青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究
发布时间：2021-11-28 13:48
多年冻土活动层,尤其是浅层土壤的水热传输机制,以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据,比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异,以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明:根据一日之内地温的正负波动,浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、完全融化期、始冻期和完全冻结期四个时期,其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期,高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0～20cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势,且不同冻融阶段的振幅差异较大,由于相变的缘故,解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原,说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关,植被作为热绝缘层,减弱了地温对气温波动的响应。地表下5～10cm的热扩散率显著大于10～20cm深度,且5-10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。
【文章来源】：冰川冻土. 2020,42(02)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
活动层观测场的地理位置
研究区冻融交替季节剧烈的气温变化，在春季解冻期内也有个别日期没有发生日冻融循环现象。为了直观表达，图2显示了日冻融循环发生的具体日期和深度。显然，在始冻期，两个观测点都只在地表下5cm发生2～3天日冻融循环事件。在解冻期，QT04日冻融循环发生天数和深度都明显大于QT06，即便在20cm处，解冻期也有6天发生了日冻融循环，而QT06在10cm处仅有2天发生日冻融循环。这是因为高寒草甸发育更好的植被和更高的土壤水分含量能起到更好的热绝缘作用，减缓气温波动对地温的影响[26]。上述特征与高纬度多年冻土区南缘内蒙古-南西伯利亚一线多年冻土区的研究结果类似[15]，森林的日冻融循环持续天数和振幅显著低于草地，地上植被可以作为气候变化的缓冲层，调节多年冻土的退化速度，但是该研究没有比较解冻期和始冻期日冻融循环过程的差异。祁连山阿柔草场的观测结果表明[27]，解冻期地表下5cm日冻融循环天数显著多于始冻期，且随深度减弱，与本文研究结果相似。但是阿柔草场全年的日冻融循环发生天数在10天以内，明显低于本研究区，说明青藏高原地表土壤日冻融循环空间差异显著，除受气温影响外，地表植被覆盖和土壤水分也是不可忽略的影响因素。青藏高原多年冻土区地表土壤日冻融循环过程的空间差异和影响因素，尚需进一步研究。由于冻融现象导致的土壤热物理属性的季节差异性，浅层土壤在不同冻结融化阶段的日地温变化特征也有显著差异。两个活动层观测点在始冻期，仅在地表下5cm土壤发生持续2～3天的日冻融循环，因此忽略始冻期，仅分析浅层土壤在解冻期[图3(a）、（b）]、完全融化期[图3(c）、（d）]和完全冻结期[图3(e）、（f）]三个阶段的地温日变化特征。以各冻融阶段内每天同一时刻的地温平均值来描述小时平均地温的日变化特征。图3展示了两个活动层观测点5～90cm深度小时平均地温的日内变化特征。QT04和QT06观测点5～20cm深度地温的日内变化均呈现正弦波动，且振幅都随深度增加而显著减弱，50cm以下地温在日内基本恒定。QT04和QT06观测点地表下5cm均在约09:00出现日最低地温，在约17:00出现日最高地温，20cm地温较5cm地温滞后0.5～1h。QT04和QT06观测点的日地温振幅均在完全融化期最大（5cm处为3.1℃和2.7℃），完全冻结期次之（5cm处为2.5℃和1.6℃），解冻期最小（5cm处为1.7℃和1.1℃）。这与陈学龙等[28]的研究结果相似。因为在解冻期土壤昼融夜冻，大量热量消耗于土壤水的相变，故解冻期的日地温振幅最低。同时，浅层土壤日地温振幅在不同冻融阶段的显著差异也反映了土壤热物理性质的季节波动。同一深度处，QT06的振幅在三个冻融时期都低于QT04，是因为高寒草甸较高的土壤水分和有机质含量降低了土壤的导热性，削弱了地温的日变化动态。这与Luo等[29]在黄河源的研究结果相似，高密度的植被覆盖可以降低土壤热流，起到热绝缘作用，显著减弱地表温度的日振幅。
由于冻融现象导致的土壤热物理属性的季节差异性，浅层土壤在不同冻结融化阶段的日地温变化特征也有显著差异。两个活动层观测点在始冻期，仅在地表下5cm土壤发生持续2～3天的日冻融循环，因此忽略始冻期，仅分析浅层土壤在解冻期[图3(a）、（b）]、完全融化期[图3(c）、（d）]和完全冻结期[图3(e）、（f）]三个阶段的地温日变化特征。以各冻融阶段内每天同一时刻的地温平均值来描述小时平均地温的日变化特征。图3展示了两个活动层观测点5～90cm深度小时平均地温的日内变化特征。QT04和QT06观测点5～20cm深度地温的日内变化均呈现正弦波动，且振幅都随深度增加而显著减弱，50cm以下地温在日内基本恒定。QT04和QT06观测点地表下5cm均在约09:00出现日最低地温，在约17:00出现日最高地温，20cm地温较5cm地温滞后0.5～1h。QT04和QT06观测点的日地温振幅均在完全融化期最大（5cm处为3.1℃和2.7℃），完全冻结期次之（5cm处为2.5℃和1.6℃），解冻期最小（5cm处为1.7℃和1.1℃）。这与陈学龙等[28]的研究结果相似。因为在解冻期土壤昼融夜冻，大量热量消耗于土壤水的相变，故解冻期的日地温振幅最低。同时，浅层土壤日地温振幅在不同冻融阶段的显著差异也反映了土壤热物理性质的季节波动。同一深度处，QT06的振幅在三个冻融时期都低于QT04，是因为高寒草甸较高的土壤水分和有机质含量降低了土壤的导热性，削弱了地温的日变化动态。这与Luo等[29]在黄河源的研究结果相似，高密度的植被覆盖可以降低土壤热流，起到热绝缘作用，显著减弱地表温度的日振幅。2.2 活动层季节冻融过程的水热变化特征
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素[J]. 刘广岳,谢昌卫,杨淑华. 冰川冻土. 2018(06)
[2]祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素[J]. 王庆锋,金会军,张廷军,吴青柏,曹斌,彭小清,王康,李丽丽. 科学通报. 2016(24)
[3]多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征[J]. 焦永亮,李韧,赵林,吴通华,肖瑶,胡国杰,乔永平. 冰川冻土. 2014(02)
[4]青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系[J]. 岳广阳,赵林,赵拥华,杜二计,王琦,王志伟,乔永平. 冰川冻土. 2013(03)
[5]兰州马衔山多年冻土区地表能量平衡特征分析[J]. 董希成,谢昌卫,赵林,姚济敏,胡国杰,乔永平. 冰川冻土. 2013(02)
[6]黑河上游阿柔草场冻融过程及其对地表辐射平衡的影响[J]. 王庆峰,张廷军,彭小清. 兰州大学学报(自然科学版). 2013(02)
[7]青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征[J]. 李韧,赵林,丁永建,吴通华,肖瑶,杜二计,刘广岳,乔永平. 科学通报. 2012(30)
[8]Changes in the Thermal and Hydraulic Regime within the Active Layer in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. XIE Changwei,ZHAO Lin,WU Tonghua,DONG Xicheng Croyosphere Research Station on the Qinghai-Tibet Plateau,State Key Laboratory of Cryospheric Sciences,Cold & Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,CAS,Lanzhou 730000,China. Journal of Mountain Science. 2012(04)
[9]地表能量变化对多年冻土活动层融化过程的影响[J]. 李韧,赵林,丁永建,王银学,杜二计,刘广岳,肖瑶,孙琳婵,刘杨,石伟. 冰川冻土. 2011(06)
[10]江河源区典型多年冻土和季节冻土区水热过程对植被盖度的响应[J]. 胡宏昌,王根绪,王一博,刘光生,李太兵,任东兴. 科学通报. 2009(02)
本文编号：3524536
【文章来源】：冰川冻土. 2020,42(02)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
活动层观测场的地理位置
研究区冻融交替季节剧烈的气温变化，在春季解冻期内也有个别日期没有发生日冻融循环现象。为了直观表达，图2显示了日冻融循环发生的具体日期和深度。显然，在始冻期，两个观测点都只在地表下5cm发生2～3天日冻融循环事件。在解冻期，QT04日冻融循环发生天数和深度都明显大于QT06，即便在20cm处，解冻期也有6天发生了日冻融循环，而QT06在10cm处仅有2天发生日冻融循环。这是因为高寒草甸发育更好的植被和更高的土壤水分含量能起到更好的热绝缘作用，减缓气温波动对地温的影响[26]。上述特征与高纬度多年冻土区南缘内蒙古-南西伯利亚一线多年冻土区的研究结果类似[15]，森林的日冻融循环持续天数和振幅显著低于草地，地上植被可以作为气候变化的缓冲层，调节多年冻土的退化速度，但是该研究没有比较解冻期和始冻期日冻融循环过程的差异。祁连山阿柔草场的观测结果表明[27]，解冻期地表下5cm日冻融循环天数显著多于始冻期，且随深度减弱，与本文研究结果相似。但是阿柔草场全年的日冻融循环发生天数在10天以内，明显低于本研究区，说明青藏高原地表土壤日冻融循环空间差异显著，除受气温影响外，地表植被覆盖和土壤水分也是不可忽略的影响因素。青藏高原多年冻土区地表土壤日冻融循环过程的空间差异和影响因素，尚需进一步研究。由于冻融现象导致的土壤热物理属性的季节差异性，浅层土壤在不同冻结融化阶段的日地温变化特征也有显著差异。两个活动层观测点在始冻期，仅在地表下5cm土壤发生持续2～3天的日冻融循环，因此忽略始冻期，仅分析浅层土壤在解冻期[图3(a）、（b）]、完全融化期[图3(c）、（d）]和完全冻结期[图3(e）、（f）]三个阶段的地温日变化特征。以各冻融阶段内每天同一时刻的地温平均值来描述小时平均地温的日变化特征。图3展示了两个活动层观测点5～90cm深度小时平均地温的日内变化特征。QT04和QT06观测点5～20cm深度地温的日内变化均呈现正弦波动，且振幅都随深度增加而显著减弱，50cm以下地温在日内基本恒定。QT04和QT06观测点地表下5cm均在约09:00出现日最低地温，在约17:00出现日最高地温，20cm地温较5cm地温滞后0.5～1h。QT04和QT06观测点的日地温振幅均在完全融化期最大（5cm处为3.1℃和2.7℃），完全冻结期次之（5cm处为2.5℃和1.6℃），解冻期最小（5cm处为1.7℃和1.1℃）。这与陈学龙等[28]的研究结果相似。因为在解冻期土壤昼融夜冻，大量热量消耗于土壤水的相变，故解冻期的日地温振幅最低。同时，浅层土壤日地温振幅在不同冻融阶段的显著差异也反映了土壤热物理性质的季节波动。同一深度处，QT06的振幅在三个冻融时期都低于QT04，是因为高寒草甸较高的土壤水分和有机质含量降低了土壤的导热性，削弱了地温的日变化动态。这与Luo等[29]在黄河源的研究结果相似，高密度的植被覆盖可以降低土壤热流，起到热绝缘作用，显著减弱地表温度的日振幅。
由于冻融现象导致的土壤热物理属性的季节差异性，浅层土壤在不同冻结融化阶段的日地温变化特征也有显著差异。两个活动层观测点在始冻期，仅在地表下5cm土壤发生持续2～3天的日冻融循环，因此忽略始冻期，仅分析浅层土壤在解冻期[图3(a）、（b）]、完全融化期[图3(c）、（d）]和完全冻结期[图3(e）、（f）]三个阶段的地温日变化特征。以各冻融阶段内每天同一时刻的地温平均值来描述小时平均地温的日变化特征。图3展示了两个活动层观测点5～90cm深度小时平均地温的日内变化特征。QT04和QT06观测点5～20cm深度地温的日内变化均呈现正弦波动，且振幅都随深度增加而显著减弱，50cm以下地温在日内基本恒定。QT04和QT06观测点地表下5cm均在约09:00出现日最低地温，在约17:00出现日最高地温，20cm地温较5cm地温滞后0.5～1h。QT04和QT06观测点的日地温振幅均在完全融化期最大（5cm处为3.1℃和2.7℃），完全冻结期次之（5cm处为2.5℃和1.6℃），解冻期最小（5cm处为1.7℃和1.1℃）。这与陈学龙等[28]的研究结果相似。因为在解冻期土壤昼融夜冻，大量热量消耗于土壤水的相变，故解冻期的日地温振幅最低。同时，浅层土壤日地温振幅在不同冻融阶段的显著差异也反映了土壤热物理性质的季节波动。同一深度处，QT06的振幅在三个冻融时期都低于QT04，是因为高寒草甸较高的土壤水分和有机质含量降低了土壤的导热性，削弱了地温的日变化动态。这与Luo等[29]在黄河源的研究结果相似，高密度的植被覆盖可以降低土壤热流，起到热绝缘作用，显著减弱地表温度的日振幅。2.2 活动层季节冻融过程的水热变化特征
【参考文献】：
期刊论文
[1]青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素[J]. 刘广岳,谢昌卫,杨淑华. 冰川冻土. 2018(06)
[2]祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素[J]. 王庆锋,金会军,张廷军,吴青柏,曹斌,彭小清,王康,李丽丽. 科学通报. 2016(24)
[3]多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征[J]. 焦永亮,李韧,赵林,吴通华,肖瑶,胡国杰,乔永平. 冰川冻土. 2014(02)
[4]青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系[J]. 岳广阳,赵林,赵拥华,杜二计,王琦,王志伟,乔永平. 冰川冻土. 2013(03)
[5]兰州马衔山多年冻土区地表能量平衡特征分析[J]. 董希成,谢昌卫,赵林,姚济敏,胡国杰,乔永平. 冰川冻土. 2013(02)
[6]黑河上游阿柔草场冻融过程及其对地表辐射平衡的影响[J]. 王庆峰,张廷军,彭小清. 兰州大学学报(自然科学版). 2013(02)
[7]青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征[J]. 李韧,赵林,丁永建,吴通华,肖瑶,杜二计,刘广岳,乔永平. 科学通报. 2012(30)
[8]Changes in the Thermal and Hydraulic Regime within the Active Layer in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. XIE Changwei,ZHAO Lin,WU Tonghua,DONG Xicheng Croyosphere Research Station on the Qinghai-Tibet Plateau,State Key Laboratory of Cryospheric Sciences,Cold & Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,CAS,Lanzhou 730000,China. Journal of Mountain Science. 2012(04)
[9]地表能量变化对多年冻土活动层融化过程的影响[J]. 李韧,赵林,丁永建,王银学,杜二计,刘广岳,肖瑶,孙琳婵,刘杨,石伟. 冰川冻土. 2011(06)
[10]江河源区典型多年冻土和季节冻土区水热过程对植被盖度的响应[J]. 胡宏昌,王根绪,王一博,刘光生,李太兵,任东兴. 科学通报. 2009(02)
本文编号：3524536
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