Diurnal freeze/thaw cycles of the ground surface on the Tibetan Plateau

The exchange of energy and water between the lithosphere and atmosphere mainly takes place at the ground surface. Therefore, freeze/thaw condition at the ground surface is an important factor in ex- amining the interactions between the land surface and atmosphere. Based on the observation data obtained by CEOP/CAMP-Tibet, the diurnal freeze/thaw cycles of the ground surface near Naqu, central Tibetan Plateau was preliminarily analyzed. The results show that the surface layer was completely frozen for approximately one month. However, the time that the ground surface experienced diurnal freeze/thaw cycles was about 6 months. The high frequency of freeze/thaw cycles at the ground surface significantly influences water and energy exchanges between ground and atmosphere over half a year. The interaction processes between the ground and atmosphere under different soil conditions (such as complete thaw, complete freeze and diurnal freeze/thaw cycles) are issues worthy of further examina- tion.

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日—2005年12月31日土壤温度、含水量资料,分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征.结果表明:D105点40cm深度以上土壤温度日变化明显,随着深度增加,土壤温度日变化相位明显滞后.各层土壤温度月最高值出现在8—9月,月最低值都出现在1—2月;年际气候的差异至少可以反映到185cm深处的土壤.土壤冻结和消融都是由表层开始,土壤随深度增加冻结快,消融则慢.冻结期间,土壤温度分布上部低,下部高;消融期间,则分布相反.60cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动,表明60cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁.土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响;土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配.因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.

青藏高原融冻过程中能量和水分循环的模拟研究

采用与先进陆面模式耦合的区域气候模式WRF V3.1,利用NCEP/DOE再分析资料作为驱动场,对青藏高原东北部1998年5-7月进行模拟.首先,对模拟区降水、感热和潜热通量的空间分布进行了检验,结果表明WRF模式能够合理且较好的模拟出高原东北部降水、感热和潜热通量的空间分布状况.通过对融冻过程中土壤温、湿度及水文要素的分析发现,融冻过程首先影响土壤温、湿度,进而影响地气间能量和水分交换,最终影响整个局地水循环过程.冻结时,感热通量占主要地位,陆地系统净水分输入主要转化为蒸发和径流,水分盈余变化基本为零;融化后,潜热通量占主要地位,随着降水量增大和土壤下渗能力的增强,陆地系统水分盈余迅速增大,径流相应减小.但不同下垫面上略有差别,草地、灌木丛、稀疏植被和苔原上水循环要素的变化趋势与区域平均基本类似,水分盈余变化呈增大的趋势,沿水体周围草地的水分盈余随时间减小,水体上的水循环活动最为剧烈,水分盈余最为丰富.

青藏高原表层土壤热通量的时空分布特征

利用青藏高原(简称高原)9个站点的实测数据分析了表层土壤热通量G0的季节变化、日变化特征,然后利用MODIS数据(MOD13Q1和MOD09CMG)、中国西部逐日1 km空间分辨率全天候地表温度数据集和同化数据(ITPCAS-SRad和ITPCAS-LRad),借助G0遥感估算模型Ma模拟了高原四期(2014年7月12日和10月16日,2015年1月1日和4月7日)的G0空间分布特征。结果表明:G0振幅随季节变化,夏季较大,冬季最小,站点之间振幅不同可能与下垫面有关,下垫面植被覆盖度越高,振幅越小;G0在春、夏季以及全年整体为正,而秋、冬季G0则为负。高原G0呈现倒立的"U"型的日变化曲线,夜晚的变化相对白天而言比较平缓;G0日变化曲线为正值的时长存在明显季节差异,四个季节的顺序是夏季>春季>秋季>冬季;高原G0的空间分布特征与高原地表温度的空间分布有较好的正相关,站点数据显示地表温度每增加1℃,G0随之增大2~5 W·m^-2。

2002—2020年青藏高原近地表土壤日冻融循环时空变化模式

青藏高原近地表土壤的日冻融循环极大地影响着土壤和大气之间的水分与能量交换,研究其时空变化模式对深入理解青藏高原生态环境的气候变化响应具有重要意义。本文基于MODIS、AMSR-E、AMSR-2遥感数据等资料,获取AMSR系列传感器在青藏高原的昼夜校准系数,利用Fourier非线性模型实现AMSR微波辐射产品与MODIS热红外地表温度产品的融合,生成每日1 km分辨率近地表土壤日冻融状态结果,开展2002—2020年青藏高原近地表土壤日冻融循环时空变化模式研究。结果表明:①相比于面向全球的校准方法,本文改进的AMSR系列传感器校准方法更适合于青藏高原地区。利用Fourier非线性模型融合后获得的土壤冻融产品在提升分辨率的同时日冻融判别精度达80.96%,相较于未融合结果准确性提高3.95%。②青藏高原近地表土壤季节性冻融过程中的日冻融循环发生天数空间上存在显著差异性,其中藏南区域与青海高原发生天数最高,时间上存在周期性,呈升温时向西北转移,降温时向东南转移。③2002—2020年青藏高原不同区域年内日冻融循环发生天数变化趋势不同,藏北高原、藏南高山及藏东区域呈增加状态,青海高原呈减少状态。④青藏高原连续日冻融循环起始时间点存在区域差异,总体上解冻过程中起始时间点由东向西逐渐推迟,冻结过程起始时间点由西向东逐渐推迟;2002—2020年近地表土壤连续日冻融循环起始时间点在解冻过程中提前0.17 d/a,冻结过程中提前0.18 d/a。

羌塘高原核心区2013-2014年土壤温度变化特征

基于羌塘高原核心区布设的19套土壤温湿度仪器和3个自动气象站2013年9月-2014年10月间的监测数据,分析羌塘高原核心区不同站点在1 cm、10 cm、20 cm深度处的土壤温度日变化和季节变化特征。结果表明:(1)研究时段内站点1 cm、10 cm、20 cm深度土壤的日均温在-16.27~17.18℃之间波动,随着土壤深度的增加,温度变幅逐渐减小。(2)站点间的日均温差最大不超过12.82℃,主要受海拔与纬度的影响。昼夜变化呈现升温快,降温慢的特征。(3)不同深度的土壤平均最冷月均温为-12.69℃,最暖月均温为13.15℃,土壤日平均温度的年际变幅在30℃左右。在土壤冻结/消融过程中土壤温度的变异系数很高,表层更加明显,且消融过程变异性比冻结过程更强。(4)在月尺度上土壤1 cm日平均温度与气温的相关性最强,可达到0.99以上。研究将有助于填补该地区土壤温度数据的空白,对认识该区域冰冻、消融交替过程中土壤热量迁移的连续变化也有重要的意义。

青藏高原地表冻融循环与植被返青期的变化趋势及其气候响应特征

青藏高原特殊的地理环境使其对全球气候变化十分敏感,所以研究其地表冻融循环和植被返青期的时空动态对于回顾和预测青藏高原对全球气候变化的响应具有重要意义。本文通过利用双指标地表冻融状态识别算法和被动微波亮温数据(SMMR、SSMI和SSMIS)来获取青藏高原长时间序列(1982年—2013年)逐日地表冻融状态,通过对GIMMS全球植被指数数据产品进行NDVI的滤波重建和返青期提取来获取青藏高原植被长时间序列(年份)的返青期;并且分析了地表冻融循环和植被返青期的变化趋势、相互关系及对青藏高原气候变化的响应特征。总体来看,在空间上,青藏高原的地表冻结集中发生在10月30日至次年4月2日,平均地表融化首日集中在5月12—27日,平均植被返青期集中在5月19—29日。植被返青期平均发生在地表融化首日后的3.94±5.58日,两者具有显著的相关关系(R=0.51,P=0.003)。青藏高原的地表融化首日和植被返青期在1982年—2013年间经历了推迟、提前再推迟的3个过程,融化时间和返青期在1982年—1987年分别以1.93±1.81 d/a和0.28±1.01 d/a的速度推迟;在1987年—2006年分别以0.67±0.20 d/a和0.13±0.16 d/a的速度提前;在2006年—2013年分别以0.97±0.84 d/a和1.04±0.52 d/a的速度推迟。中国气象局布设在青藏高原的CMA气象站的温度数据表明,高原的春季地表0 cm土壤温度呈持续上升的趋势,而植被返青期和地表融化首日并未持续提前,这可能是由几十年来高原不同地区降水等其他环境因素变化的差异造成。同时在气温持续升高期间,植被返青期的返青温度阈值也不断具有上升的趋势(R=0.72,P<0.001),这可能与植被适应气候变化的自身调节能力有关。

基于水热变化的青藏高原土壤冻融过程研究进展

青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、生态环境、碳氮循环以及高原及其周边区域的天气和气候系统。论文从观测、模拟以及对气候的影响3个角度来探讨1990年以来青藏高原土壤冻融过程的最新研究进展。结果表明:①在一个完整的年冻融循环过程中,近地表各层土壤大体都经历了夏季融化期、春秋季融化—冻结期、冬季冻结期4个阶段。受局地因素的影响,不同站点的冻结或消融起止时间、速率、类型均有差异。②多年冻土区和季节冻土区的日冻融循环过程差异较大,主要体现在日冻融循环持续时间上。③不同陆面模式都可以很好地抓住冻融过程中物理量的时空变化,但都需要针对高原陆面过程的特点进行参数化改进。④规避不稳定的迭代计算并根据热力学平衡方程确定冻融临界温度可以改进不合理的冻融参数化方案。基于已有研究回顾,发现增加高质量的观测站,利用卫星遥感等多种手段来反演高原土壤冻融过程以及加强陆面模式与区域气候模式和全球气候模式的耦合,并立足于高原冻融过程的特点发展相适应的参数化方案以及模拟结构的调整,能够有助于高原冻融过程的模拟。