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青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征.docx
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青藏高原唐古拉多年冻土区冻融循环过程中的能量平衡特征.docx
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青藏高原是世界上最高的高原,其平均海拔超过 4 000 m,被称为世界“第
三极”
[ 1]
,其上的能水循环过程影响着东亚季风模态、亚洲季风过程和北半球
大气环流过程
[ 2-3]
。高原上多年冻土覆盖分布广泛,研究显示多年冻土面积约
为 1.06×10
6
km
2
,占高原总面积的 40%
[ 4-5]
,并且相对于低海拔地区,高原上
的多年冻土对全球气候变化的响应更加敏感
[ 6-7]
。地表能量平衡过程是陆面过
程中的核心问题
[ 8]
。多年冻土区活动层冻融循环过程不仅显著地影响着地表
的能量和水分平衡
[ 9]
,同时对地气间水热交换、土壤碳循环、生态系统、水
文过程以及人类的农业活动产生直接或间接的影响
[ 10-16]
。因而,加强高原多
年冻土区地表能量平衡过程的监测,深入活动层冻融循环对其影响的机理研究,
对气候变化引起的陆地冰冻圈环境问题的研究有重要参考价值。
自 20 世纪 70 年代以来,我国在青藏高原展开了一系列研究实验,如第一
次 大 气 科 学 实 验 ( QXPMEX) 、 GAME-Tibet 实 验 、 第 二 次 大 气 科 学 实 验
(TIPEX)、CAMP-Tibet 实验、第三次科学实验以及 TPCSIEA 实验等均将
青藏高原地区地表能量收支、水分循环等过程作为重要研究内容
[ 17]
,对青藏
高原地区地气相互作用中的地表能量通量、土壤温湿度的变化和分布特征有了
较为准确的认识,研究表明:在全球变暖背景下,青藏高原呈现加速变暖趋势
[ 2, 18-19]
;多年冻土发生退化现象
[ 20]
,部分多年冻土退化为季节性冻土,活
动层厚度显著增加
[ 21]
;活动层土壤冻融循环受气候变化影响,活动层开始融
化时间提前且开始冻结时间推后
[ 22]
;地表能量的季节变化研究表明,感热在
冬春季节占主导,潜热在夏秋季节占主导
[ 23]
;那曲站季节冻土和唐古拉站多
年冻土的对比研究表明,活动层的冻融循环对多年冻土的影响大于对季节冻土
的影响
[ 10]
,这些试验研究使我们对青藏高原陆面过程有了更深入的了解。
然而,由于高原上高海拔站点稀缺,长时间尺度的野外观测研究不足,而
且野外观测资料主要集中在加强观测期的夏季,针对高海拔地区活动层冻融循
环过程对地表能量、能量闭合的观测研究还较少。本研究对 2012—2014 年唐
古拉站点的能量通量进行观测分析,并结合气象站温度资料,深入认识唐古拉
多年冻土活动层冻融循环过程中的地表能量平衡特点、各能量通量的日变化和
季节变化特征,该研究主要针对多年冻土活动层冻融循环过程对地表能量平衡
过程的影响机制进行分析讨论,以期对高原多年冻土区陆面过程研究有所贡献。
1 观测区概况
观测场地选为唐古拉综合观测试验观测场(TGLMS,33°04′ N,91°56′
E),位于唐古拉垭口西南方向,设置在临近青藏公路的一个平缓坡地上(图
1),其海拔高度为 5 100 m。该区域属于高原山地气候,年平均地表温度为-
2.2 ℃,年平均气温为-4.9 ℃,极端高温为 17.6 ℃,极端低温为-29.6 ℃,
年降水量约为 436.7 mm
[ 24]
。其下垫面为连续多年冻土,四周平坦开阔,植
被类型以高山草甸为主,高度低矮,一年中最高高度约为 10 cm,植被最旺盛
时期地表覆盖率大约为 20%~30%
[ 25]
。观测场中的设备每两个月进行一次维
护,运行状态良好。站点观测项目主要包括辐射观测、三层气象梯度塔观测和
涡动相关通量观测,另外有雪深、降水量、土壤温湿度和土壤热通量的测量。
图 1
图 1 青藏高原唐古拉综合观测场位置
Fig.1 Location of Tanggula comprehensive observation site on Qinghai-
Tibet Plateau
气象梯度观测塔主要设置三层高度(2 m、5 m、10 m),每 30 min 记录
一次数据,主要包括辐射、雪深、气温、风速、风向、降水量、土壤温湿度
(5 cm、10 cm、20 cm)、土壤热通量(5 cm、10 cm、20 cm)等要素的测
量,详见表 1。
表 1 唐古拉观测场气象梯度塔仪器说明
Table 1 Description of weather gradient tower instrument in Tanggula
observation field
观测项目
仪器
精度
安置高
度
频率
风速/
(m·s
-1
)
05103_L Wind
Monitor
±0.3
m·s
-1
10 m
30
min
观测项目
仪器
精度
安置高
度
频率
气温/℃
HMP45C
temperature/RH
Probe
±0.5 ℃
2 m
30
min
相对湿度
/%
HMP45C
temperature/RH
Probe
±0.4%
RH·℃
-1
2 m
30
min
降水/mm
T-200B
Precipitation Gauge
0.1 mm
5 m
away
30
min
土壤含水量
SMC/
(m
3
·m
-3
)
CS616 Water-
Content
Reflectometers
±2.5%
5,
10,
20 cm
30
min
雪深/m
SR50 Sonic
Ranging Sensor
1 cm
2 m
30
min
向上短波辐
射 USR/
(W·m
-2
)
CM3 Pyranometer
10%
2 m
30
min
向上长波辐
射 ULR/
(W·m
-2
)
CG3 Pyranometer
10%
2 m
30
min
向下短波辐
射 DSR/
(W·m
-2
)
CM3 Pyranometer
10%
2 m
30
min
向上长波辐
射 DLR/
(W·m
-2
)
CG3 Pyranometer
10%
2 m
30
min
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涡动相关系统是目前较好的测量地-气交换的微气象方法
[ 26-27]
。涡动系统
的 安 置 高 度 为 3.0 m , 频 率 为 10 Hz , 主 要 包 括 三 维 风 速 和 超 声 虚 温
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