全球变化条件下地表冻融循环及多年冻土热状态响应研究

摘要

土壤热状态是大气和陆地表层之间的能量和物质交换的综合产物。土壤温度是一个敏感的气候指示器，并且在土壤地球物理和微生物过程中都有重要作用。理解土壤热状态及其与其他环境因子之间的相互关系已经受到了越来越多的重视。当前的研究关注于深孔反演的古气候信息、高纬度地区的气候模式预测等方面。研究表明全球气温变化中存在区域和季节差异，但存在多重观点。一些研究认为是极地地区升温快速，一些研究则认为是高海拔地区升温快，同时还有一些研究认为是干旱半干旱地区升温快。关键的科学问题是：究竟如何描述全球陆地表面气温变化的差异？这些差异对土壤热状态有怎样的影响，哪些气候因子对土壤热状态的影响更大？鉴于此，本研究综合利用了网格化的气候资料、气象台站资料以及数值模型，从新的视角探讨气候变化的区域差异，在此基础上探讨近地表土壤季节冻融以及多年冻土对气候变化的响应。主要结论总结如下：
　　全球尺度上，用气温的气候平均态（1961-1990）刻画了1951～2013年全球陆地表面气温变化的空间特征。多年平均气温在-15℃至26℃之间的陆地，占全球（除南极洲）陆地表面面积的81％，这些区域内年平均气温的升温幅度与年平均气温的气候平均态呈现非常好的线性关系，即多年平均气温每增加1℃，年平均气温的升温幅度减小0.028℃。月尺度上，发现比较冷的地区（年平均气温的气候平均态介于-20℃～10℃之间）在冷季（12月~次年2月）平均气温的升温幅度最高可达2.8℃，最长可有8个月（10月～次年5月）呈现出明显升温趋势。用年平均气温的气候平均态低于0℃定义了寒区的范围，并评估了其气温的变化。发现寒区经历了增强的升温过程，平均升温幅度约为1.68±0.19℃，而寒区以外的其他地区同期升温幅度只有1.04±0.09℃。
　　区域尺度上，用中国境内的636个地面台站1956～2006年间的地表0厘米土壤温度观测资料，探讨了近地表土壤冻融时间的空间分布特征及其对气候变化的响应。1961年7月至1991年6月（年尺度为30年）的气候平均态揭示出：青藏高原海拔较高，且具有独特的高原气候环境，这里近地表土壤的冻结期最长，一年中几乎每一天都可能发生冻结。在东北高纬度地区，冻结期大致始于九月，结束于次年六月。中国东部地区近地表土壤冻结时间的气候平均态呈现明显的纬度地带性，而在西部则主要是受海拔等地形因素的影响。冻结天数的空间分布特征与多年冻土分布的关系对于高海拔多年冻土区和高纬度多年冻土区是不一致的。高海拔多年冻土区的边界与冻结天数260天的等值线比较吻合，而在东北高纬度多年冻土区，则与220天的等值线吻合较好。通过对地面台站的资料以及遥感资料的对比分析，发现微波遥感反演的近地表土壤冻结天数与地面台站资料的结果存有较大差异。以地面台站的结果为基准，在多年平均冻结天数小于66天的地区，微波遥感反演结果会高估，而在其他地区则会低估。两者差异最大的地区是在青藏高原周边地区。
　　1956～2006年间，中国境内近地表土壤冻结开始时间推迟了大约5天，结束时间提前了大约7天，冻结期缩短了大约12天，冻结天数减少了大约10天，春季升温过程较秋季而言更明显。中国西部近地表土壤冻结时间的变化是随着海拔抬升而增强的，即高海拔地区变化更快；海拔每抬升1000米，近地表土壤冻结开始时间推迟的趋势增加0.095天/年，冻结天数减少趋势的数值增加0.035天/年。东部近地表冻结时间的变化幅度与纬度之间存在负相关关系。纬度升高1°，冻结结束时间的变化幅度减小0.005天/年，冻结期长度的变化幅度减小0.006天/年，冻结天数的变化幅度减小0.007天/年。此外，城市扩张对近地表土壤冻融过程也有影响，并且在不同城市发展阶段，这种影响呈现出不同特征。在城市扩张速率较高的地区，近地表土壤冻结天数减少的速率更快，线性斜率约为-0.27天/年，但在20世纪90年代初以后没有发现统计显著的变化。而在城市扩张速率较低的地区，近地表土壤冻结天数在20世纪90年代初之后发生了显著变化，线性斜率为-0.85天/年。
　　寒区中的多年冻土温度变化对气候变化同样起到重要的指示作用。提出了根据土壤温度观测诊断是否存在多年冻土的统计学方法，并且应用到俄罗斯境内长期的水文气象台站资料中，诊断得到28个存在多年冻土的气象台站。利用这些台站的资料，分析了长期气候平均态的空间分布特征。五个标准深度（0.20米、0.40米、0.80米、1.60米和3.20米）上的土壤温度气候平均态都与海拔和纬度存在较好的统计关系，纬度和海拔的变化能够解释土壤温度空间分布特征的50～70%，但纬度起主导作用。五个标准深度上的土壤温度在1961-2014年间都在升高，升温幅度随深度增加而减小，分别为0.38℃/10年、0.34℃/10年、0.28℃/10年、0.21℃/10年和0.24℃/10年。月尺度上，靠近地表的土壤温度变化存在显著的季节差异，较冷的月份（1～3月）升温较快，暖季（7～9月）没有显著变化趋势；深层土壤温度变化的季节差异较小。3.20米深度上，各月变化的范围是0.16～0.32℃/10年，但在0.20℃/10年以上的月份有8个月。
　　除了观测上的证据之外，还通过数值模拟方法，对多年冻土与气候变化的响应机制做了进一步研究。利用蒙特卡洛随机模拟方法，估计了土壤的热参数，并在无土壤属性资料的西伯利亚多年冻土中成功应用了GIPL模型，取得了较好的结果。在校准期中模拟的土壤温度和观测的土壤温度之间的均方根误差在1℃以内。通过单点模型的敏感性分析发现，冷季气温变化对土壤温度的影响最大，积雪深度的变化次之，而暖季气温变化的影响最小。冷季气温变化±1倍标准差会对15米深度上的土壤温度产生约3.31℃的变化，积雪深度变化±1倍标准差会引起15米深度上的土壤温度变化约2.44℃，而暖季气温变化±1倍标准差仅会对15米深度上的土壤温度产生约1.52℃的影响。暖季气温变化对于活动层厚度的影响最大，其变化±1倍标准差会引起活动层厚度0.43米的变化。冷季气温和积雪的变化对活动层厚度的影响是非对称的。一般而言，冷季气温降低对活动层厚度的影响幅度要比其升高造成活动层厚度增加的幅度小。在积雪和冷季气温的共同作用下，活动层厚度的变化呈现很强的非线性特征。积雪较薄时，冷季气温变化±1倍标准差对活动层厚度的影响较小，约为0.19米。而在积雪较厚时，冷季气温变化±1倍标准差对活动层厚度的影响较大，约为0.66米。在冷季气温较低时，积雪深度变化±1倍标准差，对活动层厚度产生的影响约为0.10米；但是在冷季气温较高时，积雪深度变化±1倍标准差会对活动层厚度产生较大影响，约为0.57米。
　　综上，一般而言越冷的地方气温升高越快，这对于本身非常敏感的冰冻圈而言是极为重要的。靠近地表的土壤热状态的变化（包括冻结时间和温度的变化）呈现了明显的季节差异，这与气温变化的季节差异是一致的，即夏季没有显著的变化，而冬季升温明显。这可能造成寒区地表植被的生长期延长，并可能改变生态系统结构，进而改变地表和大气之间的能量水分的传输过程。积雪的变化不仅对预测土壤热状态有重要作用，而且对气候变化的反馈效应也非常重要。因此在预测全球气候变化条件下的生态、农业、水文等过程的变化时，必须要综合考虑气温、积雪以及土壤热状态的影响。但是积雪、气温及近地表土壤热状态的交互作用还缺少更细致的研究，在陆面过程模型和全球气候模式中都没有很好的描述，尤其是积雪的反馈机制还需要深入研究。

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1. 研究背景

1.1. 基本概念

1.2. 全球气候变化的研究现状

1.3. 土壤热状态的响应及其与全球气候变化的相互作用

1.4. 关键科学问题及研究内容

2. 全球陆地表面气温变化的时空特征

2.1全球陆地表面气温变化的研究现状

2.2 资料与方法

2.3 结果

2.4讨论

2.5小结

3. 中国近地表土壤冻融时间及其变化

3.1近地表土壤冻融研究现状

3.2数据与方法

3.3中国近地表土壤冻融时间的气候平均态

3.4中国近地表土壤冻融时间的长时序变化

3.5讨论

3.6小结

4. 西伯利亚浅层多年冻土热状态的变化

4.1多年冻土温度变化的研究进展

4.2资料及数据处理过程

4.3多年冻土诊断方法

4.4多年冻土温度的气候平均态

4.5多年冻土及活动层温度的变化

4.6多年冻土温度变化与气候因子的关系

4.7小结

5. 数值模拟结果

5.1多年冻土模型进展

5.2 GIPL模型——包含相变的一维热传导模型

5.3研究区的气候条件

5.4模型参数设置及校准

5.5情景模拟

5.6小结

6. 总结与展望

6.1总结

6.2不足与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢