前人大量的研究成果，系统地总结和分析了土在冻结及融化过程中的现象、机理、试验条件以及数值模拟等工作，将对土体冻结及融化过程认识及研究的进一步深化有着至关重要的作用。结果：土体在冻结及融化过程中产生各种各样的现象，比如：水分迁移、冰水共存、冰分凝和固结等。这些现象大都产生在冻结缘区域，而且涉及到土体冻结及融化过程中冰水相变、冰分凝和水分迁移等关键机制的研究。因此，目前涉及冰水相变、水分迁移和冰分凝等机制的冻结缘特征及过程方面的研究已成为解决冻胀及融沉病害的重点及难点。研究指出：以前关于土体中的冰水相变是建立在热力学相平衡理论的基础上，基于相平衡理论的广义克拉伯龙方程目前受到了广泛的质疑，要验证其适用性，需要测定土体冻融过程中的孔隙水压力以及冰压力。土体冻结及融化过程中的水分迁移理论主要包括毛细理论、薄膜理论以及热分子力理论等，无论哪种理论均需要测试和确定其水分迁移驱动力，即明确冻土土水势以及其各分量的大小和关系。而冰分凝研究包括分凝冰的形成以及生长两个方面，其依赖于土体冻结及融化过程中的孔隙水压力、冰压力以及有效应力的分布以及作用机制。此外，冻结缘过程是建立在热力学基础上关于水分场、应力场及温度场的三场耦合过程，其数值模拟正处于由水-热耦合到水-热-力耦合的演化阶段。因而，冻结缘宏微观特征参数以及内变量的测试和确定则是理论探索和数值模拟的关键。结论：关于土在冻结及融化过程中的研究正从宏观走向细微观、由现象研究走向机理性研究。冻结缘的细微观结构及特征参数的研究逐渐成为了研究的关键内容。随着科技的发展，大量新型的仪器设备及探头被设计开发并应用于冻土研究，但是还有一些关键性的测试技术有待研究。比如：细微观观测、孔隙水压力的测试，冰压力的测试，内应力的测试等技术。这些参数的测试工作将对理论研究和数值模拟起到巨大的促进作用，将成为未来一段时间研究的重点难点。

来源出版物：冰川冻土,2013,35(6): 1505-1518

入选年份：2017

未来50 a 中国地区冻土面积分布变化

王澄海，靳双龙，施红霞

摘要：目的：近年来，冰冻圈中冻土的变化引起了人们的广泛关注。如何确定冻土在空间上的未来变化具有较大的不确定性。本文基于 CMIP3 的模拟结果，利用Kudryavtsev 方法预估了青藏高原地区冻土未来的可能变化。方法：为了消除GCM 的模拟不确定性，首先检验了CMIP3 中不同模式在中国地区温度的模拟效果，选取模拟效果相对较好的HadCM3、EACHE5 模式。通过温度分区参数化方法对Kudryavtsev 方法在进行了修正，即将任一地点的温度分解为由地形和高度等地理位置决定的气候平均态温度（用1961—2000年全国720 个气象站的观测资料确定）以及随大气环流或天气气候变化的年际尺度温度（由模式格点资料的距平确定）两部分组成。定义多年平均1月份的0℃为冰冻圈的范围。将数字化的土壤和植被资料引入计算过程，对未来50 a中国地区在A2 情景下的冻土在空间上的可能变化趋势进行了模拟计算，借助ArcGIS 给出了时空分布图。通过和观测站点的结果对比，验证了该方法的和理性和可靠性。结果：在全球变暖的背景下，1961—2006年间青藏高原和东北地区的温度呈现出增加的趋势，尤其是青藏高原年最低温度的增加的速度明显快于年平均温度增加的速度。在A2 气候情境下，到2020年，青藏高原地区的多年冻土面积为128.81×104km2，较2006年减少7%，2050年多年冻土的面积为123.56×104km2，较2006年减少10.7%。比较2050年与2006年的多年冻土的空间变化可以发现，未来青藏高原地区多年冻土发生变化的区域主要在多年冻土的南北边缘地区，高原中东部地区海拔在3500 m 左右的高山和河谷地区；多年冻土的南北边界都有向内部退化的现象，这里是人类活动影响相对较大的地区，而东北地区的多年冻土主要表现为南界的北移。总体而言，在A2 情景下，青藏高原地区的多年冻土在未来20年间减少约4%～6.7%；未来50年持续减少约为16.2%～39.6%之间，多年冻土面积将再减少至50年平均值以下。50年后多年冻土面积减少显著主要是因为冻土达到消融临界点的过程是反复和 缓慢的，而在临界点以上的消融过程则较快导致的。结论：未来50年，青藏高原地区的多年冻土不管在何种气候情景下，都呈现出退化趋势。较2006年而言，在A2 情景下，2020年青藏高原地区的多年冻土平均减少约5.4%，2050年青藏高原地区的多年冻土平均减少约36%。青藏高原冻土的在巴颜喀拉山唐古拉山之间，冈底斯山地区退化显著。中国地区的多年冻土总体呈现出退化趋势，尽管目前的气候模式对未来的预测结果具有较大的不确定性，但总体而言，由于我们选择的模式对过去的模拟无较大的系统误差，对过去的模拟较为合理，因此具有较高的可信度。

来源出版物：冰川冻土,2014,36(4): 1-8

入选年份：2017

黄河源区高寒植被主要特征初探

林琳，金会军，罗栋梁，等

摘要：目的：黄河源区位于青藏高原东北部多年冻土与季节冻土交错带，平均海拔4000 m 以上、黄河源区是青藏高原冻融自然保护区的核心部位、并且黄河源区是我国生态建设规划与青海生态环境建设规划8 个类型重点治理区的青南高寒草地重点治理区，其高寒生态环境及变化一直备受关注、方法：我们在黄河源区布设了4个场地：查拉坪（CLP，源区南部连续低温多年冻土区）；扎陵湖南岸（ZLH，源区中南部岛状多年冻土区）；麻多乡（MDX，源区西部的不连续多年冻土区）；鄂陵湖北岸（ELH，源区中北部季节冻土区）、样方调查时间是2011年7—9月，是高原植物的生长季、采取典型取样法，在活动层监测场地周围选取有代表性的群落进行调查，样方大小为1 m×1 m、调查样方内所有植物，记录种类、高度及分盖度以获得物种多样性和盖度数据、地上生物量采用收割法，在每个1 m×1 m 的植被样方中随机选取1 个0.5 m×0.5 m 的小样方、将地上植物贴地割下，装入信封中、将样品置于烘箱，75℃恒温烘干至恒重并称重、结合植被调查和场地监测，分析了源区各冻土区植被的差异、结果：黄河源区共设了4 个研究站点，其群落和生境特征如下。（1）查拉坪为连续多年冻土区，植被类型为高寒沼泽草甸、研究区内植被盖度高，平均在70%以上、优势种为藏蒿草（K.tibetica），主要伴生种为苔草（Carex spp.）、马先蒿（Pedicularis spp.）、高山凤毛菊 [Saussurea alpina（Linn.）DC.]。 （2）扎陵湖南岸位于岛状多年冻土区、共设置3 个样 地：ZLH-1 位于草原化草甸；ZLH-2 位于高寒草甸退 化形成的黑土滩（后简称黑土滩）；ZLH-3 位于沼泽草甸。（3）麻多乡场地位于不连续多年冻土区，植被类型为沼泽化草甸、共设置3 个样地：MDX-1 为高寒沼泽草甸；MDX-2 为沼泽草甸、草原化草甸和稀疏草甸镶嵌分布；MDX-3 为高寒沼泽草甸和草原化草甸镶嵌分布。（4）鄂陵湖场地位于季节冻土区，植被类型为高寒草 原、地表较为干燥，整体盖度较高、但出现蒿（Artemisia）等指示群落退化的植被、ELH-2 为金露梅（Potentilla fruticosa Linn.）高山灌丛。在植被盖度方面：查拉坪＞麻多乡＞鄂陵湖北岸＞扎陵湖南岸、扎陵湖南岸分别与查拉坪和麻多乡的盖度差异显著，与鄂陵湖北岸的盖度差异不显著、各个冻土区的物种丰富度以扎陵湖南岸最高，标准差也是扎陵湖最大，而且扎陵湖南岸＞查拉坪＞麻多乡＞鄂陵湖北岸、4 个场地的丰富度在统计上无显著差异。香农威纳多样性指数和辛普森多样性指数均表现为：查拉坪＞扎陵湖南岸＞麻多乡＞鄂陵湖北岸，4 个场地的多样性指数无显著差异。均匀度指数反映一个群落或生境中全部物种的分配状况，在均匀度指数上，各场地差别不大，均表现为微弱差异均匀度指数EH表现为扎陵湖南岸＞查拉坪＞鄂陵湖北岸＞麻多乡。均匀度指数ED 表现为扎陵湖南岸＞查拉坪＞麻多乡＞鄂陵湖北岸。地上生物量方面：4 个冻土区的地上生物量表现为查拉坪＞麻多乡＞扎陵湖南岸＞鄂陵湖北岸，4个场地中查拉坪的标准差最小，体现了沼泽草甸的均质性及其在生物生产力上的稳定性。结论：在植被盖度、多样性指数高方面：连续多年冻土区＞不连续多年冻土区＞季节冻土区、总体上低温多年冻土区植被盖度、多样性指数高、岛状多年冻土区（扎陵湖南岸）的平均盖度最低，多样性指数介于查拉坪和麻多乡之间，局部植被退化较严重。均匀度指数均表现为扎陵湖南岸最高，查拉坪次之。地上生物量调查结果显示：查拉坪＞麻多乡＞扎陵湖南岸＞鄂陵湖北岸，且鄂陵湖北岸出现指示植被退化的物种。以上各冻土区植物群落特征显示：连续和不连续多年冻土区场地的植被生长更好，但局部也存在严重的植被退化；岛状多年冻土区和季节冻土区的植被盖度，生物量等指标普遍低于高海拔地区且出现区域性植被退化演变。

来源出版物：冰川冻土,2014,36(1): 230-236

入选年份：2017

IPCC 第一工作组第五次评估报告对全球气候变化认知的最新科学

沈永平，王国亚

摘要：目的：2013年9月27日，在瑞典首都斯德哥尔摩，联合国政府间气候变化专门委员会第一工作组第5次评估报告（IPCC WGI AR5）《Climate Change 2013：The Physical Science Basis》决策者摘要（Summary for Policymakers，SPM）发布，随后于9月30日发布了报告全文。AR5 报告对2007年以来的气候变化研究新进展进行了全新的评估，为新一轮国际气候变化政策和行动提供新的科学支持。方法：IPCC 本身并不进行气候变化的科学研究，也不从事气候相关数据的监测工作，而只是对全世界范围内经过仔细审议和已出版的有关气候变化的科研文献和技术资料进行评估并归结成评估报告予以发布，将人类有关气候变化的“现有知识”进行总结。结果：全球变暖的事实非常明确，自1950年以来，气候系统观测到的许多变化是过去几十年甚至近千年以来史无前例的。全球几乎所有地区都经历了升温过程，变暖体现在地球表面气温和海洋温度的上升、海平面的上升、格陵兰和南极冰盖消融和冰川退缩、极端气候事件频率的增加等方面。结论：IPCC 第一工作组发布的第5次评估报告《气候变化2013：自然科学基础》是由几百名科学家历时3年完成的，其他工作组关于影响、减缓的部分和综合报告也将于明年发布。IPCC 本次报告给出数据说明，气候变暖的事实更为确凿。此次评估报告对整个气候系统进行了更客观科学的分析，和以往相比，现在使用的观测资料在质量和数量上都有了明显的提高，可以更全面、多角度、多样化的描述科学事实。同时，在气候模式方面，考虑了更多影响因子，加入了碳循环和动态植被等过程，对人类活动的认识有了更深入的认识。IPCC 报告在推动各国政府通过并实施《联合国气候变化框架公约》的过程中发挥了重要作用。

来源出版物：冰川冻土,2013,35(5): 1068-1076

入选年份：2017