土壤熱狀態(tài)是大氣和陸地表層之間的能量和物質(zhì)交換的綜合產(chǎn)物。土壤溫度是一個(gè)敏感的氣候指示器,并且在土壤地球物理和微生物過程中都有重要作用。理解土壤熱狀態(tài)及其與其他環(huán)境因子之間的相互關(guān)系已經(jīng)受到了越來(lái)越多的重視。當(dāng)前的研究關(guān)注于深孔反演的古氣候信息、高緯度地區(qū)的氣候模式預(yù)測(cè)等方面。研究表明全球氣溫變化中存在區(qū)域和季節(jié)差異,但存在多重觀點(diǎn)。一些研究認(rèn)為是極地地區(qū)升溫快速,一些研究則認(rèn)為是高海拔地區(qū)升溫快,同時(shí)還有一些研究認(rèn)為是干旱半干旱地區(qū)升溫快。關(guān)鍵的科學(xué)問題是:究竟如何描述全球陸地表面氣溫變化的差異?這些差異對(duì)土壤熱狀態(tài)有怎樣的影響,哪些氣候因子對(duì)土壤熱狀態(tài)的影響更大?鑒于此,本研究綜合利用了網(wǎng)格化的氣候資料、氣象臺(tái)站資料以及數(shù)值模型,從新的視角探討氣候變化的區(qū)域差異,在此基礎(chǔ)上探討近地表土壤季節(jié)凍融以及多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)。主要結(jié)論總結(jié)如下:全球尺度上,用氣溫的氣候平均態(tài)(1961-1990)刻畫了1951~2013年全球陸地表面氣溫變化的空間特征。多年平均氣溫在-15℃至26℃之間的陸地,占全球(除南極洲)陸地表面面積的81%,這些區(qū)域內(nèi)年平均氣溫的升溫幅度與年平均氣溫的氣候平均態(tài)呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系,即多年平均氣溫每增加1℃,年平均氣溫的升溫幅度減小0.028℃。月尺度上,發(fā)現(xiàn)比較冷的地區(qū)(年平均氣溫的氣候平均態(tài)介于-20℃~10℃之間)在冷季(12月~次年2月)平均氣溫的升溫幅度最高可達(dá)2.8℃,最長(zhǎng)可有8個(gè)月(10月~次年5月)呈現(xiàn)出明顯升溫趨勢(shì)。用年平均氣溫的氣候平均態(tài)低于0℃定義了寒區(qū)的范圍,并評(píng)估了其氣溫的變化。發(fā)現(xiàn)寒區(qū)經(jīng)歷了增強(qiáng)的升溫過程,平均升溫幅度約為1.68±0.19℃,而寒區(qū)以外的其他地區(qū)同期升溫幅度只有1.04±0.09℃。區(qū)域尺度上,用中國(guó)境內(nèi)的636個(gè)地面臺(tái)站1956~2006年間的地表0厘米土壤溫度觀測(cè)資料,探討了近地表土壤凍融時(shí)間的空間分布特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。1961年7月至1991年6月(年尺度為30年)的氣候平均態(tài)揭示出:青藏高原海拔較高,且具有獨(dú)特的高原氣候環(huán)境,這里近地表土壤的凍結(jié)期最長(zhǎng),一年中幾乎每一天都可能發(fā)生凍結(jié)。在東北高緯度地區(qū),凍結(jié)期大致始于九月,結(jié)束于次年六月。中國(guó)東部地區(qū)近地表土壤凍結(jié)時(shí)間的氣候平均態(tài)呈現(xiàn)明顯的緯度地帶性,而在西部則主要是受海拔等地形因素的影響。凍結(jié)天數(shù)的空間分布特征與多年凍土分布的關(guān)系對(duì)于高海拔多年凍土區(qū)和高緯度多年凍土區(qū)是不一致的。高海拔多年凍土區(qū)的邊界與凍結(jié)天數(shù)260天的等值線比較吻合,而在東北高緯度多年凍土區(qū),則與220天的等值線吻合較好。通過對(duì)地面臺(tái)站的資料以及遙感資料的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)微波遙感反演的近地表土壤凍結(jié)天數(shù)與地面臺(tái)站資料的結(jié)果存有較大差異。以地面臺(tái)站的結(jié)果為基準(zhǔn),在多年平均凍結(jié)天數(shù)小于66天的地區(qū),微波遙感反演結(jié)果會(huì)高估,而在其他地區(qū)則會(huì)低估。兩者差異最大的地區(qū)是在青藏高原周邊地區(qū)。1956~2006年間,中國(guó)境內(nèi)近地表土壤凍結(jié)開始時(shí)間推遲了大約5天,結(jié)束時(shí)間提前了大約7天,凍結(jié)期縮短了大約12天,凍結(jié)天數(shù)減少了大約10天,春季升溫過程較秋季而言更明顯。中國(guó)西部近地表土壤凍結(jié)時(shí)間的變化是隨著海拔抬升而增強(qiáng)的,即高海拔地區(qū)變化更快;海拔每抬升1000米,近地表土壤凍結(jié)開始時(shí)間推遲的趨勢(shì)增加0.095天/年,凍結(jié)天數(shù)減少趨勢(shì)的數(shù)值增加0.035天/年。東部近地表凍結(jié)時(shí)間的變化幅度與緯度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。緯度升高1°,凍結(jié)結(jié)束時(shí)間的變化幅度減小0.005天/年,凍結(jié)期長(zhǎng)度的變化幅度減小0.006天/年,凍結(jié)天數(shù)的變化幅度減小0.007天/年。此外,城市擴(kuò)張對(duì)近地表土壤凍融過程也有影響,并且在不同城市發(fā)展階段,這種影響呈現(xiàn)出不同特征。在城市擴(kuò)張速率較高的地區(qū),近地表土壤凍結(jié)天數(shù)減少的速率更快,線性斜率約為-0.27天/年,但在20世紀(jì)90年代初以后沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的變化。而在城市擴(kuò)張速率較低的地區(qū),近地表土壤凍結(jié)天數(shù)在20世紀(jì)90年代初之后發(fā)生了顯著變化,線性斜率為-0.85天/年。寒區(qū)中的多年凍土溫度變化對(duì)氣候變化同樣起到重要的指示作用。提出了根據(jù)土壤溫度觀測(cè)診斷是否存在多年凍土的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,并且應(yīng)用到俄羅斯境內(nèi)長(zhǎng)期的水文氣象臺(tái)站資料中,診斷得到28個(gè)存在多年凍土的氣象臺(tái)站。利用這些臺(tái)站的資料,分析了長(zhǎng)期氣候平均態(tài)的空間分布特征。五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度(0.20米、0.40米、0.80米、1.60米和3.20米)上的土壤溫度氣候平均態(tài)都與海拔和緯度存在較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,緯度和海拔的變化能夠解釋土壤溫度空間分布特征的50~70%,但緯度起主導(dǎo)作用。五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)深度上的土壤溫度在1961-2014年間都在升高,升溫幅度隨深度增加而減小,分別為0.38℃/10年、0.34℃/10年、0.28℃/10年、0.21℃/10年和0.24℃/10年。月尺度上,靠近地表的土壤溫度變化存在顯著的季節(jié)差異,較冷的月份(1~3月)升溫較快,暖季(7~9月)沒有顯著變化趨勢(shì);深層土壤溫度變化的季節(jié)差異較小。3.20米深度上,各月變化的范圍是0.16~0.32℃/10年,但在0.20℃/10年以上的月份有8個(gè)月。除了觀測(cè)上的證據(jù)之外,還通過數(shù)值模擬方法,對(duì)多年凍土與氣候變化的響應(yīng)機(jī)制做了進(jìn)一步研究。利用蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法,估計(jì)了土壤的熱參數(shù),并在無(wú)土壤屬性資料的西伯利亞多年凍土中成功應(yīng)用了GIPL模型,取得了較好的結(jié)果。在校準(zhǔn)期中模擬的土壤溫度和觀測(cè)的土壤溫度之間的均方根誤差在1℃以內(nèi)。通過單點(diǎn)模型的敏感性分析發(fā)現(xiàn),冷季氣溫變化對(duì)土壤溫度的影響最大,積雪深度的變化次之,而暖季氣溫變化的影響最小。冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)對(duì)15米深度上的土壤溫度產(chǎn)生約3.31℃的變化,積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)引起15米深度上的土壤溫度變化約2.44℃,而暖季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差僅會(huì)對(duì)15米深度上的土壤溫度產(chǎn)生約1.52℃的影響。暖季氣溫變化對(duì)于活動(dòng)層厚度的影響最大,其變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)引起活動(dòng)層厚度0.43米的變化。冷季氣溫和積雪的變化對(duì)活動(dòng)層厚度的影響是非對(duì)稱的。一般而言,冷季氣溫降低對(duì)活動(dòng)層厚度的影響幅度要比其升高造成活動(dòng)層厚度增加的幅度小。在積雪和冷季氣溫的共同作用下,活動(dòng)層厚度的變化呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特征。積雪較薄時(shí),冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)活動(dòng)層厚度的影響較小,約為0.19米。而在積雪較厚時(shí),冷季氣溫變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)活動(dòng)層厚度的影響較大,約為0.66米。在冷季氣溫較低時(shí),積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差,對(duì)活動(dòng)層厚度產(chǎn)生的影響約為0.10米;但是在冷季氣溫較高時(shí),積雪深度變化±1倍標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)對(duì)活動(dòng)層厚度產(chǎn)生較大影響,約為0.57米。綜上,一般而言越冷的地方氣溫升高越快,這對(duì)于本身非常敏感的冰凍圈而言是極為重要的�？拷乇淼耐寥罒釥顟B(tài)的變化(包括凍結(jié)時(shí)間和溫度的變化)呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)差異,這與氣溫變化的季節(jié)差異是一致的,即夏季沒有顯著的變化,而冬季升溫明顯。這可能造成寒區(qū)地表植被的生長(zhǎng)期延長(zhǎng),并可能改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變地表和大氣之間的能量水分的傳輸過程。積雪的變化不僅對(duì)預(yù)測(cè)土壤熱狀態(tài)有重要作用,而且對(duì)氣候變化的反饋效應(yīng)也非常重要。因此在預(yù)測(cè)全球氣候變化條件下的生態(tài)、農(nóng)業(yè)、水文等過程的變化時(shí),必須要綜合考慮氣溫、積雪以及土壤熱狀態(tài)的影響。但是積雪、氣溫及近地表土壤熱狀態(tài)的交互作用還缺少更細(xì)致的研究,在陸面過程模型和全球氣候模式中都沒有很好的描述,尤其是積雪的反饋機(jī)制還需要深入研究。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：P642.14
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1. 研究背景
    1.1. 基本概念
    1.2. 全球氣候變化的研究現(xiàn)狀
    1.3. 土壤熱狀態(tài)的響應(yīng)及其與全球氣候變化的相互作用
    1.4. 關(guān)鍵科學(xué)問題及研究?jī)?nèi)容
2. 全球陸地表面氣溫變化的時(shí)空特征
    2.1 全球陸地表面氣溫變化的研究現(xiàn)狀
        2.1.1 極地地區(qū)增強(qiáng)的變暖過程
        2.1.2 高海拔地區(qū)增強(qiáng)的變暖過程
        2.1.3 干旱、半干旱地區(qū)增強(qiáng)的變暖過程
        2.1.4 存在問題
    2.2 資料與方法
        2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
        2.2.2 區(qū)域類型的劃分方法
        2.2.3 區(qū)域氣溫變化的估計(jì)方法
    2.3 結(jié)果
        2.3.1 年平均氣溫變化與年平均氣溫的氣候平均態(tài)（1961-1990年）的關(guān)系
        2.3.2 年平均氣溫變化與干燥指數(shù)的氣候平均態(tài)（1961-1990年）的關(guān)系
        2.3.3 緯度與年平均氣溫的氣候平均態(tài)的共同影響
        2.3.4 緯度與干燥指數(shù)的氣候平均態(tài)的共同影響
        2.3.5 年平均氣溫的氣候平均態(tài)與干燥指數(shù)的氣候平均態(tài)的共同影響
        2.3.6 區(qū)域變化
    2.4 討論
    2.5 小結(jié)
3. 中國(guó)近地表土壤凍融時(shí)間及其變化
    3.1 近地表土壤凍融研究現(xiàn)狀
    3.2 數(shù)據(jù)與方法
        3.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
        3.2.2 定義
        3.2.3 分析方法
    3.3 中國(guó)近地表土壤凍融時(shí)間的氣候平均態(tài)
    3.4 中國(guó)近地表土壤凍融時(shí)間的長(zhǎng)時(shí)序變化
        3.4.1 凍結(jié)開始時(shí)間的變化
        3.4.2 凍結(jié)結(jié)束時(shí)間的變化
        3.4.3 凍結(jié)期的變化
        3.4.4 凍結(jié)天數(shù)的變化
    3.5 討論
        3.5.1 近地表土壤凍融時(shí)間氣候平均態(tài)與年平均氣溫的關(guān)系
        3.5.2 近地表土壤凍融時(shí)間氣候平均態(tài)與空氣凍結(jié)融化指數(shù)的關(guān)系
        3.5.3 凍結(jié)天數(shù)與凍結(jié)期的對(duì)比
        3.5.4 凍結(jié)天數(shù)與多年凍土圖的比較
        3.5.5 近地表土壤凍融變化與緯度、海拔的關(guān)系
        3.5.6 近地表土壤凍融變化與氣溫變化的關(guān)系
        3.5.7 城市擴(kuò)張的潛在影響
        3.5.8 與遙感反演的資料對(duì)比
    3.6 小結(jié)
4. 西伯利亞淺層多年凍土熱狀態(tài)的變化
    4.1 多年凍土溫度變化的研究進(jìn)展
    4.2 資料及數(shù)據(jù)處理過程
        4.2.1 資料來(lái)源
        4.2.2 土壤溫度的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制
        4.2.3 土壤溫度資料融合過程
    4.3 多年凍土診斷方法
    4.4 多年凍土溫度的氣候平均態(tài)
    4.5 多年凍土及活動(dòng)層溫度的變化
        4.5.1 年尺度上的變化特征
        4.5.2 月尺度上的變化特征
    4.6 多年凍土溫度變化與氣候因子的關(guān)系
        4.6.1 與氣溫變化的關(guān)系
        4.6.2 與北大西洋濤動(dòng)指數(shù)的關(guān)系
        4.6.3 與積雪深度變化的關(guān)系
    4.7 小結(jié)
5. 數(shù)值模擬結(jié)果
    5.1 多年凍土模型進(jìn)展
    5.2 GIPL模型——包含相變的一維熱傳導(dǎo)模型
    5.3 研究區(qū)的氣候條件
    5.4 模型參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)
    5.5 情景模擬
        5.5.1 模型初始化
        5.5.2 情景 1：全年氣溫變化
        5.5.3 情景 2：冷季氣溫變化
        5.5.4 情景 3：暖季氣溫變化
        5.5.5 情景 4：積雪深度變化
        5.5.6 情景 5：冷季氣溫和積雪深度同時(shí)變化
    5.6 小結(jié)
6. 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
        6.1.1 全球陸地表面氣溫變化的空間特征
        6.1.2 中國(guó)地表土壤凍融時(shí)間變化
        6.1.3 西伯利亞多年凍土及活動(dòng)層溫度的變化
        6.1.4 西伯利亞多年凍土溫度的數(shù)值模擬
    6.2 不足與展望
參考文獻(xiàn)
在學(xué)期間的研究成果
致謝


本文編號(hào)：2864002