建模模拟气候驱动的富冰多年冻土边坡失稳

【科研速递】The Cryosphere | 建模模拟气候驱动的富冰多年冻土边坡失稳2026-09-18Modelling climate-induced instability of ice-rich permafrost slopes— — — — — 导语近日挪威奥斯陆大学University of OsloJuditha Aga、加拿大渥太华大学 Antoni G. Lewkowicz 与奥斯陆大学 Sebastian Westermann 研究团队在期刊 The CryosphereCopernicusCC BY 4.0 开放获取发表2026-09-18英文题目为《Modelling climate-induced instability of ice-rich permafrost slopes》的最新研究成果。研究在 CryoGrid 群落模型CryoGrid community model中嵌入一个基于物理的无限斜坡稳定性分析模块利用气象输入与土壤冻土工程特性模拟冰分凝、冻胀与融化固结过程并通过‘安全系数factor of safety’随时间预测富冰多年冻土边坡在土体各深度的潜在失稳。研究以加拿大班克斯岛Banks Island东南部约 2300 km² 区域、数十年的热融滑塌RTS initiation 数据库进行验证。结果表明基于失稳严重度与持续时间的‘融化边坡稳定指数TSSI’与一年中出现数十至数百个 RTS 的年份显著相关这些年份以夏季高温与高短波辐射为特征导致活动层加深、富冰层融化与孔隙水压力升高新发生的 RTS 集中分布在 TSSI 最高的坡面上。该模型为不同土地利用与气候变化情景下的富冰冻土边坡稳定性评估提供了重要工具。— — — — — 研究背景冻土环境正因地温上升与活动层增厚发生显著变化其中富冰多年冻土景观的融化与热喀斯特发育对斜坡过程、地面沉降、湖泊消长乃至冻土碳释放均有重大影响。在斜坡地形上富冰冻土融化主要引发两类失稳活动层剥离型破坏ALDF浅层平移滑坡与退化性热融滑塌RTS向冻土更深处发展、具富冰后壁的渐进式扩张滑塌。两类失稳均与富冰层融化产生的高孔隙水压力有关——当安全系数降至 1 以下即发生破坏。然而以往研究多依赖灵敏度分析或基于主观权重因子的统计/机器学习易发性制图缺乏一个能耦合气象—冻土—水文过程、可在时空上连续预测安全系数与失稳位置的物理模型限制了对气候变暖下冻土边坡风险的定量评估。— — — — — 研究方法研究在 CryoGrid 群落模型中新建一个无限斜坡稳定性分析模块以气象数据与土壤冻结特性为驱动计算地温与水通量并模拟冰分凝、冻胀与融化沉降含融化固结过程中高孔隙水压力的生成。模块沿土体垂向逐层计算安全系数输出‘安全系数何时、在土体剖面的何位置低于 1’的潜在失稳信号并通过‘坡角—坡向聚类’将单点分析拓展到空间尺度。研究以加拿大班克斯岛东南部约 2300 km² 区域为试验区利用该地区多年的 RTS initiation 数据库验证模型——由于野外多数 RTS 由 ALDF 暴露富冰层后在暖夏触发研究以 RTS 作为 ALDF 的替代指标proxy。图 2 研究区位置加拿大班克斯岛东南部及地形/坡向聚类源自原文 Figure 2— — — — — 图文解析核心结果结果 1研究提取了 1980–2022 年夏季7–8 月气候要素触发 RTS 的年份普遍具有高夏季气温与高入射短波辐射二者共同导致模型中活动层加深、富冰层融化并抬升孔隙水压力——这是边坡失稳的直接气候驱动。图 5 1980–2022 年夏季7–8 月气候要素气温、短波辐射与失稳年份的关系源自原文 Figure 5结果 2基于失稳严重度与持续时间构建的融化边坡稳定指数TSSI与‘一年中出现数十至数百个 RTS’的年份显著相关——TSSI 高值年份恰好对应野外 RTS 集中爆发年份验证了指数对区域失稳的刻画能力。图 6 模拟 TSSI1980–2022与每年新观测到的 RTS 数量对比源自原文 Figure 6结果 3TSSI 与坡角、坡向存在明确关系失稳更易集中于特定坡角区间与坡向通过坡角—坡向聚类模型能识别‘高风险坡面’的空间分布规律。图 7 模拟 TSSI 与坡角、坡向的关系源自原文 Figure 7结果 4加权后的 TSSI 与新发生的 RTS 空间分布高度吻合——新 initiation 的 RTS 集中在 TSSI 最高的坡面上证明该指数不仅反映时间上的失稳年也能在空间上定位最易发失稳的位置。图 8 模拟加权 TSSI 与新发生 RTS 的空间对应关系源自原文 Figure 8— — — — —✅ 核心结论本研究在 CryoGrid 群落模型中嵌入基于物理的无限斜坡分析构建了富冰多年冻土边坡安全系数的多年代际时间序列刻画了导致活动层剥离型破坏ALDF的关键过程冰分凝、冻胀、融化沉降及融化固结期高孔隙水压力。模型通过坡角—坡向聚类实现空间化可输出‘安全系数低于 1 的时间与位置’指示潜在失稳。在班克斯岛 2300 km² 区域的验证表明TSSI 与 RTS 爆发年份及空间分布高度一致失稳年以夏季高温、高短波辐射、活动层加深与孔隙水压力升高为特征。该建模方案是迈向‘在不同土地利用与气候变化情景下评估富冰冻土边坡稳定性’的重要一步。受冻土工程特性数据与地形/土壤/地下冰空间异质性的限制模型的预测仍存在不确定性。— — — — — 研究创新点• 首次在 CryoGrid 群落模型中耦合基于物理的无限斜坡稳定性分析实现富冰冻土边坡安全系数的多年代际、垂向分层连续模拟。• 提出并验证‘融化边坡稳定指数TSSI’将失稳的严重度与持续时间整合为单一可时空对比的指数与野外 RTS 爆发年份及空间分布高度吻合。• 通过坡角—坡向聚类把单点安全系数分析拓展到区域空间尺度可同时定位‘何时’与‘何地’潜在失稳。• 以 RTS 作为 ALDF 的替代指标利用数十年野外滑塌数据库反向验证物理模型打通了‘过程模拟—野外观测’的闭环。— — — — — 参考文献Aga, J., Lewkowicz, A. G., Westermann, S. Modelling climate-induced instability of ice-rich permafrost slopes. The Cryosphere, 20, 5225–5245, 2026. https://doi.org/10.5194/tc-20-5225-2026— — — — — 关注我们持续关注我们第一时间获取岩土工程、寒区科学与工程、工程地质、气候变化领域的最新论文与科研技术动态。