青藏高原典型多年冻土区活动层水热特征及其模拟研究

The Qinghai-Tibet Plateau(QTP) has largest permafrost area in the mid-latitude regions. The permafrost on the QTP has different hydro-thermal characteristics compared to that of the high latitude area. The energy and water balances of permafrost on the QTP have great impact on the East Asian monsoon and it is sensitive to the climate changes. Therefore, it is important to recognize the hydrothermal characteristics and establish the parameterization for permafrost models on the QTP. The modeling of permafrost also has great importance to elaborate the interaction between permafrost, climate and ecological system. Using the hydro-thermal and meteorological data in the past 10 years from 5 field stations, this project aims to analysis the contents of unfrozen water, soil temperature and land-atmosphere interactions using in situ observations, laboratory experiments and numerical computation together with the field observation data. Then, we will parameterize the unfrozen water and hydraulic conductivity. Base on these results, we will investigate the hydrothermal changes in the permafrost and active layers under climate change using the land surface process models (CoupModel and CoLM) in QTP. This project will be helpful for further understanding of the hydrothermal characteristics of active layers with typical underlying surface on the QTP, and will provide more accurate parameters for the study of permafrost, as well as for understanding of the mechanisms of the interaction between permafrost and climate change, and thus further provide theoretical basis for the hydrothermal characteristic of the permafrost on the QTP.

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区，具有温度高、厚度薄等特点，青藏高原多年冻土区独特的地表能水交换过程对东亚季风乃至全球气候系统都有深刻影响；深入理解其陆面水热动态变化过程及机理，建立适合的水热过程物理机制模型及参数化方案对提高区域气候模拟能力，准确模拟和预估青藏高原多年冻土的变化过程具有重要科学意义。本项目拟利用已在青藏高原腹地建立的5套多年冻土及边界层气象监测系统近十年的连续监测资料，系统分析不同类型多年冻土活动层未冻水与温度变化规律及地气间水热交换机制，构建适用于青藏高原多年冻土区的未冻水及水力学参数化方案，改进（CoupModel和CoLM）陆面过程模型，研究气候变化对青藏高原多年冻土和活动层水热传输过程的影响。项目结果将有助于了解多年冻土与气候变化间相互作用的可能机制，为进一步量化青藏高原多年冻土对气候系统的反馈作用提供理论依据。

随着气候变暖，青藏高原多年冻土发生了显著的退化，多年冻土区独特的地表能水交换过程对东亚季风乃至全球气候系统都有深刻影响；深入理解多年冻土水热特征、机理和变化，改进和发展陆面过程和冻土模型及参数化方案，对准确模拟和预估多年冻土的变化过程具有重要科学意义。本项目利用青藏高原多套多年冻土及边界层气象监测系统连续监测资料，通过开展对冻土和大气水热交换过程的综合监测和模拟研究，揭示了多年冻土区活动层水热特征及其与地气能水交换的特征。首先，利用多源数据分析了典型多年冻土区土壤水热特征动态变化规律，不同下垫面水热变化特征的差异，结果表明地表植被类型和土壤性质是水热动态的主要影响因素。同时，评估和发展了多年冻土未冻水和导热率参数化方案，结果表明未冻水经验算法具有一定的适用性，而基于物理过程的算法虽然具有较高的计算精度，但由于参数众多在实际应用中较为困难；导热率随着温度及土壤含水量的增大而增大，土壤含水量是活动层表层导热率的控制因子，导热率可表示为地表温度气温及水汽压的函数。此外，基于多年冻土温度和地温相互作用的关系，构建了土壤温度-气温热轨迹模型和土壤温度算法模型，分析了多年冻土区气温、不同深度地温的变化特征，揭示了多年冻土冻融过程与地表能量通量的相互作用关系；结果表明热轨迹模型和土壤温度算法模型可以有效的刻画地气温度相互作用的关系，近三十年来多年冻土区气温和不同深度地温呈现变暖趋势，冻融循环过程显著地影响了地表能量通量的变化过程。最后，构建了综合考虑冻融过程、地下冰和深层地热流对多年冻土影响的冻土模型，模拟了多年冻土退化过程，结果表明在气候变化的背景下青藏高原多年冻土温度升高虽然较快，但是冻土消失的速度很慢。项目结果将有助于了解多年冻土与气候变化间相互作用的可能机制，为进一步提高气候模式对多年冻土的模拟能力，量化青藏高原多年冻土对气候系统的反馈作用提供理论依据。