气候变化背景下青藏高原多年冻土活动层水循环的机理研究

In the context of climate change, hydrological cycle in permafrost region and its mechanism in response to climate change are the key scientific topics in land surface process, water cycle and ecological dynamic studies in cold regions. Based on the observed ecological, edaphic and meteorological data fromFenghuoshan Tuotuo river and Wudaoliang sites in Qinhai-Tibet Plateau, the hydrological cycle observing system will be created, and the parameterization and run schemes of CLM (Common Land Model) are discussed. All the results can be used to improve the availability and harmony of field observations,and simulate the variation of water cycle in permafrost active layer. Coupling of CLM with the regional climate model (RegCM3),and improving parameters of land surface process,detect the responsive mechanism of water cycle to climate change in permafrost active layer in alpine area. The mutual relationship among frozen soil in the permafrost active layer, climate change and water cycle in Qinghai-Tibet Plateau will be discovered. All the achievements will help understand rules of hydrological cycle response to climate change at the permafrost regions in medium and large scale and develop the hydrological science in permafrost area.

全球气候变化背景下，冰冻圈多年冻土水循环及其对气候变化的响应机理，是广泛涉及寒区陆面过程、寒区水文循环以及寒区生态动态变化等多方面的关键科学问题。本项目以青藏高原北部已有实验观测基础的风火山多年冻土活动层定点研究为基地，结合沱沱河、五道梁、风火山三个站点的地面生态、土壤、气象等实验观测资料，建立冻土活动层水循环观测系统，探讨陆面过程模型CLM的运行机理和参数化方案，与观测相协调，提高野外观测的有效性，并应用陆面过程模型模拟研究多年冻土活动层水循环变化特征；将陆面过程模型CLM 和区域气候模型RegCM3嵌套应用，完善陆面过程参数化，综合开展高山气候变化影响下的冻土活动层水循环响应机理研究；搞清多年冻土活动层冻土-气候变化-水文循环之间的相互关系，为深入研究区域多年冻土水文循环对气候变化响应规律及完善和发展冻土水文科学奠定基础。

1.本文讨论了地表过程模型(CLM)的运行机理和参数化方案。采用陆面过程模型模拟了多年冻土活化层的水循环特征。改进了地表过程模型CLM陆面参数化方案，全面研究了高寒气候变化对冻土活跃层水分循环的响应机理，了解了多年冻土活化层之间的关系。.2.近45年来，随着气候变化和人类活动的影响，长江和黄河源区的土地覆盖发生了重大变化。20世纪80年代末长江、黄河源区高寒草地退化速率迅速上升。2000以后，高寒湿地的退化速率逐渐下降，以萎缩为主。温升引起的高寒草原生态系统变暖干燥是长江、黄河源区高寒草地生态系统退化格局形成的主要原因。降水变化、过度放牧和人类活动的不合理干扰是长江、黄河源区植被恶化的重要原因。.3.将Noah LSM用于多年冻土区水热通量过程的模拟是可行的。对浅层土壤温度的日内波动性模拟效果不佳；随着土壤深度的增加，土壤水分的模拟精度逐渐降低，而且下层模拟结果对植被生长期的土壤水分明显低估。此外，经过参数校正后的Noah LSM对该地区土壤冻融期的土壤温度和土壤水分的模拟效果较差，因此还需要进一步进行参数化方案的改进。.4.从五道梁和沱沱河1980-2016年融化指数和冻结指数及显著性检验结果看出五道梁和沱沱河融化指数呈显著的增加趋势。冻结指数呈显著下降趋势。五道梁和沱沱河两地多年平均降水、夏季平均降水呈显著的增加趋势。冬季平均降水整体呈下降趋势，但下降的不很显著。.5.通过模拟充分验证了CLM4.5陆面模型，它既可以与大气模式耦合，也可以单独离线运行（需要大气强迫资料驱动）的优势。尤其是体现出CLM4.5能够很好模拟青藏高原多年冻土区陆表、土壤、水文和植被之间的相互作用过程。.6. 应用通用陆面模式CLM4.5提供一个稳定（主要气候变量达到平衡状态）的初始场，采用1979-2012年的大气强迫场数据反复强迫模式运行稳定后。正式使用1979-2012年大气强迫数据驱动模式模拟总初级生产力GPP、净初级生产力NPP和蒸散发ET，得到1979-2012年的模拟结果。通过CLM模拟的结果与MODIS的相比，分析得知 CLM模式适合高原冻土区的陆面过程模拟。