考虑雨水感热的降雨对多年冻土水热变化影响模型研究

青藏高原暖湿化诱发的多年冻土和寒区工程水热变化是第三极冻土生态与地质演化问题的关注焦点。目前降雨影响下的多年冻土地表能量收支建模未考虑雨水温度的影响,忽略了降雨能量脉冲作用。在已有的冻土水热耦合理论的基础上,通过引入考虑雨水感热的地表能量平衡理论,完善了考虑降雨能量的冻土水热耦合模型,基于青藏高原北麓河现场监测验证了模型的有效性,并分析了夏季降雨对地表能量平衡和活动层水热的影响机制。结果表明：考虑雨水感热的修正模型模拟土壤体积含水率、温度和热通量的平均偏差误差分别在±1.198%、±0.704℃和±1.66 W/m²之内,一致性指数分别大于0.877、0.929和0.937;优化后的模型提升了对地表吸放热状态的评估,能够较好地预测了雨后活动层水热的变化;夏季降雨增加地表蒸发潜热和雨水感热,降低地表净辐射、感热和土壤地表热通量使地面降温,降温效果与降雨强度正相关;同时受降雨时段影响,白天降雨事件的降温效果显著,雨水感热促进地表冷却,而夜间雨水短暂加热地表,蒸发潜热的显著作用使地表依旧持续降温。在地表温度梯度降低和雨水入渗的作用下,温度梯度水汽通量减少,液态水通量增加...     

青海湖流域瓦颜山湿地辐射平衡和地表反照率变化特征

利用2014年5月至2015年11月青海湖流域瓦颜山湿地观测的辐射资料,综合分析了辐射相关因子的变化特征。结果表明：瓦颜山湿地总辐射和净辐射的最大值都出现在7月,最小值都出现在12月;大气长波辐射最大值出现在8月,最小值出现在12月;地面长波辐射最大值出现在7月,最小值出现在2月。阴天对总辐射和地面反射辐射削弱作用比较明显,对大气长波辐射增强作用明显,对地面长波辐射和净辐射的影响季节差异性很大。瓦颜山湿地地表反照率的年均值为0.26。在无积雪覆盖条件下,地表反照率在冻结期明显大于消融期,最大值出现在12月。夏季地表反照率均值为0.185,略小于下垫面同为草甸的青藏高原唐古拉站。在暖季,土壤水分也是影响高寒湿地地表反照率变化的重要因子,随着表层土壤含水量的增加,地表反照率随之减小。     

珠穆朗玛峰北坡海拔6523m辐射平衡观测结果分析

利用2005年5月1日至7月22日在东绒布冰川海拔6523m的若普拉垭口架设的自动气象站获得的各辐射参数资料,分析了该地区总辐射、地面反射辐射、地面长波辐射、天空长波辐射的日平均变化和平均日变化,并计算了反射率和辐射平衡.结果表明:1)短波辐射的平均日变化都随着太阳高度角的增大而加强,并且总辐射和地面反射辐射的日平均变化有很好的相关性,观测期间二者的月平均值都在5月份最大.由于垭口新降雪较多,雪面的反射率也很高;2)天空长波辐射的平均日变化比地面长波辐射变化滞后2 h,且其日平均变化幅度比地面长波辐射的变化幅度大;3)净辐射的平均日变化随着太阳高度角的变化而变化,下午14:00时净辐射最大,其日平均变化在观测期间整体上有增大趋势.     

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。     

青藏高原北麓河地区沥青路面辐射特征分析

沥青路面是寒区道路工程主要路面类型之一, 其对热量的吸收易诱发寒区道路病害. 在青藏高原北麓河试验场对沥青路面和天然地表的太阳辐射和地面辐射通量进行了观测, 对比分析了两种地面类型在能量辐射方面的差异. 结果表明: 天然地表的反照率是沥青路面的2~3倍. 沥青路面和天然地表的辐射通量总体呈夏季 >秋季 >春季 >冬季特点. 到达沥青路面的向下长、短波辐射量均大于天然地表, 沥青路面向上的长波辐射通量大于天然地表. 2009年9月-2010年8月沥青路面的净辐射量比天然地表多302.2 MJ·m^-2, 2010年9月-2011年8月向上的短波辐射相对增加, 使得沥青路面的净辐射量仅比天然地表多28.21 MJ·m^-2. 在5 cm深度, 沥青路面的温度比天然地表高约1.15~8.6 ℃. 对短波辐射的削减和对长波的吸收是其净辐射量增加的重要原因, 在能量辐射方面的差异是造成沥青路面吸热的重要原因之一.     

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。     

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.     

不同下垫面对多年冻土浅层热状况的影响分析

近年来在气候变化和人类活动影响下, 青藏高原地表状况发生了大规模的改变, 并引发了多年冻土的退化, 给寒区环境与工程产生一系列不良影响. 而多年冻土作为地气系统相互作用的产物, 其变化主要取决于地气系统能量交换的方向. 应用青藏高原实地观测资料, 对不同地表状况下多年冻土浅层热状况进行了分析. 结果表明: 下垫面的改变对多年冻土区能量平衡状况产生明显影响. 在天然状态下地表能量收支基本保持平衡, 冻土变化也比较缓慢;而在下垫面改变特别是天然地表遭破坏后, 原有的能量平衡发生改变, 从而引起多年冻土的变化. 覆盖度较高的植被暖季能够阻止部分热量进入土层, 降低地表温度;而在冷季则能减少土层热量散发, 有助于保持地表温度. 植被的存在有利于保持多年冻土的稳定. 黑色薄膜覆盖能够增加地表吸收的太阳辐射, 并减少地表蒸发耗热, 造成地表吸热量大于放热量. 透明薄膜的"温室效应"可以有效地防止地表长波辐射的散发, 减少表层土壤热量的消耗, 从而引起地表温度的显著升高.     

考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质活动层水热过程差异分析

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨了考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–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,定量分析了高原真实野外降雨条件下3种典型地表土质(砂土、亚砂土、粉质黏土)地表水分和能量平衡差异、活动层内部水分与能量输运分量变化过程和耦合机制。结果表明:随着土壤粒径增大,地表净辐射增大、蒸发潜热增大、感热通量减少、土壤热通量减小,不同土质地表蒸发潜热和地表感热通量差异最为显著,地表能量平衡差异在暖季较大、冷季较小;土壤粒径越大,水势梯度液态水和温度梯度水汽迁移越显著,但温度梯度水汽通量减小、水势梯度液态水通量增大;随着土壤粒径增大,土壤浅表层水分减少,25～75 cm水分略有增加;随着土壤粒径增大,土壤导热系数、降雨入渗对流传热和地表蒸发量增大、热传导通量减小,土体温度梯度降低,相同深度处土壤温度更高,活动层厚度增大,不利于多年冻土稳定。研究成果可为湿化背景下多年冻土的稳定性预测和保护提供参考。     

青藏高原唐古拉山多年冻土区夏、秋季节总辐射和地表反照率特征分析

根据青藏高原唐古拉山多年冻土区2005年6月24日~10月16日的总辐射、分光辐射和分光反照率观测资料,利用总辐射和大气层顶太阳辐射的比值——日有效透射率T_eff,用聚类分析法将资料划分为晴天、多云和阴天三类天气,分析了该地区夏、秋季节总辐射、分光辐射比例和分光反照率的日变化和季节变化规律.结果表明,夏季总辐射与大气层顶的差值和日际变化幅度最大,秋季以后这种差值和日际变化幅度减小.天空状况对分光辐射比例和地表反照率均有影响,表现为近红外辐射比例晴天比阴天大,可见光比例晴天比阴天小,各波段反照率晴天均比阴天大.反照率在夏季最低,秋季较高,反照率的日变化有依存分光辐射比例的关系,这大致可以解释地表反照率依存太阳高度角而变化的现象.无积雪地面反照率近红外波段大于可见光波段,地表有积雪时,反照率明显不同,其可见光波段反照率大于近红外波段反照率.功率谱分析表明,日有效透射率T_eff存在着2~3 d的周期,它是该地区天气系统活动影响太阳辐射收入的一个反映,指示出唐古拉山地区天气系统亦有2~3 d的周期性.     

青藏铁路多年冻土区普通路基热状况监测分析

基于现场地温监测数据,选取年平均地温不同的监测断面对青藏铁路普通路基的热状况进行分析,包括多年冻土上限变化及其地温变化、下伏多年冻土温度变化、原天然地表附近热收支等方面. 结果表明：在低温多年冻土区,路基下部多年冻土上限均有所提升,且新近形成的人为上限较为稳定,冷季时负温积累显著;路基下伏多年冻土总体热稳定性较好. 而在高温多年冻土区,左（阳坡）路肩下部多年冻土上限多表现为下降,右（阴坡）路肩下部多年冻土上限有升有降,但是新近形成的上限均温度较高且有进一步升温的趋势;与天然场地地温相比,路基下部多年冻土均出现一定的升温. 尤其在高温极不稳定多年冻土区,天然场地多年冻土自身处于吸热升温状态;路基修筑后,下部多年冻土已经出现了融化夹层及双向退化的情况,路基热稳定性较差. 对于普通路基来说,由于青藏高原强烈的太阳辐射及青藏铁路总体走向原因,普通阴阳坡效应显著,左、右路肩下部多年冻土热稳定性差异较大.     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅲ):参数化方案

以物理过程分析为基础,根据野外实测资料设计了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式中的大气辐射参数化方案,对直接太阳辐射、大气散射辐射、大气向下长波辐射参数进行处理,得到了较好的结果.在无云大气条件下,对直接太阳辐射透过率和大气散射辐射以太阳天顶角进行参数化;对大气向下长波辐射以大气等效辐射率及气温进行参数化;在云天条件下,基于晴阴比的云量参数化和基于气候资料的云天系数参数化都各有较好的效果.对土壤热通量的参数化方法和拖曳系数的取值问题进行了讨论,更完善的方法还有待于与实验测量工作相结合.     

Permafrost Characteristics of the Qinghai-Tibet Plateau and Methods of Roadbed Construction of Railway

Permafrost along the Qinghai-Tibet railway is featured by abundant ground ice and high ground temperature. Under the influence of climate warming and engineering activities, the permafrost is under degradation process. The main difficulty in railway roadbed construction is how to prevent thawing settlement caused by degradation of permafrost. Therefore the proactively cooling methods based on controlling solar radiation, heat conductivity and heat convection were adopted instead of the traditional passive methods, which is simply increasing thermal resistance. The cooling methods used in the Qinghai-Tibet railway construction include sunshine-shielding roadbeds, crushed rock based roadbeds, roadbeds with rock revetments, duct-ventilated roadbeds, thermosyphon installed roadbeds and land bridges. The field monitored data show that the cooling methods are effective in protecting the underlying permafrost, the permafrost table was uplifted under the embankments and therefore the roadbed stability was guaranteed.     

Sensitivity of thermal parameters affecting cold-region ground-temperature predictions

This study formulates a heat-flux upper boundary to model ground temperatures in the Qinghai-Tibet plateau. This model considers the impacts of the environmental conditions, e.g., air temperature, ground-surface albedo, wind speed, and solar radiation on the ground-surface heat flux and on subsequent subsurface temperature profiles. It speculates that in arid regions, neglecting the evaporation-induced heat flux does not compromise the ground-temperature predictions notably. The predicted results are validated by the observed temperature profiles at a test station on the Qinghai-Tibet plateau. A temperature-controlled upper boundary model is also utilized to simulate the ground-temperature profile and is compared to the same field-observed temperature profiles. A sensitivity study is conducted to characterize the influence of local weather conditions on the ground-temperature development. Conditions considered include mean annual air temperature, seasonal air temperature amplitude, daily air temperature variation, mean annual wind speed, seasonal wind-speed variation, and daily wind-speed fluctuation. The sensitivity study also considers effects of variations the ground-surface albedo on the ground-temperature development and on the ground thermal re-equilibrium. It finally presents the implication of this re-equilibrium on the specified initial ground-temperature profile.     

Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal diffusivity at Astronomical Observatory,Thiruvananthapuram, south Kerala

Continuous observation data collected over the year 2008 at Astronomical Observatory, Thiruvananthapuram in south Kerala (76°59′E longitude and 8°30′N latitude) are used to study the diurnal, monthly and seasonal soil moisture variations. The effect of rainfall on diurnal and seasonal soil moisture is discussed. We have investigated relationships of soil moisture with surface albedo and soil thermal diffusivity. The diurnal variation of surface albedo appears as a U-shaped curve on sunny days. Surface albedo decreases with the increase of solar elevation angle, and it tends to be a constant when solar elevation angle is greater than 40°. So the daily average surface albedo was calculated using the data when solar elevation angle is greater than 40°. The results indicate that the mean daily surface albedo decreases with increases in soil moisture content, showing a typical exponential relation between the surface albedo and the soil moisture. Soil thermal diffusivity increases firstly and then decreases with the increase of soil moisture.     

青藏高原腹地各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果

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100 m钻孔剖面揭示了连续分布的、厚度大于50 m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。     

青藏高原路堤边坡遮阳措施辐射影响分析

作为主动保护冻土的典型措施之一的路堤边坡遮阳板护坡措施,对于减少太阳直接辐射到达地表和降低路堤内部温度起到至关重要的作用,阻隔太阳的辐射,减少进入路堤净辐射量和进入地表的热流,降低路堤土体温度．现场试验结果表明：进入天然路堤边坡表面平均净辐射量为300～350W·m^-2,而遮阳板下路堤边坡表面的平均净辐射量为30～4...