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土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展 被引量：1
1
作者 侯雅 李伟平 左金清 《高原气象》 北大核心 2025年第1期1-15,共15页
冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要... 冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制,总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果,包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言,砾石具有高导热率和低热容,有机质具有低导热率和高热容,他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外,砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用,进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明:(1)当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算,其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响,该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性;综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用,对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。(2)过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实;相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实;导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用,改善了对冻土区水文过程的模拟效果。(3)土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化,水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征,细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。(4)等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征,导致对冻融深度的严重高估或低估,尤其是对厚度较大的模式深层土壤,冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括:绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实;虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响,但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节;模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件,这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。 展开更多
关键词 土壤冻融过程 参数化方案 土壤导热率 土壤水文参数 冻融锋 水热耦合
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青藏高原土壤冻融过程的气候效应:进展和展望 被引量：21
2
作者 王澄海 杨凯 +5 位作者 张飞民 保鸿燕 程蓉 李登宣 崔志强 李课臣 《高原气象》 CSCD 北大核心 2021年第6期1318-1336,共19页
青藏高原(简称高原)热、动力作用对东亚乃至全球大气环流及气候有着影响。高原的热力作用主要来自于高原地表的非绝热加热异常变化,高原陆面过程决定着地表非绝热加热。本文回顾总结了高原陆面过程中的土壤冻融过程对土壤水热传输、地... 青藏高原(简称高原)热、动力作用对东亚乃至全球大气环流及气候有着影响。高原的热力作用主要来自于高原地表的非绝热加热异常变化,高原陆面过程决定着地表非绝热加热。本文回顾总结了高原陆面过程中的土壤冻融过程对土壤水热传输、地表非绝热加热影响及其气候效应的研究。主要体现在如下几个方面的进展:(1)土壤冻融对土壤水分具有"水分存储"效应,冻融过程可将土壤中90%以上的水分从前一年秋季保存到春季释放出来。(2)高原地表非绝热加热估算仍是一个挑战性的问题,再分析资料中的地表感、潜热通量存在较大偏差,且在春季最为显著,数值模式对土壤冻融过程模拟的偏差较大,数值模式和再分析资料对高原地表非绝热加热估算的偏差,影响了对高原热力作用的深入认识和理解。(3)水热完全耦合的参数化方案和冻融参数化方案改进可有效减小模式对土壤温、湿度的模拟偏差。(4)冻融过程将前秋的土壤湿度异常保持到次年春季,进而引起春季地表非绝热加热异常,这可作为跨季节气候预测的"信号"。通过对高原冻融区土壤信息的同化,可显著提高模式对后期东亚天气气候的模拟效果。(5)春季高原融冻异常通过引起土壤湿度异常产生的地表非绝热加热异常,通过改变高原南、北两侧大气的斜压性,激发出西风带内的Rossby波列传播,影响中国东部地区夏季降水的异常。对土壤冻融及融雪物理过程的认识和参数化,是高原和寒区陆气相互作用研究中具有挑战性的问题和未来研究的重要方向。 展开更多
关键词 青藏高原 土壤冻融过程 土壤温、湿度 地表非绝热加热 气候效应
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青藏高原东部土壤冻融过程中近地层湍流统计特征分析 被引量：9
3
作者 尚伦宇 吕世华 +3 位作者 张宇 罗斯琼 陈世强 李锁锁 《高原气象》 CSCD 北大核心 2011年第1期30-37,共8页
利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异。结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速... 利用玛曲黄河源区气候与环境综合观测研究站的湍流资料,分析了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中近地层湍流统计特征的差异。结果表明,冻融过程中不同阶段近地层湍流输送特征表现出一定的差异性;各个阶段不稳定层结下无量纲化的风速分量脉动方差与稳定度符合1/3次方律,近中性条件下无量纲化的风速分量脉动方差近似为常数,水平方向上的风速分量方差随地表动力学粗糙度减小而呈现逐渐增大的趋势,垂直方向上的速度脉动方差变化不大,说明下垫面的物理特性对水平速度分量方差的影响比垂直方向明显;冻融过程中不稳定层结下无量纲化的温度、湿度和二氧化碳脉动方差与稳定度符合-1/3次方律,温度和湿度的拟合系数表现为冻结状态下的值小,而冻结前和融化后的值大。 展开更多
关键词 青藏高原东部 土壤冻融过程 湍流统计特征
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土壤冻融过程中电导率特征分析及模拟 被引量：3
4
作者 魏欢欢 李晓东 许龙 《安徽农业科学》 CAS 2015年第3期75-77,86,共4页
[目的]通过对土壤冻融过程中电导率特征分析及模拟,为季节性冻土条件下精细农业的发展提供指导作用。[方法]主要通过EM50采集的土壤温度、土壤湿度、土壤电导率数据,对土壤冻融过程中表层土壤电导率的变化特征进行了分析。[结果]土壤电... [目的]通过对土壤冻融过程中电导率特征分析及模拟,为季节性冻土条件下精细农业的发展提供指导作用。[方法]主要通过EM50采集的土壤温度、土壤湿度、土壤电导率数据,对土壤冻融过程中表层土壤电导率的变化特征进行了分析。[结果]土壤电导率并不是随土壤剖面深度的增加而增大,而是土壤剖面20 cm处的土壤电导率最大,并且在土壤融冻期土壤电导率随时间呈现增-减-增-减的变化趋势。通过建立BP神经网络模型对土壤电导率进行模拟预测,得出的土壤电导率模拟值与观测值拟合程度高。[结论]BP神经网络模型可以对土壤电导率的实际观测进行辅助和验证。 展开更多
关键词 土壤冻融过程 土壤电导率 BP神经网络模型 变化特征
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季节性冻融期间五台山典型植被土壤氮矿化特征 被引量：6
5
作者 赵志宏 刘楠 +1 位作者 李殿民 李古月 《水利水电技术》 CSCD 北大核心 2018年第4期90-98,共9页
针对气候变暖、土壤季节性冻融格局改变对高山地区土壤氮矿化过程的影响,采用土壤原位培养法,研究五台山林线附近草甸(CD)、华北落叶松(HL)和云杉(YS)等典型植被群落土壤氮矿化特征。结果表明:各群落土壤铵态氮含量大于硝态氮含量。CD... 针对气候变暖、土壤季节性冻融格局改变对高山地区土壤氮矿化过程的影响,采用土壤原位培养法,研究五台山林线附近草甸(CD)、华北落叶松(HL)和云杉(YS)等典型植被群落土壤氮矿化特征。结果表明:各群落土壤铵态氮含量大于硝态氮含量。CD土壤矿质氮总量(铵态氮+硝态氮)在冻结初期减少,深冻期增加,融化期减少,生长季增加。HL和YS土壤矿质氮总量在冻结初期减少,深冻期到生长季一直增加。各群落土壤净氮矿化量和净氮矿化速率在冻结初期到深冻期增加,融化期降低,生长季增加。HL和YS之间土壤矿质氮总量、土壤净氮矿化量和净氮矿化速率始终无显著差异,CD与HL(p<0.05)、YS(p<0.05)之间存在显著差异。季节性冻融期各群落土壤净氮矿化量和净氮矿化速率低于生长季,但也表现出明显的矿化作用。在整个培养期内(季节性冻融期+生长季),HL供氮能力最强,YS次之,CD最弱。冻融循环可促进土壤氮矿化,增加土壤矿质氮含量,为春季植物生长提供了必要的营养物质,但这一过程也增加了土壤氮素的流失风险。研究成果对高山生态系统土壤氮矿化的研究提供参考。 展开更多
关键词 冻融循环 氮矿化 高山林线 高山/亚高山区 土壤冻融过程 水土保持 高寒生态系统氮循环 全球气候变化
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青藏高原土壤冻融参数化改进及其在BCC_CSM气候模式中的效果对比 被引量：4
6
作者 杨凡 吕世华 +3 位作者 张少波 徐悦 胥朋飞 游辉奇 《高原气象》 CSCD 北大核心 2023年第5期1093-1106,共14页
考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、... 考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、土壤温度、高原近地面风场和降水这几个气象要素。结果表明,对于浅层和深层的土壤温度,四个冻融阶段新方案的模拟都有良好的改进效果,尤其是在高原中部模拟更加准确。优化后的冻融参数化方案对土壤湿度的模拟效果改善是十分显著的,在这四个冻融时段,新方案的均方根误差和偏差在青藏高原全域都有明显的降低,主要表现在青藏高原中部地区。青藏高原上整体呈现为西风,冻结过程阶段新方案模拟结果在高原北部以及中部地区风速偏差有所减小,与对比资料更为接近;完全冻结阶段、消融过程阶段以及完全消融阶段新方案在高原北部的风速偏差减小较为明显;在冻融过程的四个阶段的降水模拟,新方案的均方根误差比原方案减小,相关系数都有提升。研究结果显示改进之后的土壤冻融参数化方案相比与原方案BCC_CSM中的模拟效果有提升,对于主要环流系统的模拟有改善。 展开更多
关键词 青藏高原 BCC_CSM模式 土壤冻融过程 土壤温湿度
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青藏高原高寒草甸土发生季节性潜育化及其生态学意义
7
作者 林笠 王其兵 贺金生 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期1161-1166,共6页
为了探究青藏高原高寒草甸非水成化土壤是否发生潜育化,在2013年12月至2014年3月非生长季的野外观测过程中,发现青藏高原东北部高寒草甸非水成化土壤存在季节性潜育化,主要由较高的有机质含量以及土壤季节性冻融产生的厌氧环境造成。在... 为了探究青藏高原高寒草甸非水成化土壤是否发生潜育化,在2013年12月至2014年3月非生长季的野外观测过程中,发现青藏高原东北部高寒草甸非水成化土壤存在季节性潜育化,主要由较高的有机质含量以及土壤季节性冻融产生的厌氧环境造成。在土壤腐殖质层观察到铁锰结核和胶膜层,呈蓝灰色,潜育类型属于轻潜型和假潜育型。通过分析得出,土壤潜育化主要发生在土壤季节性冻融期间,潜育层厚度与冻融层厚度之间显著正相关。2014年1月的取样分析结果显示,潜育化显著降低微生物生物量碳,提高了活性态铁锰含量、阳离子交换量和有效磷含量。季节性潜育化可能对冻融过程中微生物群落结构、根系动态、温室气体排放以及养分循环等方面产生重要影响。由于潜育化只发生在非生长季,这一现象容易被忽略,但其对土壤生态过程产生的影响值得关注。 展开更多
关键词 潜育化 高寒草甸 土壤冻融过程
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