北半球季节冻土时空变化特征及其对气候变化的响应

摘要

北半球多年冻土和季节冻土面积分别占裸露地表的24％和57%。广义的季节冻土包括非多年冻土区的季节冻结层和多年冻土区的季节融化层。季节冻土的面积可达80%以上，占据北半球大部分陆地面积。季节冻土的冻融循环过程对地-气水热交换、地表能量平衡、地表水文过程、生态系统、碳循环、农业生产、工程建设等具有非常重要的影响。过去大量研究多集中在多年冻土和活动层，而对大面积分布在非多年冻土区的季节冻土鲜有报道。因此，本论文基于站点观测资料、再分析资料、卫星遥感资料、模式输出等，利用数理统计和数值模拟实验方法分析北半球季节冻土的时空变化特征及对气候变化的响应，主要开展了以下几部分研究内容：（1）基于16个耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）模式模拟资料、CRU分析资料，分析北半球冻土区过去气温变化以及对未来预估；（2）基于分析资料，评估和分析北半球过去和未来冻结、融化指数的空间分布及变化趋势，利用冻结、融化指数分析冻土区在全球气候变暖大背景下的敏感性；（3）基于欧亚大陆1277个土壤温度站点、分析资料，分析欧亚大陆过去和未来土壤冻结深度的时空变化特征，并且探讨其变化的影响因素；（4）收集了北半球347个活动层厚度站点多年观测数据，结合分析资料，利用Stefan方法，分析和预测北半球活动层厚度变化，并且探讨不同季节气温和降水对其影响以及北冰洋海冰面积变化与活动层厚度变化之间的关系；（5）结合卫星遥感资料，探讨多年冻土变化对植被生长的影响；（6）基于数值模拟方法，揭示土地覆盖类型变化对北半球多年冻土区的影响，对比分析土地覆盖类型变化对多年冻土区与整个北半球的影响。主要的结论如下：
　　历史时期（1850-2005）多年冻土地区（PF）和非多年冻土地区（Non-PF）年平均气温分别以0.094℃/decade和0.064℃/decade的速度增长，相当于温度升高了1.47℃和1.00℃。在RCP2.6情景下，PF和Non-PF分别以0.096℃/decade，0.069℃/decade的速度变暖。在RCP4.5情景下，分别以0.332℃/decade和0.248℃/decade的速度增温。在RCP8.5情景下，增温速率分别为0.807℃/decade和0.613℃/decade。在年平均气温变化速率上，PF地区远大于Non-PF地区。
　　北半球融化指数的空间变化范围介于0℃*d和11000℃*d之间，低值分布于高海拔和高纬度地区。冻结指数变化范围介于0℃*d和10000℃*d之间，与融化指数相反，其较大值分布于高纬度和高海拔地区。北半球整体平均冻结、融化指数分别呈现递减和递增趋势。在1850-2005期间，融化指数以1.14℃*d/yr的速度递增。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下（2006-2100年），融化指数分别以1.51℃*d/yr，5.32℃*d/yr和13.85℃*d/yr的速度递增。在1850-2005期间，区域平均冻结指数以-1.39℃*d/yr的速度递减。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下（2006-2100年），冻结指数分别以-1.2℃*d/yr，-4.3℃*d/yr和-9.8℃*d/yr的速度递减。在高纬度和高海拔地区，冻结指数降低趋势较快，明显高于其它地区；冻结指数降低速率明显高于融化指数增长速率。
　　欧亚大陆区域平均土壤冻结深度呈现出显著递减的趋势。在1850-2005期间，递减率为-0.49cm/decade。在RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5情景下（2006-2100年），土壤冻结深度递减率分别为-0.45cm/decade，-1.85cm/decade和-4.58cm/decade。土壤冻结深度与气温、融化指数、北冰洋涛动（AO）和北冰洋海冰面积呈现显著负相关关系。在不同地区，土壤冻结深度与积雪深度存在正相关或者负相关关系。
　　北半球区域平均活动层厚度呈现出显著递增的趋势。1901-2005年，以0.57cm/decade的速度增加；在RCP8.5，RCP4.5和RCP2.6情景下，活动层厚度分别以6.51cm/decade，2.56cm/decade和0.77cm/decade的速率显著递增。夏季气温和降水对活动层厚度影响最大，其次为秋季和春季气温和降水。北冰洋海冰面积可以作为活动层厚度变化的一个指示器，两者呈现显著的负相关关系。
　　1982-2015年，多年冻土区季节平均归一化植被指数（NDVI）呈现显著递增的趋势，生长季NDVI增长率为0.00079yr-1。空间变化趋势分布表明，NDVI显著增长的象元占整体的70.39%（生长季）、58.14%（春季）、66.02%（夏季）、71.99%（秋季）。植被生长与融化指数、活动层厚度、土壤温度和融化天数呈现显著正相关关系，与融化首日呈现显著负相关关系。即多年冻土融化有助于植被的生长。
　　北半球多年冻土区对土地覆盖类型变化的响应呈现出降温的效应。年平均气温以-0.032℃/100yr的速度递减，相当于降低了0.37℃（850-2005）。年平均土壤温度（0.2m）以-0.0334℃/100yr的速度递减，相当于降低了0.39℃（850-2005）。活动层厚度以-0.54cm/100yr±0.023cm的速度递减，相当于变浅了6.24±0.26cm。对比分析北半球多年冻土区和整个北半球对土地覆盖类型变化的响应，无论是气温还是土壤温度，多年冻土区对土地覆盖类型变化的响应更加敏感。
　　本文从气温变化、冻融指数、冻结深度、活动层厚度、植被生长、土地覆盖类型变化等方面，探索了北半球季节冻土的时空变化特征及其对气候变化的响应。这些研究结果有助于进一步探讨季节冻土变化与气候变化之间的物理机制、冻土区生态-水文过程等研究。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3研究内容和研究思路框架

第二章 数据与方法

2.1 数据

2.2 方法

第三章 北半球多年冻土区气温变化和对未来的预估

3.1 20世纪气温的变化

3.2 21世纪气温变化

3.3 不同冻土区气温变化

3.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 北半球冻融指数历史时期和未来的变化

4.1 冻融指数评估

4.2 历史时期冻融指数变化

4.3 冻融指数未来变化

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章 欧亚大陆土壤冻结深度对气候变化的响应

5.1 欧亚大陆土壤冻结深度的空间变化

5.2 欧亚大陆土壤冻结深度的时间变化特征

5.3 土壤冻结深度的影响因素

5.4 讨论

5.5 本章小结

第六章 北半球多年冻土区活动层厚度对气候变化的响应

6.1 历史时期活动层厚度变化

6.2 21世纪活动层厚度变化

6.3 活动层厚度与气温、降水和海冰面积关系

6.4 讨论

6.5 本章小结

第七章 多年冻土区植被生长对冻土变化的响应

7.1 NDVI数据的延长

7.2 多年冻土区NDVI的时空变化特征

7.3 植被对多年冻土变化的响应

7.4 讨论

7.5 本章小结

第八章 多年冻土区土地覆盖类型变化对冻土的影响

8.1 土地覆盖类型变化

8.2 多年冻土区气温对土地覆盖类型变化的响应

8.3 多年冻土区土壤温度对土地覆盖类型变化的响应

8.4 活动层厚度对土地覆盖类型变化的响应

8.5 多年冻土区土壤水分对土地覆盖类型变化的响应

8.6 讨论

8.7本章小结

第九章 总结与展望

9.1 研究结论

9.2 研究的不足和展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢