青藏高原地表冻融循环过程中活动层热力参数的观测研究

Soil thermal parameters of active layer in permafrost regions play an important role in global change prediction, and are the prerequisite of engineering design and construction in cold regions. However, limited by poor understanding of related processes and mechanism and few experiments in current scientific community, the existing calculation schemes always consider quite little about the impacts of dynamic changes of unfrozen water content on the thermal parameters during the freezing period. Corresponding parameterization schemes shown large deviation in the calculation of thermal parameters on the Qinghai-Tibet Plateau, and the schemes given by domestic relative specification presented great error compared with field observations. This situation can not meet the requirement of regional simulation study and construction in permafrost regions. On the basis of existing research, this project intends to combine the in situ observations, numerical computation and laboratory experiments together, and does a systematic analysis of the impact mechanism of unfrozen water content on thermal parameters and the variation of thermal parameters in the freezing-and-thawing processes. Further more, we attempt to figure out the physical mechanism of thermaodynamic parameters variation to provide solid data base for the final parameterization scheme. The implementation of this project will be very useful for the further understanding on the dynamic variation characteristics of soil thermal parameters of active layers with typical underlying surface, and will provide more accurate parameters for the study of the thermal effects permafrost, the simulations with climate model and the calculation of cold regions engineering geology on the plateau.

1多年冻土区活动层土壤热参数是全球变化预测的重要组分，是寒区工程设计、建设的先决条件。但受目前科学界对相关过程和机理的认知程度及实验的限制，已有的计算方案对土壤冻结过程中未冻含量动态变化对热参数影响机理的研究涉及的较少，相应的方案对青藏高原高原地区热参数的计算出现了较大的偏差，目前国内相对规范中给出的方案与野外观测结果也有较大的出入，这极大的限制了冻土区区域模拟研究和工程建设的需要。本项目在已有研究的基础上，拟把活动层水热定位观测与数值计算实验室观测结合起来，系统分析冻融过程中未冻水含量对热参数的影响机理及热参数变化规律，进一步弄清相应的变化机理，为最终得到相应的参数化方案提供更加坚实的数据基础。本项目的实施，将有助于更进一步摸清该地区典型下垫面活动层土壤热力参数的动态变化特征，为较准确的研究高原地区冻土的热力效应及气候模式模拟、寒区工程地质计算提供较准确的参数。

土壤热导率是重要的土壤热力参数之一，在下垫面土壤热量传输中起到重要作用；同时导热率也是区域气候模式、陆面过程模式中重要的输入参数，在预估未来气候变化等方面也具有重要作用。但受目前科学界对相关过程和机理的认知程度及实验的限制，已有的计算方案对土壤冻结过程中未冻水含量动态变化对热参数影响机理的研究涉及的较少，目前陆面模式中所采用的导热率计算方案还不能准确的估算青藏高原多年冻土区活动层导热率，而冻融循环过程中不准确导热率是导致模式对青藏高原地区地表温度模拟在冷季出现较大的冷偏差的重要原因。基于此，本项目在已有研究的基础上，拟把活动层水热定位观测与数值计算实验室观测结合起来，系统分析冻融过程中未冻水含量对热参数的影响机理及热参数变化规律，进一步弄清相应的变化机理，为最终得到相应的参数化方案提供更加坚实的数据基础。.通过项目实施，积累了较长序列的监测数据，在观测资料及样品实验分析的基础上，较系统的分析了活动层冻融过程中导热率的动态变化特点，研究区域导热率具有明显的季节变化特征，导热率冻结期小，非冻结期大；导热率随土壤容重的增大而增大，随下垫面植被盖度的增大而减小，高寒草甸土的土壤导热率小于高寒草原土的导热率；受土壤水分运移特征的影响，土壤温度、含水量在活动层土壤冻融循环的不同阶段对对导热率的影响不同；导热率的差异对地表能量过程有显著的影响；研究区域土壤临界含水量在0.200～0.230 m3m-3之间；集成前期的研究结果，结合后续的原位观测构建了冻结及非冻结条件下土壤日平均导热率的计算方案及月平均导热率计算方案，独立检验结果显示，相应的方案适应于高原腹地干旱半干旱气候类型下表层土壤导热率的估算，对于水分含量较大的土壤，该方案的计算误差较大。