青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0154

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (6): 1773-1783.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0154

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青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析

刘金科¹^,²(), 姚济敏¹(), 谷良雷³, 李韧¹, 吴晓东¹, 吴通华¹, 谢昌卫¹, 邹德富¹, 乔永平¹, 胡国杰¹, 肖瑶¹, 史健宗¹

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站，甘肃兰州 730000
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.中国科学院西北生态环境资源研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃兰州 730000

收稿日期:2022-01-12 修回日期:2022-06-26 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-18
通讯作者: 姚济敏 E-mail:liujinke@nieer.ac.cn;yjm@lzb.ac.cn
作者简介:刘金科，硕士研究生，主要从事寒区陆面过程研究. E-mail： liujinke@nieer.ac.cn
基金资助:
中国科学院青年创新促进会项目(2022430);国家自然科学基金(42071094)

The surface energy budget process and preliminary analysis of its impact on the active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau

Jinke LIU¹^,²(), Jimin YAO¹(), Lianglei GU³, Ren LI¹, Xiaodong WU¹, Tonghua WU¹, Changwei XIE¹, Defu ZOU¹, Yongping QIAO¹, Guojie HU¹, Yao XIAO¹, Jianzong SHI¹

^1.Cryosphere Research Station on the Qinghai-Tibet Plateau，State Key Laboratory of Cryospheric Science，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.Key Laboratory of Land Surface Process and Climate Change in Cold and Arid Regions，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

Received:2022-01-12 Revised:2022-06-26 Online:2022-12-25 Published:2023-01-18
Contact: Jimin YAO E-mail:liujinke@nieer.ac.cn;yjm@lzb.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于2005—2016年青藏高原多年冻土区唐古拉和西大滩站的气象、涡动通量以及活动层资料，利用涡动相关法、气象梯度法和SHAW模型等方法探究了气候变化背景下高原多年冻土区地表能量通量变化规律及其对活动层的影响。结果表明：2005—2016年唐古拉和西大滩气温、地气温差有所升高，年降水量、10 cm土壤含水量及风速有所下降。2005年以来唐古拉和西大滩净辐射（R_n ）与感热（H）呈增加趋势，潜热（LE）呈减小趋势，地表土壤热通量（G）变化较小。唐古拉和西大滩地表能量通量季节变化明显，但受海拔、纬度、坡向、土壤冻融过程、降水、下垫面状况等因素的影响，地表能量通量存在区域差异。研究时段内，唐古拉和西大滩地表冻结指数与土壤热通量呈负相关；融化指数、活动层厚度与土壤热通量呈正相关，融化期间土壤热通量积累量与融化深度的变化呈线性增加关系。

关键词: 年际变化, 气象要素, 地表能量收支, 地表冻融指数, 活动层厚度, 青藏高原

Abstract:

Based on the data observed from the meteorology gradient tower， eddy covariance system and the active layer from 2005 to 2016 at the Tanggula （TGL） and Xidatan （XDT） sites in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau， the long-term variations of surface energy fluxes and its impact on the active layer under the background of climate change were analyzed by using the eddy covariance method， the gradient method and the Simultaneous Heat and Water （SHAW） model. The results were as follows： From 2005 to 2016， the air temperature and the air-ground temperature difference increased， while the annual precipitation， the 10 cm soil moisture and the wind speed decreased at the Tanggula and Xidatan sites. The net radiation and sensible heat flux showed an increasing trend， while the latent heat flux showed a decreasing trend， the surface soil heat flux had no obvious change. The seasonal variations of surface energy fluxes were obvious in Tanggula and Xidatan， but there are regional differences in energy fluxes due to the influence of altitude， latitude， aspect， surface freezing-thawing process， precipitation and underlying surface conditions. In Tanggula and Xidatan， the surface freezing indices were negatively correlated with soil heat flux， while the thawing indices and the active layer thickness were positively correlated with soil heat flux. The surface soil heat flux accumulation was linearly increasing with the thawing depth.

Key words: interannual variation, meteorological elements, surface energy budget, surface freezing/thawing index, the active layer thickness, Qinghai-Tibet Plateau

中图分类号:

P642.14

刘金科, 姚济敏, 谷良雷, 李韧, 吴晓东, 吴通华, 谢昌卫, 邹德富, 乔永平, 胡国杰, 肖瑶, 史健宗. 青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1773-1783.

Jinke LIU, Jimin YAO, Lianglei GU, Ren LI, Xiaodong WU, Tonghua WU, Changwei XIE, Defu ZOU, Yongping QIAO, Guojie HU, Yao XIAO, Jianzong SHI. The surface energy budget process and preliminary analysis of its impact on the active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1773-1783.

图/表 12

图1

表1

表2

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表4

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参考文献 52

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观测参数		仪器型号及生产商	精度	安置高度或深度	频率
观测系统	观测项目	仪器型号及生产商	精度	安置高度或深度	频率
涡动相关系统	三维风速	CSAT3， Campbell	±0.4 cm·s^-1	3 m	10 Hz
	CO₂/H₂O	Li-7500， LI-COR	±0.01 μmol·mol^-1	3 m	10 Hz
	甲烷	Li-7500， LI-COR	±1%	3 m	10 Hz
气象梯度塔	风速	05103_L， Campbell	±0.3 m·s^-1	2， 5， 10 m	30 min
	空气温度	HMP45C， Vaisala	±0.5 ℃	2， 5， 10 m	30 min
	空气湿度	HMP45C， Vaisala	±3%	2， 5， 10 m	30 min
	降水	T-200B， Geonor	±0.1 mm	1.5 m	30 min
	雪深	SR50， Campbell	±1 cm	2 m	30 min
	短波辐射	CM3， Kipp&Zonen	±5%	2 m	30 min
	长波辐射	CG3， Kipp&Zonen	±10%	2 m	30 min
	土壤温度	105T， Campbell	±0.1 ℃	-5， -10， -20 cm	30 min
	土壤含水量	CS616， Campbell	±2.5%	-5， -10， -20 cm	30 min
	土壤热通量	HFP01SC， Hukseflux	±3%	-5， -10， -20 cm	30 min
活动层	土壤温度	105T， Campbell	±0.1 ℃	-5， -10， -20， -50， -70， -90， -105， -140， -175， -210， -240， -280， -300， -320， -360 cm	30 min

站点	统计参数	感热/（W·m^-2）	潜热/（W·m^-2）
TGL	RMSE	22.36	32.53
TGL	MAE	17.79	23.91
XDT	RMSE	16.64	35.19
XDT	MAE	13.22	25.27

站点	能量通量/（W·m^-2）	气温/℃	地气温差/℃	降水/mm	10 cm土壤含水量/（m³·m^-3）	风速/（m·s^-1）
TGL	R_n	0.524	0.642^*	-0.155	-0.409	-0.161
	H	0.716^*	0.883^**	-0.013	-0.175	-0.151
	LE	-0.159	-0.577	0.618	0.736^*	0.734^*
	G	0.500	-0.171	-0.215	0.065	0.305
XDT	R_n	0.629	0.876^**	-0.737^*	-0.259	-0.043
	H	0.021	0.768^*	-0.702^*	-0.705^*	-0.337
	LE	0.039	-0.580	0.490	0.435	-0.131
	G	0.753^*	0.335	-0.261	-0.317	-0.117

站点	季节	R_n /（W·m^-2）	H/（W·m^-2）	LE/（W·m^-2）	G/（W·m^-2）
TGL	冬季	30.8	36.0	8.6	-8.0
	春季	101.4	54.5	33.1	6.1
	夏季	135.5	33.5	95.1	10.7
	秋季	68.5	27.1	42.6	-2.7
	年均	84.4	36.9	44.5	1.7
XDT	冬季	26.7	19.1	7.6	-7.1
	春季	98.4	36.4	29.9	8.5
	夏季	134.9	28.6	73.3	12.6
	秋季	69.7	23.9	31.2	-4.7
	年均	82.1	27.3	35.7	1.9

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青藏高原多年冻土区地表能量收支过程及其对活动层影响的初步分析

The surface energy budget process and preliminary analysis of its impact on the active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau

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