西北研究院在青藏高原多年凍土活動層水熱狀況模擬研究中獲進展

2020-09-10 光明網

青藏高原活動層土壤水熱動態直接影響下伏的多年凍土狀態，並對亞洲天氣氣候有重要影響。陸面過程模型是研究多年凍土變化及其與大氣相互作用的有效工具。由於青藏高原特殊性，目前大多數陸面模式在土壤水熱模擬方面存在低估現象。

中國科學院西北生態環境資源研究院研究員吳通華團隊以多年凍土區唐古拉（TGL，高寒草原）和北麓河（BLH，高寒草甸）觀測場為研究站點，藉助多參數化陸面過程模式Noah-MP，揭示影響青藏高原土壤水熱模擬的關鍵陸面過程，併集成相關改進方案（圖1），獲得如下模擬結果：（1）針對青藏高原積雪模擬這一難題，耦合考慮風導致的積雪升華的Gordon方案，有效改善Noah-MP對積雪的高估（圖2），進而改善淺層土壤溫度的冷偏差（圖3）。（2）針對青藏高原特殊的湍流過程，提出冷季裸地熱力學粗糙度方案（Y08）與暖季稀疏植被冠層下空氣動力阻抗方案（UCT）相結合的組合方案（Y08-UCT），顯著改善土壤溫度的低估（圖3），且提出的組合方案比單個方案在不同植被蓋度下墊面具有更高的適用性。（3）已有陸面模式普遍高估土壤凍結時的導熱率，更準確的土壤導熱率方案（Bao）能夠有效改善冷季深層土壤溫度的低估（圖3）。在冷季升溫較快的背景下，這對多年凍土模擬所關注的頂板溫度及年平均地溫具有重要意義。（4）考慮土壤有機質（SOC）可在一定程度上改善模型的幹偏差，在土壤顆粒較粗的TGL改進則更顯著（圖4）。考慮到青藏高原多為砂質土壤，模擬時應充分考慮土壤有機質對土壤水分的影響。

該研究深化了對青藏高原陸面過程的認識，在一定程度上完善了陸面過程模式中的土壤水熱過程參數化描述，對於提高模式模擬高寒山區多年凍土狀態以及地-氣相互作用過程的模擬具有一定的促進作用。

相關研究成果以Improving the Noah-MP Model for Simulating Hydrothermal Regime of the Active Layer in the Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau為題，發表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres上。西北研究院博士生李祥飛為論文第一作者，研究員吳通華為論文通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金的資助。

圖1.實驗設計及參數化方案

圖2.考慮風導致的雪的升華前（CTL）後（Gordon）地表反照率

圖3.不同參數化方案下土壤溫度

圖4.不同參數化方案下土壤液態水含量

相關焦點

  • 青藏高原多年凍土活動層水熱狀況模擬研究獲進展
    青藏高原活動層土壤水熱動態直接影響下伏的多年凍土狀態，並對亞洲天氣氣候有重要影響。陸面過程模型是研究多年凍土變化及其與大氣相互作用的有效工具。由於青藏高原特殊性，目前大多數陸面模式在土壤水熱模擬方面存在低估現象。
  • 青藏高原多年凍土熱退化研究獲新進展
    全球變暖帶來的多年凍土熱退化對寒區工程設計、資源開發和環境保護有重要影響。局部觀測表明，青藏高原多年凍土已經發生或正在發生嚴重退化。
  • 寒旱所青藏高原多年凍土活動層厚度變化預測研究獲進展
    活動層是指地殼表層每年寒季凍結、暖季融化的巖土層。凍土活動層厚度的季節變化主要依賴於氣候，同時與海拔、緯度、活動層巖性、含水特徵、地中熱流以及影響地面溫度變化進程的地形特徵和下墊面性質有關。活動層厚度的變化是影響寒區生態環境最活躍的因素。
  • 西北研究院等在青藏高原季節性凍土凍融變化研究中取得進展
    季節性凍土凍融變化是氣候變化的指示器，通過對地表能量、水分和碳循環的影響，在局地和全球氣候以及陸地生態系統中發揮作用。目前仍缺乏對整個青藏高原季節性凍土凍融時空特徵、變化趨勢以及潛在原因的認識。基於此，研究人員以1960-2014年青藏高原觀測的季節性凍土凍結深度為基礎，分析凍結深度以及凍融期的時空特徵和變化趨勢，探討與氣候、地理因素的關係，並預估整個青藏高原區域季節性凍土凍融變化。
  • 中科院研究團隊:全球變暖或使青藏高原多年凍土退化
    中科院研究團隊：全球變暖或使青藏高原多年凍土退化 邸金 杜英/科技日報 2018-03-08 10:09
  • 青藏高原多年凍土變化對水文過程的影響
    多年凍土是在青藏高原隆升過程中逐漸形成並擴張的，並經歷了不同周期和尺度的氣候冷暖波動。在多年凍土層形成的漫長過程中，反覆的成冰作用將大量水分凍結並以固態形式長期儲存於地下而形成了地下冰，現有地下冰儲量約為 12．7 萬億立方米。在氣候變暖背景下，青藏高原多年凍土發生著廣泛的退化。最顯著的特點是多年凍土溫度升高和活動層增厚，淺表層多年凍土及其中的地下冰逐漸融化。
  • 我國探索多種科技手段為青藏高原凍土災害提供預警
    新華社蘭州7月21日電（記者王銘禹）記者從中國科學院西北生態環境資源研究院了解到，該單位通過遙感監測、模型構建等手段開展的針對青藏工程走廊多年凍土退化現象的研究，目前已經對走廊內重大工程的潛在凍土災害起到有效預警作用。
  • 蘭州大學學者及合作者揭示青藏高原多年凍土退化影響碳釋放的過程
    蘭州大學資源環境學院牟翠翠教授與中國科學院西北生態環境資源研究院、美國楊百翰大學和德國漢諾瓦萊布尼茲大學等單位的科研人員合作，綜合分析了過去青藏高原氣溫、多年凍土地溫和熱喀斯特地貌的發育過程，揭示了青藏高原多年凍土退化對
  • 青藏高原凍土有機碳儲量有多少?清華團隊亮出答案
    青藏高原，素有地球第三極之稱，那裡的凍土區儲存著大量土壤有機碳，但其空間分布尚不明晰。近日，清華大學水利系教授楊大文團隊估算了青藏高原凍土有機碳的儲量，相關成果填補了全球已有凍土碳數據中關於青藏高原地區凍土碳分布狀況的空白，團隊還評估了青藏高原凍土及土壤碳變化的環境風險。
  • 青藏高原季節性凍土凍融變化研究取得進展
    近日，中國科學院西北生態環境資源研究院研究員羅斯瓊團隊在Journal of Climate上，發表題為Freeze-Thaw Changes of Seasonally Frozen Ground on the Tibetan Plateau from 1960 to 2014的研究論文，揭示20世紀60年代以來青藏高原季節性凍土凍融的時空變化特徵。
  • 青藏高原多年凍土本底調查啟動
    儘管我國以青藏高原為重點的多年凍土研究已有近50年的歷史，但主要集中於青藏公路及青藏鐵路沿線地區，且以凍土工程研究為主。至今，青藏高原多年凍土的邊界、高原腹地凍土分布的真實情況、凍土活動層與植被分布關係等一些最基本的凍土信息均源自若干典型工作基礎上的推測，使得在科學研究和工程實踐中對凍土問題的認識和解決受到很大制約。
  • 青藏公路多年凍土科研團隊
    中交第一公路勘察設計研究院（簡稱中交一公院）三代凍土科研工作者，在生命禁區攻克高海拔低緯度多年凍土區修築公路工程的世界級難題，也為此付出了沉重的代價。他們中的多人長期飽受心臟病、高血壓等疾病的折磨，甚至有人長眠高原。40年風雪兼程，青藏公路多年凍土科研團隊用生命和智慧譜寫出一曲天路傳奇。
  • 青藏高原凍土碳庫評估方面取得新進展
    過去幾十年，持續的氣候變暖使全球凍土分布區出現了以凍土活動層厚度增加、熱融喀斯特加劇等為標誌的融化現象。顯著的凍土融化很可能會導致凍土中長期封存的大量有機碳被分解釋放，形成對氣候變暖的強烈正反饋。為了深入認識這種反饋關係，必須先研究清楚凍土碳庫的大小及其分布特徵。
  • 我國青藏高原持續發高燒,凍土退化或預示大危機!
    青藏高原由於高寒乾燥的氣候特性，也是我國多年凍土，但隨著全球變暖的繼續，青藏高原的凍土正面臨大危機！據報導，中國科學院西北生態環境資源研究院遙感與地理信息研究室、青藏高原地球科學卓越創新中心的研究團隊近日揭示了青藏高原的危險現狀：正在惡化的全球變暖變暖使青藏高原多年凍土已經發生或正在發生嚴重退化，部分地區多年凍土的熱狀態已經被改變。
  • 青藏鐵路通車10周年:中國如何攻克凍土鐵路工程難題
    在此，鐵流回溯科研人員為解決高原凍土技術難題的研究歷程，闡述中國工程師攻克青藏鐵路凍土工程問題的艱辛與不易。 雖然青藏高原的凍土層很多處於長年凍結狀態，但凍土層的狀態並非是一成不變的，由於受到太陽輻射熱年際變化和季節氣候變化的作用，形成了寒季凍結、暖季融化的活動層。而多年凍土活動層的寒、暖交替，以及凍土層的溫度變化會影響工程的正常開展。
  • 凍土中未凍水成因研究獲進展
    近日，中國科學院西北生態環境資源研究院高曉清團隊在Water resources research上在線發表題為Modeling the Unfrozen Water Content of Frozen Soil Based on the Absorption Effects of Clay Surfaces的研究論文，闡明了表面效應、吸附作用以及雙電層作用在未凍水的形成中的作用和機理
  • 青藏高原凍土有機碳周轉對增溫的響應研究獲進展
    為科學回答未來青藏高原凍土區是碳源還是碳匯，中國科學院成都山地災害與環境研究所博士常瑞英及合作者在青藏高原長期開展增溫實驗，比較了不同情境下土壤有機碳濃度、儲量及土壤礦物結合態有機碳來源及14C年齡的變化，並取得了新進展。由於幅遠廣闊、常年低溫，青藏高原凍土是我國重要的陸地有機碳庫。作為全球變暖最敏感的區域之一，青藏高原凍土區氣溫變暖速率約是全球平均值的2倍。
  • 青藏高原多年凍土區地下冰總儲量達9528立方公裡
    在以往對地下冰的調查研究中，忽視了多年凍土層地下冰儲量及其對區域水資源的重要調節作用，以及對生態和水環境的影響。多年凍土在我國青藏高原廣泛分布，分布面積約為130萬平方公裡。大量的監測結果表明，青藏高原的多年凍土在過去幾十年來持續變化，已經導致活動層厚度平均增厚20釐米以上，使大量固存於多年凍土上限附近的地下冰融化。
  • 青藏高原所等發布青藏高原地-氣相互作用高時間解析度觀測數據集
    為彌補青藏高原綜合觀測資料不足的問題，深入理解氣候變化條件下該區域地表各圈層間的相互作用過程與機制，中國科學院青藏高原研究所地氣作用與氣候效應團隊研究員馬耀明等，建立了覆蓋高寒草甸、高寒荒漠戈壁、高寒荒漠草原等高原典型下墊面的青藏高原地-氣相互作用綜合觀測研究平臺，並對青藏高原不同下墊面大氣邊界層、土壤水熱變化以及地-氣間能量水分交換規律等進行長期觀測研究。