科研创新成果2

通过对多年冻土变化与机理研究,发展和改进了陆面过程模型,提出了冻融参数化方案,模拟和预估了多年冻土变化

准确模拟冻融过程和冻土中的水热输运过程,一直是寒区气候、水文和生态模拟中亟待解决的科学问题。其主要原因不仅是冻融过程中土壤水热物理参数发生着极大变化,还表现在描述水热输运的物理机制中对于冻结状态下水热的输运规律把握较差。研究站的科研团队通过长期监测和研究发现,在过去30年间,多年冻土区的冻结指数的下降趋势要大于融化指数的上升趋势,这导致近50 a(1961-2010年)土壤热通量也呈现增大趋势,平均每10 a土壤热通量增大0.31 W/m2。进一步的研究发现,随着多年冻土温度的升高,温度年变化深度逐渐减薄,其中潜热效应对多年冻土温度升高起到缓冲作用,导致了地温包络线变窄和年变化深度变浅。青藏高原大部分多年冻土都在经历内部融化,潜热效应对冻土热状况变化起到重要的作用。

对活动层水分迁移研究发现,经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移趋势,并在上限附近积累。地表能量平衡过程表现为夏季和秋季潜热占主导地位,而冬季和春季感热占主导地位的特征。多年冻土区活动层的冻融过程和季风降水是导致地表蒸发潜热较非多年冻土区大的主要原因。而冻结状态下浅表层土壤导热率均表现出较融化状态下小的特点,非冻结条件下导热率与冻结条件下导热率比值的大小与下垫面类型密切相关。基于上述研究结果,给出了冻土区土壤饱和度、孔隙度、含冰量等重要而难以测定的动态参数,建立了高原地区典型地段的土壤热参数统计模型。依托大气-植被-多年冻土综合监测系统,根据实地观测结果对SHAW、CoLM、NOAH、SIB2和CoupModel等陆面过程模式中土壤未冻水含量、热物理特性、地表粗糙度、反照率等参数化方案进行了系列改进,并针对多年冻土的特点,把模拟深度由2~4米扩展到15~17米,较好地模拟了过去30年来整个青藏高原冻土空间分布变化过程。

青藏高原多年冻土活动层厚度分布(左)及其变化趋势(右)

本成果共发表科研论文27篇,其中SCI论文17篇,分别发表于Permafrost and Periglacial Processes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Geoderma, Journal of Geophysical Research-Atmosphere, Catena等地学领域期刊上。研究成果多次被Earth-Science Reviews, Water Resources Research, Hydrology and Earth System Sciences,Atmospheric Chemistry and Physics等国际顶级期刊广泛引用,到目前为止总引用次数达100多次,其中被引用超过10次的SCI论文有5篇,单篇最高引用24次。