中國凍土對氣候變化的脆弱性

楊建平，楊歲橋，李曼，等

摘要：目的：氣候持續(xù)變暖，凍土顯著退化，如何應(yīng)對與適應(yīng)凍土變化的影響，是當(dāng)前和今后一段時間區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題之一。本文以中國凍土為研究對象，通過構(gòu)建凍土脆弱性評價指標(biāo)體系，采用空間主成分方法建立評價模型，綜合評價凍土對氣候變化的脆弱性水平，揭示其脆弱程度與空間分布格局，為各級政府部門科學(xué)應(yīng)對凍土變化及其影響提供科學(xué)依據(jù)。方法：在科學(xué)性與實(shí)際相結(jié)合的原則、全面性與主導(dǎo)性原則、可操作性原則的指導(dǎo)下，以暴露度、敏感性與適應(yīng)能力為標(biāo)準(zhǔn)，用坡度、坡向、海拔高度、地形遮蔽度、氣溫和降水量變化趨勢刻畫凍土的地形和氣候暴露，0 cm 地溫和凍結(jié)深度變化趨勢反映凍土對氣候變化的敏感程度，用凍土類型反映凍土的自適應(yīng)能力，構(gòu)建了我國凍土脆弱性評價體系。使用GIS 工具，以1 km×1 km 的DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取坡度、坡向和海拔高度，計(jì)算地形遮蔽度與研究區(qū)各站點(diǎn)氣溫、降水量、0 cm 地溫和凍結(jié)深度變化趨勢，運(yùn)用克里格方法（Kriging）對其進(jìn)行空間插值，得到氣溫、降水量、0 cm 地溫和凍結(jié)深度變化趨勢的空間插值數(shù)據(jù)。基于高海拔與高緯度多年凍土的分布特點(diǎn)，文中對青藏高原多年凍土采用分帶方案，使用年平均地溫作為分帶依據(jù)，年平均地溫指示的不同穩(wěn)定型代表多年凍土的類型；對東北多年凍土采用連續(xù)性分帶方案，以連續(xù)系數(shù)作為分帶依據(jù)，不同連續(xù)系數(shù)反映不同凍土類型。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除各原始變量的量綱差異。凍土脆弱性評價使用了空間主成分分析法，該方法是主成分分析法在空間化數(shù)據(jù)中的一種應(yīng)用，除具有主成分分析法的所有功能之外，它還可處理空間數(shù)據(jù)，且評價結(jié)果比較客觀。為降低主觀人為影響，采用自然分類法將評價結(jié)果分為5 級：潛在脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱與極強(qiáng)度脆弱。結(jié)果：就脆弱 程 度而言，78.29%的凍土區(qū)存在不同程度的脆弱性，其中，中度脆弱型所占研究區(qū)總面積的比例最大，約為29.0%；其次為輕度脆弱型，為21.27%；強(qiáng)度脆弱型占16.21%；極強(qiáng)度脆弱型占12.82%。空間分布上，凍土脆弱性具有顯著的空間差異性。總體上呈現(xiàn)青藏高原、西部高山、東北北部多年凍土區(qū)脆弱性相對較高，季節(jié)凍土區(qū)相對較低的分布規(guī)律。青藏高原多年凍土對氣候變化尤為脆弱，不僅脆弱度高，以強(qiáng)度和極強(qiáng)度脆弱為主，而且分布連續(xù)；西部高山與東北多年凍土對氣候變化較脆弱，除極強(qiáng)度脆弱型之外，各種脆弱型均有分布。季節(jié)凍土對氣候變化的脆弱性較差，主要以潛在和輕度脆弱為主，只有局部地區(qū)分布中度脆弱類型。就影響因素而言，在1961—2007年氣候變化水平下，凍土脆弱程度主要取決于凍土的地形暴露與凍土對氣候變化的適應(yīng)能力，而氣溫和降水量變化對凍土脆弱性的影響較小。結(jié)論：凍土是冰凍圈的重要組成部分，其變化對生態(tài)、水文、氣候以及工程穩(wěn)定性有重要影響，探討凍土對氣候變化的脆弱性是適應(yīng)凍土變化諸種影響的前提和基礎(chǔ)。通過評價凍土對氣候變化的脆弱性，明晰了中國凍土總體上以中度脆弱為主。相較季節(jié)凍土，多年凍土對氣候變化更脆弱；凍土脆弱性空間差異顯著，青藏高原南部、北部與東北部邊緣地區(qū)脆弱程度相對最高，藏北高原、西部高山、東北北部多年凍土區(qū)脆弱性相對較高，季節(jié)凍土區(qū)相對較低。在當(dāng)前升溫幅度條件下，凍土脆弱程度主要取決于凍土的地形暴露與凍土對氣候變化的適應(yīng)能力。

來源出版物：冰川凍土,2013,35(6): 1436-1445

入選年份：2017

土在凍結(jié)及融化過程中的熱力學(xué)研究現(xiàn)狀與展望

張蓮海，馬巍，楊成松，等

摘要：目的：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，在寒區(qū)工程構(gòu)筑物的建立越來越頻繁，主要包括鐵路、公路、輸電線路和石油管道等。大量工程項(xiàng)目在寒區(qū)的建立使得土體凍結(jié)以及融化過程中的變形過程研究變的尤為重要。而凍脹和融沉變形是寒區(qū)工程建設(shè)兩個最主要的病害，給工程建設(shè)及運(yùn)營帶來極大了的危害，是科研人員及工程建設(shè)者亟待需要解決的重大問題。方法：近年來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的探頭及儀器設(shè)備被開發(fā)應(yīng)用于凍結(jié)及融化過程的室內(nèi)或者場地試驗(yàn)研究，以期揭示其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)特征及其熱力學(xué)機(jī)理。本文參閱前人大量的研究成果，系統(tǒng)地總結(jié)和分析了土在凍結(jié)及融化過程中的現(xiàn)象、機(jī)理、試驗(yàn)條件以及數(shù)值模擬等工作，將對土體凍結(jié)及融化過程認(rèn)識及研究的進(jìn)一步深化有著至關(guān)重要的作用。結(jié)果：土體在凍結(jié)及融化過程中產(chǎn)生各種各樣的現(xiàn)象，比如：水分遷移、冰水共存、冰分凝和固結(jié)等。這些現(xiàn)象大都產(chǎn)生在凍結(jié)緣區(qū)域，而且涉及到土體凍結(jié)及融化過程中冰水相變、冰分凝和水分遷移等關(guān)鍵機(jī)制的研究。因此，目前涉及冰水相變、水分遷移和冰分凝等機(jī)制的凍結(jié)緣特征及過程方面的研究已成為解決凍脹及融沉病害的重點(diǎn)及難點(diǎn)。研究指出：以前關(guān)于土體中的冰水相變是建立在熱力學(xué)相平衡理論的基礎(chǔ)上，基于相平衡理論的廣義克拉伯龍方程目前受到了廣泛的質(zhì)疑，要驗(yàn)證其適用性，需要測定土體凍融過程中的孔隙水壓力以及冰壓力。土體凍結(jié)及融化過程中的水分遷移理論主要包括毛細(xì)理論、薄膜理論以及熱分子力理論等，無論哪種理論均需要測試和確定其水分遷移驅(qū)動力，即明確凍土土水勢以及其各分量的大小和關(guān)系。而冰分凝研究包括分凝冰的形成以及生長兩個方面，其依賴于土體凍結(jié)及融化過程中的孔隙水壓力、冰壓力以及有效應(yīng)力的分布以及作用機(jī)制。此外，凍結(jié)緣過程是建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上關(guān)于水分場、應(yīng)力場及溫度場的三場耦合過程，其數(shù)值模擬正處于由水-熱耦合到水-熱-力耦合的演化階段。因而，凍結(jié)緣宏微觀特征參數(shù)以及內(nèi)變量的測試和確定則是理論探索和數(shù)值模擬的關(guān)鍵。結(jié)論：關(guān)于土在凍結(jié)及融化過程中的研究正從宏觀走向細(xì)微觀、由現(xiàn)象研究走向機(jī)理性研究。凍結(jié)緣的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)的研究逐漸成為了研究的關(guān)鍵內(nèi)容。隨著科技的發(fā)展，大量新型的儀器設(shè)備及探頭被設(shè)計(jì)開發(fā)并應(yīng)用于凍土研究，但是還有一些關(guān)鍵性的測試技術(shù)有待研究。比如：細(xì)微觀觀測、孔隙水壓力的測試，冰壓力的測試，內(nèi)應(yīng)力的測試等技術(shù)。這些參數(shù)的測試工作將對理論研究和數(shù)值模擬起到巨大的促進(jìn)作用，將成為未來一段時間研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。

來源出版物：冰川凍土,2013,35(6): 1505-1518

入選年份：2017

未來50 a 中國地區(qū)凍土面積分布變化

王澄海，靳雙龍，施紅霞

摘要：目的：近年來，冰凍圈中凍土的變化引起了人們的廣泛關(guān)注。如何確定凍土在空間上的未來變化具有較大的不確定性。本文基于 CMIP3 的模擬結(jié)果，利用Kudryavtsev 方法預(yù)估了青藏高原地區(qū)凍土未來的可能變化。方法：為了消除GCM 的模擬不確定性，首先檢驗(yàn)了CMIP3 中不同模式在中國地區(qū)溫度的模擬效果，選取模擬效果相對較好的HadCM3、EACHE5 模式。通過溫度分區(qū)參數(shù)化方法對Kudryavtsev 方法在進(jìn)行了修正，即將任一地點(diǎn)的溫度分解為由地形和高度等地理位置決定的氣候平均態(tài)溫度（用1961—2000年全國720 個氣象站的觀測資料確定）以及隨大氣環(huán)流或天氣氣候變化的年際尺度溫度（由模式格點(diǎn)資料的距平確定）兩部分組成。定義多年平均1月份的0℃為冰凍圈的范圍。將數(shù)字化的土壤和植被資料引入計(jì)算過程，對未來50 a中國地區(qū)在A2 情景下的凍土在空間上的可能變化趨勢進(jìn)行了模擬計(jì)算，借助ArcGIS 給出了時空分布圖。通過和觀測站點(diǎn)的結(jié)果對比，驗(yàn)證了該方法的和理性和可靠性。結(jié)果：在全球變暖的背景下，1961—2006年間青藏高原和東北地區(qū)的溫度呈現(xiàn)出增加的趨勢，尤其是青藏高原年最低溫度的增加的速度明顯快于年平均溫度增加的速度。在A2 氣候情境下，到2020年，青藏高原地區(qū)的多年凍土面積為128.81×104km2，較2006年減少7%，2050年多年凍土的面積為123.56×104km2，較2006年減少10.7%。比較2050年與2006年的多年凍土的空間變化可以發(fā)現(xiàn)，未來青藏高原地區(qū)多年凍土發(fā)生變化的區(qū)域主要在多年凍土的南北邊緣地區(qū)，高原中東部地區(qū)海拔在3500 m 左右的高山和河谷地區(qū)；多年凍土的南北邊界都有向內(nèi)部退化的現(xiàn)象，這里是人類活動影響相對較大的地區(qū)，而東北地區(qū)的多年凍土主要表現(xiàn)為南界的北移?？傮w而言，在A2 情景下，青藏高原地區(qū)的多年凍土在未來20年間減少約4%～6.7%；未來50年持續(xù)減少約為16.2%～39.6%之間，多年凍土面積將再減少至50年平均值以下。50年后多年凍土面積減少顯著主要是因?yàn)閮鐾吝_(dá)到消融臨界點(diǎn)的過程是反復(fù)和 緩慢的，而在臨界點(diǎn)以上的消融過程則較快導(dǎo)致的。結(jié)論：未來50年，青藏高原地區(qū)的多年凍土不管在何種氣候情景下，都呈現(xiàn)出退化趨勢。較2006年而言，在A2 情景下，2020年青藏高原地區(qū)的多年凍土平均減少約5.4%，2050年青藏高原地區(qū)的多年凍土平均減少約36%。青藏高原凍土的在巴顏喀拉山唐古拉山之間，岡底斯山地區(qū)退化顯著。中國地區(qū)的多年凍土總體呈現(xiàn)出退化趨勢，盡管目前的氣候模式對未來的預(yù)測結(jié)果具有較大的不確定性，但總體而言，由于我們選擇的模式對過去的模擬無較大的系統(tǒng)誤差，對過去的模擬較為合理，因此具有較高的可信度。

來源出版物：冰川凍土,2014,36(4): 1-8

入選年份：2017

黃河源區(qū)高寒植被主要特征初探

林琳，金會軍，羅棟梁，等

摘要：目的：黃河源區(qū)位于青藏高原東北部多年凍土與季節(jié)凍土交錯帶，平均海拔4000 m 以上、黃河源區(qū)是青藏高原凍融自然保護(hù)區(qū)的核心部位、并且黃河源區(qū)是我國生態(tài)建設(shè)規(guī)劃與青海生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃8 個類型重點(diǎn)治理區(qū)的青南高寒草地重點(diǎn)治理區(qū)，其高寒生態(tài)環(huán)境及變化一直備受關(guān)注、方法：我們在黃河源區(qū)布設(shè)了4個場地：查拉坪（CLP，源區(qū)南部連續(xù)低溫多年凍土區(qū)）；扎陵湖南岸（ZLH，源區(qū)中南部島狀多年凍土區(qū)）；麻多鄉(xiāng)（MDX，源區(qū)西部的不連續(xù)多年凍土區(qū)）；鄂陵湖北岸（ELH，源區(qū)中北部季節(jié)凍土區(qū)）、樣方調(diào)查時間是2011年7—9月，是高原植物的生長季、采取典型取樣法，在活動層監(jiān)測場地周圍選取有代表性的群落進(jìn)行調(diào)查，樣方大小為1 m×1 m、調(diào)查樣方內(nèi)所有植物，記錄種類、高度及分蓋度以獲得物種多樣性和蓋度數(shù)據(jù)、地上生物量采用收割法，在每個1 m×1 m 的植被樣方中隨機(jī)選取1 個0.5 m×0.5 m 的小樣方、將地上植物貼地割下，裝入信封中、將樣品置于烘箱，75℃恒溫烘干至恒重并稱重、結(jié)合植被調(diào)查和場地監(jiān)測，分析了源區(qū)各凍土區(qū)植被的差異、結(jié)果：黃河源區(qū)共設(shè)了4 個研究站點(diǎn)，其群落和生境特征如下。（1）查拉坪為連續(xù)多年凍土區(qū)，植被類型為高寒沼澤草甸、研究區(qū)內(nèi)植被蓋度高，平均在70%以上、優(yōu)勢種為藏蒿草（K.tibetica），主要伴生種為苔草（Carex spp.）、馬先蒿（Pedicularis spp.）、高山鳳毛菊 [Saussurea alpina（Linn.）DC.]。 （2）扎陵湖南岸位于島狀多年凍土區(qū)、共設(shè)置3 個樣 地：ZLH-1 位于草原化草甸；ZLH-2 位于高寒草甸退 化形成的黑土灘（后簡稱黑土灘）；ZLH-3 位于沼澤草甸。（3）麻多鄉(xiāng)場地位于不連續(xù)多年凍土區(qū)，植被類型為沼澤化草甸、共設(shè)置3 個樣地：MDX-1 為高寒沼澤草甸；MDX-2 為沼澤草甸、草原化草甸和稀疏草甸鑲嵌分布；MDX-3 為高寒沼澤草甸和草原化草甸鑲嵌分布。（4）鄂陵湖場地位于季節(jié)凍土區(qū)，植被類型為高寒草 原、地表較為干燥，整體蓋度較高、但出現(xiàn)蒿（Artemisia）等指示群落退化的植被、ELH-2 為金露梅（Potentilla fruticosa Linn.）高山灌叢。在植被蓋度方面：查拉坪＞麻多鄉(xiāng)＞鄂陵湖北岸＞扎陵湖南岸、扎陵湖南岸分別與查拉坪和麻多鄉(xiāng)的蓋度差異顯著，與鄂陵湖北岸的蓋度差異不顯著、各個凍土區(qū)的物種豐富度以扎陵湖南岸最高，標(biāo)準(zhǔn)差也是扎陵湖最大，而且扎陵湖南岸＞查拉坪＞麻多鄉(xiāng)＞鄂陵湖北岸、4 個場地的豐富度在統(tǒng)計(jì)上無顯著差異。香農(nóng)威納多樣性指數(shù)和辛普森多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為：查拉坪＞扎陵湖南岸＞麻多鄉(xiāng)＞鄂陵湖北岸，4 個場地的多樣性指數(shù)無顯著差異。均勻度指數(shù)反映一個群落或生境中全部物種的分配狀況，在均勻度指數(shù)上，各場地差別不大，均表現(xiàn)為微弱差異均勻度指數(shù)EH表現(xiàn)為扎陵湖南岸＞查拉坪＞鄂陵湖北岸＞麻多鄉(xiāng)。均勻度指數(shù)ED 表現(xiàn)為扎陵湖南岸＞查拉坪＞麻多鄉(xiāng)＞鄂陵湖北岸。地上生物量方面：4 個凍土區(qū)的地上生物量表現(xiàn)為查拉坪＞麻多鄉(xiāng)＞扎陵湖南岸＞鄂陵湖北岸，4個場地中查拉坪的標(biāo)準(zhǔn)差最小，體現(xiàn)了沼澤草甸的均質(zhì)性及其在生物生產(chǎn)力上的穩(wěn)定性。結(jié)論：在植被蓋度、多樣性指數(shù)高方面：連續(xù)多年凍土區(qū)＞不連續(xù)多年凍土區(qū)＞季節(jié)凍土區(qū)、總體上低溫多年凍土區(qū)植被蓋度、多樣性指數(shù)高、島狀多年凍土區(qū)（扎陵湖南岸）的平均蓋度最低，多樣性指數(shù)介于查拉坪和麻多鄉(xiāng)之間，局部植被退化較嚴(yán)重。均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為扎陵湖南岸最高，查拉坪次之。地上生物量調(diào)查結(jié)果顯示：查拉坪＞麻多鄉(xiāng)＞扎陵湖南岸＞鄂陵湖北岸，且鄂陵湖北岸出現(xiàn)指示植被退化的物種。以上各凍土區(qū)植物群落特征顯示：連續(xù)和不連續(xù)多年凍土區(qū)場地的植被生長更好，但局部也存在嚴(yán)重的植被退化；島狀多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)的植被蓋度，生物量等指標(biāo)普遍低于高海拔地區(qū)且出現(xiàn)區(qū)域性植被退化演變。

來源出版物：冰川凍土,2014,36(1): 230-236

入選年份：2017

IPCC 第一工作組第五次評估報(bào)告對全球氣候變化認(rèn)知的最新科學(xué)

沈永平，王國亞

摘要：目的：2013年9月27日，在瑞典首都斯德哥爾摩，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第一工作組第5次評估報(bào)告（IPCC WGI AR5）《Climate Change 2013：The Physical Science Basis》決策者摘要（Summary for Policymakers，SPM）發(fā)布，隨后于9月30日發(fā)布了報(bào)告全文。AR5 報(bào)告對2007年以來的氣候變化研究新進(jìn)展進(jìn)行了全新的評估，為新一輪國際氣候變化政策和行動提供新的科學(xué)支持。方法：IPCC 本身并不進(jìn)行氣候變化的科學(xué)研究，也不從事氣候相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測工作，而只是對全世界范圍內(nèi)經(jīng)過仔細(xì)審議和已出版的有關(guān)氣候變化的科研文獻(xiàn)和技術(shù)資料進(jìn)行評估并歸結(jié)成評估報(bào)告予以發(fā)布，將人類有關(guān)氣候變化的“現(xiàn)有知識”進(jìn)行總結(jié)。結(jié)果：全球變暖的事實(shí)非常明確，自1950年以來，氣候系統(tǒng)觀測到的許多變化是過去幾十年甚至近千年以來史無前例的。全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過程，變暖體現(xiàn)在地球表面氣溫和海洋溫度的上升、海平面的上升、格陵蘭和南極冰蓋消融和冰川退縮、極端氣候事件頻率的增加等方面。結(jié)論：IPCC 第一工作組發(fā)布的第5次評估報(bào)告《氣候變化2013：自然科學(xué)基礎(chǔ)》是由幾百名科學(xué)家歷時3年完成的，其他工作組關(guān)于影響、減緩的部分和綜合報(bào)告也將于明年發(fā)布。IPCC 本次報(bào)告給出數(shù)據(jù)說明，氣候變暖的事實(shí)更為確鑿。此次評估報(bào)告對整個氣候系統(tǒng)進(jìn)行了更客觀科學(xué)的分析，和以往相比，現(xiàn)在使用的觀測資料在質(zhì)量和數(shù)量上都有了明顯的提高，可以更全面、多角度、多樣化的描述科學(xué)事實(shí)。同時，在氣候模式方面，考慮了更多影響因子，加入了碳循環(huán)和動態(tài)植被等過程，對人類活動的認(rèn)識有了更深入的認(rèn)識。IPCC 報(bào)告在推動各國政府通過并實(shí)施《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的過程中發(fā)揮了重要作用。

來源出版物：冰川凍土,2013,35(5): 1068-1076

入選年份：2017