不同积雪覆盖条件下积雪—冻融黑土水热特征研究

发布时间：2017-10-11 00:19

  本文关键词：不同积雪覆盖条件下积雪—冻融黑土水热特征研究

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【摘要】：积雪是中国北方季节性冻土区农田土壤冻融期最普遍且重要的上边界条件,因其独特的水热特性,对下伏冻土水热的分布、迁移过程有重要影响。本文以地处松嫩平原季节性冻土区的哈尔滨市为研究区域,进行全冻融期野外试验、监测在裸地(BL)、自然积雪(NS)、压实积雪(CS)、加厚积雪(TS)4种不同覆盖条件下积雪及冻土内部水热特征参数及相关气象因子变化情况,运用先进数理统计、对比分析、灰色系统理论等分析方法,深入研究了不同积雪覆盖模式下积雪及冻土内部水热特征变化规律,并运用Snow17模型模拟积雪水文要素、对影响模型输出的参数进行全局敏感性分析。得到主要结论如下:(1)积雪内部液态含水量与积雪深度及积雪龄期有关,中层积雪为液态含水量变化的次稳定区。积雪厚度越大,积雪内部液态水含量分布垂直差异性越大,适当压实积雪对其液态含水量的变幅影响不大;在积雪总量一定时,雪被融化的主要驱动力为太阳辐射与大气温度。厚度、密度不同的积雪终融时间差别不大,雪密度与雪深对其融化速率影响较弱。从水平方向看,各层次积雪热通量变化趋势表现出一致的规律性,但从竖直方向看,积雪热通量绝对值由积雪表层到底层依次增大。积雪各层热通量的变异性均在中等程度以上,且由表层到底层呈增大-减小趋势;积雪底层热通量变异系数最小,表明稳定积雪期积雪-冻土交界面处热交换较弱;10cm~20cm雪层热通量的强变异性表明太阳短波辐射能够有效影响此深度雪层热通量,具有加剧积雪相变过程的潜在可能性。(2)受雪-气交界面辐射及近地面大气温度的交互影响,积雪表层系温度变化活跃区,中层为稳定区,底层由于受到积雪-土壤交界面热量迁移影响属于温度变化次活跃区。降雪量一定时,压实处理是提高积雪底部温度的重要手段。积雪密度增加能够增加积雪内部温度变幅,显著改变雪层热状况;环境温度、净辐射、风速、水汽压及环境湿度为影响积雪温度的主要影响因子。随积雪深度的增加,主成分与积雪分层温度的拟合度降低,筛选出的主要气象因子与积雪表层温度的回归方程拟合度较好,对中层及底层积雪温度的输出不敏感,作用效果差。(3)裸地较积雪覆盖地土壤总含水率变化的剧烈程度大,说明积雪的高反照率、低热导率、大热容量特性减少了净辐射的输入,减缓了地-气间能量交换,显著改变了季冻区土壤冻融速率,影响了土壤水分的一维垂直分布。不同积雪覆盖模式造成各区积雪特性的分异,调控了积雪-土壤间能量交换,影响了土壤温度势的分布,使不同积雪覆盖处理下土壤聚墒区出现的时间和空间范围的差异明显;土壤液态含水率的时空变化情况能直观地阐述季冻区土壤水分的固-液相变过程,积雪覆盖显著改变了下边界土壤温度分布,影响冻土水分相变,导致土壤液态含水率的时空分布差异。积雪覆盖有效抑制了土壤液态含水率的时空变化幅度,其中压实处理对下垫面土壤相变的抑制作用最显著;积雪覆盖对土壤总含水率的调控具有重要作用,但不能对所有土层的总含水率分布都产生影响,其影响范围有局限性;不同积雪覆盖处理对土壤浅层剖面总含水率影响的显著性水平高于深层剖面,可见不同积雪覆盖处理对土壤浅层总含水率的反馈调节能力大于深层土壤;积雪覆盖对土壤液态含水率变化的调控能力大于对土壤总含水量的调控能力;积雪压实处理对浅层土壤的保墒效果最佳,裸地对浅层土壤的保墒效果最差,同剖面深度下CS土壤总含水率较BL提高4.91%~7%;积雪压实处理对提高土壤深层剖面液态含水率具有重要作用。(4)不同积雪覆盖处理下积雪通过不同的反照率和不同湍流通量,调制了下垫面与大气间能量交换。冻结期积雪覆盖处理与裸地相比能显著提高土壤温度,起到良好的保温效果,保温效果依次为TSCSNS,且四组差异性极显著(P0.05),即在降雪量一定时,积雪压实处理可以增加雪层内的净辐射传输量,提高积雪对土壤的保温效果;由于积雪的低热导率特性对气-雪及雪-土交界面热量的双重阻隔作用,雪深越大,积雪保温性能越好。融化期地表裸露,各处理上边界条件一致,地表温度差异性不显著(P=0.11410.05)。(5)积雪的存在会抑制土壤相变发展的程度,影响土壤相变进行的速率;积雪当量和积雪密度对土壤相变高值区的发展时间起重要作用。不同积雪覆盖处理下土壤剖面相变热差异极显著,积雪覆盖模式对下伏冻土全冻融期相变热的变化具有重要调控作用。压实积雪处理下土壤浅层(20cm)相变热最大,较BL提高54.6%。(6)不同降水强度下,SCF始终为制约SWE,OUTFLOW输出的最敏感因子,SCF、MBASE、MFMAX、MFMIN始终为SWE前四位的敏感性因素。UADJ对两输出变量均不敏感;随降水强度的减弱,SWE的敏感性因子有增多的趋势,且其敏感度值发生了变化,说明Snow-17模型参数对较小降水强度下的输出情况较为敏感,降水强度的大小会影响参数敏感度因子数目及敏感度值;MFMAX,MFMIN,TIMP三参数与模型输出呈负相关关系,SCF、MBASE、NMF、PLWHC与模型输出呈正相关关系。
【关键词】：积雪覆盖 冻土 水热特征 积雪模型 积雪特性
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.14
【目录】：

• 摘要10-12
• 英文摘要12-16
• 1 引言16-27
• 1.1 立题依据16
• 1.2 研究的目的及意义16-17
• 1.3 国内外研究动态17-25
• 1.3.1 冻融土壤水热迁移机理研究17-19
• 1.3.2 不同覆盖条件下土壤水热运动研究19-20
• 1.3.3 积雪水热迁移机理研究20-22
• 1.3.4 积雪模型研究22-24
• 1.3.5 存在的问题及发展趋势24-25
• 1.4 研究内容25
• 1.5 技术路线25-27
• 2 田间试验27-37
• 2.1 试验区概况27
• 2.2 试验条件27-29
• 2.2.1 气象条件27-28
• 2.2.2 土壤物理28-29
• 2.3 试验方案29-33
• 2.3.1 试验总体布置29
• 2.3.2 观测指标及方法29-33
• 2.4 主要试验仪器33-37
• 2.4.1 CNC503DR型中子水分仪33-34
• 2.4.2 TRIME-PICO-IPH型管式土壤水分仪34-35
• 2.4.3 SNOW FORK雪特性分析仪35-36
• 2.4.4 其他仪器设备36-37
• 3 积雪水热迁移特征研究37-47
• 3.1 积雪融化及积累阶段基本物理过程37
• 3.2 积雪水热迁移过程37-38
• 3.3 试验期积雪积累-融化过程38-39
• 3.4 稳定积雪期积雪水热变化特征39-42
• 3.4.1 积雪内液态水含量39-40
• 3.4.2 积雪内热状况40-42
• 3.5 积雪热状况对气象因素的响应42-45
• 3.5.1 主要影响因子的灰关联分析42-43
• 3.5.2 积雪温度与主要影响因子的关系43-45
• 3.6 本章小结45-47
• 4 季节性冻融土壤水热迁移特征研究47-61
• 4.1 季节冻土的物质组成47
• 4.2 冻融土壤水热迁移驱动力及基本要素47-48
• 4.3 土壤冻融期的划分48-49
• 4.4 不同积雪覆盖条件下冻融土壤水分迁移特征49-55
• 4.4.1 研究方法50
• 4.4.2 不同积雪覆盖条件下土壤总含水量的时空分布50-53
• 4.4.3 不同积雪覆盖条件下土壤液态含水量的时空分布53-55
• 4.5 不同积雪覆盖条件下冻融土壤热状况55-59
• 4.5.1 不同积雪覆盖对地表保温效果分析55-56
• 4.5.2 不同积雪覆盖模式下冻土相变规律分析56-59
• 4.6 本章小结59-61
• 5 积雪融化与积累过程模型研究61-77
• 5.1 SNOW-17模型概述61-62
• 5.2 降水形式的判别62-63
• 5.3 雪层的积累63-64
• 5.4 雪-气交界面处的能量传输64-67
• 5.4.1 积雪表层能量交换计算65-66
• 5.4.2 积雪无表面融化条件下的能量交换66-67
• 5.5 雪层内部状态67-69
• 5.5.1 积雪龄期68
• 5.5.2 雪密度和雪深计算68-69
• 5.6 雪层中水分迁移69-70
• 5.7 积雪土壤交界面处的热量交换70
• 5.8 SNOW-17模拟结果70-72
• 5.9 参数的敏感性分析72-76
• 5.9.1 参数的拉丁超立方抽样73
• 5.9.2 全局敏感性分析73-76
• 5.10 本章小结76-77
• 6 结论及展望77-80
• 6.1 结论77-78
• 6.2 展望78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-88
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文88

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本文编号：1009438