黄河源区积雪对土壤冻融过程能量水分输送的影响研究

Snow cover is the most changeable factor in the cryosphere, and the Tibetan Plateau (TP) is an area with the most drastic changes in the snow-cover in the northern hemisphere. In the TP, there is the complex terrain and widely distributed permafrost and scattered snow-cover. Superposition of strong solar radiation and low air temperature may make the water and heat transport of soil - snow - atmosphere differ from those in the high-latitude regions. However, the field observation that targeted the heat water and heat transfer process of soil - snow - atmosphere is still scarce in the TP. In this project, a comprehensive field experiment of water and heat exchange will be conducted on different underlying surfaces (with and without snow cover) in the source region of the Yellow River, using a variety of observation instruments. We will use the eddy covariance method to measure the turbulent fluxes such as sensible heat, latent heat and momentum fluxes, and measure the water and heat transfer process of soil - snow – atmosphere at the same time, so as to study the influence of snow cover on the surface energy and water transport. Based on the observation data, the parameters and applicability of the land surface model will be investigated and evaluated so as to improve the simulation ability of the model for the snow and frozen soil in the TP. In this study, a series of sensitivity simulation experiments of changing snow-cover will be conduct in order to study the influence of snow cover on the energy distribution and water transport during freezing and thawing process of soil. This study will help to reveal the effect mechanism of snow cover on soils freezing and thawing process.

积雪是冰冻圈中最易变的要素，而青藏高原又是北半球积雪异常变化最剧烈的区域。高原上地形复杂，冻土与斑状积雪分布广泛，强太阳辐射与低温环境的叠加可能使得这里的土壤-积雪-大气水热传输与高纬度寒区差异较大，然而艰苦的环境和条件导致了目前仍缺乏有针对性的高原冻土-积雪-大气水热传输过程的野外观测。本项目选择有积雪覆盖下垫面和无积雪覆盖下垫面，利用多种观测仪器综合开展水热交换的观测试验。利用涡动相关法直接观测感热、潜热、动量通量等湍流各分量，同时对积雪和土壤各层的水热输送同步观测，以便对比研究积雪对土壤冻融能量水分输送的影响。通过观测资料，对国际通用的陆面过程模式进行参数确定和适用性研究，改进模式对于黄河源区积雪冻土过程的模拟能力。通过改变模式的积雪厚度的敏感性试验，模拟研究不同积雪覆盖对冻土冻融过程能量和水分输送的影响，分析陆面能量和水分的输送过程，揭示积雪对土壤冻融过程的影响机理。

开展积雪对冻土的影响研究，揭示积雪对土壤冻融过程的影响，分析陆面能量和水分的输送过程，探讨积雪对土壤冻融的作用机理具对提高数值模式的性能非常重要。项目通过涡动相关法直接观测感热、潜热、动量通量等湍流各分量；同时对积雪和土壤各层的水热传输同步观测。通过观测资料，对国际通用的陆面过程模式进行参数确定和适用性研究，改进模式对于黄河源区等高寒地区积雪冻土过程的模拟能力。通过积雪厚度的敏感性试验，模拟研究不同积雪覆盖对土壤冻融过程能量和水分输送的影响。.项目取得的研究成果为：.1）项目于2017在玛曲和玛多鄂陵湖草地分别建立了激光雪深观测系统和土壤温湿度观测系统。取得了4年的野外观测资料，建立观测资料数据集。.2）通过对比分析多雪年与少雪年土壤冻结与消融时间、土壤温湿度、地表能量分量的变化特征。研究时间范围内青藏高原积雪(深度和日数)主要呈减少趋势，仅在黄河源区及高原边缘地区为增加趋势。积雪鼎盛阶段的减少趋势最显著。高原积雪对地表主要起降温作用，深层土壤温度对积雪的响应存在滞后性，积雪的减少抑制了土壤向上的热量输送进而不利于冻土的发育。.3）使用项目观测资料对国际通用陆面过程模式CLM4.5进行适应性研究。通过模式敏感性模拟分析发现高原积雪增多，土壤开始消融的时间有滞后，积雪越多，土壤开始融化的时间越晚，融化速率越快。积雪在土壤处于完全冻结期时，有一定的保温作用，可减小土壤温度的变化幅度；积雪在土壤处于消融期时有一定的降温作用。降温作用可持续到6月份。通过区域气候模式长时间模拟研究还发现积雪的绝热属性可以抑制地气间的热交换，积雪的异常偏多可以使得土壤在冻结阶段向大气净输出的热量减少，从而使得多雪年土壤温度高于少雪年，平均偏高1.04℃。在季节性冻土区，积雪对土壤还具有增湿作用。.项目共发表研究论文23篇，其中SCI论文8篇。第一和第二标注的论文15篇。毕业研究生6名。完成了项目预期成果论文发表和人才培养的要求。项目按照任务书计划全面完成的任务。