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考虑冻融锋面移动过程的多年冻土水热模拟

冰川冻土 2024年第1期46卷 13-27页

作者：肖敏轩赵林张钰鑫高骏强邹德富胡国杰赵建婷李智斌赵拥华肖瑶刘广岳杜二计刘淼南京信息工程大学地理科学学院江苏南京210044 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站甘肃兰州730000 南京信息工程大学数学与统计学院江苏南京210044

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面,其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟... 详细信息

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面,其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m,并将原模式的4层土层增加到19层土层,同时引入前人的有机质方案和植被根系方案,然后在此基础上,通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力,进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0~20 m的土壤温度与土壤液态含水量,模拟结果用站点0~3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明,由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面(0℃等温线)有明显阶梯状特征,最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力,使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻融锋面的变化趋势和最大深度。同时,改进后的模式整体改善了对土壤温度的模拟效果,使得0~3.2 m各土层土壤温度的平均RMSE降至0.89℃,减小44%;平均MBE降至-0.13℃,减小86%;模拟的3~20 m年均地温与实测数据更为接近。改进后的模式对土壤液态含水量的模拟水平也有一定改善,其中,模拟的0~3.2 m各土层的土壤液态含水量的平均RMSE降至0.06 m^(3)·m^(-3),减小33%;平均MBE降至-0.01 m^(3)·m^(-3),减小67%。模式还较好描述了活动层20 cm、40 cm、80 cm、120 cm土壤的融化时间。可以看出,在陆面过程模式中耦合能够较好模拟冻融锋面移动过程的Stefan方法可较大程度提高模式的模拟能力,是陆面过程模式改进的有效途径之一,本研究的结果可为多年冻土区陆面过程模式改进提供参考。

关键词： Stefan方法冻融锋面 Noah-MP 陆面过程模式西大滩

青藏高原工程走廊3个监测点多年冻土温度序列重建

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科学通报 2023年第15期68卷 1985-2000页

作者：殷路辉赵林胡国杰赵建婷幸赞品孙哲张钰鑫刘广岳邹德富杜二计肖敏轩乔永平史健宗南京信息工程大学地理科学学院南京210044 中国科学院西北生态环境资源研究院青藏高原冰冻圈观测研究站冰冻圈科学国家重点实验室兰州730000 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室南宁530001

连续、长时间序列的多年冻土温度数据在开展气候变化对多年冻土的影响及其生态、水文效应研究中有着重要的科学意义.本文利用西大滩、五道梁、唐古拉3个观测点的实测地温数据首先对多年冻土模型及其参数化方案进行了验证、优化和标校,... 详细信息

连续、长时间序列的多年冻土温度数据在开展气候变化对多年冻土的影响及其生态、水文效应研究中有着重要的科学意义.本文利用西大滩、五道梁、唐古拉3个观测点的实测地温数据首先对多年冻土模型及其参数化方案进行了验证、优化和标校,以实测数据和经过校正的CMIP6逐月5 cm地表土壤温度数据作为模型的驱动数据,模拟了3个观测点1900~2019年多年冻土地温变化,并对1920年以后的模拟温度变化序列进行分析.结果表明:(1)多年冻土模型对处于地温年变化深度以下地温的模拟误差低于0.1℃,表明模型对于多年冻土的热状态具有较好的模拟能力;(2)1920~2019年西大滩、五道梁、唐古拉各模拟深度的年平均温度均呈现升温趋势,年地温变化(15 m)处的平均升温速率为0.07℃/10 a(0.05~0.09),不同深度岩土层的热状态对气候变化具有不同的响应时间,深层地温对气候变化的响应相较于浅层有20年左右的滞后;(3)多年冻土上限下降速率相差不大,平均为0.6 cm/a;多年冻土下限的上升速率分别为13.4、4.0和4.0 cm/a;多年冻土厚度分别减少13.9、4.6、4.7 m;(4)3个观测点多年冻土对气候变化的反应存在差异,处于多年冻土北部下界附近西大滩的多年冻土相对不稳定,对气候变化反应剧烈,而处于连续多年冻土区的五道梁和唐古拉多年冻土相对稳定.本研究重建的不同深度100年月尺度地温变化序列可以较好地反映青藏高原多年冻土温度的变化历史,与近40年来观测到的多年冻土变化的实际情况较为一致.地温序列是对目前青藏高原多年冻土地温数据时间短、连续性差的补充和完善,可被用作研究青藏高原多年冻土热状态变化的重要参考数据.

关键词：青藏高原 GIPL2模型多年冻土温度模拟温度重建

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考虑冻融锋面移动过程的多年冻土水热模拟

冰川冻土 2023年

作者：肖敏轩赵林张钰鑫高骏强邹德富胡国杰赵建婷李智斌赵拥华肖瑶刘广岳杜二计刘淼南京信息工程大学地理科学学院南京信息工程大学数学与统计学院中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面，其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模... 详细信息

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面，其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m，并将原模式的4层土层增加到19层土层，同时引入前人的有机质方案和植被根系方案，然后在此基础上，通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力，进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0～20 m的土壤温度与土壤液态含水量，模拟结果用站点0～3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明，由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面(0℃等温线)有明显阶梯状特征，最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力，使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻融锋面的变化趋势和最大深度。同时，改进后的模式整体改善了对土壤温度的模拟效果，使得0～3.2 m各土层土壤温度的平均RMSE降至0.89℃，减小44%；平均MBE降至-0.13℃，减小86%；模拟的3～20 m年均地温与实测数据更为接近。改进后的模式对土壤液态含水量的模拟水平也有一定改善，其中，模拟的0～3.2 m各土层的土壤液态含水量的平均RMSE降至0.06 m3·m-3，减小33%；平均MBE降至-0.01 m3·m-3，减小67%。模式还较好描述了活动层20 cm、40 cm、80 cm、120 cm土壤的融化时间。可以看出，在陆面过程模式中耦合能够较好模拟冻融锋面移动过程的Stefan方法可较大程度提高模式的模拟能力，是陆面过程模式改进的有效途径之一，本研究的结果可为多年冻土区陆面过程模式改进提供参考。

关键词： Stefan方法冻融锋面 Noah-MP 陆面过程模式西大滩

青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤CH_4产生速率研究

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冰川冻土 2011年第5期33卷 999-1005页

作者：赵拥华杜二计刘广岳岳广阳中国科学院青藏高原冰冻圈综合观测研究站冰冻圈科学国家重点实验室中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃兰州730000

用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤不同温度条件下的CH4产生速率进行了研究.结果表明:CH4产生速率与温度之间呈现显著的指数关系,整个土壤剖面平均CH4生成速率和CH4生成速率初始值随温度的变化具有显著的相似性,都表现出... 详细信息

用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤不同温度条件下的CH4产生速率进行了研究.结果表明:CH4产生速率与温度之间呈现显著的指数关系,整个土壤剖面平均CH4生成速率和CH4生成速率初始值随温度的变化具有显著的相似性,都表现出随温度的升高而增加规律,0℃、5℃、18℃时的CH4生成速率分别是-18℃时的5.7、171.4倍和3 257倍.0℃、5℃、18℃件下,CH4产生速率在各土层间呈现"U"型分布特征;-18℃条件下,CH4产生速率在各土层间分布没有明显的规律.0℃、5℃、18℃条件下,各深度平均的CH4产生速率与时间呈现极显著的线性正相关关系;-18℃条件下,各深度平均的CH4产生速率与时间的也有线性正相关关系.但在不同温度条件下,1～72 h培养时间内,CH4产生速率变化范围存在明显差异,-18℃、5℃、18℃时,各土层平均CH4产生速率变化范围分别为:0.005～0.008、0.93～1.49 ng.g-1.h-1和16.4～30.7 ng.g-1.h-1;0℃条件下的CH4产生速率变异性最大,为0.02～0.06 ng.g-1.h-1.4种温度条件下.CH4产生速率与土壤有机碳含量没有相关性,但在正温条件下,与土壤pH存在负相关关系.

关键词：沼泽草甸土壤 CH4产生速率多年冻土青藏高原

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青藏高原北部不同下垫面土壤热力特性研究

太阳能学报 2013年第6期34卷 1076-1084页

作者：李韧赵林丁永建吴通华肖瑶杜二计刘广岳孙琳婵刘杨中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站兰州730000 冰冻圈科学国家重点实验室兰州730000 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州730000

利用2003年10月～2004年9月青藏高原北部可可西里（QT01）、北簏河（QT02）、开心岭（QT05）、通天河（QT06）等地区一个完整的冻融循环周期活动层土壤热通量、土壤温度、土壤水分等观测资料，通过数值方法汁钎：高原北部活动层土壤导... 详细信息

利用2003年10月～2004年9月青藏高原北部可可西里（QT01）、北簏河（QT02）、开心岭（QT05）、通天河（QT06）等地区一个完整的冻融循环周期活动层土壤热通量、土壤温度、土壤水分等观测资料，通过数值方法汁钎：高原北部活动层土壤导热率，分析高原北部活动层表层土壤热通量及导热率的变化特征。结果靠示，研究区域活动层土壤导热率具有明显的季节变化特点，表现为冷季小、暖季大；导热率随土壤容重的增火而增人，随下垫面植被盖度的增大而减小，高寒草甸土的上壤导热率小于高寒草原土的导热率；细粒土壤、较小未冻水含艟7支较低的饱和度是造成冷季士壤导热率较小的原冈；月平均导热率叮表永为地气温差及水气压等常规气象资料的函数。

关键词：青藏高原下垫面活动层导热率

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探地雷达在祁连山多年冻土调查中的应用

冰川冻土 2009年第2期31卷 364-371页

作者：杜二计赵林李韧中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈观测试验研究站青海格尔木816000 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室甘肃兰州730000

探地雷达用于多年冻土区的勘测一般通过钻孔和探坑进行直接对比来确定冻土层分布状况,但在野外工作中,钻孔资料一般很难得到,而探坑在有限的人力物力条件下也很难开挖,这给冻土层的野外确定带来很大困难.我们采用雷达探测资料寻找浅层... 详细信息

探地雷达用于多年冻土区的勘测一般通过钻孔和探坑进行直接对比来确定冻土层分布状况,但在野外工作中,钻孔资料一般很难得到,而探坑在有限的人力物力条件下也很难开挖,这给冻土层的野外确定带来很大困难.我们采用雷达探测资料寻找浅层地下冰深度来确定多年冻土上限的深度,企图能在没有现场对比资料的情况下寻找一种利用探地雷达探测多年冻土的简易方法.探测结果显示,通过地貌特征寻找浅层地下冰可能存在的典型地段进行雷达探测能很容易确定多年冻土上限的位置.2007年在祁连山区利用Pulse EKKO Pro探地雷达进行了多年冻土的野外探测,结果显示:大雪山老虎沟海拔3 684 m(39.5907°N;96.4339°E)处多年冻土上限约为2.2 m,在冷龙岭北坡的水管河源头海拔4 053 m(37.5463°N;101.7709°E)至海拔3 907 m(37.5508°N;101.7752°E)处的多年冻土上限深度为2.5 m,在宁昌河源头沿河岸从海拔3 448 m(37.5649°N;101.8455°E)至海拔3 377 m(37.5797°N,101.8377°E)处多年冻土上限为2.4 m,在走廊南山的观山河源头海拔3 468 m(39.2615°N;98.6715°E)处多年冻土上限深度在2 m左右.另外根据4个勘察区多年冻土特征地貌分布区的最低分布海拔总结得出,老虎沟地区为冻土下界分布最高地区,关山河源头为冻土下界分布最低地区.其原因主要是降水和植被的差异造成的结果,降水量大和植被良好的地区多年冻土下界的分布海拔就低,反之亦然.

关键词：探地雷达祁连山多年冻土多年冻土上限多年冻土下界

青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤CH_4氧化速率研究

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冰川冻土 2013年第5期35卷 1126-1132页

作者：赵拥华赵林岳广阳刘广岳杜二计中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室青藏高原冰冻圈观测研究站甘肃兰州730000

CH4氧化是影响CH4排放通量的主要过程之一, 对CH4源汇效应起着重要作用.用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤在-10、-5、0、5、10和18 ℃等6个温度条件下1~72 h内CH4氧化速率进行研究. 结果表明：正温条件下, 各层土壤CH4... 详细信息

CH4氧化是影响CH4排放通量的主要过程之一, 对CH4源汇效应起着重要作用.用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤在-10、-5、0、5、10和18 ℃等6个温度条件下1~72 h内CH4氧化速率进行研究. 结果表明：正温条件下, 各层土壤CH4氧化速率呈现＂U＂型分布特征, 0~20 cm高、20~80 cm低、80~100 cm高;负温条件下, 各土层CH4氧化速率相对较低且无明显差异. -5、0、5、10和18 ℃时的CH4氧化速率分别是-10 ℃时的1.3、26.5、390.5、1 644.7和4 926.4倍, CH4氧化速率与温度之间呈现显著的指数关系. 正温条件下, 各深度平均的CH4氧化速率与时间呈现极显著的线性正相关关系;但CH4氧化速率变化范围存在着差异, 在0、5、10和18 ℃条件下, 各土层平均CH4氧化速率变异率为510%、173%、244%和179%, 0 ℃条件下的CH4氧化速率变异性最大. 在正温条件下, CH4氧化速率与土壤pH值存在负相关关系;冻土冻结时, CH4氧化速率与土壤pH值没有明显的相关性.

关键词：沼泽草甸土壤 CH4氧化速率多年冻土青藏高原

青藏高原各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果

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冰川冻土 2022年

作者：刘广岳邹德富杨斌杜二计周华云肖瑶赵林谭昌海胡国杰庞强强王武孙哲朱小凡殷秀峰汪凌霄李智斌谢昌卫中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站中国科学院大学中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心南京信息工程大学地理科学学院

青藏高原唐古拉山南北两侧在地形地貌、地理和气候特征上存在显著差异，多年冻土的发育状况和特征也明显不同。受第二次青藏高原综合科学考察研究等项目资助，多年冻土对亚洲水塔的影响专题考察分队分别于2019年和2020年的10—11月对唐... 详细信息

青藏高原唐古拉山南北两侧在地形地貌、地理和气候特征上存在显著差异，多年冻土的发育状况和特征也明显不同。受第二次青藏高原综合科学考察研究等项目资助，多年冻土对亚洲水塔的影响专题考察分队分别于2019年和2020年的10—11月对唐古拉山各拉丹冬南侧的色林错上游扎加藏布源区（简称“湖源区”）和北侧的长江上游沱沱河源区（简称“江源区”）进行了多年冻土野外考察。利用钻探、坑探、地球物理勘探等方法对多年冻土的分布边界、多年冻土剖面的地层、地下冰等特征进行了描述和取样，同步构建了多年冻土温度和活动层水热观测网络，为多年冻土对亚洲水塔影响的机理分析、数值模拟以及情景预估提供数据保障。对野外调查资料的初步分析认为，各拉丹冬南北两坡地层沉积类型和地下冰赋存状态存在明显差异，北坡多年冻土的热稳定性、地下冰含量、冰缘地貌类型多样性均高于南坡，但由于受到构造地热、河流融区等多种因素的影响，北坡的冻土分布形式更为复杂。江源区100m钻孔剖面揭示了连续分布的、厚度大于50m的地下冰；在该区域发现了多年生冻胀丘分布群，并利用钻探和地球物理勘探方法对该区域规模最大、结构最完整的冰核型冻胀丘进行了较为系统的勘察剖析。两次野外调查工作共采集钻孔岩心、表层土壤、冰水等各类样本近1.2万件，为后期区域冻土理化指标分析，冻土环境化学、古气候环境研究的开展奠定基础。

关键词：青藏高原第二次青藏科考多年冻土各拉丹冬色林错长江源

青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系

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冰川冻土 2013年第3期35卷 565-573页

作者：岳广阳赵林赵拥华杜二计王琦王志伟乔永平中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室/青藏高原冰冻圈观测研究站甘肃兰州730000

以青藏高原多年冻土区北界的西大滩为研究基点,选取多年冻土不同退化阶段的两个样地,对植被分布特征、冻土活动层和土壤特性等进行调查监测,同时分析不同活动层状态下土壤水热、养分和地表植被特征变化及相互间的作用关系.结果表明:西... 详细信息

以青藏高原多年冻土区北界的西大滩为研究基点,选取多年冻土不同退化阶段的两个样地,对植被分布特征、冻土活动层和土壤特性等进行调查监测,同时分析不同活动层状态下土壤水热、养分和地表植被特征变化及相互间的作用关系.结果表明:西大滩地区的植被以浅根系植物为主,0～10cm的表层土壤中地下生物量约占地下生物总量的63%和62.2%之多.在气候条件基本一致的情况下,多年冻土的存在情况及活动层土壤水热状况对植被生态系统的演变起决定性作用.高地表植被覆盖下的冻土土壤水热调节能力强,有助于延缓冻土退化过程.西大滩土壤全氮、碱解氮、速效钾与有机质含量密切相关,含量随冻土退化明显减少,且随土层深度的变化曲线表现为相同的趋势.土壤表层养分和速效养分受冻土退化程度的影响较大.

关键词：土壤性状植被特征多年冻土活动层西大滩青藏高原