黄河源区降雪对不同冻融阶段土壤温湿变化的影响

利用2013年10月1日至2014年5月31日黄河源区鄂陵湖流域的土壤温度资料首先划分土壤不同冻融阶段,然后在每个阶段各选取一次降雪过程,分析了降雪对土壤温湿变化的影响。结果表明:在土壤冻结阶段,雪后晴天(有雪覆盖)土壤净输出的热量减少,5 cm和10 cm土壤日最低温度明显升高,20 cm土壤日最低温度升至0℃以上,导致20 cm土壤达到完全冻结的时间延长;在土壤消融阶段,降雪当天土壤净输入的热量减少,5 cm和10 cm土壤日最高温度突降至0℃以下,导致5 cm和10cm土壤达到完全消融的时间增加。在以上两个阶段的降雪过程中,积雪不仅可通过自身的消融增加浅层土壤湿度,还可通过改变浅层土壤温度间接影响浅层土壤湿度,而在土壤完全冻结阶段,积雪对土壤温度虽有影响,但对土壤湿度的直接和间接影响都较小。在整个土壤冻融阶段,与由土壤冻结和消融引起的土壤湿度变化相比,降雪引起的土壤湿度变化较小。     

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土壤层含水量模拟偏高，而80cm偏低，对10~40cm土壤层含水量的模拟偏差较小；由于降雪及土壤冻融过程主要发生在积雪期，积雪反照率使得净辐射模拟在降雪时段偏差较无降雪时段略大。      

黄河源区多、少雪年土壤冻融特征分析

利用2011年10月至2017年12月黄河源区鄂陵湖野外观测数据,对比分析多雪年与少雪年土壤冻结与消融时间、土壤温湿度、地表能量分量的变化特征。结果表明:多雪年地表反照率偏高,净辐射偏低,地表感热输送偏低,土壤由热“源”转为热“汇”的时间晚于少雪年。积雪可减少土壤吸收辐射能量,减少地表感热通量,在土壤完全冻结期与消融期增大地表潜热通量,在完全冻结期,减少土壤向大气的热输送,在消融期,减少大气向土壤的热输送。积雪在冻结期有降温作用,使得多雪年土壤较早发生冻结,且同一时期土壤温度偏低;在完全冻结期有保温作用,使得土壤温度偏高;在消融期有保温(“凉”)作用,使得消融较晚,且同一时期土壤温度偏低。在整个积雪年内,多雪年浅层土壤湿度高于少雪年,积雪对浅层土壤有保湿作用。积雪使土壤开始冻结时间有所提前,开始消融的时间有所滞后,可延长该年土壤完全冻结持续天数。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

青藏高原东部不同季节积雪过程对地表能量和土壤水热影响的观测研究

选取青藏高原(下称高原)东部玛曲、玛多和垭口3个野外站点的观测资料,针对不连续积雪过程,研究高原东部不同季节的积雪过程对地表能量和土壤水热的影响。结果表明:受积雪高反照率的影响,高原东部地区各季节降雪后净短波辐射减小,净辐射较降雪前减小60%～140%;积雪积累期内感热、潜热及土壤热通量均减小,感热通量和土壤热通量出现负值。春、秋两季积雪过程中,能量以感热、潜热和土壤热通量三种形式分配;冬季积雪过程中能量以感热和土壤热通量分配为主,潜热通量较小,日均值在10 W·m~(-2)左右;而夏季积雪消融期潜热通量较大,日均值可达80 W·m~(-2)左右。各季节积雪的反复积累和消融过程对大气及土壤均以降温作用为主。秋季降雪后,气温和浅层土壤温度降低,当土壤温度降到冰点以下时,土壤提前进入冻结期;而春季降雪后,则可能使得正在发生融化的土壤又再次冻结。冬季晴天积雪过程中,在积雪积累期,积雪对土壤起增温作用,0～20 cm土壤温度日均值升高1～2℃,导致浅层冻结土壤融化,土壤含水量略增加,在消融期,积雪对土壤仍起降温作用;而冬季阴天积雪对土壤均为冷却作用。夏季积雪积累期较短,降雪对土壤同样起明显的降温作用。     

青藏高原多年冻土区典型下垫面冻融过程作用分析

利用青藏高原腹地安多站土壤观测资料,根据10cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,并结合感热通量、积雪深度、相对湿度和降水资料定性的探讨了冻融过程对地气热量、水分交换的影响。结果表明:各层土壤在东亚季风爆发前期由上至下完成融化过程,10月中旬～12月上旬完成冻结过程,融化期普遍长于冻结期。土壤湿度大值区在时间上集中在高原雨季,空间上10cm深度以上为湿度大值区,而且上层土壤的温度梯度要明显大于下层。在融化阶段整层土壤的温度长期保持0℃的等温相变现象,此时,表层土壤温度日变化幅度为全年最大,最高日变幅达22.5℃。安多站地面除12月个别天数和1月上旬是冷源外,全年为地面热源,近地面感热通量从1月开始增大,到6月上旬达到峰值,之后逐渐减小。同时,感热通量的变化对相对湿度、降水和积雪的变化较为敏感。      

青藏高原多年冻土区土壤冻融过程对地表能量通量的影响研究北大核心CSCD

利用国家重大科学研究计划项目"青藏高原沙漠化对全球变化的响应"北麓河站2014-2015年陆面过程观测资料,根据5 cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,分析了地表感热通量Hs、潜热通量LE、地表土壤热通量G_0和波文比在不同冻融阶段的季节和日变化特征,并探讨了土壤冻融过程对地表能量及其分配的影响。结果表明,波文比和G_0的季节变化受土壤冻融阶段转变的影响显著,其中土壤完全融化使波文比减小,G_0变为正值;土壤冻结使波文比增大,G_0变为负值。冻结过程对Hs和LE变化趋势的影响不明显,但是使波文比显著增大;融化过程使Hs停止增长并出现减小趋势,使LE增大,从而使波文比显著减小。Hs的日变化在不同冻融阶段差异较小。LE的日变化主要与浅层土壤含水量的大小和日变化有关,其中完全融化和完全冻结阶段土壤含水量的日变化较小,土壤含水量越大,LE越大;在融化过程和冻结过程阶段,土壤含水量的日变化较大,且与R_(net)的日变化相反,限制了LE的增长。在冻结过程阶段,受冻融过程的影响,G_0的日变化小于其他阶段。     

青藏高原多年冻土区土壤冻融过程对地表能量通量的影响研究

利用国家重大科学研究计划项目"青藏高原沙漠化对全球变化的响应"北麓河站2014-2015年陆面过程观测资料,根据5 cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,分析了地表感热通量Hs、潜热通量LE、地表土壤热通量G_0和波文比在不同冻融阶段的季节和日变化特征,并探讨了土壤冻融过程对地表能量及其分配的影响。结果表明,波文比和G_0的季节变化受土壤冻融阶段转变的影响显著,其中土壤完全融化使波文比减小,G_0变为正值;土壤冻结使波文比增大,G_0变为负值。冻结过程对Hs和LE变化趋势的影响不明显,但是使波文比显著增大;融化过程使Hs停止增长并出现减小趋势,使LE增大,从而使波文比显著减小。Hs的日变化在不同冻融阶段差异较小。LE的日变化主要与浅层土壤含水量的大小和日变化有关,其中完全融化和完全冻结阶段土壤含水量的日变化较小,土壤含水量越大,LE越大;在融化过程和冻结过程阶段,土壤含水量的日变化较大,且与R_(net)的日变化相反,限制了LE的增长。在冻结过程阶段,受冻融过程的影响,G_0的日变化小于其他阶段。     

积雪覆盖对高寒草甸土壤温湿及地表能量收支的影响

利用青海玛沁微气象观测站降雪过程的观测数据,探讨了积雪覆盖对土壤温度,土壤体积含水量、土壤热通量及地表能量交换的影响。结果表明:积雪覆盖对浅层土壤温度的影响较为显著,而对深层土壤温度的影响十分微弱。地表有积雪覆盖时,浅层土壤温度日平均值升高,日变化幅度减小,日最低值升高,温度梯度绝对值减小。土壤完全冻结状态下土壤体积含水量几乎不受积雪覆盖影响,土壤融化状态下积雪覆盖会导致浅层土壤体积含水量日变化幅度减小,而对深层土壤体积含水量没有影响。积雪覆盖会减小浅层土壤热通量的日变化幅度。在总辐射相同的晴天条件下,当地表有积雪覆盖时,由于积雪的高反照率导致向上短波辐射增加,净辐射减小,同时感热通量减小而潜热通量增加,感热占比(H/Rn)下降,潜热占比(LE/Rn)升高。     

青藏高原高寒湿地冻融过程土壤温湿变化特征

青藏高原高寒湿地作为大江大河支流的发源地,其冻融过程对该地区及下游的生态系统和气候调节有重要意义。利用青藏高原腹地三江源区隆宝高寒湿地试验站的高时间分辨率土壤温湿数据,对冻融过程中土壤温湿的季节、日以及冻融转换期变化特征进行分析和探讨。结果表明:(1)高寒湿地土壤冻融过程中,土壤温度整体表现出夏高冬低的变化特征,冻结期5 cm、40 cm、20 cm、30 cm和10 cm地温依次增大,地温随深度变化存在一定的不规律性,而非冻结期则正好相反;土壤湿度在冻结期自上而下逐渐降低,融化期自上而下逐渐增加。(2)土壤表层5 cm和深层40 cm地温存在显著的日变化特征,表层较深层变化更显著,且夏季变化幅度最大;土壤含水率较稳定,除表层有一定波动,其他各层无明显日变化。(3)冻融转换期,土壤温度垂直分布存在显著的三层结构,10 cm和30 cm处与邻近层的温度差异是导致这种特殊分布的主要原因;随着深度的加深,土壤含水率冻结期(融化期)逐渐增加(减少),且深层比浅层的变化时间明显滞后。     

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。     

青藏高原湿地土壤冻结、融化期间的陆面过程特征

利用青藏高原中部玉树隆宝湿地2015年7月-2016年7月的观测资料,分析了土壤冻结、融化前后土壤温、湿度和地表能量收支特征,结果表明：冻土持续时期为12月至次年4月,深层土壤的冻结较浅层土壤滞后,融化过程快于冻结过程,5-40 cm土壤全部冻结历时51 d,全部融化历时19 d。土壤体积含水量年变化幅度达0.6 m³/m³。冻结过程5-40 cm土壤体积含水量下降,融化过程5-10 cm土壤体积含水量升高。土壤冻结之后,感热通量白天的值升高,潜热通量白天的值降低,净辐射和土壤热通量均降低,土壤热通量日变化幅度增大。土壤融化之后,潜热通量、净辐射和土壤热通量白天的值升高。地表反照率、鲍恩比、土壤热导率和土壤热扩散率冻结后增大融化后减小,土壤热容量冻结后减小融化后增大。     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。     

CMIP6 BCC等模式对青藏高原土壤冻融模拟性能分析

利用CMIP6 模式模拟的多层土壤温度资料,结合鄂陵湖草地站土壤观测资料和欧洲中心ERA5再分析资料,评估了BCC陆面过程模式对青藏高原土壤冻融过程的模拟能力。结果表明:BCC-CSM2-MR对青藏高原冻融总天数,特别是对于消融过程阶段的模拟接近观测值,但其完全冻结阶段和消融过程阶段的日期都有所推迟,可能与陆面模式物理参数化过程不完善导致土壤温度下降更慢有关。BCC-CSM2-MR 对青藏高原土壤冻结时段前期的冻土深度变化曲线模拟效果最佳,但由于网格分辨率低且对地形刻画不准确,BCC-CSM2-MR 不能模拟出青藏高原西南部相间分布的冻土深度特征。BCC-CSM2-MR 可以模拟青藏高原土壤温度在 1985~2014 年的升高趋势。对于气候倾向率空间分布,BCC-CSM2-MR模拟结果相较于集合平均,在青藏高原东北部偏低而西部偏高,且不能模拟出北部存在的少量相对低值区域。      

基于组网观测的那曲土壤湿度不同时间尺度的变化特征

利用第三次青藏高原大气科学试验的土壤湿度观测数据,分析了那曲多空间尺度组网观测的28个站2、5、10、20和30 cm 5个不同深度土壤湿度的季节变化和日变化特征,并对比讨论了土壤湿度站点间的差异。分析表明,各层土壤湿度均存在显著的季节变化。冬春季节,20 cm以上土壤湿度随深度变浅而减小。夏秋季节土壤湿度随深度增加而减小,并分别在7月上、中旬和9月出现两个峰值。10月以后进入土壤湿度衰减期。土壤温度和土壤湿度存在协同变化关系。在一定的温度范围内,土壤发生冻结-融化过程,引起土壤湿度变化。在太阳辐射加热下,土壤表层水分蒸发,进而影响土壤温度。不同观测站间土壤湿度差异较大,夏秋季离散性大于冬春季。不同季节土壤湿度的日变化存在差异。春季10 cm以上土壤湿度日变化明显,08-10时（北京时）达到最低,19-20时达到最高。夏季土壤湿度日变化较为平缓。秋季2 cm深度土壤湿度日变化明显。线性拟合结果表明,1、4、10月土壤湿度和土壤温度为正相关关系。但是在夏季,土壤湿度与土壤温度为负相关。站点间土壤湿度变化的离散性表明,多测站才能全面体现青藏高原某区域的陆面状态。文中结果为青藏高原地区土壤湿度卫星参数验证和数值模式参数化提供了多角度的观测依据。      

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。     

河西走廊中部干旱区陆面水分和辐射特征研究

利用河西张掖试验站2005年11月—2006年10月的陆面过程观测资料,研究了河西中部干旱区土壤温度、土壤湿度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和土壤热通量等物理量的年变化和日变化特征及其影响机制,分析了土壤湿度与降水量的相关关系、地表反照率与降水量及土壤湿度的相关关系。结果表明:干旱荒漠地区土壤温度对太阳加热的响应比较迅速,而且年较差和日较差也比较大。地表层土壤主要受蒸发和降水的影响,土壤湿度变化响应得较快,而深层土壤湿度基本不受地表影响,在冬季土壤湿度变化对降水的响应要滞后1~2个月。降水量与5 cm土壤湿度的相关最好,与深层50cm的土壤湿度相关最差。地表反照率的起伏变化与降水过程对应的比较好,反照率的谷值正好对应降水过程比较集中的时段。地表反照率随土壤湿度的增大是减小的,两者的相关系数达到了0.7346。干旱荒漠区辐射分量年变化幅度普遍比较大,年平均日变化特征表现为非常典型而平滑的日循环形态。土壤冬季向大气输出热量而夏季转变为大气向土壤输入热量,且输入的热量要大于输出。随着季节变化,土壤热通量的日最大值冬季出现最晚、夏季最早,与20 cm土壤温度的变化趋势基本一致。     

绿洲周边荒漠戈壁夏末土壤-大气水分传输特征

利用“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”2000年8-9月在甘肃敦煌地区戈壁滩上取得的野外观测资料,分析了临近绿洲的戈壁土壤湿度和温度特征以及相对应的大气湿度特征,发现土壤热量活动层约为5cm厚,比一般土壤要薄得多;临近绿洲的荒漠戈壁上,不仅近地层大气多为逆湿,而且浅层土壤有时也出现逆湿。土壤湿度日变化能清楚地被区分为湿维持、水分损失、干维持和水分补充等四个阶段。土壤湿度廓线表明：土壤水分活动层厚度约为10m;湿维持阶段的浅层土壤逆湿是土壤湿度廓线最主要的结构特征,这一土壤湿度结构预示着夜间土壤可能通过凝结吸收大气水分,它与白天的土壤水分蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程。土壤逆湿的形成与土壤温度状态、大气逆湿强度和大气稳定度都有关。     

陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。     

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)冻结强年和冻结弱年,高原中部季节冻土区各站点冻结、消融过程的持续时间差异大。(2)1960-2014年,高原中部平均气温呈上升趋势,其速率为0.39℃·(10a)^-1;冻结起始日以0.91 d·(10a)^-1的速率延后,冻结结束日则以2.88 d·(10a)^-1的速率提前,冻结结束日对气温变暖的响应更迅速。(3)垂直方向上,不同冻结强度年表层5 cm处土壤温度、湿度差异最大,差值随土壤深度的增加逐渐减小。冻结强、弱年土壤水分相变速率不同引起的热量差使得各层土壤温度的日变化产生明显差异。