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近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的“开关”,对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响。除了依靠传统观测手段判别地表冻融,被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中。利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三个主要过程,并基于不同的算法针对不同目的分别发布了不同地区、不同时间序列的近地表土壤冻融数据集。以中国气象局435个气象台站观测的0 cm土壤温度为标准,对比分析了基于目前较为通用的双指标算法、单指标算法、决策树算法和判别式算法建立的近地表土壤冻融数据集的分类结果。结果表明：单指标算法数据集冻结指标的平均值与观测资料最接近,其偏差和均方根误差最小,而决策树算法由于全局采用单一的37 GHz垂直极化亮温阈值,低估了地表冻结,导致偏差和均方根误差最大。近地表土壤冻融数据集和观测资料均表明随着全球变暖,近地表土壤呈冻结首日推迟、冻结终日提前和冻结天数减少的趋势。通过对不同冻融数据集的比较研究,为未来被动微波卫星遥感算法改进、近地表土壤冻融数据的合理使用提供了可靠的科学依据。 相似文献
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冻融交替季节黑河上游代表性地物类型的微波辐射时序特征 总被引：4，自引：0，他引：4
被动微波遥感是监测全球土壤冻融的有利手段,然而由于缺乏实验观测数据,对冻土的微波辐射特征和机理并不是很清楚.2008年3月利用地基微波辐射计(RPG-8CH-DP Radiometer)在黑河流域上游对典型地物18.7 GHz和36.5 GHz的微波辐射进行了连续观测,获取了3种典型土地类型的冻融过程中两个频率双极化的微波辐射特征,计算了土壤冻融过程中发射率和亮温梯度的时序特征并进行了分析.结果表明:土壤冻结会引起土壤发射率的变化,变化的大小主要受土壤表层很薄一层土壤的含水量影响,这是因为这两个波段对土壤的微波穿透深度很小,另外,尽管土壤冻结后亮温梯度会降低,但大多数情况下并没有观测剑冻土负的亮温梯度. 相似文献
3.
青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征 总被引：1，自引：1，他引：0
青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少,青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料,依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响,其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后,完全融化阶段持续时间增加,且逐渐接近完全冻结阶段持续时间;在浅层土壤不同冻融状态下,能量闭合率差值较大,其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段;净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段,净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量,在完全融化阶段主要转化为潜热通量,地表土壤热通量在完全融化阶段为正值,在完全冻结阶段为负值。 相似文献
4.
冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析 总被引：3，自引：3，他引：0
为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响， 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象， 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响， 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期， 冻结层含水率几乎都呈增加趋势， 其中浅层土壤增幅最大； 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大， 反之则小。融化期， 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势， 且主要集中在表层0 ~ 30 cm， 水分损失以蒸发为主， 冻结层对土壤蒸发有抑制作用； 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异， 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。 相似文献
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青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征 总被引：8，自引：5，他引：3
青藏高原被誉为“中华水塔”， 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）， 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致， 但滞后于日平均气温的变化， 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同， 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征， 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时， 季节冻土消融速率大于冻结速率， 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中， 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移， 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中， 各土层土壤含水量逐渐增加， 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系， 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。 相似文献
6.
青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素 总被引：4，自引：3，他引：1
多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间（OOT）和起始冻结时间（OOF）进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明：（1）青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。（2）起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1~4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。（3）植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。（4）在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。 相似文献
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多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征 总被引：14，自引：8，他引：6
利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响. 相似文献
8.
青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究 总被引：1，自引：1，他引：0
多年冻土活动层， 尤其是浅层土壤的水热传输机制， 以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据， 比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异， 以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明： 根据一日之内地温的正负波动， 浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、 完全融化期、 始冻期和完全冻结期四个时期， 其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期， 高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0 ~ 20 cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势， 且不同冻融阶段的振幅差异较大， 由于相变的缘故， 解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原， 说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关， 植被作为热绝缘层， 减弱了地温对气温波动的响应。地表下5 ~ 10 cm的热扩散率显著大于10 ~ 20 cm深度， 且5 - 10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。 相似文献
9.
冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析 总被引：2，自引：0，他引：2
冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%. 相似文献
10.
季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化 总被引：6，自引：2，他引：4
利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显. 相似文献
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根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）-1、8 d?（10a）-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。 相似文献
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冻土遥感研究进展:被动微波遥感 总被引：3，自引：1，他引：2
多年冻土和季节冻土分别占北半球裸露地表的24%和55%.近地表土壤冻融的范围、冻结起始日期、持续时间及冻融深度对寒季/寒区植物生长、大气与土壤间能量、水分及温室气体交换都具有极其重要的影响.自20世纪70年代以来,应用卫星遥感结合地面观测资料研究局地到区域尺度的季节冻土和多年冻土已取得诸多成果,而遥感在冻土研究中的最直接应用是利用微波探测近地表土壤冻融状态.相对于主动sAR,星载被动微波传感器具有多通道观测且重访周期较高,空间分辨率很低的特点.重点评述了近几十年来被动微波辐射计在冻土研究中的算法发展及其应用前景,主要包括双指标算法、时间序列变化检测算法及判别树算法3类,其核心均是基于冻土的低温特征和"体散射变暗"效应.发展可靠实用的微波遥感土壤冻融状态判别算法,提供区域和全球尺度上的土壤冻融状态信息,对水文学、气象学以及农业科学、工程地质研究与应用都具有重要意义. 相似文献
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粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究 总被引：2，自引：2，他引：0
为研究水泥土冻胀融沉特性,对南京地区典型粉质黏土进行了不同条件下的冻胀融沉试验。试验控制因素包括水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度和荷载等,各控制因素在包含基准数值的区间内选取代表性条件进行单一变量试验。试验采用自制冻胀融沉仪进行,冻胀融沉仪下部为制冷块,上部设置补水装置,模拟真实土体冻结时水分迁移过程。结果表明：粉质黏土水泥土冻胀率随水泥掺入比增大、龄期增加呈指数规律减小,随含水率增大、冷端温度升高和荷载减小呈线性增大;融沉系数随水泥掺入比变化规律与冻胀率类似,同一条件下融沉系数均大于冻胀率;水泥土完成融沉的时间随解冻温度升高而减少,但最终融沉系数相同;冻胀融沉存在合理水泥掺入比,粉质黏土的合理水泥掺入比为10%,此时冻胀率为1.56%,融沉系数为2.15%。据此提出,冻结法施工时,预先在土体中按合理水泥掺入比掺入水泥,既可有效抑制土体冻胀融沉,又可提高施工效率。 相似文献
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冻融条件TG固化剂石灰土基层性能研究 总被引：2，自引：2，他引：0
为了进一步研究TG固化剂石灰土在冻融条件下的各项性能, 分别对TG固化剂石灰土进行冻融作用前后的无侧限抗压强度试验和劈裂试验以及干缩试验. 结果表明: 随着冻融循环次数的增加, 无侧限抗压强度以及劈裂强度逐渐减小, 经历8次冻融循环以后强度衰减达到最大值. 经过冻融循环作用后试件的无侧限抗压强度以及劈裂强度残留值随着含水率和压实度的增加而增加, 通过冻融试验得到的抗冻性能指标BDR值在51%以上, 与未饱水冻融循环得到的最终残留强度值保持一致. 经冻融循环作用后TG固化剂石灰土的干缩应变和干缩系数减小, 干缩性能有所提高. 冻融循环条件下TG固化剂石灰土抗冻性能良好, 可以应用于路面基层. 相似文献
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Damages to natural building stones induced by the action of frost are considered to be of great importance. Commonly, the frost resistance of building stones is checked by standardised freeze–thaw tests before using. Corresponding tests normally involve 30–50 freeze–thaw action cycles. In order to verify the significance of such measurements, we performed long-term tests on four selected rocks over 1,400 freeze–thaw action cycles. Additionally, numerous petrophysical parameters were analysed to compare the behaviour of rocks in the weathering tests according to the current explanatory models of stress formation by growing ice crystals in the pore space. The long-term tests yield more information about the real frost sensibility of the rocks. A clear deterioration cannot be determined in most cases until 50 weathering cycles have been completed. In the freeze–thaw tests, the samples are also stressed by changing temperature and moisture, indicating that different decay mechanisms can interfere with each other. Thus, thermohygric and moisture expansion are important damage processes. 相似文献
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为了了解豫西鸡冠洞岩溶区不同尺度下水-土-气的中CO2的变化特征,探究CO2在岩溶关键带系统的运移关系,2019年5月至2020年10月,利用固态传感器对河南鸡冠洞上覆土壤取样点进行高时间分辨率监测,每隔15 min采集一次数据。结合每月采集洞内空气CO2浓度数据、每月测定洞穴水水化学指标数据及每月监测的降水、气温数据进行全面系统地分析。结果表明:①土壤CO2浓度、洞内空气CO2浓度和洞穴水水化学指标具有明显的季节性变化特征,均表现为夏秋高冬春低;②土壤CO2浓度在昼夜尺度下,白天高于夜晚,夏季的昼夜差值最大,冬季的昼夜差值最小,且昼夜变化滞后气温、土温变化约6 h;③洞内CO2浓度变化、洞穴水离子浓度和水化学指标在昼夜变化上具有同步性;④强降雨条件下（单场降雨量为42.2mm）,土壤水分和土壤温度能及时响应降雨变化,而土壤CO2浓度对降雨的响应滞后2 h。洞穴水、洞穴CO2浓度对降雨的响应与土壤CO2具有相似性;⑤基于月均值的土壤CO2浓度与土壤温度、土壤湿度的相关系数分别为0.67、0.031。垂直方向上,CO2浓度变化依次为土壤>洞穴>空气。昼夜尺度上,土壤CO2浓度变化滞后于气温、土壤温度变化,其原因是受上覆植被光合作用强度影响。CO2在洞穴水运移中以脱气沉积为主,补给洞内空气CO2浓度。在强降雨过程中,土壤CO2浓度变化受控土壤的温度和湿度;而在更长时间尺度上,土壤CO2浓度变化更多地受土壤温度影响,土壤湿度对其影响较小。 相似文献
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Freeze–thaw action is a complex moisture–heat-mechanics interaction process, which has caused prevailing and severe damages to canals in seasonally frozen regions. Up to now, the detailed frost damage mechanism has not been well disclosed. To explore the freeze–thaw damage mechanism of the canal in cold regions, a numerical moisture–heat-mechanics model is established and corresponding computer program is written. Then, a representative canal in the northeast of China is taken as an example to simulate the freeze–thaw damage process. Meanwhile, the robustness of the numerical model and program is tested by some in situ data. Lastly, the numerical results show that there are dramatic water migration and redistribution in the seasonal freeze–thaw variation layer, causing repetitive frost heave and thaw settlement, and tension–compression stresses. Therefore, the strengths of soil are reduced after several freeze–thaw cycles. Further, the heavy denudation damage and downslope movement of the canal slope would be quite likely triggered in seasonally frozen regions. These zones should be monitored closely to ensure safe operation. As a preliminary study, the numerical model and results in this paper may be a reference for design, maintenance, and research on other canals in seasonally frozen regions. 相似文献
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Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau 总被引：3，自引：1，他引：2
Ren Li Lin Zhao Tonghua Wu Yongjian Ding Yao Xiao Yongliang Jiao Yanhui Qin Yufei Xin Erji Du Guangyue Liu 《Environmental Earth Sciences》2014,71(2):709-722
The soil thermodynamic parameters, including thermal conductivity, diffusivity and volumetric capacity within the active layer on the northern Tibetan Plateau, were calculated using the measured data of soil temperature gradient, heat flux, and moisture at four stations from October 2003 to September 2004. The results showed that the soil thermodynamic parameters exhibited clear seasonal fluctuation. The thermal conductivity and diffusivity in summer and autumn at Beiluhe, Kexinling, and Tongtianhe were larger than those in winter. The volumetric thermal capacity causes an opposite change; it was larger in autumn and winter than in summer. In spring, the soil thermal conductivity at the Kekexili station was larger than that in summer. Generally, fine-grained soils and lower saturation degrees in the topsoil might be a reason for the lower soil thermal conductivity in winter. For a given soil, soil moisture was the main factor influencing the thermodynamic parameters. The unfrozen water content that existed in frozen soils greatly affected the soil thermal conductivity, whose contribution rate was estimated to be 55 %. The thermodynamic parameters of frozen soils could be expressed as a function of soil temperature, volumetric ice content and soil salinity, while for the unfrozen ground the soil moisture content is the dominant factor for those thermal parameters. As for the soil thermal diffusivity, there exists a critical value of soil moisture content. When the soil moisture content becomes less than a critical value, the soil thermal diffusivity increases as the soil moisture content rises. 相似文献
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冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。 相似文献