本文關(guān)鍵詞：不同積雪覆蓋條件下積雪—凍融黑土水熱特征研究

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【摘要】：積雪是中國北方季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)田土壤凍融期最普遍且重要的上邊界條件,因其獨(dú)特的水熱特性,對下伏凍土水熱的分布、遷移過程有重要影響。本文以地處松嫩平原季節(jié)性凍土區(qū)的哈爾濱市為研究區(qū)域,進(jìn)行全凍融期野外試驗(yàn)、監(jiān)測在裸地(BL)、自然積雪(NS)、壓實(shí)積雪(CS)、加厚積雪(TS)4種不同覆蓋條件下積雪及凍土內(nèi)部水熱特征參數(shù)及相關(guān)氣象因子變化情況,運(yùn)用先進(jìn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、對比分析、灰色系統(tǒng)理論等分析方法,深入研究了不同積雪覆蓋模式下積雪及凍土內(nèi)部水熱特征變化規(guī)律,并運(yùn)用Snow17模型模擬積雪水文要素、對影響模型輸出的參數(shù)進(jìn)行全局敏感性分析。得到主要結(jié)論如下:(1)積雪內(nèi)部液態(tài)含水量與積雪深度及積雪齡期有關(guān),中層積雪為液態(tài)含水量變化的次穩(wěn)定區(qū)。積雪厚度越大,積雪內(nèi)部液態(tài)水含量分布垂直差異性越大,適當(dāng)壓實(shí)積雪對其液態(tài)含水量的變幅影響不大;在積雪總量一定時(shí),雪被融化的主要驅(qū)動(dòng)力為太陽輻射與大氣溫度。厚度、密度不同的積雪終融時(shí)間差別不大,雪密度與雪深對其融化速率影響較弱。從水平方向看,各層次積雪熱通量變化趨勢表現(xiàn)出一致的規(guī)律性,但從豎直方向看,積雪熱通量絕對值由積雪表層到底層依次增大。積雪各層熱通量的變異性均在中等程度以上,且由表層到底層呈增大-減小趨勢;積雪底層熱通量變異系數(shù)最小,表明穩(wěn)定積雪期積雪-凍土交界面處熱交換較弱;10cm~20cm雪層熱通量的強(qiáng)變異性表明太陽短波輻射能夠有效影響此深度雪層熱通量,具有加劇積雪相變過程的潛在可能性。(2)受雪-氣交界面輻射及近地面大氣溫度的交互影響,積雪表層系溫度變化活躍區(qū),中層為穩(wěn)定區(qū),底層由于受到積雪-土壤交界面熱量遷移影響屬于溫度變化次活躍區(qū)。降雪量一定時(shí),壓實(shí)處理是提高積雪底部溫度的重要手段。積雪密度增加能夠增加積雪內(nèi)部溫度變幅,顯著改變雪層熱狀況;環(huán)境溫度、凈輻射、風(fēng)速、水汽壓及環(huán)境濕度為影響積雪溫度的主要影響因子。隨積雪深度的增加,主成分與積雪分層溫度的擬合度降低,篩選出的主要?dú)庀笠蜃优c積雪表層溫度的回歸方程擬合度較好,對中層及底層積雪溫度的輸出不敏感,作用效果差。(3)裸地較積雪覆蓋地土壤總含水率變化的劇烈程度大,說明積雪的高反照率、低熱導(dǎo)率、大熱容量特性減少了凈輻射的輸入,減緩了地-氣間能量交換,顯著改變了季凍區(qū)土壤凍融速率,影響了土壤水分的一維垂直分布。不同積雪覆蓋模式造成各區(qū)積雪特性的分異,調(diào)控了積雪-土壤間能量交換,影響了土壤溫度勢的分布,使不同積雪覆蓋處理下土壤聚墑區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間和空間范圍的差異明顯;土壤液態(tài)含水率的時(shí)空變化情況能直觀地闡述季凍區(qū)土壤水分的固-液相變過程,積雪覆蓋顯著改變了下邊界土壤溫度分布,影響凍土水分相變,導(dǎo)致土壤液態(tài)含水率的時(shí)空分布差異。積雪覆蓋有效抑制了土壤液態(tài)含水率的時(shí)空變化幅度,其中壓實(shí)處理對下墊面土壤相變的抑制作用最顯著;積雪覆蓋對土壤總含水率的調(diào)控具有重要作用,但不能對所有土層的總含水率分布都產(chǎn)生影響,其影響范圍有局限性;不同積雪覆蓋處理對土壤淺層剖面總含水率影響的顯著性水平高于深層剖面,可見不同積雪覆蓋處理對土壤淺層總含水率的反饋調(diào)節(jié)能力大于深層土壤;積雪覆蓋對土壤液態(tài)含水率變化的調(diào)控能力大于對土壤總含水量的調(diào)控能力;積雪壓實(shí)處理對淺層土壤的保墑效果最佳,裸地對淺層土壤的保墑效果最差,同剖面深度下CS土壤總含水率較BL提高4.91%~7%;積雪壓實(shí)處理對提高土壤深層剖面液態(tài)含水率具有重要作用。(4)不同積雪覆蓋處理下積雪通過不同的反照率和不同湍流通量,調(diào)制了下墊面與大氣間能量交換。凍結(jié)期積雪覆蓋處理與裸地相比能顯著提高土壤溫度,起到良好的保溫效果,保溫效果依次為TSCSNS,且四組差異性極顯著(P0.05),即在降雪量一定時(shí),積雪壓實(shí)處理可以增加雪層內(nèi)的凈輻射傳輸量,提高積雪對土壤的保溫效果;由于積雪的低熱導(dǎo)率特性對氣-雪及雪-土交界面熱量的雙重阻隔作用,雪深越大,積雪保溫性能越好。融化期地表裸露,各處理上邊界條件一致,地表溫度差異性不顯著(P=0.11410.05)。(5)積雪的存在會抑制土壤相變發(fā)展的程度,影響土壤相變進(jìn)行的速率;積雪當(dāng)量和積雪密度對土壤相變高值區(qū)的發(fā)展時(shí)間起重要作用。不同積雪覆蓋處理下土壤剖面相變熱差異極顯著,積雪覆蓋模式對下伏凍土全凍融期相變熱的變化具有重要調(diào)控作用。壓實(shí)積雪處理下土壤淺層(20cm)相變熱最大,較BL提高54.6%。(6)不同降水強(qiáng)度下,SCF始終為制約SWE,OUTFLOW輸出的最敏感因子,SCF、MBASE、MFMAX、MFMIN始終為SWE前四位的敏感性因素。UADJ對兩輸出變量均不敏感;隨降水強(qiáng)度的減弱,SWE的敏感性因子有增多的趨勢,且其敏感度值發(fā)生了變化,說明Snow-17模型參數(shù)對較小降水強(qiáng)度下的輸出情況較為敏感,降水強(qiáng)度的大小會影響參數(shù)敏感度因子數(shù)目及敏感度值;MFMAX,MFMIN,TIMP三參數(shù)與模型輸出呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,SCF、MBASE、NMF、PLWHC與模型輸出呈正相關(guān)關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】：積雪覆蓋 凍土 水熱特征 積雪模型 積雪特性
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.14
【目錄】：

• 摘要10-12
• 英文摘要12-16
• 1 引言16-27
• 1.1 立題依據(jù)16
• 1.2 研究的目的及意義16-17
• 1.3 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)17-25
• 1.3.1 凍融土壤水熱遷移機(jī)理研究17-19
• 1.3.2 不同覆蓋條件下土壤水熱運(yùn)動(dòng)研究19-20
• 1.3.3 積雪水熱遷移機(jī)理研究20-22
• 1.3.4 積雪模型研究22-24
• 1.3.5 存在的問題及發(fā)展趨勢24-25
• 1.4 研究內(nèi)容25
• 1.5 技術(shù)路線25-27
• 2 田間試驗(yàn)27-37
• 2.1 試驗(yàn)區(qū)概況27
• 2.2 試驗(yàn)條件27-29
• 2.2.1 氣象條件27-28
• 2.2.2 土壤物理28-29
• 2.3 試驗(yàn)方案29-33
• 2.3.1 試驗(yàn)總體布置29
• 2.3.2 觀測指標(biāo)及方法29-33
• 2.4 主要試驗(yàn)儀器33-37
• 2.4.1 CNC503DR型中子水分儀33-34
• 2.4.2 TRIME-PICO-IPH型管式土壤水分儀34-35
• 2.4.3 SNOW FORK雪特性分析儀35-36
• 2.4.4 其他儀器設(shè)備36-37
• 3 積雪水熱遷移特征研究37-47
• 3.1 積雪融化及積累階段基本物理過程37
• 3.2 積雪水熱遷移過程37-38
• 3.3 試驗(yàn)期積雪積累-融化過程38-39
• 3.4 穩(wěn)定積雪期積雪水熱變化特征39-42
• 3.4.1 積雪內(nèi)液態(tài)水含量39-40
• 3.4.2 積雪內(nèi)熱狀況40-42
• 3.5 積雪熱狀況對氣象因素的響應(yīng)42-45
• 3.5.1 主要影響因子的灰關(guān)聯(lián)分析42-43
• 3.5.2 積雪溫度與主要影響因子的關(guān)系43-45
• 3.6 本章小結(jié)45-47
• 4 季節(jié)性凍融土壤水熱遷移特征研究47-61
• 4.1 季節(jié)凍土的物質(zhì)組成47
• 4.2 凍融土壤水熱遷移驅(qū)動(dòng)力及基本要素47-48
• 4.3 土壤凍融期的劃分48-49
• 4.4 不同積雪覆蓋條件下凍融土壤水分遷移特征49-55
• 4.4.1 研究方法50
• 4.4.2 不同積雪覆蓋條件下土壤總含水量的時(shí)空分布50-53
• 4.4.3 不同積雪覆蓋條件下土壤液態(tài)含水量的時(shí)空分布53-55
• 4.5 不同積雪覆蓋條件下凍融土壤熱狀況55-59
• 4.5.1 不同積雪覆蓋對地表保溫效果分析55-56
• 4.5.2 不同積雪覆蓋模式下凍土相變規(guī)律分析56-59
• 4.6 本章小結(jié)59-61
• 5 積雪融化與積累過程模型研究61-77
• 5.1 SNOW-17模型概述61-62
• 5.2 降水形式的判別62-63
• 5.3 雪層的積累63-64
• 5.4 雪-氣交界面處的能量傳輸64-67
• 5.4.1 積雪表層能量交換計(jì)算65-66
• 5.4.2 積雪無表面融化條件下的能量交換66-67
• 5.5 雪層內(nèi)部狀態(tài)67-69
• 5.5.1 積雪齡期68
• 5.5.2 雪密度和雪深計(jì)算68-69
• 5.6 雪層中水分遷移69-70
• 5.7 積雪土壤交界面處的熱量交換70
• 5.8 SNOW-17模擬結(jié)果70-72
• 5.9 參數(shù)的敏感性分析72-76
• 5.9.1 參數(shù)的拉丁超立方抽樣73
• 5.9.2 全局敏感性分析73-76
• 5.10 本章小結(jié)76-77
• 6 結(jié)論及展望77-80
• 6.1 結(jié)論77-78
• 6.2 展望78-80
• 致謝80-81
• 參考文獻(xiàn)81-88
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文88

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本文編號：1009438