寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ)：模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础. 以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明：4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R²分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R²为0.72和0.93. 总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.     

正冻土中水分场和温度场耦合过程的动态观测与分析

在观测正冻土冻结过程中水分场和温度场随时间变化规律的基础上, 引用Flerchinger建立的垂直一维冻土系统水、热流耦合模型及相关的联系方程和边界条件对所测的结果进行数值模拟, 证明其模型在工程上的准确性与适用性.     

基于LSTM的青藏高原冻土区典型小流域径流模拟及预测

冻土覆盖率高的小流域的径流形成受温度因素控制明显,普通水文模型不适用,而常规冻土水文模型因需要较多的气象观测要素而难以应用。考虑冻土流域产流机制,利用青藏高原腹地风火山小流域2017—2018年逐日降水、气温、径流观测数据,以降水、气温为输入,径流为输出,基于长短期记忆神经网络（LSTM）建立了适用于小流域尺度的冻土水文模型,并利用2019年观测数据进行验证。模型得益于LSTM特殊的细胞状态和门结构能够学习、反映活动层冻融过程和土壤含水量变化,具有一定的冻土水文学意义,能很好地模拟冻土区径流过程。模型训练期R²、NSE均为0.93,RMSE为0.63 m³·s^-1,验证期R²、NSE分别为0.81、0.77,RMSE为0.69 m³·s^-1。同时,为了验证模型可靠性,将模型应用于邻近的沱沱河流域,模型训练期（1990—2009年）R²、NSE均为0.73,验证期（2010—2019年）R²、NSE分别为0.66、0.64,模拟结果较好。考虑到未来气候变化,通过模型对风火山流域径流进行了预测：降水每增加10%,年径流增加约12%;气温每升高0.5 ℃,年径流增加约1%;春季融化期、秋季冻结期径流增幅明显,而由于蒸发加剧、活动层加深,径流在8月出现了减少。模型经训练后依靠降水、气温作为输入能较好地模拟、预测青藏高原冻土区小流域径流,为缺少土壤温度、水分等观测数据的冻土小流域径流研究提供了一种简单有效并具有一定物理意义的方法。     

ERA-Interim地表温度数据集在青藏高原冻土分布制图应用的适用性评估

地表温度综合反映了大气、植被和土壤等因素的能量交换状况, 是冻土分布模型和一些寒区陆面过程模式的上边界条件, 对多年冻土分布制图和活动层厚度估算有重要意义. 为了评估ERA-Interim 地表温度产品在青藏高原地区的适用性, 综合比较了青藏高原69个海拔2 000 m以上气象站1981-2013年地面实际观测值与ERA-Interim之间的差异及其分布状况. 结果表明, 两种资料的变化趋势一致, 但是ERA-Interim地表温度在数值上与实际观测值差别显著, 平均偏低7.4℃. 原因之一可能是由ERA-Interim再分析资料格点的海拔高度与气象站实际海拔高度差异引起的. 根据两种温度产品之间海拔的差异, 对ERA-Interim地表温度重新进行模拟, 经过模拟后的ERA-Interim地表温度与实际观测值的差值在大部分气象站变小, 平均偏高0.4℃. 因此, 经过重新模拟的ERA-Interim地表温度基本能够反映青藏高原地表温度的真实情况. 以模拟后的ERA-Interim地表温度作为地面冻结数模型的输入参数模拟了青藏高原冻土分布, 结果表明青藏高原多年冻土区面积为1.14×10⁶ km², 季节冻土区面积为1.43×10⁶km².     

祁连山大通河源区冻土特征及变化趋势

大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km^-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a^-1的速率上升.     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情境下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高降低土壤含水量和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

基于KNN机器学习方法对青藏高原唐古拉地区表层土壤水热状况的模拟

利用唐古拉站2004—2012年气象观测资料,基于KNN算法,结合机器学习思想,建立了一个气象回归模型,模拟了2005年唐古拉地区表层土壤水热变化趋势,结合实测数据,将模拟值与观测值进行对比,并对模型模拟效果进行了评估。结果表明：KNN模型能够较好地模拟活动层表层土壤水热状况,各层土壤温度的模拟值与观测值的相关系数均在0.99以上,均方根误差在1.25 ℃以内;不同深度土壤水分的模拟值与观测值的相关系数均在0.95以上,均方根误差在0.02 m³?m^-3以内。总体上,KNN模型能够对青藏高原多年冻土区唐古拉地区表层土壤水热状况进行较为精确地模拟,该模型对于青藏高原其他地区的适用性有待进一步研究验证。     

中国天山西部那拉提山地区多年冻土分布特征

那拉提山位于中国天山西部, 其冻土变化过程对区域自然环境变化、 工程活动产生重要互馈作用. 结合即将修建的新疆伊(宁)-库(车)输电线路前期的冻土勘察结果, 对那拉提山地区冻土分布特性、 主要影响因素等进行了探讨. 结果表明: 那拉提山地区冻土分布属于典型的山地多年冻土, 冻土发育区域、 冻土类型和地下冰空间发育特征及冻土温度状况等主要受到海拔、 地形地貌、 地表水分条件等因素的影响和控制. 同时, 该地区大量发育有泥流阶地、 泥流舌、 热融滑塌、 石环、 石河等冰缘现象. 受坡向、 植被、 水分等因素影响, 区域内冻土活动层厚度为0.7~4.5 m, 随着海拔增加, 冻土厚度由阳坡连续多年冻土下界(海拔3 000 m)附近的约20~22 m增加到海拔3 300 m附近的约70~100 m. 自1985年以来, 区域年平均气温上升(约0.088℃·a^-1), 该区域内的冻土退化趋势明显.     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情况下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高会降低土壤含水率和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

青藏高原多年冻土区地温年变化深度的变化规律及影响因素

地温年变化深度的准确判断对于多年冻土发育特征评估、寒区冻土模式下边界深度的确定具有重要意义.通过对青藏高原地区典型钻孔地温数据进行分析,初步揭示了多年冻土地温年变化深度的变化规律及其影响因素,并提出一种简化了地表和活动层状态影响的地温年变化深度估算方法.结果表明：研究区低温冻土的地温年变化深度平均值比高温冻土大4.6 m,随着冻土温度升高,地温年变化深度基本上呈减小趋势,部分低温冻土钻孔由于土层含水率过高导致地温年变化深度相对较小;由于活动层水热动态和冻融过程的影响,地温年变化深度与浅层（0.5 m）温度年较差相关性不显著,而与多年冻土上限附近温度年较差的大小呈显著正相关关系;地层介质的热扩散率差异是导致地温年变化深度区域差异和变化的主要原因,土层含水率、温度、质地以及水的相态是影响地层热物理性质重要因素.     

冻土地区风的作用分析--以青藏铁路沿线多年冻土为例

在广大的冻土地区,尤其是常年多风的冻土地区,空气与地面之间的热交换不仅仅表现为传导、自然对流和辐射。在风的作用下,地表上部空气的强制对流和表土层中的水分蒸发大大增强,对冻土层的热状况产生重要的影响。对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5 m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3～3.5℃以上;同时,对于表土层潮湿的冻土地区而言,水分的蒸发也将会带走土体中的大量热量。从冻土地区风作用的概念——冻土地区的风降低地表温度、促进下伏冻土发育的作用出发,分析了影响冻土地区风降温作用的诸多因素,给出在强风、表土含水量大的条件下,风作用表现得非常显著的结论。然后,通过对比、分析青藏铁路北麓河试验段的2个工程实例,验证了风的作用对冻土温度状况的重要影响。最后,给出了风作用在冻土地区若干基础工程实践中直接或间接的应用,以及利用风的降温作用来保护冻土的工程措施的使用条件和局限性。     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地区活动层土壤水热特征模拟

利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料, 结合SHAW模型在3种不同地表反照率选取方案下进行模拟试验, 对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究.通过观测值与3种模拟值的对比分析, 结果表明: SHAW模型能够较为好地模拟多年冻土区地表能量通量、 活动层土壤温度特征, 而对土壤含水量模拟不太理想, 但对其变化趋势模拟较好; 在模拟试验中, 模型输入参数地表反照率取1-12月各月平均地表反照率后, 模型对地表能量通量、 活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高; 而用一种地表反照率参数化方案的计算结果对模型输入参数进行修正后, 模型对活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高, 对地表能量通量的模拟效果提高不明显.总体上, SHAW模型对高原多年冻土区土壤冻融过程的模拟具有优势, 是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较为理想的陆面模型.     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

The role of rainfall in the thermal-moisture dynamics of the active layer at Beiluhe of Qinghai-Tibetan plateau

The active layer in permafrost regions plays an important role in energy exchange between permafrost and atmosphere. Rainfall is one of the dominant factors affecting thermal-moisture dynamics of the active layer. To better understand the thermal-moisture dynamics and the interaction between rainfall and the active layer in-detail, in situ experiment was carried out and soil temperature, soil moisture and soil heat flux of the active layer were measured from 2007 to 2009. The observation data demonstrated that the volumetric soil water content of the active layer remained fairly constant during the winter and had a notable fluctuation resulted from evapotranspiration and rewetting from rainfall events in summer. The daily variation amplitude of soil temperature and soil heat flux in summer was bigger than that in winter. Soil moisture content increased and soil temperature decreased after rainfall. Rainfall in summer led to the change of surface energy balance and caused subsurface soil cooling. The convective heat transfer from water infiltration reduced the temperature gradient along depth and changed near-surface heat fluxes. The increase in rainfall may mitigate permafrost degradation on the Tibetan Plateau.     

冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析

活动层含水量是表征多年冻土区气候、水文和生态过程的关键参数。长期以来,由于受多年冻土区活动层水分实测样点数量稀少的限制,各类基于遥感反演、模式模拟乃至数据融合和同化等手段生产的土壤水分空间数据均存在着较大的误差。2020年10—11月在青藏高原腹地（沱沱河源区）测定了 1 072组活动层土壤含水量数据并进行分析,探讨了该时段该区域活动层土壤水分的空间差异,并与全球陆面数据同化系统数据产品（GLDAS-Noah）和欧洲中期天气预报中心发布的第五代再分析资料（ERA5-Land）进行了对比分析。结果表明,在该区域平均厚度为2.72 m的活动层内,土壤质量含水量（总含水量）约为14.0%,活动层土壤含水量与植被发育情况存在正相关关系。除高寒沼泽草甸类型外,高寒草甸与高寒草原类型的活动层含水量随深度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。不同坡位类型的活动层含水量呈上坡位>下坡位>中坡位>平坡位,阳坡水分高于阴坡且两者活动层剖面水分变化相似。多年冻土区浅表层0~350 cm深度范围内的土壤含水量大于区内融区同深度的土壤含水量,两者土壤剖面水分分布均呈现出先增大后减小再增大的特征。该区域的GLDAS-Noah同化水分产品与实测数据对比的误差在10%以内,比ERA5-Land再分析土壤水分数据更为准确,但两种数据产品对土壤剖面上的水分垂直分布情况描述均与实测数据有较大差异。该研究结果可以为数据同化系统的模式冻融参数化方案优化及遥感水分产品研发提供科学依据。