土壤中热量传输计算的研究进展与展望

土壤中热量传输计算的研究分为土壤热通量计算方法和土壤导温率计算方法两方面的成果. 目前已有土壤热通量的计算方法, 在土壤表层可以得到较好结果, 但在土壤深层的适用性无法确定. 多孔介质模型和考虑水的渗流造成的影响, 是多年冻土区土壤导温率的计算方法的研究方面新的进展. 为研究青藏铁路沿线冻土演化趋势找到合适的土壤热量传输计算方案, 应是今后工作的一个重点.     

土壤冻融过程中的多层水热耦合模拟研究

为准确模拟土壤冻融过程中温湿度变化以及水热传递规律,以支撑寒区水循环及其对气候变化的响应研究,在国内具有自主知识产权的WEP-L模型基础上,通过添加土壤层水热耦合计算模块,细化土壤分层结构,构建了多层水热耦合模型。根据吉林省前郭灌区土壤冻融原位实验,确定了模型中的土壤水热参数,并用2011~2012年完整冻融周期内实测的土壤温度和含水率数据进行了模型验证。结果表明,模型能较好的模拟不同深度土层的温湿度变化规律,其中土壤温度模拟的平均NASH效率系数为0.752,土壤含水率和土壤冻结深度的模拟结果和实测值的变化规律较一致。     

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％.     

非均质土壤饱和稳定流中盐分运移的传递函数模拟

对室内人工构造的两种非均质土柱,以传递函数模型作为模拟手段,研究了稳定流场中饱和非均质土壤盐分优先运移的随机特征。首先计算了模型参数μ和σ2,获得了氯离子在非均质土壤中迁移时间的概率密度函数,然后应用传递函数模型对土柱中氯离子的出流浓度动态进行了随机模拟,并对非均质土壤中氯离子的均值和中值迁移时间及相应的运移体积与可动体积进行了分析和讨论,还依据质量守衡原理获得了土壤溶液中氯离子平均驻留浓度的变化。     

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日-2005年12月31日土壤温度、含水量资料, 分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征. 结果表明: D105点40 cm深度以上土壤温度日变化明显, 随着深度增加, 土壤温度日变化相位明显滞后. 各层土壤温度月最高值出现在8-9月, 月最低值都出现在1-2月; 年际气候的差异至少可以反映到185 cm深处的土壤. 土壤冻结和消融都是由表层开始, 土壤随深度增加冻结快, 消融则慢. 冻结期间, 土壤温度分布上部低, 下部高; 消融期间, 则分布相反. 60 cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动, 表明60 cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁. 土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响; 土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配. 因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.     

土壤热导率的研究现状及其进展

土壤热导率是重要的土壤热参数之一, 在下垫面土壤热量的传输中起到重要作用; 同时也是区域气候模式、 陆面过程模式中重要的输入参数, 在预估未来气候变化等方面也具有重要作用. 根据国内外的研究现状, 评述了土壤热导率的影响因素和模拟方案. 其中, 土壤质地、 温度、 含水(冰)量和孔隙度等是影响土壤热导率的主要因素, 特别在研究冻土时需重点分析含冰量的变化. 结合影响因素, 比较分析了典型的国内外计算土壤热导率的模型, 得出这些模型多适用于模拟常温下的热导率, 低温条件如青藏高原冻土区模拟结果并不理想. 因此, 多年冻土区土壤热导率的研究多基于观测资料计算或使用陆面模式中的参数化方案估算, 但因多年冻土内部水热传输过程的复杂性, 青藏高原多年冻土区热导率的模型模拟仍需进一步研究.     

青藏高原中部冻土环境下土壤水分监测

利用2006-2007年冬季青藏高原中部那曲布交(BJ)站测量的土壤水势、未冻水含量以及土壤温度资料, 分析了冻土环境下土壤水势、 未冻水含量和土壤温度三者的关系. 结果表明: 青藏高原中部冻土环境下, 土壤水势随着土壤温度及未冻水含量的变化而变化, 土壤质地是决定土壤水势的一个重要因素;未冻水含量与土壤温度保持着动态平衡, 随着土壤温度的降低, 未冻水含量减小, 土壤水势也随之减小;20 cm处砂质壤土的未冻水含量与土壤温度呈指数函数关系, 土壤水势与未冻水含量可用二次曲线拟合, 土壤水势与土壤温度呈指数函数关系;Clausius-Clapeyron方程对于计算青藏高原中部非饱和冻土水势存在局限性.     

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。     

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.     

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.     

Estimating apparent thermal diffusivity of soil using field temperature time series

Reliable estimates of soil thermal properties such as heat capacity, thermal conductivity, and diffusivity are important in analysis of heat transmission through soils in applications such as shallow geothermal applications, buried electrical conduits, and in general heat/fluid flow analyses. A number of analytical, numerical and experimental methods are available to determine the soil thermal properties. In this paper, the analytical and numerical methods developed on the basis of one-dimensional heat conduction equation are used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil. Three of the four analytical methods, Amplitude, Phase, and Arctangent provide explicit equations for the apparent thermal diffusivity. Two methods, Harmonic and Numerical, make use of large number of temperature measurements to implicitly solve for the apparent thermal diffusivity. The temperature time series data monitored at different depths in two field sites in Melbourne, Australia for more than 2 year period were used to estimate the apparent thermal diffusivity of soil down to 2 m depth. The apparent thermal diffusivity was calculated using all five methods and compared with laboratory experimental results. The effectiveness of each method in predicting the thermal diffusivity was compared and observed discrepancies were discussed. Finally, the observed soil temperature data for a 12 month period are used to model the temperature variation in the ground analytically using Harmonic method and the model prediction for the following 12 month was compared independently with the field measurements. The analytical model prediction is found to be in good agreement with the field monitored data.     

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.     

温度对土壤水分运动基本参数的影响

为探讨土壤温度变化对土壤中水分运动过程和运动参数影响机理,在室内实验的基础上结合理论探讨,对不同温度条件下实验土壤的水分特征曲线、导水率、扩散率和比水容量等土壤水分运动基本参数的温度效应进行了研究分析.结果表明:土壤温度对土壤水分性质及土壤结构性质影响显著,二者共同作用使得土壤水分运动过程发生改变,且其影响效应可通过土...     

Parameter estimation based on vertical heat transport in the surficial zone

Measured groundwater temperatures in the surficial zone are dependent on the properties of porous media and vertical flow velocity. Sensitivity analyses, collinear diagnostics and an inverse numerical solution to the one-dimensional heat-transport equation are used to determine which parameters can be estimated from temperature measurements in the surficial zone. This is done for heat transport in the saturated zone considering a constant vertical flow velocity. The use of temperature profiles, temperature time-series and temperature envelopes are considered. There is an important difference between a conduction and a convection dominated system. Sensitivity analysis shows that temperature measurements are sensitive to effective thermal conductivity and heat capacity and are insensitive to effective porosity and thermal dispersivity. In a conduction dominated system, temperature is also insensitive for vertical velocity. Collinear diagnostics show that in a conduction dominated system, only the combination of heat capacity and effective thermal conductivity, the thermal diffusivity, can be derived. In a convection dominated system, both the vertical velocity and the effective thermal conductivity can, theoretically, be derived.     

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

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。     

Estimation of surface temperature from MONTBLEX data

It is observed that the daily mean temperature of the soil is linear with depth and the variation of the temperature is sinusoidal with a period of a day. Based on these observations the one-dimensional heat conduction equation for the soil can be solved which gives the amplitude and phase variation of the temperature wave with depth. Given the temperature data at three levels below the surface, the amplitude and phase variation and hence the surface temperature variation over the day are estimated. The daily mean temperature of the surface is estimated from linear extrapolation of the daily means at the three levels below the surface. Estimated values of soil thermal diffusivity show a subtantial change after sudden and heavy rains.     

祁连山退化高寒草甸土壤水分空间变异特征分析

利用传统统计学方法和地统计学方法,对祁连山地区受到过度放牧影响而退化为以狼毒为优势种的高寒草甸的土壤水分垂直变异特征、水平空间异质性以及分布特征进行了系统分析. 结果表明：在垂直方向上,0~100 cm土壤水分含量随深度的增加而逐渐减少,土壤水分含量的变化速度随深度的增加也趋于减少;土壤水分分布的变异系数在浅层和深层土壤较大,在中层土壤较小. 在水平方向上,0~40 cm土壤水分具有中等空间变异性,其中10~20 cm土壤水分变异性主要受根系的影响,随机部分引起的变异性最大;而在其他土壤层,随着深度的增加土壤水分含量由随机部分引起的空间异质性程度减弱,由空间自相关部分引起的异质性程度增强. 整体上,土壤水分含量与微地形关系密切,与距离溪流的远近程度正相关,与高程分布负相关.     

Thermal diffusivity of natural and synthetic garnet solid solution series

Knowledge of heat transport properties as a function of mineral- and rock-composition and temperature is of major relevance to understand and model heat transfer in the Earth’s interior. A systematic study on 13 natural and 4 synthetic garnets was carried out in an attempt to obtain a better systematic understanding of the processes that affect the heat transport in minerals, especially the effect of chemical substitution in solid solution series. It is found that substitution significantly lowers the thermal diffusivity from end-member values for both synthetic and natural garnets with a minimum of thermal diffusivity at an intermediate composition. The thermal diffusivity as a function of the degree of substitution can be described by the approach of Padture and Klemens (J Am Ceram Soc 80 (4):1018–1020, 1997). With increasing temperature the thermal diffusivity decreases due to phonon-phonon-scattering effects. A quantitative analysis of the high-temperature behaviour was carried out by using the model of Roufosse and Klemens (J Geophys Res 79 (5):703–705, 1974), which takes a lower limit of thermal diffusivity at elevated temperatures into account. The model allows for an extrapolation of the deduced room temperature thermal diffusivities to higher temperatures. Furthermore, the model was modified to determine the high temperature limit of the thermal diffusivity for all investigated natural garnets D _min to be 0.64 ± 0.03 mm²/s.     

土壤水分运动空间变异性尺度效应的染色示踪入渗试验研究

探讨了土壤水非均匀流动特性和描述方法,通过染色示踪剂调查了三种试验尺度条件下非均匀流动模式,并采用随机层叠模型对不同实验尺度条件下非均匀流动模式进行了模拟。随机层叠模型中具有对数正态分布性质的随机层叠发生器被用来描述水流入渗过程,不同的方法被用于模型参数求解。试验观测和模拟计算结果均表明,尺度特性是非均匀流动的重要影响因素之一,准确的描述不同研究尺度下的非均匀流动特征,须同时考虑流动在水平和垂直方向的变异性。随着研究尺度的增加,流动的非均匀性变异程度更加明显。