全球變化條件下地表凍融循環(huán)及多年凍土熱狀態(tài)響應(yīng)研究.pdf

1、土壤熱狀態(tài)是大氣和陸地表層之間的能量和物質(zhì)交換的綜合產(chǎn)物。土壤溫度是一個(gè)敏感的氣候指示器，并且在土壤地球物理和微生物過(guò)程中都有重要作用。理解土壤熱狀態(tài)及其與其他環(huán)境因子之間的相互關(guān)系已經(jīng)受到了越來(lái)越多的重視。當(dāng)前的研究關(guān)注于深孔反演的古氣候信息、高緯度地區(qū)的氣候模式預(yù)測(cè)等方面。研究表明全球氣溫變化中存在區(qū)域和季節(jié)差異，但存在多重觀點(diǎn)。一些研究認(rèn)為是極地地區(qū)升溫快速，一些研究則認(rèn)為是高海拔地區(qū)升溫快，同時(shí)還有一些研究認(rèn)為是干旱半干旱地區(qū)升

2、溫快。關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題是：究竟如何描述全球陸地表面氣溫變化的差異？這些差異對(duì)土壤熱狀態(tài)有怎樣的影響，哪些氣候因子對(duì)土壤熱狀態(tài)的影響更大？鑒于此，本研究綜合利用了網(wǎng)格化的氣候資料、氣象臺(tái)站資料以及數(shù)值模型，從新的視角探討氣候變化的區(qū)域差異，在此基礎(chǔ)上探討近地表土壤季節(jié)凍融以及多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)。主要結(jié)論總結(jié)如下：
　　全球尺度上，用氣溫的氣候平均態(tài)（1961-1990）刻畫了1951～2013年全球陸地表面氣溫變化的空間特征。多

3、年平均氣溫在-15℃至26℃之間的陸地，占全球（除南極洲）陸地表面面積的81％，這些區(qū)域內(nèi)年平均氣溫的升溫幅度與年平均氣溫的氣候平均態(tài)呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系，即多年平均氣溫每增加1℃，年平均氣溫的升溫幅度減小0.028℃。月尺度上，發(fā)現(xiàn)比較冷的地區(qū)（年平均氣溫的氣候平均態(tài)介于-20℃～10℃之間）在冷季（12月~次年2月）平均氣溫的升溫幅度最高可達(dá)2.8℃，最長(zhǎng)可有8個(gè)月（10月～次年5月）呈現(xiàn)出明顯升溫趨勢(shì)。用年平均氣溫的氣候平均態(tài)低于

4、0℃定義了寒區(qū)的范圍，并評(píng)估了其氣溫的變化。發(fā)現(xiàn)寒區(qū)經(jīng)歷了增強(qiáng)的升溫過(guò)程，平均升溫幅度約為1.68±0.19℃，而寒區(qū)以外的其他地區(qū)同期升溫幅度只有1.04±0.09℃。
　　區(qū)域尺度上，用中國(guó)境內(nèi)的636個(gè)地面臺(tái)站1956～2006年間的地表0厘米土壤溫度觀測(cè)資料，探討了近地表土壤凍融時(shí)間的空間分布特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。1961年7月至1991年6月（年尺度為30年）的氣候平均態(tài)揭示出：青藏高原海拔較高，且具有獨(dú)特的高原氣候

5、環(huán)境，這里近地表土壤的凍結(jié)期最長(zhǎng)，一年中幾乎每一天都可能發(fā)生凍結(jié)。在東北高緯度地區(qū)，凍結(jié)期大致始于九月，結(jié)束于次年六月。中國(guó)東部地區(qū)近地表土壤凍結(jié)時(shí)間的氣候平均態(tài)呈現(xiàn)明顯的緯度地帶性，而在西部則主要是受海拔等地形因素的影響。凍結(jié)天數(shù)的空間分布特征與多年凍土分布的關(guān)系對(duì)于高海拔多年凍土區(qū)和高緯度多年凍土區(qū)是不一致的。高海拔多年凍土區(qū)的邊界與凍結(jié)天數(shù)260天的等值線比較吻合，而在東北高緯度多年凍土區(qū)，則與220天的等值線吻合較好。通過(guò)對(duì)地面

6、臺(tái)站的資料以及遙感資料的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)微波遙感反演的近地表土壤凍結(jié)天數(shù)與地面臺(tái)站資料的結(jié)果存有較大差異。以地面臺(tái)站的結(jié)果為基準(zhǔn)，在多年平均凍結(jié)天數(shù)小于66天的地區(qū)，微波遙感反演結(jié)果會(huì)高估，而在其他地區(qū)則會(huì)低估。兩者差異最大的地區(qū)是在青藏高原周邊地區(qū)。
　　1956～2006年間，中國(guó)境內(nèi)近地表土壤凍結(jié)開始時(shí)間推遲了大約5天，結(jié)束時(shí)間提前了大約7天，凍結(jié)期縮短了大約12天，凍結(jié)天數(shù)減少了大約10天，春季升溫過(guò)程較秋季而言更明顯。中國(guó)

7、西部近地表土壤凍結(jié)時(shí)間的變化是隨著海拔抬升而增強(qiáng)的，即高海拔地區(qū)變化更快；海拔每抬升1000米，近地表土壤凍結(jié)開始時(shí)間推遲的趨勢(shì)增加0.095天/年，凍結(jié)天數(shù)減少趨勢(shì)的數(shù)值增加0.035天/年。東部近地表凍結(jié)時(shí)間的變化幅度與緯度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。緯度升高1°，凍結(jié)結(jié)束時(shí)間的變化幅度減小0.005天/年，凍結(jié)期長(zhǎng)度的變化幅度減小0.006天/年，凍結(jié)天數(shù)的變化幅度減小0.007天/年。此外，城市擴(kuò)張對(duì)近地表土壤凍融過(guò)程也有影響，并且在不

8、同城市發(fā)展階段，這種影響呈現(xiàn)出不同特征。在城市擴(kuò)張速率較高的地區(qū)，近地表土壤凍結(jié)天數(shù)減少的速率更快，線性斜率約為-0.27天/年，但在20世紀(jì)90年代初以后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的變化。而在城市擴(kuò)張速率較低的地區(qū)，近地表土壤凍結(jié)天數(shù)在20世紀(jì)90年代初之后發(fā)生了顯著變化，線性斜率為-0.85天/年。
　　寒區(qū)中的多年凍土溫度變化對(duì)氣候變化同樣起到重要的指示作用。提出了根據(jù)土壤溫度觀測(cè)診斷是否存在多年凍土的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，并且應(yīng)用到俄羅斯境內(nèi)

9、長(zhǎng)期的水文氣象臺(tái)站資料中，診斷得到28個(gè)存在多年凍土的氣象臺(tái)站。利用這些臺(tái)站的資料，分析了長(zhǎng)期氣候平均態(tài)的空間分布特征。五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度（0.20米、0.40米、0.80米、1.60米和3.20米）上的土壤溫度氣候平均態(tài)都與海拔和緯度存在較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，緯度和海拔的變化能夠解釋土壤溫度空間分布特征的50～70%，但緯度起主導(dǎo)作用。五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度上的土壤溫度在1961-2014年間都在升高，升溫幅度隨深度增加而減小，分別為0.38℃/10年、0

10、.34℃/10年、0.28℃/10年、0.21℃/10年和0.24℃/10年。月尺度上，靠近地表的土壤溫度變化存在顯著的季節(jié)差異，較冷的月份（1～3月）升溫較快，暖季（7～9月）沒(méi)有顯著變化趨勢(shì)；深層土壤溫度變化的季節(jié)差異較小。3.20米深度上，各月變化的范圍是0.16～0.32℃/10年，但在0.20℃/10年以上的月份有8個(gè)月。
　　除了觀測(cè)上的證據(jù)之外，還通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)多年凍土與氣候變化的響應(yīng)機(jī)制做了進(jìn)一步研究。利用蒙

11、特卡洛隨機(jī)模擬方法，估計(jì)了土壤的熱參數(shù)，并在無(wú)土壤屬性資料的西伯利亞多年凍土中成功應(yīng)用了GIPL模型，取得了較好的結(jié)果。在校準(zhǔn)期中模擬的土壤溫度和觀測(cè)的土壤溫度之間的均方根誤差在1℃以內(nèi)。通過(guò)單點(diǎn)模型的敏感性分析發(fā)現(xiàn)，冷季氣溫變化對(duì)土壤溫度的影響最大，積雪深度的變化次之，而暖季氣溫變化的影響最小。冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)對(duì)15米深度上的土壤溫度產(chǎn)生約3.31℃的變化，積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)引起15米深度上的土壤溫度變化約2.44℃

12、，而暖季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差僅會(huì)對(duì)15米深度上的土壤溫度產(chǎn)生約1.52℃的影響。暖季氣溫變化對(duì)于活動(dòng)層厚度的影響最大，其變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)引起活動(dòng)層厚度0.43米的變化。冷季氣溫和積雪的變化對(duì)活動(dòng)層厚度的影響是非對(duì)稱的。一般而言，冷季氣溫降低對(duì)活動(dòng)層厚度的影響幅度要比其升高造成活動(dòng)層厚度增加的幅度小。在積雪和冷季氣溫的共同作用下，活動(dòng)層厚度的變化呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特征。積雪較薄時(shí)，冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)活動(dòng)層厚度的影響較小，約為0.1

13、9米。而在積雪較厚時(shí)，冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)活動(dòng)層厚度的影響較大，約為0.66米。在冷季氣溫較低時(shí)，積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)活動(dòng)層厚度產(chǎn)生的影響約為0.10米；但是在冷季氣溫較高時(shí)，積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)對(duì)活動(dòng)層厚度產(chǎn)生較大影響，約為0.57米。
　　綜上，一般而言越冷的地方氣溫升高越快，這對(duì)于本身非常敏感的冰凍圈而言是極為重要的?？拷乇淼耐寥罒釥顟B(tài)的變化（包括凍結(jié)時(shí)間和溫度的變化）呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)差異，這與氣溫變化

14、的季節(jié)差異是一致的，即夏季沒(méi)有顯著的變化，而冬季升溫明顯。這可能造成寒區(qū)地表植被的生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，并可能改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變地表和大氣之間的能量水分的傳輸過(guò)程。積雪的變化不僅對(duì)預(yù)測(cè)土壤熱狀態(tài)有重要作用，而且對(duì)氣候變化的反饋效應(yīng)也非常重要。因此在預(yù)測(cè)全球氣候變化條件下的生態(tài)、農(nóng)業(yè)、水文等過(guò)程的變化時(shí)，必須要綜合考慮氣溫、積雪以及土壤熱狀態(tài)的影響。但是積雪、氣溫及近地表土壤熱狀態(tài)的交互作用還缺少更細(xì)致的研究，在陸面過(guò)程模型和全球氣候模式中