青藏高原不同高寒生态系统类型下多年冻土活动层水热过程差异研究

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。     

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分, 其水热状况是影响寒区生态环境、 陆气间水热交换、 气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识, 对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理, 并指出了当前研究中的不足。研究认为, 气象条件、 植被覆盖度、 土壤性质、 积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素, 目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。     

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。     

青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程的影响

不同植被盖度变化下活动层水热过程是多年冻土区水能循环中一个重要的不确定因素.为了研究植被盖度变化对活动层水热过程的影响,在青藏高原多年冻土区,选择坡向、坡型和坡度趋于一致植被覆盖度分别为92%、65%、30%的坡面建立天然径流观测场,觎测多年冻土活动层中的地温和水分状况.结果表明:活动层开始冻结和消融时间随着植被盖度的减少不断提前,且冻结持续时间缩短;随着植被盖度减小,活动层地温水分变化速率增大,植被起到抑制土壤地温水分变化速率的作用;植被盖度对夏季融化过程和秋季冻结过程活动层地温和水分的影响明显大于冬季降温和春季升温过程,对融化过程的影响较冻结过程更明显.     

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。     

青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析

基于2005—2016年青藏高原多年冻土区唐古拉和西大滩站的气象、涡动通量以及活动层资料,利用涡动相关法、气象梯度法和SHAW模型等方法探究了气候变化背景下高原多年冻土区地表能量通量变化规律及其对活动层的影响。结果表明：2005—2016年唐古拉和西大滩气温、地气温差有所升高,年降水量、10 cm土壤含水量及风速有所下降。2005年以来唐古拉和西大滩净辐射（R_n ）与感热（H）呈增加趋势,潜热（LE）呈减小趋势,地表土壤热通量（G）变化较小。唐古拉和西大滩地表能量通量季节变化明显,但受海拔、纬度、坡向、土壤冻融过程、降水、下垫面状况等因素的影响,地表能量通量存在区域差异。研究时段内,唐古拉和西大滩地表冻结指数与土壤热通量呈负相关;融化指数、活动层厚度与土壤热通量呈正相关,融化期间土壤热通量积累量与融化深度的变化呈线性增加关系。     

气候变化情景下青藏高原多年冻土活动层厚度变化预测

在人类活动和气候变暖的共同影响下, 浅层多年冻土近地表和活动层的热状况会发生显著的变化, 从而对生态环境、 水文、 工程等产生较大的影响. 以A1B, A2, B1气候变化情景模式为基础, 运用Stefan公式计算和预测了青藏高原多年冻土区活动层厚度的变化特征. 结果表明: 以羌塘盆地为中心, 青藏高原多年冻土活动层厚度向其四周不断增加, 多年冻土活动层厚度随着气温升高而增加. A1B 、 A2模式下活动层厚度变化大, 相对人类活动强度较小的B1模式活动层厚度变化较小. 到2050年时, A1B情景活动层厚度平均约为3.07 m, 相对于2010年活动层厚度约增加0.3~0.8 m; B1情景活动层厚度增加0.2~0.5 m; A2情景增加0.2~0.55 m. 到2099年, A1B情景活动层的平均厚度将约为3.42 m; A2情景将可达3.53 m; B1情景将可达2.93 m. 气候变暖将可能加深活动层, 百年后将大范围改变多年冻土的空间分布.     

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。     

青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系

以青藏高原多年冻土区北界的西大滩为研究基点, 选取多年冻土不同退化阶段的两个样地, 对植被分布特征、 冻土活动层和土壤特性等进行调查监测, 同时分析不同活动层状态下土壤水热、 养分和地表植被特征变化及相互间的作用关系. 结果表明: 西大滩地区的植被以浅根系植物为主, 0~10 cm的表层土壤中地下生物量约占地下生物总量的63%和62.2%之多. 在气候条件基本一致的情况下, 多年冻土的存在情况及活动层土壤水热状况对植被生态系统的演变起决定性作用. 高地表植被覆盖下的冻土土壤水热调节能力强, 有助于延缓冻土退化过程. 西大滩土壤全氮、 碱解氮、 速效钾与有机质含量密切相关, 含量随冻土退化明显减少, 且随土层深度的变化曲线表现为相同的趋势. 土壤表层养分和速效养分受冻土退化程度的影响较大.     

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991-2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素

多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间（OOT）和起始冻结时间（OOF）进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明：（1）青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。（2）起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1~4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。（3）植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。（4）在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。     

青藏高原天然水体中As变化初步研究

根据测得的青藏高原部分天然地表水体(包括河水、湖水等)中As的含量,初步分析了青藏高原部分地区天然地表水中As的空间分布规律.研究发现,青藏高原不同区域河水中As的浓度存在显著的空间变化,尤其是狮泉河流域河水中异常高的As含量.这种空间差异可能是由地区土壤与岩石中As含量的差异造成的,而那曲河水中较高的As可能反映了人类活动的影响.湖水中As的含量高于河水,最高可高达1200μg·L^-1以上.内陆湖湖水中高的As含量可能与水的蒸发浓缩有关,但注入河水的As含量也会起决定作用。     

青藏高原中段活动断层运动速度及驱动机理

在大比例尺活动断层勘测调查基础上,通过测定典型断层位移和活动时代,计算重要活动断层运动速度,分析青藏高原中段地壳水平运动规律。发现青藏高原中段晚更新世～全新世发育大量iW-iWW一近EW向活动断裂,其中昆仑山活动断裂、可可西里南缘活动断裂、通天河活动断裂、崩错活动断裂、念青唐古拉山东麓活动断裂和雅鲁藏布江活动断裂水平运动速度达6～10mm／a,风火山活动断裂、乌丽活动断裂和雁石坪活动断裂水平运动速度达3～4mm／a,唐古拉山活动断裂与格仁错活动断裂水平运动速度约2mm／a。自晚更新世以来,青藏高原中段存在显著的地壳东向运动,相对于柴达木地块的地壳东向运动速度自南北两侧向中部逐步增大,至唐古拉山地区达最大值约40mm／a。青藏高原中段断裂活动、地壳运动与近SN向构造挤压及地壳内部东向水平剪切存在动力学成因联系。     

地下水浅埋条件下越冬期土壤水热迁移的数值模拟

应用土壤冻融过程中水热耦合迁移模型,对内蒙古河套灌区地下水浅埋条件下整个土壤冻融过程进行了模拟,分析了越冬期土壤水热迁移规律．结果表明,快速冻结阶段土壤冻结速度随深度线性减小．冻结过程中某一深度处的含水量增量与冻结速度呈双曲线型相关关系．提出了土壤冻融过程中的特征含水量概念,以描述土壤含水量的动态变化特征．     

青藏高原北麓河地区降水量观测与对比分析

根据2011年11月至2012年9月通过Thies激光雨滴谱仪、 T-200B雨雪量计和TE525翻斗式雨量筒获取的青藏高原北麓河地区降水量数据, 按3个时间段分别对3种仪器记录的降水量行了对比分析. 结果表明: 激光雨滴谱仪获取的固态降水量与经Jimmy校正公式修正后的T-200B降水量极为接近. 但在测量雨夹雪时, 激光雨滴谱仪对降水类型、 颗粒直径的误判造成了获取的降水量远高于T-200B雨量筒. 而3种仪器获取的液态降水量有很好的一致性. 但是, 当小时降雨量在2 mm以上时, 激光雨滴谱仪获取的降雨量比T-200B和TE525雨量筒小20%左右. 同时, 在风吹雪对激光雨滴谱仪的影响方面做了相关的分析研究, 初步认为风吹雪的颗粒直径主要集中在0.5 mm以下.     

积雪和有机质土对青藏高原冻土活动层的影响

随着全球气候变暖,青藏高原冻土活动层正在逐渐加深,为了理解积雪和表层有机质土壤对冻土活动层的影响机理,一维水热耦合模型CoupModel被用于模拟气象驱动下土壤冻融的动态过程.基于祁连山冰沟和青藏高原唐古拉站长期监测数据,CoupModel模型被成功的率定和验证.在冰沟站验证的模型被用于研究积雪对冻土活动层的影响,结果显示:目前较浅积雪情景(雪深＜20 cm)比完全忽略积雪的情景模拟的冬季土壤冻结深度深,说明青藏高原现状下较浅的积雪有利于冻土发育.原因是雪面较高的反照率造成地表吸收的太阳辐射减少,导致雪面温度较低,加之浅雪的阻热性能又较小,综合导致浅雪覆盖时表层土壤向大气释放的能量增加.但随着积雪深度逐渐增加,模拟的冬季土壤冻结深度反而越来越浅,说明较厚的积雪(＞20 cm的雪深)并不利于冻土的发育,主要是雪相对于空气低的热传导隔绝了表层土壤向大气的热损失.在唐古拉站验证的模型被用于研究有机质土对冻土活动层的影响,结果显示:随着有机质土壤深度增加,模拟的活动层夏季融化深度逐渐较小.有机质土壤较矿物质土壤低的热传导和高的热容性质减少了下伏土壤热状况对太阳辐射和气温波动的响应,说明有机质土有利于冻土的保护.     

青藏高原融冻过程中能量和水分循环的模拟研究

采用与先进陆面模式耦合的区域气候模式WRF V3.1,利用NCEP/DOE再分析资料作为驱动场,对青藏高原东北部1 998年5-7月进行模拟.首先,对模拟区降水、感热和潜热通量的空间分布进行了检验,结果表明WRF模式能够合理且较好的模拟出高原东北部降水、感热和潜热通量的空间分布状况.通过对融冻过程中土壤温、湿度及水文要...