青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究 (陈渤黎)
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Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research May, 2013
原创性声明
本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论 文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外， 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研 究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。
Abstract
Frozen soil is an important forcing factor of the land surface. Freezing and thawing process has a great effect on the local energy and hydrological cycle, and in turn affects weather and climate. The Qinghai-Tibet Plateau has a large area of frozen soil, which affects the energy and water cycle on the regional and surrounding areas, and plays a certain role in the formation of the plateau climate and climate change. This thesis studied the characteristic of land surface energy and water during freezing and thawing at a station of the Qinghai-Tibet Plateau; verified the simulation performance of land surface model CLM3.5 in the Qinghai-Tibet Plateau; introduced a new soil thermal conductivity parameterization scheme to regional climate model RegCM4 which coupled with CLM3.5; and carried out single point and regional simulation experiment of the Qinghai-Tibet Plateau both with and without freezing and thawing process. The full text of research work is divided into the following four aspects: First, observational data of Ruoergai Station located in the eastern Qinghai-Tibet Plateau in 2010 were analyzed. An initial understanding of the characteristics of the land surface energy and water during freezing and thawing was got. According to the daily maximum and minimum temperature of the surface soil, the year was divided into four stages such as completely frozen, the ablation process, completely ablation and the freezing process. Analysis showed that the diurnal variation of soil temperature at 20cm and above layer is like a sine curve and soil temperature and soil moisture of each layer show a significant annual change. In the ablation process stage, soil moisture at 80cm and above layer surges, and soil temperature increases rapidly; in the freezing process stage, soil moisture at 80cm and above layer drops suddenly, and soil temperature reduces quickly. There’s no freezing and thawing
研究生签名：
日期：
关于学位论文使用授权的说明
本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品， 知识产权归属中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程研究所有关保存、 使用学位论文的规定，同意我所保存或向国家有关部门及机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅； 本人授权中国科学院寒区旱区环境与工程研究所可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。 本人离所后发表、 使用论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。
密级:
硕士学位论文
青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究
作者姓名: 指导教师:
陈渤黎 吕世华 研究员、罗斯琼 副研究员 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
学位类别: 学科专业: 培养单位:
理学硕士 气象学 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 2013 年 5 月
A Study of Land Surface Energy and Water in Soil Freezing and Thawing Process and Impact on Regional Climate of the Qinghai-Tibet Plateau
II
持可能有一定贡献。 在全球变暖的背景下，青藏高原部分多年冻土退化为季节性 冻土且活动层厚度增大， 冻融过程的区域气候效应随之增大可能会加速冻土的退 化。
关键词：青藏高原、冻融过程、陆面能量、气候效应、模拟实验、CLM3.5 模式、 RegCM4 模式
III
A Study of Land Surface Energy and Water in Soil Freezing and Thawing Process and Impact on Regional Climate of the Qinghai-Tibet Plateau
By Chen Boli
A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Science
研究生签名： 导 师 签名：
日期： 日期：
青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究
摘要
冻土是陆面重要的强迫因子。 土壤冻融过程对局地能量与水分循环有重要影 响， 进而对天气及气候变化起到至关重要的作用。青藏高原大面积的冻土下垫面 影响了该地区及周边地区能水循环过程， 在高原气候的形成与变化中起到了一定 作用。 本论文研究了青藏高原单站冻融期的地表水热特征；验证了陆面过程模式 CLM3.5 在青藏高原的模拟性能；将新的热传导率参数化方案引入耦合了 CLM3.5 的 RegCM4 模式中进行了模拟； 并进行了有无土壤冻融过程的单点和区域模拟实 验。全文研究工作分为以下四个方面： 首先，对位于青藏高原东部若尔盖站 2010 年的观测数据进行了分析，对该 站冻融期的地表水热特征有了初步的认识。 根据表层土壤日最高最低温度将全年 分为完全冻结、消融过程、完全消融、冻结过程 4 个阶段。分析表明 20cm 及以 上层土壤温度呈正弦型日变化， 各层土壤温度和土壤含水量呈现显著年变化。在 消融过程阶段，80cm 及以上层土壤含水量骤增、土壤温度快速升高；在冻结过 程阶段，80cm 及以上层土壤含水量骤降、土壤温度快速降低。160cm 层已无冻 融发生。地表各能量通量日变化、年变化均较显著，其中净辐射、潜热通量呈单 峰型年变化；感热通量呈双峰型年变化；地表土壤热通量年变化较复杂，在完全 冻结期和冻结过程期从日平均看土壤向大气放热， 而在完全消融和消融过程期从 日平均看大气向土壤放热。 冻融过程对各能量通量有一定影响。冻融期波文比的 平均值较完全消融期更大。 能量不闭合现象在全年均表现明显，冻融期较完全消 融期能量闭合度更小。 其次，分别使用 CLM3.5 和 CLM3.0 模式对若尔盖站进行了单点模拟实验，通 过对比观测值与模拟值验证了模式对高原季节性冻土地区的模拟能力。 结果表明 CLM3.5 能够较好的模拟冻融期土壤温度、 土壤含水量、 地表各能量通量的变化。 CLM3.5 中加入了未冻水参数化方案，使模式可以模拟到冻结后土壤中存留的未 冻水，冻融期各层土壤含水量的模拟值与观测值较接近，较 CLM3.0 有了显著改 善，同时土壤含冰量的模拟值较 CLM3.0 减小。在土壤温度的模拟上，CLM3.5 较 3.0 也有一定改进，冻融过程阶段浅层土壤温度日变化的模拟值较 CLM3.0 减小。
I
由于水与冰热力性质的差异，加入未冻水方案导致冻土热容量的模拟值增大，热 导率的模拟值减小，使冻融期土壤温度的模拟较 CLM3.0 有了一定程度的改善。 但模拟中仍然发现了一些问题， 如冻融过程阶段土壤含水量骤降骤增的时间均较 观测提前； 模拟的冻融速率偏大导致冻融过程较真实情况更快完成；模拟的冻结 深度较观测显著偏深。 然后，针对模拟中出现的问题，发现 CLM3.5 中土壤基质热导率参数化方案 在高原地区计算值显著偏大， 由于冻土中冰的高热导率，进一步增大了冻土热导 率计算的偏差， 故冻融期模拟的偏差较完全消融期更大。将在高原地区计算较为 准确的 Johansen 土壤热导率方案替换模式中原方案并对若尔盖站进行单点模拟 实验后发现，新模拟结果较原模拟更好。如显著减小了暖舌冷舌的模拟深度；含 水量骤降骤增的时间更加符合观测； 冻结期土壤温度模拟值偏低的现象也有一定 改善。将 Johansen 方案引入耦合了 CLM3.5 的 RegCM4 模式中，并对整个青藏高 原地区进行模拟后发现，80cm 及以下深度土壤温度的模拟值出现了明显变化， 冬季土壤温度升高，夏季降低，显著减小了土壤温度的年较差。其中土壤温度年 较差的减小与观测站点的数据一致。但考虑到模式对气温模拟存在整体冷偏差， 这一参数化方案的改进在冬季可以减小土壤温度模拟的偏差， 但在夏季却可能增 大了模拟的偏差。 最后，使用 CLM3.5 和 RegCM4 模式分别对若尔盖站和青藏高原进行了有无 冻融过程的单点和区域模拟实验。 结果表明冻融过程是土壤温度季节变化的缓冲 器。 冻结过程释放大量相变能量使土壤温度不至太低，减缓了气温降低对陆面的 冷却作用； 消融过程吸收大量相变能量使土壤温度不至太高，减缓了气温升高对 陆面的加热作用。 冻融过程使地气系统之间能量交换加强。冻结过程阶段由于相 变能量的释放，增大了土壤向大气传输的地表土壤热通量，地表向上辐射、感热 潜热通量均增大； 消融过程阶段由于吸收相变能量，增大了大气向土壤传输的地 表土壤热通量， 感热潜热通量均减小。高原地区冻融过程对高低空形势亦有一定 影响。高原地区冻结过程增大了高原冬季地表热源，使近地面至高空 350hPa 温 度升高，由于冬季高原处于冷高压控制下，气温升高使位势高度降低；消融过程 减小了高原夏季地表热源，使近地面至高空 200hPa 温度降低，由于夏季高原对 流层高层为南亚高压， 在高压所在处位势高度增大，故冻融过程对南亚高压的维
Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research May, 2013
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本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论 文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外， 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研 究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。
Abstract
Frozen soil is an important forcing factor of the land surface. Freezing and thawing process has a great effect on the local energy and hydrological cycle, and in turn affects weather and climate. The Qinghai-Tibet Plateau has a large area of frozen soil, which affects the energy and water cycle on the regional and surrounding areas, and plays a certain role in the formation of the plateau climate and climate change. This thesis studied the characteristic of land surface energy and water during freezing and thawing at a station of the Qinghai-Tibet Plateau; verified the simulation performance of land surface model CLM3.5 in the Qinghai-Tibet Plateau; introduced a new soil thermal conductivity parameterization scheme to regional climate model RegCM4 which coupled with CLM3.5; and carried out single point and regional simulation experiment of the Qinghai-Tibet Plateau both with and without freezing and thawing process. The full text of research work is divided into the following four aspects: First, observational data of Ruoergai Station located in the eastern Qinghai-Tibet Plateau in 2010 were analyzed. An initial understanding of the characteristics of the land surface energy and water during freezing and thawing was got. According to the daily maximum and minimum temperature of the surface soil, the year was divided into four stages such as completely frozen, the ablation process, completely ablation and the freezing process. Analysis showed that the diurnal variation of soil temperature at 20cm and above layer is like a sine curve and soil temperature and soil moisture of each layer show a significant annual change. In the ablation process stage, soil moisture at 80cm and above layer surges, and soil temperature increases rapidly; in the freezing process stage, soil moisture at 80cm and above layer drops suddenly, and soil temperature reduces quickly. There’s no freezing and thawing
研究生签名：
日期：
关于学位论文使用授权的说明
本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品， 知识产权归属中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程研究所有关保存、 使用学位论文的规定，同意我所保存或向国家有关部门及机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅； 本人授权中国科学院寒区旱区环境与工程研究所可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。 本人离所后发表、 使用论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。
密级:
硕士学位论文
青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究
作者姓名: 指导教师:
陈渤黎 吕世华 研究员、罗斯琼 副研究员 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
学位类别: 学科专业: 培养单位:
理学硕士 气象学 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 2013 年 5 月
A Study of Land Surface Energy and Water in Soil Freezing and Thawing Process and Impact on Regional Climate of the Qinghai-Tibet Plateau
II
持可能有一定贡献。 在全球变暖的背景下，青藏高原部分多年冻土退化为季节性 冻土且活动层厚度增大， 冻融过程的区域气候效应随之增大可能会加速冻土的退 化。
关键词：青藏高原、冻融过程、陆面能量、气候效应、模拟实验、CLM3.5 模式、 RegCM4 模式
III
A Study of Land Surface Energy and Water in Soil Freezing and Thawing Process and Impact on Regional Climate of the Qinghai-Tibet Plateau
By Chen Boli
A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Science
研究生签名： 导 师 签名：
日期： 日期：
青藏高原土壤冻融过程陆面能水特征及区域气候效应研究
摘要
冻土是陆面重要的强迫因子。 土壤冻融过程对局地能量与水分循环有重要影 响， 进而对天气及气候变化起到至关重要的作用。青藏高原大面积的冻土下垫面 影响了该地区及周边地区能水循环过程， 在高原气候的形成与变化中起到了一定 作用。 本论文研究了青藏高原单站冻融期的地表水热特征；验证了陆面过程模式 CLM3.5 在青藏高原的模拟性能；将新的热传导率参数化方案引入耦合了 CLM3.5 的 RegCM4 模式中进行了模拟； 并进行了有无土壤冻融过程的单点和区域模拟实 验。全文研究工作分为以下四个方面： 首先，对位于青藏高原东部若尔盖站 2010 年的观测数据进行了分析，对该 站冻融期的地表水热特征有了初步的认识。 根据表层土壤日最高最低温度将全年 分为完全冻结、消融过程、完全消融、冻结过程 4 个阶段。分析表明 20cm 及以 上层土壤温度呈正弦型日变化， 各层土壤温度和土壤含水量呈现显著年变化。在 消融过程阶段，80cm 及以上层土壤含水量骤增、土壤温度快速升高；在冻结过 程阶段，80cm 及以上层土壤含水量骤降、土壤温度快速降低。160cm 层已无冻 融发生。地表各能量通量日变化、年变化均较显著，其中净辐射、潜热通量呈单 峰型年变化；感热通量呈双峰型年变化；地表土壤热通量年变化较复杂，在完全 冻结期和冻结过程期从日平均看土壤向大气放热， 而在完全消融和消融过程期从 日平均看大气向土壤放热。 冻融过程对各能量通量有一定影响。冻融期波文比的 平均值较完全消融期更大。 能量不闭合现象在全年均表现明显，冻融期较完全消 融期能量闭合度更小。 其次，分别使用 CLM3.5 和 CLM3.0 模式对若尔盖站进行了单点模拟实验，通 过对比观测值与模拟值验证了模式对高原季节性冻土地区的模拟能力。 结果表明 CLM3.5 能够较好的模拟冻融期土壤温度、 土壤含水量、 地表各能量通量的变化。 CLM3.5 中加入了未冻水参数化方案，使模式可以模拟到冻结后土壤中存留的未 冻水，冻融期各层土壤含水量的模拟值与观测值较接近，较 CLM3.0 有了显著改 善，同时土壤含冰量的模拟值较 CLM3.0 减小。在土壤温度的模拟上，CLM3.5 较 3.0 也有一定改进，冻融过程阶段浅层土壤温度日变化的模拟值较 CLM3.0 减小。
I
由于水与冰热力性质的差异，加入未冻水方案导致冻土热容量的模拟值增大，热 导率的模拟值减小，使冻融期土壤温度的模拟较 CLM3.0 有了一定程度的改善。 但模拟中仍然发现了一些问题， 如冻融过程阶段土壤含水量骤降骤增的时间均较 观测提前； 模拟的冻融速率偏大导致冻融过程较真实情况更快完成；模拟的冻结 深度较观测显著偏深。 然后，针对模拟中出现的问题，发现 CLM3.5 中土壤基质热导率参数化方案 在高原地区计算值显著偏大， 由于冻土中冰的高热导率，进一步增大了冻土热导 率计算的偏差， 故冻融期模拟的偏差较完全消融期更大。将在高原地区计算较为 准确的 Johansen 土壤热导率方案替换模式中原方案并对若尔盖站进行单点模拟 实验后发现，新模拟结果较原模拟更好。如显著减小了暖舌冷舌的模拟深度；含 水量骤降骤增的时间更加符合观测； 冻结期土壤温度模拟值偏低的现象也有一定 改善。将 Johansen 方案引入耦合了 CLM3.5 的 RegCM4 模式中，并对整个青藏高 原地区进行模拟后发现，80cm 及以下深度土壤温度的模拟值出现了明显变化， 冬季土壤温度升高，夏季降低，显著减小了土壤温度的年较差。其中土壤温度年 较差的减小与观测站点的数据一致。但考虑到模式对气温模拟存在整体冷偏差， 这一参数化方案的改进在冬季可以减小土壤温度模拟的偏差， 但在夏季却可能增 大了模拟的偏差。 最后，使用 CLM3.5 和 RegCM4 模式分别对若尔盖站和青藏高原进行了有无 冻融过程的单点和区域模拟实验。 结果表明冻融过程是土壤温度季节变化的缓冲 器。 冻结过程释放大量相变能量使土壤温度不至太低，减缓了气温降低对陆面的 冷却作用； 消融过程吸收大量相变能量使土壤温度不至太高，减缓了气温升高对 陆面的加热作用。 冻融过程使地气系统之间能量交换加强。冻结过程阶段由于相 变能量的释放，增大了土壤向大气传输的地表土壤热通量，地表向上辐射、感热 潜热通量均增大； 消融过程阶段由于吸收相变能量，增大了大气向土壤传输的地 表土壤热通量， 感热潜热通量均减小。高原地区冻融过程对高低空形势亦有一定 影响。高原地区冻结过程增大了高原冬季地表热源，使近地面至高空 350hPa 温 度升高，由于冬季高原处于冷高压控制下，气温升高使位势高度降低；消融过程 减小了高原夏季地表热源，使近地面至高空 200hPa 温度降低，由于夏季高原对 流层高层为南亚高压， 在高压所在处位势高度增大，故冻融过程对南亚高压的维