土地覆被—积雪对长白山地区季节性冻土的地温影响研究

发布时间：2018-01-26 10:56

本文关键词： 长白山地表覆被积雪季节性冻土地温　出处：《东北师范大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：冻土是地球冰冻圈系统中的主要组成部分。其存在、分布受到多种因素的影响，并且存在显著的时空变化。在大陆尺度和区域尺度上，其主要受纬度、海拔、大陆度和干燥度等因素的控制和影响。在局域尺度上，其受土地覆被、积雪、坡向、坡度、土壤、岩性、水分等影响水热平衡的局地因子的控制和影响。其中，土地覆被和积雪对冻土的影响非常显著，也一直是研究的重点和热点。根据周幼吾等《中国冻土》及中国科学院寒区旱区环境工程研究所《1:1000万冻土类型》定义：东北地区季节性冻土为“中深层季节性冻土（Middle-thickseasonally frozen ground）”，即冻结深度大于1m的季节性冻土。本文所指的季节性冻土为此类。为了研究土地覆被和积雪对季节性冻土地温的影响，本文在长白山牡丹岭（敦化市江源镇南山）地区选取典型地段的三种土地覆被状态，即红松栎林、耕地、沟谷湿地作为研究样地，分3组布设6台HOBO和3台自动气象站，同时配设多部手持式气象仪，对森林、耕地和沟谷湿地的季节性冻土和积雪进行了2个冬季的观测（2010~2011，2011~2012），并进行了植被扰动、积雪扰动条件下地温的变化情况的观测，研究植被和积雪对地表温度造成的影响。此外，本文基于2001年以来长白山30个气象站的地温、积雪以及常规气象数据，并于http://modis.gsfc.nasa.gov/下载了2001~2010年的MODIS影像，在其地表月均温产品的基础上，合成了长白山地区各年份地表年均温等值线图谱。同时也反演了相应年份冬季的积雪深度图谱。然后一同叠加在长白山土地利用图上，依据地表覆被和积雪对地表的温度影响值，将图谱中的各栅格数据进行调整，形成新的地温图谱。依据周幼吾《中国冻土》关于中深层季节季节性冻土（又称稳定性冻结）的季节冻结和融化层地面年平均温度（tξ）与年平均气温（ta）的关系公式：tξ=3.72144+0.72329ta，计算出tξ=10（中深层季节冻土和浅层季节冻土分界线），年平均气温ta=8.68。然后在tξ=10的区域选取6个站点，通过1961~2010年年平均气温数据和地表年均温数据线性回归得到：tair=0.8092tground+0.4339（Adj-R2=0.8717,p=0.000），然后换算出tξ=10的地表温度为tground=10.2，即地表年均温10.2℃所在的线为中深层季节性冻土南界线。最后在调整后的地温图谱中提取地表年均温为10.2℃的线，作为中深层季节性冻土的南界，并分析在2001~2010年其界线的变动情况。通过对所获得的数据和反演结果进行分析，主要结论如下： 1）植被的高低和盖度差异对其内气候的影响不同。红松栎林因植被高大、冠层浓密以及层片较多，造成冬季的降温作用明显。分析可见，与植被冠层顶部相比，冠层将吸收和反射约40%左右的太阳辐射，因此导致林内且气温较低，降温幅度在2℃左右。而耕地因作物株行距较大，植株矮小，且冬季时叶子枯落，其对太阳辐射的影响非常小，因此对下伏土壤地温影响不大。沟谷湿地以苔草、莎草、小叶章为主，植物盖度较大，但因高度太小，其对地面的降温作用也不大，但稍高于耕地。 2）地表覆被不同对下伏季节性冻土的影响不同。地表覆被因个体形态不同，盖度不同，对下伏土壤的温度影响不同。监测发现，森林在冬季的降温作用明显，可以造成其下伏浅层地温温度位移在2℃左右，并使冻土冻结时间提前，冻结深度加重。而耕地和草地则相对较弱。 3）积雪的保温作用对下伏季节性冻土影响在解冻和融化期不同。积雪具有保温作用，不同深度其保温效果不同。在长白山的地区，，不足5cm的积雪对下伏浅层地温影响作用不大，但当积雪在15~20cm时，造成的温度位移在2~4.1℃左右。积雪在土壤冻结初期，表现为弱化浅层地温的降低，使冻结深度变浅，但在土壤解冻时，因其需吸收大量相变热，造成浅层地温回升较慢，延长土壤冻结时间。 4）植被和积雪扰动对下伏季节性冻土影响很大。清除植被，使地表完全裸露，则去除了植被的降温作用，使下伏土壤冻结时间延后，冻结深度发生变化。同理积雪也对下伏土壤地温产生响应的影响。但是两者之间往往存在交叉影响，即植被清除后，则积雪较未清除的样地要厚，积雪的保温作用就体现出来了。 5）长白山地区中深层季节性冻土南界移动幅度较大。2010年因极端高温，中深层冻土南界在研究区以南；2003、2004、2006年中深层季节性冻土南界位置相似，且位于最北端，即丹东-岫岩-海城一线；其余的年份则基本分布在宽甸-盖州一线附近。近十年界限南北最大差距在350公里以上。总的研究表明，植被和积雪对长白山季节性冻土的影响机制较为复杂，不同植被类型和积雪状态对冻土的影响程度也各不相同，且同时可能受气温、坡度坡向、岩性、水分等其它因素的共同影响。本论文基本较为成功地分析和解释了长白山典型地表覆被和积雪对冻土地温以及冻融过程的影响机理，并给出了它们对冻土的影响程度，最后探讨了基于植被和积雪影响下的季节性冻土南界对气候变化的响应，为今后长白山季节性冻土影响因素的研究奠定基础。
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【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P642.14

【参考文献】