北半球季节冻土时空变化特征及其对气候变化的响应

发布时间：2020-07-08 06:47

【摘要】：北半球多年冻土和季节冻土面积分别占裸露地表的24%和57%。广义的季节冻土包括非多年冻土区的季节冻结层和多年冻土区的季节融化层。季节冻土的面积可达80%以上,占据北半球大部分陆地面积。季节冻土的冻融循环过程对地-气水热交换、地表能量平衡、地表水文过程、生态系统、碳循环、农业生产、工程建设等具有非常重要的影响。过去大量研究多集中在多年冻土和活动层,而对大面积分布在非多年冻土区的季节冻土鲜有报道。因此,本论文基于站点观测资料、再分析资料、卫星遥感资料、模式输出等,利用数理统计和数值模拟实验方法分析北半球季节冻土的时空变化特征及对气候变化的响应,主要开展了以下几部分研究内容:(1)基于16个耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)模式模拟资料、CRU分析资料,分析北半球冻土区过去气温变化以及对未来预估;(2)基于分析资料,评估和分析北半球过去和未来冻结、融化指数的空间分布及变化趋势,利用冻结、融化指数分析冻土区在全球气候变暖大背景下的敏感性;(3)基于欧亚大陆1277个土壤温度站点、分析资料,分析欧亚大陆过去和未来土壤冻结深度的时空变化特征,并且探讨其变化的影响因素;(4)收集了北半球347个活动层厚度站点多年观测数据,结合分析资料,利用Stefan方法,分析和预测北半球活动层厚度变化,并且探讨不同季节气温和降水对其影响以及北冰洋海冰面积变化与活动层厚度变化之间的关系;(5)结合卫星遥感资料,探讨多年冻土变化对植被生长的影响;(6)基于数值模拟方法,揭示土地覆盖类型变化对北半球多年冻土区的影响,对比分析土地覆盖类型变化对多年冻土区与整个北半球的影响。主要的结论如下:历史时期(1850-2005)多年冻土地区(PF)和非多年冻土地区(Non-PF)年平均气温分别以0.094℃/decade和0.064℃/decade的速度增长,相当于温度升高了1.47℃和1.00℃。在RCP2.6情景下,PF和Non-PF分别以0.096℃/decade,0.069℃/decade的速度变暖。在RCP4.5情景下,分别以0.332℃/decade和0.248℃/decade的速度增温。在RCP8.5情景下,增温速率分别为0.807℃/decade和0.613℃/decade。在年平均气温变化速率上,PF地区远大于Non-PF地区。北半球融化指数的空间变化范围介于0℃*d和11000℃*d之间,低值分布于高海拔和高纬度地区。冻结指数变化范围介于0℃*d和10000℃*d之间,与融化指数相反,其较大值分布于高纬度和高海拔地区。北半球整体平均冻结、融化指数分别呈现递减和递增趋势。在1850-2005期间,融化指数以1.14℃*d/yr的速度递增。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),融化指数分别以1.51℃*d/yr,5.32℃*d/yr和13.85℃*d/yr的速度递增。在1850-2005期间,区域平均冻结指数以-1.39℃*d/yr的速度递减。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),冻结指数分别以-1.2℃*d/yr,-4.3℃*d/yr和-9.8℃*d/yr的速度递减。在高纬度和高海拔地区,冻结指数降低趋势较快,明显高于其它地区;冻结指数降低速率明显高于融化指数增长速率。欧亚大陆区域平均土壤冻结深度呈现出显著递减的趋势。在1850-2005期间,递减率为-0.49 cm/decade。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),土壤冻结深度递减率分别为-0.45 cm/decade,-1.85 cm/decade和-4.58 cm/decade。土壤冻结深度与气温、融化指数、北冰洋涛动(AO)和北冰洋海冰面积呈现显著负相关关系。在不同地区,土壤冻结深度与积雪深度存在正相关或者负相关关系。北半球区域平均活动层厚度呈现出显著递增的趋势。1901-2005年,以0.57cm/decade的速度增加;在RCP8.5,RCP4.5和RCP2.6情景下,活动层厚度分别以6.51 cm/decade,2.56 cm/decade和0.77 cm/decade的速率显著递增。夏季气温和降水对活动层厚度影响最大,其次为秋季和春季气温和降水。北冰洋海冰面积可以作为活动层厚度变化的一个指示器,两者呈现显著的负相关关系。1982-2015年,多年冻土区季节平均归一化植被指数(NDVI)呈现显著递增的趋势,生长季NDVI增长率为0.00079 yr-1。空间变化趋势分布表明,NDVI显著增长的象元占整体的70.39%(生长季)、58.14%(春季)、66.02%(夏季)、71.99%(秋季)。植被生长与融化指数、活动层厚度、土壤温度和融化天数呈现显著正相关关系,与融化首日呈现显著负相关关系。即多年冻土融化有助于植被的生长。北半球多年冻土区对土地覆盖类型变化的响应呈现出降温的效应。年平均气温以-0.032℃/100yr的速度递减,相当于降低了0.37℃(850-2005)。年平均土壤温度(0.2 m)以-0.0334℃/100yr的速度递减,相当于降低了0.39℃(850-2005)。活动层厚度以-0.54 cm/100yr±0.023 cm的速度递减,相当于变浅了6.24±0.26cm。对比分析北半球多年冻土区和整个北半球对土地覆盖类型变化的响应,无论是气温还是土壤温度,多年冻土区对土地覆盖类型变化的响应更加敏感。本文从气温变化、冻融指数、冻结深度、活动层厚度、植被生长、土地覆盖类型变化等方面,探索了北半球季节冻土的时空变化特征及其对气候变化的响应。这些研究结果有助于进一步探讨季节冻土变化与气候变化之间的物理机制、冻土区生态-水文过程等研究。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P642.14;P467
【图文】：

技术路线图,技术路线,论文,融化指数

10图 1-1 论文技术路线。其中 FI/TI 分别为冻结、融化指数；ST 是土壤温度；SFD 为土壤冻结深度；ALT 为活动层厚度；LULCC 为土地覆盖类型变化；SM 为土壤水分；TD 是融化天数；FTC 是冻融循环；AO 为北冰洋涛动Figure 1-1 The research flow chart. Freezing/thawing index (FI/TI), soil temperature (ST), soilfreeze depth (SFD), active layer thickness (ALT), land use and land cover change (LULCC), soilmoisture (SM), thawing day (TD), freeze thaw cycle (FTC), arctic ocean (AO).

冻结指数,冻结深度,线性关系,活动层厚度

图 2-1 冻结指数与土壤冻结深度的线性关系。黑实线表示线性拟合Figure 2-1 Linear least squares regression between soil freeze depth and squared root of annualfreezing index based on observational sites. The black solid line is the linear fitted line.2.2.3 活动层厚度计算方法关于活动层厚度计算主要包括站点和半球尺度：站点尺度上，包括收集的站点活动层厚度、土壤温度（根据土壤温度，使用线性插值方法获取零度界面的深度）、物探等；区域尺度，使用 Stefan 近似解方法（公式 2-6 和 2-7）：LT = 2Kt(ntTIaPbwL) (2 6)LT = √TIa(2 7)ALT 为活动层厚度；Kt为融土热传导系数；TIa为空气融化指数。根据收集的站点活动层厚度和 CRU 资料提供的空气融化指数，结合 Stefan近似解获取站点 E 因子，然后根据站点 E 因子获取区域尺度或者半球尺度 E 因

空间分布,年平均气温,多模式,北半球

图 3-1 1901-2005 年观测和多模式集合模拟的北半球年平均气温变化Figure 3-1 Variation of mean regional surface air temperature anomaly over NorthernHemisphere from 1901 to 2005 of CRU observation and CMIP5 dataset. The time period wasdivided into two periods, the early 20th(1901~1950), the late 20th(1951~2005).3.1.2 北半球气温变化的时空分布特征为了更好地了解北半球气温变化的时空变化特征，本文用 CRU 和 16 个CMIP5 模式集体平均值计算了 30 年（1971-2000）年平均气温的空间分布，以及它们之间的差值（图 3-2 a-c），还计算了 1901-2005 年平均气温的空间变化趋势及差值（图 3-2 d-f）。图 3-2a 显示，根据 CRU 资料计算 30 年年平均气温空间分布。总体上，气温随着纬度的升高，年平均气温降低，变化范围从大于 30 °C 到小于-25 °C。在相同纬度地区，高海拔地区（比如青藏高原、蒙古高原和西西伯利亚山区）的年平均气温凸显低温的趋势。较高温度出现在低纬度地区，例如 30°N 以南，年平均气温大部分高于 25°C。低温度出现在高纬度和高海拔地区，例如 60°N 以北，年平均气温大部分在-5 °C 以下；在青藏高原地区，绝大部分区域的年平均气温

【参考文献】