摘要
青藏高原分布着世界上中低纬度地区面积最大、范围最广的冻土区,是全球气候变化指示器。随着全球气候变暖,青藏高原冻土发生不同程度退化,对区域生态、水文和气候产生了显著影响。土壤导热系数作为控制地表热传递关键参数之一,是研究冻土区域土壤表面能量交换和水平衡的关键。然而,目前数值模拟中所采用的土壤导热系数参数化方案大多为经验模型,这些模型依赖于先验知识,因此在一些面积广阔且土壤异质性较大的区域,基于有限土壤样本的经验模型通常无法准确计算整个区域的土壤导热系数。尽管也有一些理论导热系数模型被提出,但其往往包含难以确定的输入参数以及在冻土中的适用性缺乏验证,因此,大多数针对融土的理论模型在冻融循环频繁发生的冻土区面临挑战。事实上,在冻土数值模拟中,为了提升土壤导热系数的计算精度,冻土与融土往往采用了数学形式完全不同的分段函数,分段函数会给处于冰水相变状态的冻土分布模拟带来较大不确定性。因此发展函数形式统一的基于物理的融冻土导热系数模型有助于减少数值建模的不确定性,对准确预测青藏高原冻土变化过程及全球气候变化具有重要意义。本文在对比分析众多基于理论和经验的导热系数模型基础上,筛选了一种基于渗流有效介质近似理论(PEMA)的导热系数模型,该模型能够较好表达融土导热系数与饱和度之间的关系,且在理论上可以拓展到冻土,对该模型进行改进,本文提出了函数形式统一的融冻土导热系数计算模型——Consistent Model,该模型输入参数除土壤组分导热系数和体积分数外,还包括标度指数t、渗透阈值f_c和比例因子α。本文从已有文献收集实测样本,70%用于模型参数确定,30%用于模型精度验证并与原PEMA模型、陆面过程模型中经常使用的de Vries模型(DV1963模型)和三个Johansen系列模型进行比较。在此基础上,将Consistent模型集成到Kudryavtsev冻土分布模型(K模型)以模拟青藏高原的冻土分布,并利用站点数据、区域冻土分布调查数据、已有冻土分布图(Zou图)对改进模型在青藏高原的适用性进行评估。本文结论如下:(1)Consistent模型在融土与冻土导热系数预测中都具有良好精度。决定系数R~2皆最大,均方根误差RMSE与偏差bias皆最小。对于融土,其R~2、RMSE、bias分别为0.92,0.20W·m~(-1)K~(-1),0.12W·m~(-1)K~(-1);对于冻土,分别为0.76、0.32W·m~(-1)K~(-1)和0.23W·m~(-1)K~(-1),适用于计算从干燥到饱和、从融化到冻结范围内各种质地土壤的导热系数。(2)Consistent模型在计算融土与冻土导热系数时采用相同函数形式,能够减小数值模拟中的不确定性。模型引进参数t、f_c、α皆具物理意义,且能通过本文提出的简单转换函数(PTF)进行估算。(3)K模型在Consistent和DV1963两种参数化方案下所得到的冻土分布更加符合青藏高原实际情况。结果表明两个模型在七个站点处的模拟温度与实际值更为接近(总误差小于-2.36℃),在五个调查区的冻土分布结果与实际空间分布更为相似,所得到的冻土分布与Zou图在多年冻土面积上更为接近,在空间分布上具有更高一致性。Zou图、Consistent、DV1963模型多年冻土分布面积分别为1.03×10~6、1.02×10~6、0.94×10~6km~2,Kappa系数皆大于0.77,整体精度大于88,其他经验模型则差异较大。(4)导热系数计算方案对青藏高原冻土分布模拟影响显著。理论模型与经验模型所计算的冷季导热系数在大小和空间分布上存在明显差异,理论模型具有大面积区域冷季导热系数小于暖季的特点,而归一化经验模型刚好相反,该差异使得最终冻土分布明显不同。