中国西部土壤冻融起止期和冻结深度及其与气温关系的时空分布特征分析

冻土变化对寒区基础建设、水文、生态等都有重要影响,在全球变暖背景下,探究土壤冻融过程具有重要现实意义。本文基于中国自然地理特征和冻土特性,划分出中国西部地区(以下简称西部地区)作为研究区域,并利用1981年1月至2020年6月ERA-5地表温度、土壤体积水含量和逐月气温数据,分析了近40年中国西部地区土壤冻融状况、活动层厚度和最大冻结深度空间分布,探讨了冻融状态与气温、海拔的相关性。研究结果表明：西部地区冻融起始时间空间分布具有由高海拔地区至低海拔地区冻结推迟、融化提前的特征。高海拔的藏北高原冻结最早,融化最晚,冻结持续时间最久昆仑山脉上零星区域冻结最长可持续300天以上。海拔低且土壤含水量低的西部西北塔里木盆地,冻结最晚,融化最早,融化持续时间最长,塔克拉玛干沙漠区域融化可维持在280天以上。多年冻土活动层厚度基本都超过2.0 m,只有喀喇昆仑山脉附近的区域才有较大范围活动层厚度低于2 m的区域,青藏高原的季节性冻土冻结深度最大,厚度可以达到2 m以上,塔里木盆地冻结深度最浅,厚度在0.6 m以内。1981-2020年间,西部地区冻结起始日推迟,融化起始日提前,开始冻结和完全冻结起始...     

多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性分析

由于不同区域蒸散发对气候变化的敏感性各不相同,为摸清多年冻土活动层陆面过程中冻土-气候变化-水文循环之间的相互关系,选择青藏高原风火山区域的典型多年冻土区,依据气象站观测资料,应用Penman-Monteith公式计算了典型多年冻土区土壤蒸散发和蒸散发气候敏感系数,分析了多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性。结果表明:多年冻土区土壤蒸散量对相对湿度的敏感性最高(-1. 291),其次为风速(0. 658),对空气温度的敏感性最低(0. 248);土壤完全融化的植被生长期,蒸散发对各气象因子的敏感性最高,土壤完全冻结的植被枯萎期,蒸散发对各气象因子的敏感性都最低;年内尺度,蒸散发对气温、相对湿度和风速的敏感性均在8月最高,在1月或12月最低;蒸散发对气温和相对湿度的敏感性变化与植物生长变化过程高度一致,而蒸散发对风速的敏感性则较为复杂,与土壤的冻融过程相关,分别在土壤逐渐融化的植物生长前期和土壤完全融化的植物生长期敏感性较高。     

高寒地区冻土活动层变化特征分析

利用1960-2010年黑龙江省83个气象站的冻土和0 cm地温资料,采用线性回归和多项式回归方法,分析了黑龙江省冻土活动层的时空变化特征,揭示了黑龙江省五个典型气候区域最大冻土深度的变化趋势与特征,讨论了黑龙江省冻土活动层的影响因子。结果表明：黑龙江省冻土活动层冻结开始于9月份,至冬季3月份冻土深度达到最大值,8月份时冻土厚度接近于0 cm。由北向南,最大冻土深度逐渐变小,冻结开始时间逐渐推迟,融化结束时间逐渐提前。黑龙江省最大冻土深度均呈显著减小趋势,存在明显的退化趋势。从年代际变化上看,20世纪90年代前黑龙江省最大冻土深度变化不大,最大冻土深度较深,90年代后最大冻土深度呈显著减小趋势。高纬度地区地温低,在同等条件下冻土深度较低纬度地区大。     

三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望

三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系,并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候,加快或减缓气候变化,源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应,在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下：三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等,植被生长季较短。近几十年来,在全球变化影响下,源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高;多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加;多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前,黄枯期推迟,生长季延长的特征;同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态,土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响;同时位于冻土上层的植被,又通过植被特征和生态系统的变化,影响土壤温度、湿度,反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面,在陆-气相互作用...     

南方不同类型冰冻天气的大气层结和云物理特征研究

利用观测资料和CAMS中尺度云分辨模式,对南方3次不同类型冻雨天气过程进行模拟,重点研究了冰冻天气中冻雨区云系宏、微观结构及大气层结特征,初步分析了冻雨形成的云物理机制.结果表明:(1)逆温层的存在是冻雨发生的必要条件,低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关.3次冻雨过程的冻雨区都存在逆温层,其中第一、二次过程属于锋面逆温,而第三次过程属于平流逆温.可见,逆温层结有利于冻雨的发生,但逆温层的存在仅是形成冻雨的条件之一.冻雨的发生还与水汽(湿度)、风向风速、地面特征有关.低层有水汽输入到冻雨区、地面温度等于或低于0℃,有利于冻雨形成和过冷雨水的冻结.(2)冻雨的形成需要满足3个主要条件:在对流层中高层存在冻结层,冻结层下要有暖层和逆温层,近地层有一个温度＜0℃的冷却层,并且低层的冷却层相对湿度较高.中高层冻结层主要产生冰相降水粒子,中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子(雪或霰)融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水.这样,雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴,当过冷却雨滴接触到＜0℃的地面或者其他物体表面时,迅速冻结形成冻雨.(3)不同冻雨区上空存在2种不同类型的云,对应云中有2种明显不同的温度层结:混合相云中的“冷-暖-冷”层结和水云中的“暖-冷”层结.具有2种不同层结特征的不同冻雨区云系,对应2种不同的微物理结构,具有2种不同的冻雨形成的云物理机制.(4)同一类型天气系统中的冻雨区,可以存在不同的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的机制;不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区,即冻雨形成的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的物理机制都相同.     

青藏高原多年冻土监测及近期变化

对1995－2004年青藏高原多年冻土温度监测资料进行分析,结果表明：在全球气候变暖影响下,近10年来多年冻土发生了显著的变化,活动层厚度有明显的增大趋势,且高温多年冻土区活动层厚度增大趋势大于低温多年冻土区。多年冻土上限温度和6 m深度多年冻土温度均有明显的升温趋势,低温多年冻土区升温速率要大于高温多年冻土。青藏高原多年冻土变化对气候变暖有明显的响应关系。     

江苏省冰粒过程的天气特征和预报着眼点探讨

利用常规气象观测资料、微波辐射计资料和FNL再分析资料对2016年3月8日和2015年2月27日江苏省两次冰粒过程进行了对比分析,研究结果表明:(1)两次过程均是在后倾槽系统和东路冷空气的影响下产生的,环流形势为冰粒的产生提供了有利的大尺度条件;(2)在临近冰粒形成前,融化层和冻结层形成,而干层的形成时间要明显早于融化层和冻结层;(3)偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同导致温度平流分布不同,进而导致融化层和冻结层产生;(4)干层的形成主要是由于湿度平流随高度的分布差异造成的,水滴在干层中的蒸发吸热作用促进冻结层产生和维持。     

近50年来中国季节性冻土与短时冻土的时空变化特征

在对中国冻土气象观测资料整理和分析的基础上, 研究了中国冻土分布的时空演变规律。主要分析了中国冻土分布的季节变化、冻土深度的空间变化, 以及冻结日期、解冻日期、冻结时间长度的空间分布特征, 同时也分析了以上各要素的时间变化特征。结果表明: 中国冻土分布广泛, 在我国东部的长江以北地区、西北地区及青藏高原地区均有分布; 其中季节性冻土具有显著的年内变化特征, 冻结一般从秋季开始, 冬末春初冻结的面积和深度达到最大, 春季逐渐开始融化, 夏季冻结的面积和厚度达到最小; 冻土的冻结过程和融化过程表现出各自不同的特征, 整个中国地区冻土的融化过程所持续的时间比冻结持续的时间长, 也更为复杂, 这与地形及土壤特性有着密切的关系; 近几十年来, 在全球变暖背景下, 中国冻土主要表现为最大冻土深度减小, 冻结日期推迟, 融化日期提前, 冻结持续期缩短, 以及冻土下界上升的总体退化趋势, 冻土的主要转型时期发生在20世纪80年代中期。     

黑龙江省多年冻土分布特征

黑龙江省有近15×104km2多年冻土,可分为大兴安岭北部大片多年冻土亚区、大兴安岭中部大片岛状多年冻土亚区、大小兴安岭稀疏岛状多年冻土亚区等,冻土层厚度在5～100m。岩性、地形、纬度、高度对冻土分布产生影响。气候变暖和人为活动将使冻土退化。     

黑龙江省区域暴雪天气气旋特征分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料和风云2E卫星资料对2006年3月-2016年3月由温带气旋引发黑龙江省暴雪天气过程普查,共筛选出37次区域性暴雪天气过程,再运用统计和诊断分析得出以下结论:(1)近10 a黑龙江省区域性暴雪主要集中在东部山区东南部;区域暴雪主要出现在季节过渡期;黑龙江省区域性暴雪年际变化大;(2)蒙古气旋作为冬季黑龙江省降雪的主要影响系统,其出现的频率和时间跨度远超过其它影响系统,黑龙江省西北部只有在蒙古气旋影响下才可能产生暴雪天气。(3)单独北上温带气旋通常发生在季节转换期间,造成区域暴雪主要集中在黑龙江省东部;(4)北上温带气旋与蒙古气旋合并而形成的合并气旋都发生11-12月和3-4月季节转换期间,造成区域暴雪主要集中在黑龙江省东部。     

The Impact of Soil Freezing/Thawing Processes on Water and Energy Balances

A frozen soil parameterization coupling of thermal and hydrological processes is used to investigate how frozen soil processes affect water and energy balances in seasonal frozen soil. Simulation results of soil liquid water content and temperature using soil model with and without the inclusion of freezing and thawing processes are evaluated against observations at the Rosemount field station. By comparing the simulated water and heat fluxes of the two cases, the role of phase change processes in the water and energy balances is analyzed. Soil freezing induces upward water flow towards the freezing front and increases soil water content in the upper soil layer. In particular, soil ice obviously prevents and delays the infiltration during rain at Rosemount. In addition, soil freezingthawing processes alter the partitioning of surface energy fluxes and lead the soil to release more sensible heat into the atmosphere during freezing periods.     

近50年来辽宁省冻土的时空变化特征

利用辽宁省61个气象站1964—2013年的冻土观测资料,采用线性回归、相关性分析、不同气候期对比等方法,结合ArcGIS分析了辽宁省冻土的空间和时间变化特征。结果表明:辽宁省冻土随纬度呈带状分布;土壤冻结具有明显的季节变化特征,冻结期在10月至翌年5月,冬末春初冻结的面积和深度达到最大值;冻结日自北向南逐渐推迟,消融日则相反;在全球变暖背景下,冻土深度随温度的上升而减小;大部分地区年平均气温和地表温度与最大冻土深度呈显著负相关,是影响冻土深度的重要因素;从各气候期100cm等深度线也可以明显看出最大冻土深度呈逐渐减小趋势。     

唐古拉地区活动层水热状况及地气系统能水平衡分析

活动层水热状况与地-气系统间能水交换直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用唐古拉站2007年实测资料和SHAW模型,对研究点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。土壤温度方面,模型的纳什效率系数NSE≥0.93;水分方面,纳什效率系数的平均值为0.69,说明SHAW模型可用于多年冻土区活动层内水热动态变化的模拟研究。基于模型的输出结果,对唐古拉站活动层土壤冻融过程中的水分动态、地表能量收支的变化特征进行了分析讨论。结果表明:(1)活动层冻融过程中,土壤水分的冻结和融化响应时间随土壤深度的增加而逐渐滞后,水分迁移通量随土壤深度的增加逐渐减小;(2)地表能量平衡收支在季风活动引起的降水与活动层的冻融循环共同影响下,表现出明显的季节性变化特征。同时,通过改变SHAW模型植被输入参数中的叶面积指数,分析了植被覆盖变化对多年冻土区土壤蒸散发的影响。结果表明:植被蒸腾量、土壤蒸发量与总的蒸散发量与植被的叶面积指数呈正相关关系,而浅层土壤含水率(20 cm)则表现为负相关,当叶面积指数在-100%(裸土)~100%变化时,总蒸散发量的变化幅度为-5%~13%。     

青海南部高寒草地土壤冻融交替期水热特征分析

为进一步了解高寒草地土壤冻融交替过程及其对水热因子的响应机制,通过2014年8月1日至2015年8月1日不同土层土壤温度和水分观测资料的对比分析,较为系统地探讨了青南高寒草地土壤冻融期不同深度土层土壤温度和水分的变化特征。结果表明,青南高寒草地土壤冻融阶段大体可分为初冻期、稳定冻结中期、稳定冻结后期和消融期4个时期;不同土层土壤温度随气温的变化呈周期性波动,且随着土层的加深变幅减小;不同冻融期表层和亚表层土壤温度和水分波动幅度较大,下层土壤对水热因子的敏感性较小;土壤完全冻结的天数达44~115d,日冻融交替过程主要发生在表层和亚表层土壤。土壤冻融交替增强了土壤的保水性,对该区草地植被提前返青和初级生产力的提高具有促进作用。     

青藏高原中部冻融强度变化及其与气温的关系

使用青藏高原中部野外22个站点2010-2014年观测数据结合GLDAS-NOAH陆面模式1960-2014年3 h 0.25°×0.25°格网数据,通过线性拟合等方法分析了高原中部的冻结强度变化并探讨了其与气温的关系.选取典型站点资料,结合GLDAS-NOAH数据对四次冻融过程进行分析比较,结果表明:(1)冻结强年和...     

青藏高原东部土壤冻融过程中地表粗糙度的确定

利用黄河源区气候与环境综合观测研究站2006年10月—2007年4月的湍流观测资料和一种新的方法,计算了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中的地表粗糙度。结果表明:所用的计算粗糙度的方法是可行的,玛曲土壤未冻结阶段、冻结阶段和融化后阶段的地表粗糙度分别为3.23×10-3m,2.27×10-3m和1.92×10-3m,地表粗糙度呈逐渐减小的趋势。三阶段地表粗糙度有明显区别,以前将冬季前后的粗糙度取为定值的计算会导致一定的误差。     

Response of Freezing/Thawing Indexes to the Wetting Trend under Warming Climate Conditions over the Qinghai–Tibetan Plateau during 1961–2010: A Numerical Simulation

Since the 1990s, the Qinghai–Tibetan Plateau(QTP) has experienced a strikingly warming and wetter climate that alters the thermal and hydrological properties of frozen ground. A positive correlation between the warming and thermal degradation in permafrost or seasonally frozen ground(SFG) has long been recognized. Still, a predictive relationship between historical wetting under warming climate conditions and frozen ground has not yet been well demonstrated,despite the expectation that it will b...     

The Surface Energy Budget and Its Impact on the Freeze-thaw Processes of Active Layer in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibetan Plateau

The surface energy budget is closely related to freeze-thaw processes and is also a key issue for land surface process research in permafrost regions.In this study,in situ data collected from 2005 to 2015 at the Tanggula site were used to analyze surface energy regimes,the interaction between surface energy budget and freeze-thaw processes.The results confirmed that surface energy flux in the permafrost region of the Qinghai-Tibetan Plateau exhibited obvious seasonal variations.Annual average net radiation(R_n)for 2010 was 86.5 W m^-2,with the largest being in July and smallest in November.Surface soil heat flux(G₀)was positive during warm seasons but negative in cold seasons with annual average value of 2.7 W m^-2.Variations in R_n and G₀ were closely related to freeze-thaw processes.Sensible heat flux(H)was the main energy budget component during cold seasons,whereas latent heat flux(LE)dominated surface energy distribution in warm seasons.Freeze-thaw processes,snow cover,precipitation,and surface conditions were important influence factors for surface energy flux.Albedo was strongly dependent on soil moisture content and ground surface state,increasing significantly when land surface was covered with deep snow,and exhibited negative correlation with surface soil moisture content.Energy variation was significantly related to active layer thaw depth.Soil heat balance coefficient K was>1 during the investigation time period,indicating the permafrost in the Tanggula area tended to degrade.     

Evaluation and estimation of daily global solar radiation from the estimated direct and diffuse solar radiation

Active layer plays a key role in regulating the dynamics of hydrothermal processes and ecosystems that are sensitive to the changing climate in permafrost regions. However, little is known about the hydrothermal dynamics during freeze-thaw processes in permafrost regions with different vegetation types on the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP). In the present study, the freezing and thawing processes at four sites (QT01, 03, 04, and 05) with different vegetation types on the QTP was analyzed. The results indicated that the impact on the soil water and heat during the summer thawing process was markedly greater than that during the autumn freezing process. Furthermore, the thermal-orbit regression slopes for all sites exhibited a homologous variation as the depth increased, with the slowest attenuation for the meadow sites (QT01 and QT03) and a slightly faster attenuation for the desert steppe site (QT05). The air and ground surface temperatures were similar in winter, but the ground surface temperature was significantly higher than the air temperature in summer in the radiation-rich environment at all sites on the QTP. The results also indicated that the n-factors were between 0.36 and 0.55 during the thawing season, and the annual mean temperature near the permafrost table was between − 1.26 and − 1.84 °C. In the alpine desert steppe region, the thermal conditions exhibited to show a warming trend, with a current permafrost table temperature of − 0.22 °C. The annual changing amplitude of the ground temperature at the permafrost table was different for different vegetation types.     

黄河源积雪期土壤温湿及冻融特征分析与模拟

利用2017～2018年黄河源地区野外观测站数据,对黄河源区两个积雪期内土壤温湿及冻融特征进行了分析,并与CLM4.5模式模拟的积雪期土壤温、湿度及辐射分量进行了对比,结果表明:CLM4.5能很好地模拟出整个积雪期土壤温度的变化趋势;对不同土壤层在不同冻结阶段土壤含水量的模拟有所差异:在完全冻结阶段,对5cm 土壤层含...