摘要
青藏高原约占我国国土面积的四分之一，以其高大地形的动力作用，加之地面强大热源的热力作用，对我国乃至全球气候系统尤其亚洲季风的形成、爆发、持续时间及强度等方面都有重要作用。较高的海拔和特殊的气候条件使得青藏高原地区发育着140万平方公里的多年冻土，占高原总面积的54.3％，是高原下垫面的重要组成部分。多年冻土地区地表最显著的物理特征之一即活动层的季节冻结和融化过程。多年冻土与大气之间的相互作用主要通过活动层中的水热动态变化过程而实现，活动层的季节冻融过程会对地气之间能水交换产生重要影响，同时，活动层冻融过程也会影响多年冻土地区水循环过程，进而影响生态系统的稳定性。本研究以中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站所属唐古拉综合观测场为研究区域，研究了多年冻土区活动层水热过程的动态变化。本文首先利用实测土壤温湿资料对活动层冻融过程和土壤水分分布特征进行研究;其次利用5cm、10cm、20cm土壤热通量资料分析活动层浅层土壤热量传输规律，剖析了活动层浅层土壤热量传输特征与活动层冻融循环之间的联系，并利用实测土壤温度、土壤热通量数据确定了土壤导温率、容积热容量和导热率，对热力参数季节变化特征进行研究;最后利用SHAW模型对地表能量通量、土壤温度和未冻水含量的变化过程进行了模拟，对比了不同降水情景对地表能量通量及土壤温湿度的影响。通过以上研究，得到如下主要结论: 1、活动层冻融循环中土壤冻结过程耗时要远远小于土壤的融化过程。活动层冻结过程持续日数为25天，而土壤从地表融化至300cm深处耗时接近4个月。表层土壤开始冻结阶段日冻融循环持续日数要远小于土壤开始融化阶段日冻融循环持续日数。活动层土壤处于冻融循环不同阶段时，土壤水分的运移呈现不同的特点。当活动层处于冻结状态时，未冻水在温度梯度作用下呈现整体向上运移的趋势，迁移量较小;当活动层处于融化过程时，活动层土壤中冰融化产生的液态水和地表积雪融水均在重力作用下逐步下移至多年冻土上限附近，活动层完全融化之后，地表降水也会在重力作用下下移，水分迁移量较大。活动层土壤经过一个冻融循环，土壤水分呈现整体下移的趋势，土壤水分将逐步运移至多年冻土上限附近冻结积累。活动层各层土壤的水分和温度呈现明显相似的变化趋势，土壤中含水量会对土壤的热量传输过程产生影响。随着土壤含水量的增大，土壤温度变化曲线逐渐变得平缓，并接近0℃温度线。土壤含水量的存在也是造成冻结过程中土壤温度的变化滞后于土壤水分变化的原因，土壤含水量越高，这种现象越明显。 2、活动层浅层土壤热通量表现出明显的季节变化特征。10月-次年3月时段5cm土壤热通量为负值，土壤热量传输方向由下层土壤指向地表，土壤向大气释放热量，最小值出现在12月;4月-9月时段5cm土壤热通量为正值，土壤热量传输方向由地表指向下层土壤，此时深层土壤获得热量，最大值出现在6月。浅层土壤热通量的正负变化与活动层土壤的冻融过程基本一致。活动层浅层土壤热量收支和土壤温度梯度均存在明显的季节变化特征，同时土壤热量收支与同层位土壤温度梯度间存在明显的对应关系。当土壤温度梯度＞0时，土壤热量收支基本处于负值，活动层土壤处于放热状态;土壤温度梯度＜0时，热量从地表向下层土壤传输，土壤热量收支基本处于正值，活动层处于吸热状态。 3、分别利用组分法和土壤热流法计算活动层浅层土壤容积热容量，不考虑土壤冰含量的情况下，两种方法计算结果在暖季较为接近，冷季差异较大。利用土壤热流法计算得到的土壤容积热容量更接近KD2便携式土壤热特性仪实测值。采用数值法计算土壤导温率，将土壤热流法计算得到的土壤容积热容量与导温率计算结果相乘得到土壤导热率。计算结果表明唐古拉活动层浅层5～20cm土壤导温率存在明显的季节变化特征:冷季（10月-次年4月）土壤导温率较小，发生明显的上下波动现象;暖季（5月-9月）土壤导温率较大，变化趋势单调。土壤导热率季节变化特征与导温率相似，也呈现出暖季较大，冷季较小的特点。 4、SHAW模型能够较为成功地模拟多年冻土活动层土壤温度，活动层各层土壤温度模拟值与实测值基本一致，5～50cm土壤湿度的模拟值变化趋势、峰谷值与观测值基本一致，模拟效果较好，冻结期5～50cm土壤湿度的模拟效果要好于融化期土壤湿度模拟效果，50cm以下土壤湿度的模拟值较好地体现了土壤湿度的季节变化趋势。净辐射、土壤热通量和潜热通量模拟效果相对较好，而感热通量模拟效果相对较差，但模型对各能量通量的变化趋势都有较好的模拟能力。 5、利用SHAW模型对降水减小情景下地表能量通量及土壤温湿的变化进行敏感性试验，发现降水减半情景下土壤湿度模拟值与正常降水情景下土壤湿度模拟值存在明显差异，降水减小造成土壤湿度减小，使得浅层土壤湿度波动幅度变小。降水减小会对地表能量通量模拟结果产生显著影响，当地表有积雪覆盖时这种效应尤其明显。降水减少会导致活动层土壤发生增温现象，降水减小对105cm以上土壤增温作用明显，其对土壤温度的影响深度能够达到245cm，暖季这种效应要明显大于冷季。
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