青藏高原典型多年冻土区地气水热交换过程研究

由于多年冻土在地气能水交换中的特殊作用，把多年冻土陆面过程模式纳入区域气候模式是目前相关学科研究的焦点之一；研究表明，目前的冻土陆面过程模式是基于传导性热传输理论构建的，基本忽略了冻融过程中的相变热和对流热，从而造成模拟过程中地表能量闭合率差和"能量不平衡现象"。因此，查明冻土区地气水热平衡过程及和机理，在区域气候模式的改进及冻土区水土气生相互作用机理研究方面具有重要意义。本项目拟以青藏高原低温、高温和岛状三种典型多年冻土类型区的唐古拉、五道梁和西大滩为基地，开展大气和冻土水热平衡过程综合观测，获取3-4年的连续观测资料，分三层（近地大气层、活动层和多年冻土温度年变化层）分析其内部的水热平衡和转化过程，研究冻融过程中地气间的能量闭合程度以及水热耦合、交换机制，构建地气水热交换模型，预测气候变化对活动层和多年冻土的影响，为区域气候模式构建、青藏高原水文和生态研究提供科学依据。

本研究选取唐古拉、五道梁和西大滩作为分别代表青藏高原低温、高温和岛状多年冻土类型的典型区，通过开展对大气和冻土水热交换过程的综合监测和数值模拟研究，揭示了多年冻土区冻融过程地气水热交换的基本特征。首先进行了三种冻土类型区活动层冻融过程阶段的划分，并探讨了其水热变化异同，研究显示地表植被类型和土壤性质是其主要影响因素；青藏高原多年冻土温度和活动层厚度均随海拔高度的增加而减小，多年冻土上限温度总体呈现升高趋势，活动层厚度总体呈现增加趋势；在此基础上，结合对青藏高原积雪特征和土壤热物理特征的系统分析，研究了高原多年冻土区地表反照率、活动层热力学参数的变化规律，改进了参数化方案，给出了适合于各类模式的高原多年冻土区地表反照率、土壤导热率、导温率和容积热容量的参数化方案；基于CoLM模型平台，在引入上述参数化方案的基础上，同时把冻融过程中活动层内部未冻水动态变化过程纳入模型，把原模式的模拟深度（4m）扩展到地温年变化深度（12.8m），并以本底地热流值作为模拟的下边界条件。改进后模式极大地提高了模型对多年冻土区陆面过程的模拟能力；最后，基于实测和模拟，研究了气温和降水变化对多年冻土水热状况变化的影响和机理，并对活动层和多年冻土层中的能量收支及分配进行了计算分析，且利用COUPMODEL模型对活动层中水分迁移过程进行了探讨。本研究将为多年冻土区气候模型、水文模型和生态模型的研究提供理论参考依据。