青藏高原冻融过程模拟分析

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1、青藏铁路工程与多年动土相互作用及其环境相应青藏高原冻融过程的模拟分析张彦武吕世华中国科学院寒区旱区环境与工程研究所主要内容一、模拟研究的意义二、模式及参数化介绍三、模拟结果初步分析四、问题与展望一模拟研究的意义青藏高原地形地貌复杂，包括常绿雨林、荒漠草原、高山冰雪带等。就冻土而言，多年冻土面积大，是全球中低纬度地表分布最广、厚度最深的冻土区。青藏高原地气之间的动量、热量和水分等物质的交换过程，十分复杂，我们对有关过程的认识局限性仍然很大。模拟研究的意义青藏铁路纵穿青海、西藏。高原冻土是铁路建设中不可避免的问题之一，伴随

2、气候的变化冻土状态发生季节的变化，一般情况下，在每年10月份，秋末冬初之际，冻土层开始冻结，而在4月份，冻土层开始融化。冻土的冻融过程与地质地理因素相关，更与区域地气系统的能量交换密切相关，因此模拟青藏高原地气之间的动量、热量和水分等物质的交换过程，对高原冻融过程加深了解。二模式介绍利用NCAR/MM5中尺度区域大气模式与NCAR/LSM陆面过程模式耦合，改进冻融过程参数化方案，对高原区域气候进行模拟。1.NCAR/MM5大气模式2.NCAR/LSM陆面过程3.冻融过程参数化MM5模式流程图LSM陆面过程流程图MM5与

3、LSM的耦合MM5输出与输入LSM输入与输出气压、风速、降水大气高度长、短波辐射分量大气边界条件地表类型描述更新大气场要素配置风、压、湿场辐射场地面通量改进的冻土参数化介绍冰存在于土壤的空隙中，当含冰量增加后，由于土壤中开放的通道变窄，可以直接影响土壤中水分的运移和地表水的入渗。土壤中冰的存在改变了土壤的热性质；水的热容量为4.2MJm-3K-1，冰的热容量为1.9MJm-3K-1，所以含冰量高的土壤热容量低，因此间接地影响土壤向上的热通量的输送；水的热传导率为0.57Wm-1K-1，冰的热传导率为2.2Wm-1K-1

4、，含冰量高的土壤比含有相同液态水的土壤有更高的热传导；水分在相变过程中放出和吸收热量，影响热量在土壤层中的分布。从以下几个方面考虑冻融过程的影响土壤水分在冻结（融化）过程中能量的释放（吸收）；冻结土壤中固态水的存在对土壤水分运移的影响；地表面冻结对地表水入渗的影响；冰相条件下，水分蒸发的影响。土壤热传导方程和体积热容量考虑土壤水分相变，一维土壤列中的热传导方程写为：土壤的体积热容量根据各分量体积得到：土壤导热率参数化（Johanson1975)由Farouki(1986)，Peter-Lidard(1998)的研究，对

5、含冰土壤,Johansen(1975)的方案有着更高的精度，土壤的热传导率的参数化采用Johansen(1975)的方案：Ke为Kersten数，Ksat分别为土壤饱和和Kdry干燥时的热传导率，其中土壤含冰量求解对于土壤热传导方程的求解，我们先用前一时间步长的温度求得土壤的含冰量，求得相变潜热项，然后使用Crank-Nicholson算法求解。参照Koren(1999)，土壤水势可写为在含冰土壤中，土壤水势调整为考虑冻结引起的土壤比表面积的增加。得可见土壤的含冰量由温度、含水量和土壤的成分所决定。用迭代法对上式求解即

6、可得到土壤的含冰量。冻结土壤导水率的参数化关于冻土中水分的运动存在两种理论。一种是土壤水分通过土壤粒子表面未冻结的部分运动，导水率和土壤基质势是运动的驱动力。第二种理论认为，相变是土壤中水分运动的主要机制，热梯度成为水分的主要驱动力。这里我们仍然采用第一种理论，在水分运移方程中，考虑冰对导水率和土壤基质势的影响。参照O’Neill等对导水率进行调整其中冻结土壤的饱和导水率，为未冻土的饱和导水率，为液态水含量。实验方案设计使用NCEP的1o×1o的每天4个时次的大气资料。生成模式的初始场和侧边界条件。模拟区域为29oN－

7、35.5oN，89oE－98oE，地图投影方式是Lambert投影，格距为20公里，积分步长为60秒。10月份为高原冻土生成阶段，模拟时间选取为2001年10月2日到10月29日。作对比试验：MM5/LSM表示原陆面过程模拟；MM5/LSMFS表示新冻融过程方案模拟。模拟区域模拟区域及地形分布（米）五道梁托托河安多那曲当雄拉萨羊八井模拟区域植被类型17寒带草原；18暖带草原；19冻原；20常绿灌木；21落叶林三模拟结果初步分析第一层土壤日平均温度K（10cm）（时间10.7－10.29）MM5/LSMMM5/LSMFS

8、差值土壤列中相变潜热释放的能量（w/s210㎝)MM5/LSMMM5/LSMFS差值模拟平均感热通量(w/s2)（时间10.7－10.29）MM5/LSMMM5/LSMFS差值模拟平均土壤热流量通量(w/s2)（时间10.7－10.29）MM5/LSMMM5/LSMFS差值MM5/LSMFS模拟平均土壤含冰量（单位m3/m3）土壤