黄土高原砂壤土冻融过程的观测和模拟

针对黄土高原冬季陆面过程,使用兰州皋兰地区冬季观测资料和水热耦合模式(SHAW),进行了观测资料和数值模拟分析.结果表明:冬季,黄土高原地区入射的太阳辐射较小,降水稀少,空气干燥,12月、 1月及2月的月平均气温均低于0℃,净辐射很小,积/融雪期间,净辐射出现了负值.地表能量分配中感热潜热都很小,但感热相对潜热占主要地位,在无降水时期日平均潜热通量几乎都在10W·m-2以下.水热耦合模式对地表能量中短波净辐射和长波净辐射模拟较好,感热通量和潜热通量的模拟存在一定的偏差.模式对浅层30cm和40cm土壤温度及土壤湿度模拟较为成功,模拟值对观测值的相关性较高,相关系数均达到0.87以上.土壤温度模拟偏高,土壤湿度的模拟稍偏低.     

草原生长期地表辐射和能量通量月平均日变化特征

利用2008年5—9月锡林浩特国家气候观象台辐射和通量观测资料,分析了锡林浩特典型草原生长期各辐射分能量和同期能量通量的月平均日变化以及地表能量闭合度.结果表明:草原生长期总辐射月平均日最大值出现在7月,平均日最大辐射强度达到753.14W·m-2,最小值出现在5月,为697.27W·m-2.受地表反照率和太阳总辐射的影响,生长期反射辐射最大值出现在5月份,平均日积分值为4.92MJ·m-2;9月份最小,平均日积分值为3.76MJ·m-2.生长期获得的辐射能量为1385.67MJ·m-2,平均净辐射(Rn)强度为104.52W·m-2;感热通量(H)共支出640.39MJ·m-2,日平均强度为53.40W·m-2;潜热通量(LH)共支出772.96M·m-2,日平均强度为55.10W·m-2.Rn和H+HL+G线性回归的结果显示,草原生长期日平均能量闭合率为90%,能量不闭合程度为10%.     

不同土壤热通量测算方法的比较及其对地表能量平衡闭合影响的研究

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,对其测算方法的研究对理解能量平衡过程具有十分重要的意义.利用2010年馆陶站土壤热通量等相关观测数据对多种测算土壤热通量的方法:实测土壤热通量和热储存量的结合方法(PlateCal)、热传导方程校正法(TDEC)、谐波分析法(HM)、平均土壤热电偶法(TCAV)、耦合热传导—对流法(ITCC)获取的地表土壤热通量进行了对比分析,并且采用最优方法计算馆陶站2008-2010年的地表土壤热通量,分析了该站土壤热通量日、季节变化特征.主要结论如下:①PlateCal和TDEC法分别为获取土壤热通量的最优观测与计算方法,而HM,TCAV和ITCC法计算结果均不理想;②PlateCal与TDEC法对地表土壤温度均不敏感,而HM法对地表土壤温度则比较敏感,各种地表土壤热通量的观测与计算方法均对土壤湿度敏感;③馆陶站冬小麦、玉米覆盖地表及地表裸露时期的地表土壤热通量均呈现典型的日、季节变化特征,与净辐射变化趋势一致;④考虑热储存后,可将馆陶站2010年各月地表能量闭合率提高4％～11％,对2008-2010年的年能量平衡闭合率提高3％～5％.     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

积雪升华过程对高寒湿地陆气相互作用的影响

利用青海玉树隆宝地区2014年12月积雪升华过程的观测资料,分析了积雪升华过程中高寒湿地陆气相互作用特征及积雪深度对陆气相互作用的影响。结果表明：在降雪和积雪升华过程中,高寒湿地浅层土壤温度在短时期内有所升高,而深层土壤温度和土壤体积含水量对降雪过程的响应不敏感。积雪升华过程中净辐射、感热通量和潜热通量的日平均值增加,向上短波辐射的日平均值减少。积雪逐渐升华导致地表吸收的能量增加,同时地表向大气传递的能量也随之增加。随着积雪的逐步升华,感热占比和潜热占比逐渐升高,而土壤热通量占比和热储存占比逐渐降低。积雪深度增加会导致地表反照率和地表比辐射率增大,感热输送系数减小。     

地表能量变化对多年冻土活动层融化过程的影响

利用青藏高原北部唐古拉综合观测场2006-2008年辐射平衡及活动层温度观测资料,分析了高原北部地表能量变化对活动层融化过程的影响.结果显示：该地地表能量具有明显的季节变化特征,总辐射、净辐射、土壤热通量及地面热源强度6-7月最大,11-12月最小;研究时段土壤热通量年平均值0.12MJ.m-2.d-1,活动层土壤以吸...     

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪（EC）在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪（LAS）的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明：LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

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.     

祁连山冻土区天然气水合物储层岩石热物性实验研究

采用扫描电镜测试了祁连山冻土区天然气水合物储层泥岩和砂岩微观结构。在显微镜下观察到,泥岩由微小均匀的片状多边形块体构成,这种微观结构使得泥岩中水合物以浸染状赋存;而砂岩内部存在分散状孔隙,砂岩中水合物为孔隙赋存。采用瞬变平面热源法测试了含甲烷水合物储层岩石的导热系数和热扩散率。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩导热系数为0577~0853 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层泥岩导热系数为0704~1050 W·m-1·K-1。在温度为-811~928 ℃时,干砂岩导热系数为0828~1271 W·m-1·K-1,含甲烷水合物储层砂岩导热系数为3850~4555 W·m-1·K-1。在温度为-941~941 ℃时,干泥岩热扩散率为0712~0894 mm2·s-1,含甲烷水合物储层泥岩热扩散率为0792~1006 mm2·s-1,干砂岩热扩散率为1198~1674 mm2·s-1,含甲烷水合物储层砂岩热扩散率为1403~1769 mm2·s-1。测试数据表明,对于孔隙型水合物,测定导热系数是一种较好的辨识水合物存在的辅助手段。     

神农架大九湖泥炭湿地CH4通量特征及其影响因子

开展大九湖湿地生态系统CH₄通量研究,对深入了解碳循环机制、科学经营以及准确评估湿地生态系统碳收支等方面具有重要意义.以湖北省神农架林区大九湖亚高山泥炭湿地为研究区域,采用涡度相关法对CH₄通量进行原位连续观测,分析了泥炭湿地CH₄通量变化特征及其影响因素.结果表明,大九湖泥炭湿地在2015年8月至2016年5月期间表现为CH₄的源,日通量均值为15.57 nmol·m-2·s-1.CH₄通量具有“夜间极大值”(2:00或22:00) 和“三峰模式”(6:00、12:00和22:00) 两种昼夜变化规律;CH₄通量具有明显季节变化规律,8月释放最多(36.46 nmol·m-2·s-1),3月释放最少(3.92 nmol·m-2·s-1).相关性分析表明,大九湖泥炭湿地CH₄通量受空气温度(T_a)、土壤温度(T_s)、土壤含水量(SWC)和摩擦风速(U*)的共同影响;不同时间尺度上,各影响因子与CH₄通量的相关性有所差异.曲线拟合得出,CH₄通量与T_a和T_s呈指数增长趋势,与SWC呈二次曲线关系.      

神农架大九湖泥炭湿地甲烷通量特征及其与土壤微生物群落组成的关系

虽然神农架大九湖泥炭湿地的甲烷排放特征、土壤微生物群落组成已有一些研究,但是关于微生物群落与甲烷排放量的关系及影响的研究不多.采用涡度相关法和高通量测序技术,探讨2016年3月~2017年2月微生物对大九湖泥炭湿地CH₄通量排放的影响.结果表明,大九湖泥炭湿地研究期间表现为CH₄的源,年总排放量5 566.27 mg·m-2,日平均排放速率10.96 nmol·m-2·s-1;春、夏、秋、冬四季的平均通量分别为12.06、22.47、3.02、2.92 nmol·m-2·s-1;研究区优势菌为泉古菌（54.6%）、广古菌（18.9%）、酸杆菌（12.6%）等.对不同季节样品Shannon指数进行单因素分析,p值为0.000 127,分析结果表明:CH₄月通量变化均呈明显的倒“U”型;夏季CH₄通量最高,冬季最低;不同季节的微生物群落物种多样性存在显著差异;夏季、冬季微生物群落组成与CH₄通量分别呈显著正相关、显著负相关;未鉴别出的菌群和俭菌总门与CH₄通量呈极显著正相关关系,泉古菌门与CH₄通量呈极显著负相关关系.      

土壤氡析出率活性炭累积吸附法

为解决大面积多点快速土壤氡析出率测量问题, 设计开发并进行了土壤氡析出率活性炭累积吸附法的方法技术研究.在参考氡析出率装置和野外实验数据的基础上, 进行了测量装置及材料的选择、装置刻度、野外累积暴露时间、活性炭盒吸附氡有效衰变常数等研究.通过2002-2003年22次重复观测, 北京西北郊区粘土类土壤氡析出率平均值为20.15mBq.m-2.s-1, 最大值和最小值分别为26.75和13.49mBq.m-2.s-1, 标准偏差为3.55mBq.m-2.s-1.与仪器静电收集法比对结果表明, 两种方法的相对误差小于±10%.实验结果表明: 活性炭方法测量结果稳定可靠, 简便易行, 适用于全国大面积土壤氡析出率调查.      

祁连山中部亚高山草地土壤呼吸及其组分研究

草地碳通量组分的区分及其与环境因子的关系是了解生态系统碳循环的重要环节。于2013年6-8月在祁连山中部亚高山草地开展了土壤呼吸及其组分研究,利用根去除法区分根系自养呼吸和土壤微生物异养呼吸。采用LI-8100土壤碳通量系统测定生态系统呼吸、土壤呼吸及土壤微生物呼吸速率,同时测定10cm处土壤温度和5cm处土壤湿度。分析呼吸速率和环境因子的昼夜变化动态,自养呼吸和异养呼吸速率占土壤呼吸速率的比例,呼吸速率与土壤温湿度及与生物量的关系。结果表明：生态系统呼吸、土壤呼吸和土壤微生物呼吸速率的日变化趋势均呈单峰型曲线,具体表现为生态系统呼吸（11.07μmol · m^-2 ·s^-1）>土壤呼吸（6.31μmol·m^-2·s^-1）>异养呼吸（4.92μmol·m^-2 ·s^-1）>自养呼吸（1.39μmol·m^-2·s^-1）;自养和异养呼吸速率分别占土壤呼吸速率的22.03%和77.97%;呼吸速率与10cm处土壤温度呈指数相关,Q₁₀值排序为：土壤微生物呼吸（Q₁₀=3.74）>土壤呼吸（Q₁₀=2.76）>生态系统呼吸（Q₁₀=2.49）,呼吸速率与5cm处土壤湿度呈显著线性负相关关系,双因素模型明显提高了呼吸速率与温湿度的相关性,能够分别解释土壤微生物呼吸,土壤呼吸和生态系统呼吸速率变异的89%,79%和62%;地上生物量和呼吸速率之间存在显著线性正相关关系,地下生物量与呼吸速率之间呈二次回归关系（P=0.01）,未刈割草地呼吸速率大于刈割草地土壤呼吸速率,刈割一年的土壤呼吸速率大于刈割两年的土壤呼吸速率。     

二连盆地白音查干凹陷和乌里雅斯太凹陷岩石热导率测试与分析

岩石热导率是地热理论和应用研究中十分重要的参数,对于地热资源评估、大地热流分析、深部热状态及岩石圈热结构等相关研究提供了基础数据支撑。本文从二连盆地白音查干凹陷和乌利亚斯太凹陷采集了98块基本覆盖白垩系各地层的钻井岩芯样品,在实验室条件下对它们进行了岩石热导率测试,并收集了前人对31个样品的测试结果,进而结合孔隙度、钻孔实测温度和深度数据,对实验室条件下的测试数据进行了饱水校正和温压校正。测试样品包括泥岩、砂岩、砾岩、片岩和玄武岩,孔隙度在2%~20%之间,采样深度在117.8~3159.5m范围内,对应的温度和压力范围分别为13.5~118.6℃、2.89~77.41MPa。实测结果表明5种不同岩性岩石样品的热导率变化范围为0.89~4.91W/(m·K)。经过饱水和温压校正后,泥岩、砂岩、砾岩、页岩和玄武岩的平均热导率分别为2.08±0.36W/(m·K)、2.28±0.50W/(m·K)、2.53±0.44W/(m·K)、4.16±0.76W/(m·K)、1.33±0.09W/(m·K)。5种岩性中片岩平均热导率值最大,玄武岩平均热导率值最小,沉积岩介于两者之间,总体上具有随深度增大而增加的趋势。饱水、温度和压力校正后的热导率比干样热导率高。结合研究区内各个地层砂岩和泥岩所占比计算得到白音查干凹陷和乌里雅斯太凹陷白垩系地层热导率分别为2.00W/(m·K)和2.17W/(m·K)。结合钻孔测温数据,计算得到二连盆地大地热流值介于74~85mW/m^2,明显高于中国大陆地区平均热流值61.5mW/m^2。本文的研究成果对二连盆地以及华北北缘的地热资源,深部热状态和岩石圈结构都有意义。     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

天山南坡科契卡尔巴西冰川消融期雪面能量平衡研究

根据2005年6～9月的野外观测资料,计算了天山南坡科契卡尔巴西冰川积雪表面的能量平衡各分量,其中感热和潜热采用空气动力学-梯度方法计算得到,净辐射由观测获得.结果表明,消融期净辐射是雪面最主要的能量来源,占能量收入的81.4%,平均值为63.3 W·m^-2;其次为感热供热,占18.6%,为14.4 W·m^-2.吸收的热量主要通过融化和蒸发两种方式消耗,融化和蒸发耗热分别为54.0 W·m^-2和23.0 W·m^-2,占能量总支出的69.5%和29.7%,剩下的0.8%由感热消耗.在积雪表面的能量组成中,感热值在6月和9月较大而8月较小;对于潜热来说,6月潜热交换绝对值最大,蒸发最强烈,这与6月风速大且天气晴好有关.另一方面,净辐射值较大的6月和9月融化热较多,说明此时段冰川消融较为强烈.     

贵州主要城市浅层地热能利用潜力评价

作为清洁、新型、可再生的绿色能源,浅层地热能对缓解城市节能、减排等问题有很大的帮助。为评价贵州省贵阳市、遵义市、兴义市、铜仁市、六盘水市、凯里市、都匀市、毕节市、安顺市及贵安新区10个地级市和国家级经济开发区的浅层地热能利用潜力,文章根据浅层地热能赋存环境调查、现场热响应试验及岩土体热物性测试结果等综合分析,计算出贵州主要城市地表以下100 m深度内的浅层地热能总热容量为35.20×1013kJ·℃-1,夏季换热功率为520.2×104kW,冬季换热功率为342.3×104kW;并在此基础上,评价了贵州主要城市浅层地热能的资源潜力,夏季可制冷面积为7.43×108 m2,冬季可供暖面积为6.51×108m2。