青藏高原土壤水热过程模拟研究(Ⅱ):土壤温度

模拟青藏高原土壤水分和热量迁移过程的连续变化对于全球变化研究具有非常重要的意义, 其准确模拟是提高陆面过程模拟精度的重要条件. 利用大尺度水文模型对沱沱河站点以1 h为步长, 共399 d的土壤温度模拟结果与观测结果的对比表明, 土壤中共11个不同深度的观测点的模拟温度总体的变化趋势与观测值一致, 可以进行长时间的模拟. 对于地表温度, 模拟的日变化幅度比实测的变化幅度大, 但均值一致, 原因在于模型的土壤参数中没有考虑有机质含量, 在计算能量平衡时需要增加该土壤参数. 对于土壤底部的土壤温度的连续模拟表明, 采用常数的土壤下界算法和倾斜的(damping)土壤下界算法均与观测值的变化具有一定的差别, 而常数的下界算法与观测值更为接近.     

青藏高原土壤水热过程模拟研究(Ⅰ):土壤湿度

模拟青藏高原土壤水分和热量迁移过程的连续变化对于全球变化研究具有非常重要的意义,其准确模拟是提高陆面过程模拟精度的重要条件.利用大尺度水文模型中对冻土中水分和能量平衡过程的描述,对沱沱河站点超过一年时间的土壤湿度进行了步长为1h,总时间为399d的连续模拟.与Game Tibet项目中同一时刻的土壤湿度观测资料比较的结果表明,Fuchs方程对于描述冻土中的最大未冻水含量是有效的,利用能量平衡计算获得的土壤各层的湿度与观测值相比较,其连续变化基本合理.结果表明,用该模型对高原水热过程进行长期模拟是可行的.     

青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究

了解多年冻土内部的水热过程对寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.冻土的水分迁移与温度变化密切相关,然而传统的经验模型局限性大,对水热物理过程考虑不足;陆面过程模型所需的驱动数据多且很难准确模拟深层土温,尽管数值模型在工程上应用的比较多,但很少应用到冻土的演化过程中.基于非饱和土壤渗流和热传导理论,实现了冻土水分场与温度场的水热耦合数值模拟.以唐古拉综合观测场为例,将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证水热耦合数值模拟的有效性.结果表明：模型对土壤温度模拟效果较好,15 m以上R²在0.88以上,RMSE在1℃以内;水分模拟尚可,但仍存在一定误差,R²在0.7以上,RMSE在7.65%以内.模拟的活动层厚度约3.6 m,年平均地温所在的深度约为15 m,与实测值基本一致.该水热耦合模型可用于研究多年冻土区土壤水热变化规律.     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

1901~2010年青藏高原土壤温度变化的模拟研究

冻土变化是气候变化研究领域的热点问题之一,而土壤温度是冻土变化研究的重要参量。但目前对百年尺度土壤温度,特别是深层土壤温度变化的认识还存在不足。本研究利用CRUNCEP大气强迫资料驱动最新版本的通用陆面模式（CLM4.5）对过去百年的青藏高原土壤温度变化进行了模拟研究。利用来自气象站和野外钻孔监测站的土壤温度观测资料对模拟结果进行了验证,结果显示：1）通用陆面模式能合理地模拟出观测的青藏高原土壤温度变化,模拟和观测结果的相关系数为0.92,纳什效率系数为0.82,趋势分别为0.27℃/10年和0.28℃/10年。模拟结果明显优于再分析资料;2）1901~2010（1979~2010）年青藏高原15m土壤温度增加率为0.05（0.27）℃/10年,冬季增温高于夏季,土壤增温随深度增加而减弱、随经度增加而减小、随纬度的增加呈先增加后略减小的变化;3）青藏高原土壤温度变化主要受气温控制,1m（15m）深度土壤温度对气温变化的敏感性为0.79（0.37）℃/℃,浅层土壤温度对气候变化较深层敏感,多年冻土温度对气候变化较季节冻土敏感。这些结果从百年时间尺度上深化了对青藏高原土壤温度变化的认识。

     

基于GIPL2模型的青藏高原活动层土壤热状况模拟研究

青藏高原活动层土壤热状况,对深入了解高原活动层的厚度变化特征、下垫面的热力作用以及对气候变化预测均有重要意义。利用GIPL2模型模拟青藏高原多年冻土区不同植被状况下活动层土壤热状况。模拟结果表明：模型在高寒草原（QT06）试验点模拟效果较好,高寒沼泽草甸（QT03）试验点的模拟效果较差,高寒草甸（QT01）、高寒荒漠草原（QT05）和高寒草原化草甸（QT04）试验点的模拟效果介于高寒草原试验点和高寒沼泽草甸试验点之间。QT01、QT03、QT04、QT05和QT06的土壤温度模拟值与观测值相比,均方根误差分别为0.67、1.29、0.73、0.7和0.56℃;相关系数分别为0.99、0.87、0.98、0.98和0.96;平均误差分别为0.37、0.61、0.31、0.45和0.16℃。QT06模拟结果较好,原因在于此点土壤质地变化不大,模型的分层与所取的参数更加接近此点的实际状况。QT03模拟结果较差,可能由于此地区土壤中存在砾石,在导热率参数化方案中没有考虑砾石含量,导致模拟结果偏差较大。总体而言,GIPL2模型对青藏高原活动层土壤热状况的模拟具有一定的优势,是一种模拟多年冻土区活动层土壤热状况较为理想的模型。     

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.     

青藏高原大陆碰撞力学模型与数值模拟研究

从中国大陆应力场及位移方向和速率约束条件、印度板块对欧亚大陆的碰撞等方面研究,提出了统一构造动力模型;为使研究进一步深人,开展了力学系统、非稳定性、多体碰撞力学模型的研究与描述,建立了力学模型;最后,在统一构造动力模型和力学模型研究基础上,又进行了数值模拟研究,由此初步分析和探讨了青藏高原隆起的动力学过程.     

印度与欧亚板块俯冲-碰撞过程岩石圈热结构模拟

研究中采用了非线性非稳态的二维热传导--平流方程,首次考虑了俯冲角度及地球物质材料的性质对摩擦生热率的影响,对拉萨地块中部100~40 Ma期间印度与欧亚板块俯冲-碰撞过程岩石圈热结构演化过程数值模拟进行了尝试,在模拟板块俯冲-碰撞过程中高原中部热结构的同时探讨了岩石圈的拆层作用对高原(尤其是对拉萨地块)热结构的影响.模拟结果显示,在俯冲阶段岩石圈热结构能较好地解释冈底斯花岗岩带中花岗闪长岩及其中铁镁质微粒包体存在壳幔二元体系这一认识.     

青藏高原唐古拉山口冰川、水文和气候学观测20a:意义与贡献

1989年中日联合青藏高原冰川考察在唐古拉山口开始进行冰川、水文气候学观测,距今已经整整20 a.时过境迁,合作双方的研究所均已重组、更名,然而1989-1993年间考察研究所起到的开创性作用、当时取得成果至今仍具有重要科学意义.而且当时建立的一些观测站点,借助一些大型课题,如GAME/Tibet、国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目的支持一直持续工作至今.最近,完善了位于冬克玛底冰川末端的冰川监测系统,将对该地区的冰冻圈和气候环境变化研究做出更多的贡献.     

青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟

利用可可西里卓乃湖综合监测场获取的气象、地温等数据资料,分析了卓乃湖溃决后出露湖底融区冻土的形成过程。结果表明卓乃湖溃决后的三年时间里,多年冻土下限深度分别达到4.9 m、5.4 m、5.7 m,呈现出不断增长的趋势。利用Lunardini构建的冻土形成过程模型模拟了多年冻土的形成速率和形成过程,并在此基础上初步分析了地表温度和土壤含水量对研究区多年冻土形成速率的影响。模型模拟结果显示研究区多年冻土将继续增长,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势并最终达到稳定状态。地表温度和土壤含水量是影响多年冻土形成的重要因素。随着温度的降低,多年冻土的形成速率逐渐加快。当地表温度不变时,在多年冻土形成初期,岩土含水量越小,多年冻土的形成速率越快。     

热采锅炉结垢模拟及其成分、微形貌研究

为减少湿蒸汽热采锅炉结垢对油田生产造成的损失,设计了模拟湿蒸气发生器来模拟热采生产中的蒸汽产生过程,重点研究锅炉的结垢情况。对模拟油田产生蒸汽的模拟炉中水垢的粉末X射线衍射(XRD)、电子探针波谱成分分析(EP-MA)和扫描电子显微镜(SEM)的研究表明,辐射段水垢主要由蒙脱石、针钠钙石和锥辉石组成,它们形成于相近的水热条件。水垢的XRD研究表明,蒙脱石和针钠钙石垢遍布整个水管,而锥辉石垢主要出现在水管尾部。形成锥辉石中的铁主要来源于水管的腐蚀,当水管表面形成一层水垢后,进水中的微量Fe成为另外一个重要来源。     

Fe(Ⅲ)水解过程中的Fe同位素分馏研究

三价铁水解是铁地球化学循环中的一个重要过程,在一定程度上控制了铁在水体中的运移和再分配。实验研究了Fe(Ⅲ)在20℃和46℃水解生成沉淀过程中,上清液的存在形态以及该过程导致的Fe同位素分馏。20℃水解实验有两个时间长度,分别是95天和130天,水解实验结束时上清液中的Fe(Ⅲ)主要以胶体形式存在。不同的水解时间导致的Fe同位素分馏在误差范围内是一致的。20℃水解实验结束时上清液和沉淀之间56Fe/54Fe的同位素组成之间的差异Δ56FeFe(Ⅲ)sup-Fe(Ⅲ)pre为1.15‰;46℃水解实验的时间长度为95天,结束时上清液中的Fe(Ⅲ)主要以离子形式存在,46℃水解实验结束时Δ56FeFe(Ⅲ)sup-Fe(Ⅲ)pre为1.37‰。通过瑞利分馏的公式计算出20℃和46℃时Fe(Ⅲ)水解过程中沉淀和上清液间的瞬时平衡分馏系数分别为0.999 121和0.999 260。     

加油站地下水甲基叔丁基醚(MTBE)的迁移模拟研究

本文以北京市某加油站为例,在水文地质调查、地下水水质评价的基础上,采用Visual MODFLOW模型进行地下水流场及溶质运移模拟,预测MTBE在地下水中的迁移及污染趋势。结果表明:监测井水质污染现状为VI级极重污染,主要贡献指标是锰和MTBE;所建立的模型基本达到精度要求,符合工作区水文地质条件,能基本反映该区地下水系统动态特征;利用模型对地下水中MTBE的运移模拟可知,运移100天后,加油站下游约500m处潜水中MTBE将检出,运移800天后,距离加油站最近的水源井一级保护区内潜水将能检出MTBE,1500天后,距离加油站最近的水源井处潜水中的MTBE浓度将远超过0.5μg/L,另外运移2550天后,MTBE将影响至承压水,4015天后,距离加油站最近的承压水水源井中MTBE的浓度将达到0.5μg/L。     

构造附加(围压)静水压力的理论、模拟和实验研究

部分研究者假设：地下岩石处于静水压力状态。按此理论，某一深处的地下岩石各方向压力都相等，而且都等于从该处至地表岩石柱的总重量。换句话说，地下的压力只来自重力，且随深度直线增加，即依此，形成了“压力／比重”的深度的测深方法。然而，地壳应力状态主要是由重力和构造力引起，作者提出其（围压）静水压力部分是由重力所附加的静水压力和由构造作用力所附加的静水压力叠合而成。本文用固体力学方法分析地壳中静水压力部分是由重力所附加的静水压力和由构造作用力所附加的静水压力叠合而成的特点，     

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。     

水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究(Ⅱ):数值模拟

本文根据CT扫描得到的土壤大孔隙分布、离心机法测得的土壤水分特征曲线以及计算得到的土壤大孔隙和基质的饱和水力传导度和弥散度,采用新的数值方法模拟了水及溴离子在原状土中的运移,分析比较了模拟结果,得到了原状土溴离子在各时刻的运移图,定量分析了大孔隙的存在对水及溶质运移的影响和对地下水造成的污染.     

华北陆块岩石圈减薄作用:热薄化与机械拉伸的数值模拟研究

针对华北陆块岩石圈减薄作用的动力学机制开展了一系列二维定量数值模拟研究。其模拟结果表明,在给定的岩石圈热传导和放射性生热条件下,岩石圈底部地幔热流(mantlethermalflux)的增加能导致岩石圈内热状态的明显改变,导致早古生代以来华北岩石圈厚度的巨大变化,当地幔热流达到35～40mWm-2,华北陆块的岩石圈厚度将减薄至100km以内。单纯的机械拉张同样能导致岩石圈厚度的薄化,但岩石圈厚度的减薄相对有限。即使拉张伸展率达25%,其岩石圈厚度最大减薄至150km。因此通过数值模拟的研究揭示了这样的事实,即华北陆块岩石圈厚度的减薄主要受制于岩石圈内热状态的变化,以热侵蚀的减薄方式为主,机械拉张作用可能对华北陆块岩石圈厚度的减薄作用有一定贡献。     

近10年来国际古气候模拟比较计划(PMIP)回顾和未来古气候模拟研究热点

国际古气候模拟比较计划(PMIP)是古气候领域里的一项长期开展的大型国际研究计划.该计划的主旨是利用气候数值模式,通过开展一系列针对古气候变化的模拟试验理解全球气候变化的机理,确定气候系统内部的各种影响气候变化的关键反馈因子;通过比较不同气候模式对不同于现代气候(古气候)的模拟能力评价模式的优劣,进而促进气候模式的发展;同时也为全球变化背景下利用气候模式预估未来气候变化提供借鉴.PMIP白1991年酝酿开始至今经历了PMIP1(1991～2001年)、PMlP2(2002～2007年)两个阶段,并正在开展第三阶段(PMfP3)(2008～)的研究.本文简要回顾了近10年来PMIP研究进展及概述了未来PMIP将要开展研究的重点领域和方向,主要包括4个主题:1)基准(benchmak)时段(6kaB.P.和21kaB.P.)模拟;2)间冰期和温暖期气候模拟;3)快速气候变化模拟;4)不确定性研究.