数据同化算法在青藏高原高寒生态系统能量—水分平衡分析中的应用

位于青藏高原腹地的多年冻土地带,其冻融过程中的土壤含水量和土壤冻结深度的变化对气候强烈响应并产生显著的陆面能—水平衡变化,进而又对全球气候产生较大的反馈作用。为了能准确模拟这种变化,选取青藏高原多年冻土分布区的风火山左冒孔流域（长江源）进行了相关的野外数据采集和试验,以考虑土壤冻融影响的水—热耦合陆面过程模型——SHAW为动力学约束框架,验证集合卡尔曼滤波算法在改进模型对土壤冻融过程中土壤水分和冻土深度的计算效果。基于试验点的数据同化计算结果表明：数据同化方法可以融合观测信息显著提高水—热耦合模型对土壤冻融过程中状态变量（土壤水分和冻深）的模拟,并进而改善模型对其它相关能量—水分变量的计算,为在高寒冻土地区利用多源信息进行融合监测提供了理论依据。     

冻土-气候关系模型评述

冻土-气候关系模型是目前冻土学领域的研究热点,评述了冻土对气候系统的响应模型以及陆面过程模型中的各种冻土参数化方案.建立在传热学基础上的物理模型具有动态性、普适性的优点,适合于冻土工程计算,当把它们推广到面上时,需要对其进行简化.经验模型大都只使用有限的变量,与地理信息系统结合紧密,因此模型具有空间性,较为适合于冻土制图.陆面过程模型中的冻土参数化目前有3类方法:1)限定或修正水热参数;2)比较单位土层中耗热或放热量与可耗热或可放热量而计算产冰率;3)使用土壤基质势定义土壤冻结后的未冻水含量.现有的陆面过程模型中的冻土参数化方案需要进一步的改进.     

基于SHAW模型的祁连山高寒草甸土壤水分储量及通量的模拟研究

高寒草甸是祁连山国家公园青海片区的重要植被类型之一,量化该下垫面土壤水分储量及交换过程是评估区域水源涵养功能的关键科学基础。基于2017年8月1日至2018年7月31日的祁连山南麓高寒草甸生态系统水热特征的连续观测数据,对SHAW(simultaneous heat and water)模型进行了参数优化,分析了0～100 cm土壤水分储量及通量的变化特征及环境影响。结果表明:SHAW模型可以相对准确地模拟高寒草甸土壤温、湿的季节变化特征,土壤水分的模拟效果略好于土壤温度的模拟效果。日均0～100 cm土壤水分储量(SWS_0-100)为(274.99±19.57,平均值±标准差)mm,5—10月植被生长季的平均SWS_0-100较非生长季低21.92 mm。SWS_0-100的季节变异主要受控于群落叶面积指数的正效应和蒸散发的负效应,二者通过调控浅层(0～20 cm)和中层(20～60 cm)土壤水分储量间接影响SWS_0-100。日均0～100 cm土壤水分通量(SWF_0-100)...     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

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.     

基于GLDAS的中国区地表能量平衡数值试验

利用全球陆面数据同化系统(GLDAS)的软件平台—陆面信息系统(LIS)模拟了中国区域2003年能量平衡方程的各个分量,在此基础上进行了残差分析和地表温度的对比验证。残差的分布具有一定的时空分布特征,残差的时间分布特征表明LIS对春秋两季的模拟效果要好于其它季节,残差的空间分布特征表明LIS对纬度较高和海拔较高地区的模拟效果要逊于其他地区。对比了模拟的GLDAS地表温度与MODIS地表温度产品,结果显示两者之间的差值介于-5～5K之间,两者的散点图和标准离差显示模拟的夜间地表温度要比模拟的白天地表温度精确2～3K。     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

祁连山地区能量平衡特征的模拟分析研究

利用VIC大尺度分布式水文模型,对祁连山地区2007年1—12月的能量平衡特征进行模拟分析.结果表明:该地区的地表能量平衡中感热通量占有主导地位,而潜热较小.春季,日尺度上的冻融循环过程造成的土壤湿度的增加是潜热通量较大原因;秋季的潜热通量主要是夏季的降水引起的,祁连山地区土壤湿度对大气的反馈效应较干旱区所需的时间尺度长.     

基于能量平衡法的原状冻土Ⅰ型非线性断裂韧度测试研究

基于能量平衡的原理,采用冻土弯曲断裂试验模型,根据不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律,严格控制试样制作及试验时的温度,对原状冻土进行了断裂韧度测试试验。得出Ⅰ型直裂纹试样的 和 值,从而为原状冻土的非线性断裂破坏问题的研究进行了有意义的尝试,拓宽了思路。     

青藏高原水文模拟的现状及未来

介绍了青藏高原水文模拟的研究现状和发展趋势。水文模拟是研究水文过程的主要手段,可为流域水资源管理及防灾减灾提供理论和决策支持。国际上第一代水文模型为"集总式",第二代水文模型为"分布式",但它们大都以描述降水—产流的水分输移为主("水圈"),未仔细考虑陆—气水热交换中植被的调节作用("生物圈—大气圈")。近10年来,在气候变化的背景下,随着大气科学以及生态学的蓬勃发展,分布式水文模型开始描述生物圈—大气圈相互作用;通过改进陆—气间的水热交换过程以及植被的生理过程,实现了对流域水圈—生物圈—大气圈的综合模拟。然而,针对显著受冰冻圈过程影响的青藏高原,需要深入研究冰冻圈与其他圈层(水圈/生物圈/大气圈)的相互作用机理,并实现其在水文模拟中的参数化,以提升区域水资源和水灾害的预测能力。     

海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用

海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能.     

寒区冻土水文模拟模型研究若干进展

我国70％以上的地区都存在着季节性冻土,它对农业经济、生态环境等都有着巨大的影响。由于冻土的特殊性,目前并不能从本质上揭示冻土水文机理,冻土条件下的土壤水分运移规律是冻土水文模拟的重要环节。本文介绍了冻土地区水文过程的特殊性,以及目前国内外对冻土水文的研究进展,并在此基础上对冻土区水文模型的发展趋势进行了分析。     

寒区植被对冻土微波辐射影响的研究

理论和实验表明,微波辐射可以用来研究冻土的特性.但当冻土的上层被植被层覆盖时,植被吸收、发射并散射微波信号,冻土的微波辐射特征就会被改变.所以,研究植被层对冻土微波辐射特征的影响,对于准确获取下层冻土的微波辐射特性及冻土的变化监测极为重要.介绍了一种基于光线跟踪原理和耦合矩阵算法的微波辐射模型,用来计算植被层的发射率,可以计算得到视场内来自不同观测角度的整体发射率,以及V和H极化的相位差.根据车载双极化微波辐射计在C,X,K,Ka等4个波段的实测数据与模拟结果的比较,分别计算出来自植被层和冻土层的辐射,从而研究寒区植被对冻土的微波辐射影响.     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.     

冻土模式的改进和发展

本研究首先对当今常用的冻土模式进行了改进。以土壤总焓和土壤水总质量替代原来的温度和体积水含量作为方程预报量,使冰水相变速率项变为诊断量,避免了原冻土模式计算过程中由于冰水相变速率项预估的误差造成计算过程中的温度偏差。同时对该新形式模式所发展的诊断量方程组设计了合理省时的数值计算方案。实验表明,改进后模式的模拟结果与观测值有较好的吻合。此外,分析比较了目前常用的3种冻融方案的理论基础及模拟结果,发现基于热力学平衡态推导得到的包含土壤水势影响的参数化方案能很好地模拟土壤的冻融变化过程,不同的冻融方案会对土壤内的温度、水量及表面的感热和潜热模拟结果产生较大的影响。      

冻结砂土的强度特性

本主要阐述在一定的加荷速率下，围压和温度对冻结兰州砂土应力－应变特性的影响。试验表明，围压的增大或温度的升高明显增强了冻结砂土的塑性及应变硬化性能。随着围压的增大，冻结砂土的极限偏应力强度和轴向破坏应变增大，随着温度的降低，极限偏应力强度增加，而轴向破坏应变减小，但是当围压为零时，轴向破坏应变不随温度变化，当平均法向应力σ≤６ＭＰａ时，冻结砂土抗剪强度近似服从库仓定律，此时粘聚力和内摩擦角随温度     

季节冻土区融雪冻土水热耦合模型研究

为描述季节性冻土地区的积融雪及冻土水热过程,采用能量平衡及水量平衡法建立融雪模型,采用有限体积法离散热传导方程和非饱和土壤水运动方程,并对其交界面处进行耦合处理,从而建立季节冻土区融雪冻土耦合数学模型。结合2005年曲玛莱实测站点的观测资料,从不同角度描述积雪变化,冻土活动层内土壤水热特征,检验模型方法的有效性,为揭示该地区的水文运动规律提供有力的支持。