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高原气象 2024年

作者：侯雅李伟平左金清中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室中国气象局地球系统数值预报中心中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有... 详细信息

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分，其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程，并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此，研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制，总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果，包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言，砾石具有高导热率和低热容，有机质具有低导热率和高热容，他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外，砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用，进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明：（1）当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算，其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响，该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性；综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用，对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。（2）过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实；相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实；导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用，改善了对冻土区水文过程的模拟效果。（3）土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化，水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征，细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。（4）等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征，导致对冻融深度的严重高估或低估，尤其是对厚度较大的模式深层土壤，冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括：绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实；虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响，但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节；模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件，这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

关键词：土壤冻融过程参数化方案土壤导热率土壤水文参数冻融锋水热耦合

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基于土壤相对凋萎湿度构建的干旱监测指标在云南的应用分析

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干旱地区农业研究 2022年第4期40卷 255-264页

作者：马思源何雨芩金燕张明达闫伟兄范立张云南省气候中心云南昆明650034 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室宁夏银川750004 宁夏回族自治区气象科学研究所宁夏银川750004

在分析云南土壤水文参数的基础上,构建基于土壤相对凋萎湿度的干旱监测指标I_(RWM),并分析其在云南地区的适用性。结果表明:云南0~20 cm土层土壤水文参数空间分布较为一致,土壤水分利用率总体呈现东高西低,南高北低的特点;从I_(RWM)指... 详细信息

在分析云南土壤水文参数的基础上,构建基于土壤相对凋萎湿度的干旱监测指标I_(RWM),并分析其在云南地区的适用性。结果表明:云南0~20 cm土层土壤水文参数空间分布较为一致,土壤水分利用率总体呈现东高西低,南高北低的特点;从I_(RWM)指标来看,云南轻旱、中旱、重旱和特旱上限对应的土壤相对湿度分别为45.6%、36.5%、27.5%和18.4%;当大部地区土壤相对湿度低于60%时,云南发生中等干旱灾害的可能极大;云南的西部边缘地区对土壤水分更为敏感,有旱情发展波动大的特点;在干旱监测中,I_(RWM)指标能够降低极端降水对旱情监测的干扰,且对干旱灾害的描述与实际更接近。综合来看,I_(RWM)指标在云南的适用性优于MCI指数。

关键词：干旱监测土壤水文参数土壤相对凋萎湿度 MCI指数云南省

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WRF中土壤图及参数表的更新对华北夏季预报的影响研究

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气象学报 2019年第6期77卷 1028-1040页

作者：卢冰王薇杨扬仲跻芹陈敏北京城市气象研究院北京100089 美国国家大气研究中心科罗拉多博尔德80307

土壤质地及其物理性质的参数化对陆面过程模拟具有明显的影响。研究了土壤质地和土壤水文参数表的更新对WRF(Weather Research and Forecasting)模拟性能的影响。使用北京师范大学土壤属性数据集和修正后的土壤水文参数表替换WRF默认数... 详细信息

土壤质地及其物理性质的参数化对陆面过程模拟具有明显的影响。研究了土壤质地和土壤水文参数表的更新对WRF(Weather Research and Forecasting)模拟性能的影响。使用北京师范大学土壤属性数据集和修正后的土壤水文参数表替换WRF默认数据,对2017年6-8月华北地区开展数值模拟试验和评估验证。结果表明,模拟结果对土壤类型数据集和水文参数表的更新较为敏感,对地面要素预报有正效果。WRF默认土壤数据集中,中国东部以粘壤土为主,而在北京师范大学土壤数据集里则以壤土为主;修正后的土壤水文参数在Noah陆面过程中增强了裸土潜热蒸发能力。数值模拟试验表明,土壤输入数据和土壤水文参数的更新能够增强陆面向大气的潜热同时减弱感热输送,致使大气底层温度降低而湿度增大。利用华北区域748个地面气象观测站的2 m温度和2 m湿度对2017年夏季的模拟结果进行验证,结果显示更新试验对地面要素的预报偏差有较好的修正作用,能够将2 m温、湿度的预报技巧分别提高3.4%和2.9%。

关键词： Noah陆面模式土壤类型土壤水文参数 2 m温、湿度

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华北平原区大埋深土壤水文特征研究

华北平原区大埋深土壤水文特征研究

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作者：高子旭兰州理工大学

学位级别：硕士

深入开展华北平原区大埋深土壤水文特性研究不仅是深入认识土壤水文过程的基础,同时对完善水文研究及区域生态保护治理等具有较深的理论和实践基础,也为华北平原大埋深地下水补给排泄机制及调控机理研究提供科学依据。本文选取延庆县康... 详细信息

深入开展华北平原区大埋深土壤水文特性研究不仅是深入认识土壤水文过程的基础,同时对完善水文研究及区域生态保护治理等具有较深的理论和实践基础,也为华北平原大埋深地下水补给排泄机制及调控机理研究提供科学依据。本文选取延庆县康庄镇为华北平原西北试验区、顺义区木林镇为华北平原东北试验区、通州区永乐店镇为华北平原东南试验区,对试验区进行野外考察,确定适宜的取样点,获取各取样点的空间位置信息、土壤剖面以及试验所需的原状土样等资料,根据野外取样的难易程度提出大埋深土壤等效取样机理并验证其可行性;在室内测定样品的土壤水文参数,详细分析不同埋深条件下土壤物理性质及土壤水动力学参数的统计特性、相关性及空间分布规律;详细研究土壤容重与饱和含水量、渗透系数以及饱和导水率等水文参数的响应关系。详细分析以上所提及的研究内容之后,将分析出的结论总结为如下几点。(1)保证土壤在同一质地的条件下,应用土壤竖向附加应力特性,计算出不同土层竖向应力等效的取样点。通过研究分析取样点和等效取样点的土壤水文参数,发现容重和饱和含水量变化幅度相对较小,取样点和等效取样点的渗透系数及土壤水分特征曲线呈高度相关。由此表明,等效取样的方法在野外取样过程中是可行的。(2)基于传统统计学和地统计学方法,详细分析了不同埋深条件下土壤水文参数的统计特征、变化趋势、相关性以及空间分布规律。结果表明,土壤质地随埋深变化表现出明显的层次性,比如延庆试验区土壤质地属于中间夹层型模式(壤夹黏);通州试验区土壤质地属于通体均一型模式(通体壤);顺义试验区土壤质地属于上重下轻型模式(壤盖砂)。土壤质地随埋深变化表现出明显的层次性使得土壤容重呈一定的空间变异规律。其中,延庆、通州、顺义试验区各层土壤剖面的容重分别随土壤埋深的增加呈先减小后增大、逐渐减小、先增大后减少的趋势;饱和含水量与容重之间的响应关系呈显著负相关性,在土壤埋深变化的条件下,饱和含水量的变化趋势与容重随埋深变化的趋势相反。(3)土壤渗透系数随埋深变异性显著,随着土壤埋深的增加,土壤渗透系数呈先增大后逐渐减小的趋势,它也随土壤容重的增加呈减少趋势,当容重变化幅度较小时,土壤渗透系数也较为集中。另外在土壤表层0-1m之间,受到人类活动等影响,表层土壤较为密实,渗透系数较小;在1-3m之间,土壤渗透系数最大,之后随着埋深增加,渗透系数逐渐减小。(4)由延庆试验区大埋深土壤水分特征曲线得出,土壤水吸力随着土壤含水量的增加呈逐渐降低的趋势;在同一土壤吸力条件下,壤质黏土比粉砂质壤土的含水量大;在同一土壤吸力条件下,砂质粘壤土比粘壤土的含水量大。土壤饱和导水率数值波动频繁,随埋深的增加无明显变化规律。但表层土壤的饱和导水率明显比其他埋深的饱和导水率大,其主要原因是人类耕作增强了表层土壤水分的通透性。另外顺义试验区除了表层土壤的饱和导水率数值较大外,在埋深1.5m处的土壤饱和导水率值也较大,这是由于土壤质地从粉砂质壤土变为砂土。

关键词：华北平原区大埋深土壤水文参数等效取样土壤容重

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