【摘要】：北半球多年凍土和季節(jié)凍土面積分別占裸露地表的24%和57%。廣義的季節(jié)凍土包括非多年凍土區(qū)的季節(jié)凍結(jié)層和多年凍土區(qū)的季節(jié)融化層。季節(jié)凍土的面積可達(dá)80%以上,占據(jù)北半球大部分陸地面積。季節(jié)凍土的凍融循環(huán)過程對地-氣水熱交換、地表能量平衡、地表水文過程、生態(tài)系統(tǒng)、碳循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等具有非常重要的影響。過去大量研究多集中在多年凍土和活動層,而對大面積分布在非多年凍土區(qū)的季節(jié)凍土鮮有報道。因此,本論文基于站點觀測資料、再分析資料、衛(wèi)星遙感資料、模式輸出等,利用數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)值模擬實驗方法分析北半球季節(jié)凍土的時空變化特征及對氣候變化的響應(yīng),主要開展了以下幾部分研究內(nèi)容:(1)基于16個耦合模式比較計劃第五階段(CMIP5)模式模擬資料、CRU分析資料,分析北半球凍土區(qū)過去氣溫變化以及對未來預(yù)估;(2)基于分析資料,評估和分析北半球過去和未來凍結(jié)、融化指數(shù)的空間分布及變化趨勢,利用凍結(jié)、融化指數(shù)分析凍土區(qū)在全球氣候變暖大背景下的敏感性;(3)基于歐亞大陸1277個土壤溫度站點、分析資料,分析歐亞大陸過去和未來土壤凍結(jié)深度的時空變化特征,并且探討其變化的影響因素;(4)收集了北半球347個活動層厚度站點多年觀測數(shù)據(jù),結(jié)合分析資料,利用Stefan方法,分析和預(yù)測北半球活動層厚度變化,并且探討不同季節(jié)氣溫和降水對其影響以及北冰洋海冰面積變化與活動層厚度變化之間的關(guān)系;(5)結(jié)合衛(wèi)星遙感資料,探討多年凍土變化對植被生長的影響;(6)基于數(shù)值模擬方法,揭示土地覆蓋類型變化對北半球多年凍土區(qū)的影響,對比分析土地覆蓋類型變化對多年凍土區(qū)與整個北半球的影響。主要的結(jié)論如下:歷史時期(1850-2005)多年凍土地區(qū)(PF)和非多年凍土地區(qū)(Non-PF)年平均氣溫分別以0.094℃/decade和0.064℃/decade的速度增長,相當(dāng)于溫度升高了1.47℃和1.00℃。在RCP2.6情景下,PF和Non-PF分別以0.096℃/decade,0.069℃/decade的速度變暖。在RCP4.5情景下,分別以0.332℃/decade和0.248℃/decade的速度增溫。在RCP8.5情景下,增溫速率分別為0.807℃/decade和0.613℃/decade。在年平均氣溫變化速率上,PF地區(qū)遠(yuǎn)大于Non-PF地區(qū)。北半球融化指數(shù)的空間變化范圍介于0℃*d和11000℃*d之間,低值分布于高海拔和高緯度地區(qū)。凍結(jié)指數(shù)變化范圍介于0℃*d和10000℃*d之間,與融化指數(shù)相反,其較大值分布于高緯度和高海拔地區(qū)。北半球整體平均凍結(jié)、融化指數(shù)分別呈現(xiàn)遞減和遞增趨勢。在1850-2005期間,融化指數(shù)以1.14℃*d/yr的速度遞增。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),融化指數(shù)分別以1.51℃*d/yr,5.32℃*d/yr和13.85℃*d/yr的速度遞增。在1850-2005期間,區(qū)域平均凍結(jié)指數(shù)以-1.39℃*d/yr的速度遞減。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),凍結(jié)指數(shù)分別以-1.2℃*d/yr,-4.3℃*d/yr和-9.8℃*d/yr的速度遞減。在高緯度和高海拔地區(qū),凍結(jié)指數(shù)降低趨勢較快,明顯高于其它地區(qū);凍結(jié)指數(shù)降低速率明顯高于融化指數(shù)增長速率。歐亞大陸區(qū)域平均土壤凍結(jié)深度呈現(xiàn)出顯著遞減的趨勢。在1850-2005期間,遞減率為-0.49 cm/decade。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),土壤凍結(jié)深度遞減率分別為-0.45 cm/decade,-1.85 cm/decade和-4.58 cm/decade。土壤凍結(jié)深度與氣溫、融化指數(shù)、北冰洋濤動(AO)和北冰洋海冰面積呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不同地區(qū),土壤凍結(jié)深度與積雪深度存在正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)關(guān)系。北半球區(qū)域平均活動層厚度呈現(xiàn)出顯著遞增的趨勢。1901-2005年,以0.57cm/decade的速度增加;在RCP8.5,RCP4.5和RCP2.6情景下,活動層厚度分別以6.51 cm/decade,2.56 cm/decade和0.77 cm/decade的速率顯著遞增。夏季氣溫和降水對活動層厚度影響最大,其次為秋季和春季氣溫和降水。北冰洋海冰面積可以作為活動層厚度變化的一個指示器,兩者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。1982-2015年,多年凍土區(qū)季節(jié)平均歸一化植被指數(shù)(NDVI)呈現(xiàn)顯著遞增的趨勢,生長季NDVI增長率為0.00079 yr-1�？臻g變化趨勢分布表明,NDVI顯著增長的象元占整體的70.39%(生長季)、58.14%(春季)、66.02%(夏季)、71.99%(秋季)。植被生長與融化指數(shù)、活動層厚度、土壤溫度和融化天數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,與融化首日呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。即多年凍土融化有助于植被的生長。北半球多年凍土區(qū)對土地覆蓋類型變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出降溫的效應(yīng)。年平均氣溫以-0.032℃/100yr的速度遞減,相當(dāng)于降低了0.37℃(850-2005)。年平均土壤溫度(0.2 m)以-0.0334℃/100yr的速度遞減,相當(dāng)于降低了0.39℃(850-2005)�；顒訉雍穸纫�-0.54 cm/100yr±0.023 cm的速度遞減,相當(dāng)于變淺了6.24±0.26cm。對比分析北半球多年凍土區(qū)和整個北半球?qū)ν恋馗采w類型變化的響應(yīng),無論是氣溫還是土壤溫度,多年凍土區(qū)對土地覆蓋類型變化的響應(yīng)更加敏感。本文從氣溫變化、凍融指數(shù)、凍結(jié)深度、活動層厚度、植被生長、土地覆蓋類型變化等方面,探索了北半球季節(jié)凍土的時空變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)。這些研究結(jié)果有助于進(jìn)一步探討季節(jié)凍土變化與氣候變化之間的物理機(jī)制、凍土區(qū)生態(tài)-水文過程等研究。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P642.14;P467
【圖文】：

10圖 1-1 論文技術(shù)路線。其中 FI/TI 分別為凍結(jié)、融化指數(shù)；ST 是土壤溫度；SFD 為土壤凍結(jié)深度；ALT 為活動層厚度；LULCC 為土地覆蓋類型變化；SM 為土壤水分；TD 是融化天數(shù)；FTC 是凍融循環(huán)；AO 為北冰洋濤動Figure 1-1 The research flow chart. Freezing/thawing index (FI/TI), soil temperature (ST), soilfreeze depth (SFD), active layer thickness (ALT), land use and land cover change (LULCC), soilmoisture (SM), thawing day (TD), freeze thaw cycle (FTC), arctic ocean (AO).

圖 2-1 凍結(jié)指數(shù)與土壤凍結(jié)深度的線性關(guān)系。黑實線表示線性擬合Figure 2-1 Linear least squares regression between soil freeze depth and squared root of annualfreezing index based on observational sites. The black solid line is the linear fitted line.2.2.3 活動層厚度計算方法關(guān)于活動層厚度計算主要包括站點和半球尺度：站點尺度上，包括收集的站點活動層厚度、土壤溫度（根據(jù)土壤溫度，使用線性插值方法獲取零度界面的深度）、物探等；區(qū)域尺度，使用 Stefan 近似解方法（公式 2-6 和 2-7）：LT = 2Kt(ntTIaPbwL) (2 6)LT = √TIa(2 7)ALT 為活動層厚度；Kt為融土熱傳導(dǎo)系數(shù)；TIa為空氣融化指數(shù)。根據(jù)收集的站點活動層厚度和 CRU 資料提供的空氣融化指數(shù)，結(jié)合 Stefan近似解獲取站點 E 因子，然后根據(jù)站點 E 因子獲取區(qū)域尺度或者半球尺度 E 因

圖 3-1 1901-2005 年觀測和多模式集合模擬的北半球年平均氣溫變化Figure 3-1 Variation of mean regional surface air temperature anomaly over NorthernHemisphere from 1901 to 2005 of CRU observation and CMIP5 dataset. The time period wasdivided into two periods, the early 20th(1901~1950), the late 20th(1951~2005).3.1.2 北半球氣溫變化的時空分布特征為了更好地了解北半球氣溫變化的時空變化特征，本文用 CRU 和 16 個CMIP5 模式集體平均值計算了 30 年（1971-2000）年平均氣溫的空間分布，以及它們之間的差值（圖 3-2 a-c），還計算了 1901-2005 年平均氣溫的空間變化趨勢及差值（圖 3-2 d-f）。圖 3-2a 顯示，根據(jù) CRU 資料計算 30 年年平均氣溫空間分布。總體上，氣溫隨著緯度的升高，年平均氣溫降低，變化范圍從大于 30 °C 到小于-25 °C。在相同緯度地區(qū)，高海拔地區(qū)（比如青藏高原、蒙古高原和西西伯利亞山區(qū)）的年平均氣溫凸顯低溫的趨勢。較高溫度出現(xiàn)在低緯度地區(qū)，例如 30°N 以南，年平均氣溫大部分高于 25°C。低溫度出現(xiàn)在高緯度和高海拔地區(qū)，例如 60°N 以北，年平均氣溫大部分在-5 °C 以下；在青藏高原地區(qū)，絕大部分區(qū)域的年平均氣溫

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2746220