青藏高原多年冻土时空演化建模及模拟

The Qinghai-Tibet Plateau (QTP) is the region with wide distribution of high altitude permafrost. The dynamic changes of permafrost exert important influence on the environment, ecosystem and engineering works in cold regions. At present, statistical models or simple physical models are usually used to simulate the permafrost distribution over the QTP but they are unable to represent hydrothermal processes within frozen soils. The simulations based on any land surface model (LSM) can to some extent represent the freezing and thawing states of shallow soil layers, but can’t precisely simulate hydrological and thermal conditions in deep soil layers due to the lack of constraint conditions to two freezing fronts on both edges of permafrost layer. Furthermore, the absence of sufficient ground surface driving data and soil properties prevent from applications of LSM to the entire QTP. Following heat conduction equation and soil moisture transport equation, a temporal and spatial evolution model of permafrost will be established by considering the constraints to boundary conditions and moving freezing fronts and prioritizing the simulation of temperature in frozen soil. The 0cm soil temperature derived from remotely sensed land surface temperature (LST) and microwave retrieval of near surface soil moisture supply driving data for the established model. A multiple layered soil parameter dataset covering the entire QTP will be developed by combining the available soil dataset for the QTP and planned field survey data. Then, the simulation will be made to examine the changes of hydrological and thermal regime and distribution of permafrost over the QTP. The results improve the understanding to the permafrost evolution over the Qinghai-Tibet Plateau.

青藏高原是高海拔多年冻土分布最广的区域，多年冻土的动态变化对多年冻土区生态环境、气候及工程建设有重要影响。目前青藏高原冻土模拟一般采用统计模型或简单物理模型，无法反映冻土内部的水热过程机理。基于陆面过程模型的模拟能在一定程度上反应浅层土的冻融状况，但无法精准模拟深层多年冻土的水热状况，在求解时缺少在多年冻土层两个移动锋面处的约束，同时也因为缺少必要的驱动数据和土壤属性，无法做到整个青藏高原的模拟。本项目以热传导和水分传导方程为基础，考虑上下边界和冻结锋面的约束，建立一个多年冻土时空演化模型，强调冻土内部温度指标的模拟精度。由遥感地表温度数据估算的青藏高原0cm土壤温度和微波遥感得到的地表浅层水分提供模型的上边界条件，利用最新土壤资料并补充野外调查建立覆盖高原面的土壤分层水热属性集，模拟和分析青藏高原多年冻土水热过程变化和多年冻土分布。模拟结果有助于提升对青藏高原多年冻土水热状况的认识。

本项目的研究目标是在充分考虑冻土特有的相变、移动冻融锋面等现象和更精细考虑冻土水热参数随温度变化的基础上，构建以温度准确模拟为主导的青藏高原多年冻土时空演化模型；结合遥感资料得到地面驱动和利用最新数据建立土壤分层参数集，模拟青藏高原多年冻土分布和水热过程变化，基于假设情景进一步揭示气候变化对多年冻土发生发展的影响。项目执行过程中，按照资料收集、文献阅读、模型建立和改进、结合卫星遥感数据获取上边界驱动数据、结合野外取样和室内试验获取土壤水热参数、单点模拟验证、典型区模拟、青藏高原面模拟的技术路线推进，完成了研究目标、达成了预期成果，较好解决了涉及的科学和技术难点。利用COMSOL MULTIPHYSICS平台，建立了考虑冰水相变移动锋面及土壤参数变化的多年冻土时空演化模型，制备了模型需要的数据（包括覆盖整个青藏高原面的驱动数据以及能达到年平均地温深度的土壤水热参数），建立了较充分的模型验证方案，模拟了青藏高原多年冻土水热过程，研究了气候变化情景下的冻土分布变化。项目组成员共参加国内外重要会议10人次（其中国际会议5人次），开展项目内部交流会10次。有15人参与项目工作，其中固定人员按原计划的4人未变，流动人员由原计划的2人、增加为11人（博士6名、硕士5名）。按原定分工开展工作，流动人员能做到很好的衔接，保证按计划进行，通过本项目培养了能熟练掌握冻土数值建模及获取青藏高原驱动数据和土壤参数的人才队伍。本项目发表论文共11篇，其中SCI检索7篇，中文核心4篇，多篇论文发表在如Permafrost and Periglacial Processes等冻土领域优秀的期刊上，取得较好的引用情况；培养博士6名、硕士5名，资助博士学位论文1篇、硕士学位论文6篇；获得软件著作权1项。