青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0072

摘要/Abstract

摘要：

青藏高原多年冻土区冻融循环过程对地表能量及其分配的影响研究相对较少，青藏高原唐古拉站多年冻土的实测资料，依据10 cm土壤温度划分浅层土壤冻融循环的各个阶段并结合能量闭合率、地表能量各通量等数据探讨浅层土壤冻融循环过程与地气间水热交换过程之间的影响。结果表明：浅层土壤冻融循环过程各阶段均受气候变化的影响，其融化过程起始时间提前同时冻结过程起始时间推后，完全融化阶段持续时间增加，且逐渐接近完全冻结阶段持续时间；在浅层土壤不同冻融状态下，能量闭合率差值较大，其中完全融化阶段能量闭合状况普遍好于完全冻结阶段；净辐射值在完全融化阶段高于完全冻结阶段，净辐射在完全冻结阶段主要转化为感热通量，在完全融化阶段主要转化为潜热通量，地表土壤热通量在完全融化阶段为正值，在完全冻结阶段为负值。

关键词: 青藏高原, 地表冻融状况, 能量平衡, 日冻融循环

Abstract:

There are few studies on the influence of the freeze-thaw cycle on surface energy in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau. Based on the measured data of Tanggula permafrost， to divides each stage of the freeze-thaw cycle of the active layer according to the 10 cm soil temperature. Combine with surface energy closure and surface energy fluxes to discuss the influence between freeze-thaw cycle of active layer and water-heat exchange. The results show that： each stage of the freeze-thaw cycle of the active layer is affected by climate change. The starting time of the thawing process is advancing and the starting time of the freezing process is delayed. As a result， the duration of soil complete thawing increases and gradually approaches that of complete freezing； in different freeze-thaw states of shallow soil， the energy closure rate different is large， and the energy closure in the stage of complete thawing is generally better than that in the stage of complete freezing； the net radiation value in the stage of complete melting is higher than that in the stage of complete freezing， sensible heat flux dominates in the stage of complete freezing， latent heat flux dominates in the stage of complete melting， and surface soil heat flux is positive in the stage of complete melting and negative in the stage of complete freezing.

Key words: Qinghai-Tibet Plateau, surface freeze-thaw status, energy balance, daily freeze-thaw cycle

中图分类号:

P642.14

刘艺阗, 姚济敏, 赵林, 肖瑶, 乔永平, 史健宗. 青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1073-1082.

Yitian LIU, Jimin YAO, Lin ZHAO, Yao XIAO, Yongping QIAO, Jianzong SHI. Surface energy processes during freeze-thaw cycle in Tanggula permafrost region of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(4): 1073-1082.

图/表 11

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参考文献 42

1	Qiu J. The third pole［J］. Nature， 2008， 454（7203）： 393-396.
2	Ma Yaoming， Ma Weiqiang， Zhong Lei， et al. Monitoring and modeling the Tibetan Plateau’s climate system and its impact on East Asia［J］. Scientific Reports， 2017， 7： 44574.
3	Li Wenkai， Guo Weidong， Qiu Bo， et al. Influence of Tibetan Plateau snow cover on East Asian atmospheric circulation at medium-range time scales［J］. Nature Communications， 2018， 9（1）： 1-9.
4	Zou Defu， Zhao Lin， Sheng Yu， et al. A new map of permafrost distribution on the Tibetan Plateau［J］. The Cryosphere， 2017， 11（6）： 2527-2542.
5	Wu Xiaobo， Zhuotong Nan， Zhao Shuping， et al. Spatial modeling of permafrost distribution and properties on the Qinghai-Tibet Plateau［J］. Permafrost and Periglacial Processes， 2018.
6	Wu Shaohong， Yin Yunhe， Zheng Du， et al. Climate changes in the Tibetan Plateau during the last three decades［J］. Acta Geographica Sinica， 2005， 60（1）： 3-11.
	吴绍洪，尹云鹤，郑度，等. 青藏高原近30年气候变化趋势［J］. 地理学报， 2005， 60（1）： 3-11.
7	Ran Youhua， Li Xin， Cheng Guodong. Climate warming over the past half century has led to thermal degradation of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau［J］. The Cryosphere， 2018， 12（2）： 595-608.
8	Su Z. The Surface Energy Balance System （SEBS） for estimation of turbulent heat fluxes［J］. Hydrology and Earth System Sciences Discussions， 2002， 6（1）： 85-99.
9	Yang Meixue， Yao Tandong， Nozomu Hirose， et al. Diurnal freeze-thaw cycles of the ground surface on the Tibetan Plateau［J］. Chinese Science Bulletin， 2006， 51（16）： 1974-1976.
	杨梅学，姚檀栋， Nozomu Hirose，等. 青藏高原表层土壤的日冻融循环［J］. 科学通报， 2006， 51（16）： 1974-1976.
10	Gu Lianglei， Yao Jimin， Hu Zeyong， et al. Comparison of the surface energy budget between regions of seasonally frozen ground and permafrost on the Tibetan Plateau［J］. Atmospheric Research， 2015， 153： 553-564.
11	Zhang T， Armstrong R L， Smith J. Investigation of the near-surface soil freeze-thaw cycle in the contiguous United States： Algorithm development and validation［J］. Journal of Geophysical Research， 2003， 108（D22）： 8860.
12	Urakawa R， Shibata H， Kuroiwa M， et al. Effects of freeze-thaw cycles resulting from winter climate change on soil nitrogen cycling in ten temperate forest ecosystems throughout theJapanese archipelago［J］. Soil Biology & Biochemistry， 2014， 74： 82-94.
13	Knox J C. Agricultural influence on landscape sensitivity in the Upper Mississippi River Valley［J］. Catena， 2001， 42（2/3/4）： 193-224.
14	Niu Guoyue， Yang Zongliang. Effects of frozen soil on snowmelt runoff and soil water storage at a continental scale［J］. Journal of Hydrometeorology， 2006， 7（5）： 937-952.
15	Henry H. Soil freezing dynamics in a changing climate： implications for agriculture［C］//Imai R， Yoshida M， Matsumoto N. Plant and microbe adaptations to cold in a changing world. New York： Springer， 2013.
16	Guo Donglin， Wang Aihui， Li Duo， et al. Simulation of changes in the near-surface soil freeze/thaw cycle using CLM4.5 with four atmospheric forcing datasets［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2018.
17	Yao Jimin， Zhao Lin， Ding Yongjian， et al. Surface energy budget in the Tanggula region on the Tibetan Plateau， 2005［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2008， 30（1）： 119-124.
	姚济敏，赵林，丁永建，等. 2005年青藏高原唐古拉地区地表能量收支状况分析［J］. 冰川冻土， 2008， 30（1）： 119-124.
18	Duan Anmin， Xiao Zhixiang， Wu Guoxiong. Characteristics of climate change over the Tibetan Plateau under the global warming during 1979—2014［J］. Climate Change Research， 2016， 12（5）： 374-381.
	段安民，肖志祥，吴国雄. 1979—2014年全球变暖背景下青藏高原气候变化特征［J］. 气候变化研究进展， 2016， 12（5）： 374-381.
19	Noetzli， Jeannette， Christiansen， Hanne， Deline， P， et al. Permafrost thermal state ［in "State of the Climate in 2017"］［J］. Bulletin of the American Meteorological Society， 2018， 99： S20-22.
20	Cheng G， Jin H. Permafrost and groundwater on the Qinghai-Tibet Plateau and in northeast China［J］. Hydrogeology Journal， 2013， 21（1）： 5-23.
21	Cheng Guodong， Wu Tonghua. Responses of permafrost to climate change and their environmental significance， Qinghai-Tibet Plateau［J］. Journal of Geophysical Research Earth Surface， 2007， 112（F2）： F02S03.
22	Yang Shuhua， Wu Tonghua， Li Ren， et al. Spatial-temporal Changes of the Near-surface Soil Freeze-thaw Status over the Qinghai-Tibetan Plateau［J］. Plateau Meteorology， 2018， 37（1）： 43-53.
	杨淑华，吴通华，李韧，等. 青藏高原近地表土壤冻融状况的时空变化特征［J］. 高原气象， 2018， 37（1）： 43-53.
23	Ma Yaoming， Su Zhongbo， Toshio Koike， et al. On measuring and remote sensing surface energy partitioning over the Tibetan Plateau-from GAME/Tibet to CAMP/Tibet［J］. Physics Chemistry of the Earth Parts A/B/C， 2003， 28（1）： 63-74.
24	Li Ren， Zhao Lin， Ding Yongjian， et al. Impact of surface energy variation on thawing processes within active layer of permafrost［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2011， 33（6）： 1235-1242.
	李韧，赵林，丁永建，等. 地表能量变化对多年冻土活动层融化过程的影响［J］. 冰川冻土， 2011， 33（6）： 1235-1242.
25	Liu Yang， Zhao Lin， Li Ren. Simulation of the soil water-thermal features within the active layer in Tanggula region， Tibetan Plateau， by using SHAW model ［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2013， 35（2）： 280-290.
	刘杨，赵林，李韧. 基于SHAW模型的青藏高原唐古拉纳粹党徒地区活动层土壤水热特征模拟［J］. 冰川冻土， 2013， 35（2）： 280-290.
26	Zhu Zhilin， Sun Xiaomin， Wen Xuefa， et al. Study on the processing method of nighttime CO₂ eddy covariance flux data in ChinaFLUX［J］. Science in China， 2006， 49（2）： 36-46.
27	Gerken T， Ruddell B L， Fuentes J D， et al. Investigating the mechanisms responsible for the lack of surface energy balance closure in a central Amazonian tropical rainforest［J］. Agricultural and Forest Meteorology， 2018， 255： 92-103.
28	Sheng Peixuan， Mao Jietai， Li Jianguo， et al. Atmospheric physics［M］. Beijing： Peking University Press， 2003.
	盛裴轩，毛节泰，李建国，等. 大气物理学［M］. 北京：北京大学出版社， 2003.
29	Yao Jimin， Zhao Lin， Gu Lianglei， et al. The surface energy budget in the permafrost region of the Tibetan Plateau［J］. Atmospheric Research， 2011， 102（4）： 394-407.
30	Jiang Hao， Cheng Guodong， Wang Keli. Analyzing and measuring the surface temperature of Qinghai-Tibet Plateau［J］. Chinese Journal of Geophysics， 2006， 49（2）： 391-397.
	江灏，程国栋，王可丽. 青藏高原地表温度的比较分析［J］. 地球物理学报， 2006， 49（2）： 391-397.
31	Zhao Lin， Cheng Guodong， Li Shuxun， et al. Thawing and freezing processes of active layer in Wudaoliang region of Tibetan Plateau［J］. Chinese Science Bulletin， 2000， 45（11）： 1205-1211.
	赵林，程国栋，李述训，等. 青藏高原五道梁附近多年冻土活动层冻结和融化过程［J］. 科学通报， 2000， 45（11）： 1205-1211.
32	Yang Meixue， Yao Tandong， He Yuanqing. The role of soil moisture-energy distribution and melting-freezing process on seasonal shift in Tibetan Plateau［J］. Mountain Research， 2002， 20（5）： 553-558.
	杨梅学，姚檀栋，何元庆. 青藏高原土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用［J］. 山地学报， 2002， 20（5）： 553-558.
33	Wu Dongxing， Li Guodong， Zhang Xi. Energy balance and closure of typical winter wheat farmland ecosystem in the north China plain［J］. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2017， 25（10）： 1413-1422.
	吴东星，李国栋，张茜. 华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究［J］. 中国生态农业学报， 2017， 25（10）： 1413-1422.
34	Wang Jiemin， Wang Weizhen， Liu Shaomin， et al. The problems of surface energy balance closure： an overview and case study［J］. Advances in Earth Science， 2009， 24（7）： 705-713.
	王介民，王维真，刘绍民，等. 近地层能量平衡闭合问题——综述及个例分析［J］. 地球科学进展， 2009， 24（7）： 705-713.
35	McGloin R， Šigut L， Havránková K， et al. Energy balance closure at a variety of ecosystems in Central Europe with contrasting topographies［J］. Agricultural and Forest Meteorology， 2018， 248： 418-431.
36	Li Quan， Zhang Xianzhou， Shi Peili， et al. Study on the energy balance closure of alpine meadow on Tibetan Plateau［J］. Journal of Natural Resources， 2008， 23（3）： 391-399.
	李泉，张宪洲，石培礼，等. 西藏高原高寒草甸能量平衡闭合研究［J］. 自然资源学报， 2008， 23（3）： 391-399.
37	Chen Boli. A study of land surface energy and water in soil freezing and thawing process and impact on regional climate of the Qinghai-Tibet Plateau［D］. Lanzhou： University of Chinese Academy of Sciences （Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research）， 2014.
	陈渤黎. 青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究［D］. 兰州：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所， 2014.
38	Ge Jun， Yu Ye， Li Zhengchao， et al. Impacts of freeze/thaw processes on land surface energy fluxes in the permafrost region of Qinghai-Xizang Plateau［J］. Plateau Meteorology， 2016， 35（3）： 608-620.
	葛骏，余晔，李振朝，等. 青藏高原多年冻土区土壤冻融过程对地表能量通量的影响研究［J］. 高原气象， 2016， 35（3）： 608-620.
39	Li Zhengquan， Yu Guirui， Wenxuefa， et al. Evaluation of energy balance closure of ChinaFLUX observation network （ChinaFLUX）［J］. Scientia Sinica（Terrae）， 2004， 34（）： 46-56.
	李正泉，于贵瑞，温学发，等. 中国通量观测网络（ChinaFLUX）能量平衡闭合状况的评价［J］. 中国科学：地球科学， 2004， 34（）： 46-56.
40	Ma Yaoming， Yao Tandong， Wang Jiemin， et al. The study on the land surface heat fluxes over heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau［J］. Advances in Earth Science， 2006， 21（12）： 1215-1223.
	马耀明，姚檀栋，王介民，等. 青藏高原复杂地表能量通量研究［J］. 地球科学进展， 2006， 21（12）： 1215-1223.
41	Eugster W， Rouse W R， Pielke R A， et al. Land-atmosphere energy exchange in Arctic tundra and boreal forest： available data and feedbacks to climate［J］. Global Change Biology， 2000， 6： 84-115.
42	Yang Fulin， Zhou Guangsheng. Characteristics and driving factors of energy budget over a temperate desert steppe in Inner Mongolia［J］. Acta ecologica sinica， 2010， 30（21）： 5769-5780.
	阳伏林，周广胜. 内蒙古温带荒漠草原能量平衡特征及其驱动因子［J］. 生态学报， 2010， 30（21）： 5769-5780.

观测项目	仪器	精度	安置高度	频率
风速/（m·s^-1）	05103_L Wind Monitor	±0.3 m·s^-1	10 m	30 min
气温/℃	HMP45C temperature/RH Probe	±0.5 ℃	2 m	30 min
相对湿度/%	HMP45C temperature/RH Probe	±0.4% RH·℃^-1	2 m	30 min
降水/mm	T-200B Precipitation Gauge	0.1 mm	5 m away	30 min
土壤含水量SMC/（m³·m^-3）	CS616 Water-Content Reflectometers	±2.5%	5，10，20 cm	30 min
雪深/m	SR50 Sonic Ranging Sensor	1 cm	2 m	30 min
向上短波辐射USR/（W·m^-2）	CM3 Pyranometer	10%	2 m	30 min
向上长波辐射ULR/（W·m^-2）	CG3 Pyranometer	10%	2 m	30 min
向下短波辐射DSR/（W·m^-2）	CM3 Pyranometer	10%	2 m	30 min
向上长波辐射DLR/（W·m^-2）	CG3 Pyranometer	10%	2 m	30 min

观测项目	仪器型号	仪器公司	精度	安置高度
3维超声风速仪	CSAT3	Campbell（USA）	<±0.4 cm·s^-1	3.0 m
开路红外气体分析仪	LI7500	LI-COR（USA）	0.01 μmol·mol^-1	3.0 m
气压	CS106	Campbell（USA）	<±1.0 hPa	1.5 m

年份	融化过程起止时间	冻结过程起止时间	完全融化/d	完全冻结/d
2012	5月10日—5月14日	10月13日	151	209
2013	5月1日—5月17日	10月18日	153	194
2014	4月30日—5月11日	10月22日	163	189

年份	净辐射/（W·m^-2）	感热通量/（W·m^-2）	潜热通量/（W·m^-2）	地表土壤热通量/（W·m^-2）
2012	86.5	41.8	36.8	1.5
2013	89.0	39.5	40.1	0.8
2014	86.3	41.5	41.5	0.3

[1]	孟雅丽, 段克勤, 尚溦, 李双双, 邢莉, 石培宏. 基于CMIP6模式数据的1961—2100年青藏高原地表气温时空变化分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 24-33.
[2]	柴乐, 张威, 刘亮, 马瑞丰, 唐倩玉, 李亚鹏, 乔静茹. 青藏高原东南部他念他翁山全新世早中期冰进事件研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 307-315.
[3]	张怡, 段克勤, 石培宏. 1979—2100年青藏高原夏季大气0 ℃层高度变化分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 34-45.
[4]	达伟, 王书峰, 沈永平, 陈安安, 毛炜峄, 张伟. 1957—2019年昆仑山北麓车尔臣河流域水文情势及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 46-55.
[5]	刘广岳, 邹德富, 杨斌, 杜二计, 周华云, 肖瑶, 赵林, 谭昌海, 胡国杰, 庞强强, 王武, 孙哲, 朱小凡, 殷秀峰, 汪凌霄, 李智斌, 谢昌卫. 青藏高原腹地各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 83-95.
[6]	罗京, 牛富俊, 林战举, 刘明浩, 尹国安, 高泽永. 青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 96-105.
[7]	除多,扎西顿珠,次丹玉珍. NOAA IMS雪冰产品在青藏高原积雪监测中的适用性分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1659-1672.
[8]	卓嘎,罗布,巴桑曲珍. 青藏高原那曲中部土壤温湿分布特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1704-1717.
[9]	王世金,魏彦强,牛春华,张云飞. 青藏高原多灾种自然灾害综合风险管理[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1848-1860.
[10]	李若晨,申保收,武小波,杨方社,郭忠明. 青藏高原典型山地冰川中痕量元素的空间分布和来源分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1277-1289.
[11]	曹瑜,游庆龙,蔡子怡. 1961—2019年青藏高原中东部夏季强降水与大尺度环流的关系[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1290-1300.
[12]	王一博,吕明侠,赵海鹏,高泽永. 青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1301-1311.
[13]	段群滔,罗立辉. 人类活动强度空间化方法综述与展望[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1582-1593.
[14]	张明礼, 王斌, 王得楷, 叶伟林, 郭宗云, 高樯, 岳国栋. 降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响——以北麓河地区为例[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1092-1101.
[15]	刘宏超, 马俊杰, 李韧. 基于KNN机器学习方法对青藏高原唐古拉地区表层土壤水热状况的模拟[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1243-1252.