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基于EOF的1951-2020年东亚季风区降水特征及其对夏季风不同配置的响应研究

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高原气象 2024年

作者：马章怀王一博高泽永兰州大学资源环境学院中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室

东亚季风区夏季降水受季风影响显著，不同季风配置通过影响区域水汽输送，在东亚季风区形成不同的降水格局，降水格局的变化容易引起旱涝灾害的发生。本文基于经验正交函数（EOF）分析，利用全球降水气候中心（GPCC）降水资料、美国国... 详细信息

东亚季风区夏季降水受季风影响显著，不同季风配置通过影响区域水汽输送，在东亚季风区形成不同的降水格局，降水格局的变化容易引起旱涝灾害的发生。本文基于经验正交函数（EOF）分析，利用全球降水气候中心（GPCC）降水资料、美国国家环境预测中心/大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料和不同夏季风指数，分析了1951-2020年东亚季风区夏季降水格局，进一步结合相关分析、水汽通量分析等，研究了4种夏季风强弱不同配置对东亚季风区夏季降水的影响。结果表明：（1）1951-2020年东亚季风区降水经历了先减少后增加的变化。EOF分析较好地展现了东亚季风区夏季降水的时空分布，东亚季风区夏季降水主要表现为南北向“-、+、-”的三极型分布与南北方降水反相变化的偶极型特征；东亚季风区夏季降水异常主要发生在三极型降水结构的相位转换上，其次是偶极型的相位转换；（2）东亚季风区夏季降水异常是东亚季风、南亚季风、西风环流以及西太平洋季风等系统共同作用的结果。导致东亚季风区降水异常增加（减少）的季风配置主要为配置1：西太平洋季风强，东亚季风和西风弱（配置2：西风强，东亚季风和南亚季风弱）；（3）配置1时，西太副高偏南偏西，中高纬形成西风槽，季风区南方季风较强，容易通过切变线以及抬升作用在季风区中部形成降水，导致异常降水增加，配置2时，西风强劲，南方水汽动力不足，无法深入大陆，造成异常降水减少。本文研究结果为气候变化背景下，探究东亚季风区异常降水机理提供理论基础，也为应对区域极端降水事件以及旱涝灾害防治工作提供重要的科学参考依据。

关键词：东亚季风区季风指数降水 EOF分析水汽通量

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基于粒径分布和薄膜水的土水特征曲线模型

长江科学院院报 2024年

作者：朱世旺李双洋姜琪赵建沅周尚琪刘慧颖中国科学院大学中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室

利用粒径分布曲线预测土水特征曲线（SWCC）的传统模型在计算含水量时通常需要将粒径分布曲线分段处理，且往往忽略了土壤颗粒表面的薄膜水含量，导致预测精度受到很大限制。为了解决以上问题，本文基于颗粒点对点接触假设，使用威布尔... 详细信息

利用粒径分布曲线预测土水特征曲线（SWCC）的传统模型在计算含水量时通常需要将粒径分布曲线分段处理，且往往忽略了土壤颗粒表面的薄膜水含量，导致预测精度受到很大限制。为了解决以上问题，本文基于颗粒点对点接触假设，使用威布尔函数描述粒径分布曲线，通过杨拉普拉斯方程确定毛细水含水量，并考虑薄膜水含量的影响，建立一个基于粒径分布和薄膜水的土水特征曲线模型。然后选取非饱和土壤数据库（UNSODA）中26个土壤样品进行验证，并与AP模型和MV模型进行对比分析。结果表明，相较于AP模型和MV模型，新模型能更准确地预测土壤的土水特征曲线，且由于考虑了薄膜水含量，使新模型在高基质吸力段的含水量预测误差显著减小。

关键词：土水特征曲线粒径分布曲线毛细水薄膜水

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基于矿物溶解理论的砂岩化学损伤动态模型

材料导报 2024年第8期38卷 159-165页

作者：梁艳玲霍润科宋战平穆彦虎秋添宋子羿西安建筑科技大学土木工程学院西安710055 西安建筑科技大学陕西省岩土与地下空间工程重点实验室西安710055 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室兰州730050

酸腐蚀环境下岩石物理力学性质的劣化本质上由岩石矿物的溶解引发的孔隙微裂隙的扩展贯通所致。为研究酸性环境下砂岩矿物的溶解特性,选择pH=1、3的盐酸溶液为腐蚀环境,借助X射线衍射试验鉴定砂岩矿物成分及含量,测试不同浸泡周期下溶液... 详细信息

酸腐蚀环境下岩石物理力学性质的劣化本质上由岩石矿物的溶解引发的孔隙微裂隙的扩展贯通所致。为研究酸性环境下砂岩矿物的溶解特性,选择pH=1、3的盐酸溶液为腐蚀环境,借助X射线衍射试验鉴定砂岩矿物成分及含量,测试不同浸泡周期下溶液的pH值、阳离子浓度、岩样的质量及其纵波波速,并通过矿物溶解理论与化学动力学原理,建立反映整个腐蚀过程的砂岩化学损伤动态模型。研究结果表明:酸性环境下砂岩的损伤主要由长石和方解石的溶解所致,矿物溶解反应分为界面吸附、界面交换、解吸附三个步骤,且步骤最慢者对整个反应起控制作用。矿物溶解速率与H+浓度的n次幂成正比,且0研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。

关键词：砂岩矿物溶解化学损伤模型孔隙度纵波波速

基于GEE的面向对象茶园提取——以我国南方亚热带季风地区典型丘陵山区双江县为例

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草业科学 2024年

作者：唐雪洁魏彦强罗栋梁王鹏龙王宝高峰中国科学院西北生态环境资源研究院兰州文献情报中心中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室中国科学院大学

科学了解茶园的空间分布对于保护生态环境和维持农业经济可持续发展意义重大。基于Google Earth Engine（GEE）计算平台，以我国南方亚热带季风地区典型丘陵山区双江县为例，利用Sentinel-2遥感影像数据构建光谱、植被指数、纹理和地形... 详细信息

科学了解茶园的空间分布对于保护生态环境和维持农业经济可持续发展意义重大。基于Google Earth Engine（GEE）计算平台，以我国南方亚热带季风地区典型丘陵山区双江县为例，利用Sentinel-2遥感影像数据构建光谱、植被指数、纹理和地形特征集，结合简单非迭代聚类算法（Simple Non-Iterative Clustering，SNIC）和机器学习算法（随机森林（Random Forest，RF）、支持向量机（Support Vector Machine，SVM））实现面向对象的茶园提取，并与基于像元的提取方法进行精度对比。结果表明，相较于基于像元法，面向对象法在茶园提取上表现出更好的效果和更高的精度；无论是基于像元还是面向对象的茶园提取，RF算法都比SVM算法更具优势；面向对象的RF方法的茶园提取精度最佳，总体精度为94.9%，茶园的生产者精度和用户精度分别为86.5%和84.2%，证明面向对象法和RF算法在茶园遥感监测和提取方面具有较好的应用优势和潜力。该研究结果可为类似地区茶园识别提供参考，为当地茶树种植和管理提供决策支撑。

关键词： Google Earth Engine 茶园提取面向对象简单非迭代聚类随机森林支持向量机

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冻融循环条件下含根系土的力学特性

冰川冻土 2024年第1期46卷 162-169页

作者：唐诗佳刘恩龙杨柳新四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000

植物根系对土体有力学加筋作用,可以有效提高土体的强度,防止浅层滑坡和地表侵蚀,因而广泛应用于边坡防护。然而在中西部的季节冻土区,植被边坡的土体反复冻结融化,在植物根系力学加筋和冻融损伤的双重作用下,其力学性质也会发生变化,... 详细信息

植物根系对土体有力学加筋作用,可以有效提高土体的强度,防止浅层滑坡和地表侵蚀,因而广泛应用于边坡防护。然而在中西部的季节冻土区,植被边坡的土体反复冻结融化,在植物根系力学加筋和冻融损伤的双重作用下,其力学性质也会发生变化,对边坡稳定性产生不确定因素。因此,为探究冻融和根系分布对土体的复合影响,采用贡嘎山海螺沟流域土壤及花楸根系进行三轴固结不排水试验,研究了冻融循环作用下,含根系土体的强度变化。考虑不同冻融循环次数(0、1、5次)和根系分布方式(竖向均匀分布:三层各一根;水平均匀分布:中间一层三根),绘制应力应变曲线和孔压应变曲线,对比分析两种试样的应力应变特性,并通过抗剪强度包线获得总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标。结果表明:(1)随冻融循环次数的增加,三层各一根试样和中间三根试样的峰值强度均逐渐降低,黏聚力和内摩擦力也逐渐减小,在低围压(25 kPa)条件下冻融循环作用对含根系土强度减弱作用较为明显,但在高围压条件下,植物根系对土的强度的增强作用仍不可忽视;(2)即使发生了冻融循环,根系仍在一定程度上提高了土体的强度,其增强效果受到分布方式的影响,三层各一根的排列方式增强作用最显著;(3)在相同围压、相同冻融循环次数条件下,根系沿竖向分布的试样峰值强度和黏聚力均较高,此外,相较于不含根的素土,根系分布方式主要影响土的黏聚力,对内摩擦角的影响不明显。研究成果可为寒区植被护坡的工程实践提供理论依据。

关键词：冻融循环含根系土三轴试验抗剪强度

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三江源多年冻土活动层厚度变化特征研究

冰川冻土 2024年

作者：徐晓明吴青柏中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室中国科学院西北生态环境资源研究院青海北麓河高原冻土工程安全国家野外科学观测研究站

作为多年冻土与外界大气间水热交换的主要场所，活动层及其变化特征显著影响着地―气间水热交换、碳循环、地表及地下水文过程、地形地貌、生态系统和寒区工程建筑物安全。本文利用三江源区内多年冻土活动层厚度的实测数据，基于修正Ste... 详细信息

作为多年冻土与外界大气间水热交换的主要场所，活动层及其变化特征显著影响着地―气间水热交换、碳循环、地表及地下水文过程、地形地貌、生态系统和寒区工程建筑物安全。本文利用三江源区内多年冻土活动层厚度的实测数据，基于修正Stefan模型对三江源区多年冻土活动层厚度的空间分布特征及其未来变化趋势进行了研究，并对可能影响活动层厚度变化的因素进行了讨论。结果表明，1981—2018年，活动层厚度增大的速率达7.2 cm·(10a)-1。未来活动层厚度仍呈现增大的趋势，增大最明显的是三江源中部地区。2006—2049年，活动层厚度以4.3 cm·(10a)-1(RCP6.0)到6.8 cm·(10a)-1(RCP8.5)速率增大；2050—2099年，以0.04 cm·(10a)-1(RCP2.6)到4.8 cm·(10a)-1(RCP8.5)速率增大，明显小于前50年的增大速率，活动层厚度增大速率变缓。对活动层厚度变化影响因素分析表明，影响最大的是年平均气温，年降水量的影响并不明显，而NDVI对活动层厚度有一定的影响。本文的结果将会对三江源区的水源涵养、气候调节和生态安全等方面产生重要影响。

关键词：三江源青藏高原多年冻土气候变化活动层

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多晶冰的二元介质本构模型

工程科学与技术 2024年

作者：康建刘恩龙苏雨中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室中国科学院大学四川大学水利水电学院

自然界中冰川广布，在外界环境的扰动下，冰川冰会发生变形，诱导冰川灾害的发生。因此，研究多晶冰的力学特性和本构模型对于理解冰川灾害的发生具有重要的理论价值。本文基于多晶冰试样在不同温度和围压试验条件下的三轴试验数据及连... 详细信息

自然界中冰川广布，在外界环境的扰动下，冰川冰会发生变形，诱导冰川灾害的发生。因此，研究多晶冰的力学特性和本构模型对于理解冰川灾害的发生具有重要的理论价值。本文基于多晶冰试样在不同温度和围压试验条件下的三轴试验数据及连续介质力学等理论框架建立了多晶冰的二元介质本构模型。在本构模型中，多晶冰试样由胶结元和摩擦元共同构成，其中，胶结元表现为线弹性力学特性，摩擦元表现为弹塑性力学特性。在外荷载作用下，胶结元逐渐破损转变为摩擦元，两者共同承担外部荷载。为了描述胶结元和摩擦元在代表性单元体中的关系，借助均匀化理论引入破损率和应变集中系数，从而描述试样在受荷载过程中内部结构的演化和应变分布的不均匀性。试验结果表明多晶冰试样的应力-应变曲线呈应变软化，体变曲线随着围压的增加从先体缩后体胀转变为完全的体缩趋势。通过试错法等方法给出在-2℃下各参数与围压的关系以及-6℃部分试验条件下的参数取值，并进行了试验曲线和模拟曲线的对比，验证了模型的合理性。最后，对部分结构参数进行了参数敏感性分析，表明了模型的通用性。

关键词：多晶冰二元介质破损率应变集中系数

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基于超声波速的冻融盐渍土强度预测模型构建

冰川冻土 2024年第2期46卷 612-624页

作者：赵辉伟邴慧中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

现有宏观控制因素作用下对冻土宏观强度的研究主要采用试验手段,在实践中已取得较好的成果。室内外试验普遍存在试验周期长、成本高的特点,随着新技术手段的涌现,探索更为简便的方法和构建预测模型,成为了科研工作者长期努力的方向。同... 详细信息

现有宏观控制因素作用下对冻土宏观强度的研究主要采用试验手段,在实践中已取得较好的成果。室内外试验普遍存在试验周期长、成本高的特点,随着新技术手段的涌现,探索更为简便的方法和构建预测模型,成为了科研工作者长期努力的方向。同时宏观控制因素对冻土宏观强度的影响借助土体内部特征这一媒介发挥作用。由于超声波是岩土介质物理力学性质等相关信息的良好载体,利用超声波检测具有的无损、快速、简便等特点,可反映土体内部特征。因此,本文从两种思路出发,设计出包含不同类型参数的强度预测模型:思路1,宏观控制性因素到宏观强度特性;思路2,宏观控制性因素到超声波速反映的土体内部特征再到宏观强度特性。基于此,首先通过试验获取不同含盐量土体经历不同冻融循环次数的超声波速和单轴抗压强度作为基本数据,再将思路1参数设置为试验控制变量,将思路2参数设置为纵、横波速构造的超声特征参数群,即联合两思路参数作为模型输入,建立单轴抗压强度的BP神经网络预测模型,并采用缺省因子检验法评估该模型。结果表明,随冻融次数、含盐量增加,单轴抗压强度总体减小;冻融初期波速波动明显,中期趋缓,后期恢复至初始值附近,且控制性因素作用下强度随波速增加呈阶梯式下降状态。而将经灰色关联度及粗糙集优化的思路2参数作响应土体内部特性的最优子序列建立的BP模型,平均绝对误差小于0.05 kPa,决定系数大于0.96,各参数敏感性指数平均为1.4251。同时敏感性分析成功验证了控制性因素、最优子序列在模型构建过程的假设地位,单个控制性参数对单轴抗压强度的影响大于单个超声特征参数。此外,模型精度较高、实用性较强,可为冻土模型的强度预测及参数选取提供参考。

关键词： BP神经网络模型超声特征参数群冻融盐渍土强度预测

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冻土未冻水含量与其微结构相关试验分析研究

冰川冻土 2024年第3期46卷 944-955页

作者：陈橙王丹杨成松尚飞张莲海石亚军中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

在既定负温下冻土中未冻水和固相冰的动态关系与其初始含水率密切相关,冻土中未冻水含量的改变直接影响了其微观结构的变化,加强不同初始含水率下冻土的未冻水含量与微观结构的定量关系研究对于揭示冻土特殊的物理力学性质具有重要的意... 详细信息

在既定负温下冻土中未冻水和固相冰的动态关系与其初始含水率密切相关,冻土中未冻水含量的改变直接影响了其微观结构的变化,加强不同初始含水率下冻土的未冻水含量与微观结构的定量关系研究对于揭示冻土特殊的物理力学性质具有重要的意义。本文利用新型冷冻扫描电镜对既定负温不同初始含水率(11.8%、23.1%、32.2%、42.2%、54.1%、64.2%、74.8%)下的冻结黏土进行微观结构测试,揭示了不同初始含水率下冻土微观结构的演化特征。同时,利用核磁共振技术测试不同初始含水率和不同温度下冻土的未冻水含量变化过程,探讨了既定负温下初始含水率对冻土未冻水含量与其微结构之间的定量关系。研究结果表明:冻结黏土含水率在液限范围内,随着初始含水率的增加,孔隙结构由集合物间孔隙向粒间孔隙发育,含水率超过液限后,随着初始含水率增加,超集合物间孔隙开始发育,并且在同一负温条件下,随着初始含水率的增加,孔隙分形维数和孔隙面积随之增大;对于高温冻土,随着初始含水率的增加,孔隙分形维数随未冻水含量的增加而增加,对于低温冻土,孔隙分形维数随未冻水含量的减少而增加;最后,建立了不同试验条件下冻土微观结构与其未冻水含量的经验方程,为揭示冻土特殊物理力学特性提供理论基础。

关键词：冻土微结构冷冻扫描电镜未冻水含量孔隙分形维数