【摘 要】
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由于青藏高原地区降雨具有明显的季节性特征,并且降雨会导致多年冻土区活动层内部的水热状态发生显著改变。因此,深入研究季节降雨变化对活动层水热状态的影响将会对多年冻土区的工程病害问题、区域生态变化问题、水文和环境问题的解决具有重要指导意义。基于此,本文首先利用青藏高原北麓河地区现场监测数据,明确了地表反照率对于太阳短波辐射以及土体内部水热变化的重要影响作用;其次,通过地表反照率试验,优化了地表能量平衡
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由于青藏高原地区降雨具有明显的季节性特征,并且降雨会导致多年冻土区活动层内部的水热状态发生显著改变。因此,深入研究季节降雨变化对活动层水热状态的影响将会对多年冻土区的工程病害问题、区域生态变化问题、水文和环境问题的解决具有重要指导意义。基于此,本文首先利用青藏高原北麓河地区现场监测数据,明确了地表反照率对于太阳短波辐射以及土体内部水热变化的重要影响作用;其次,通过地表反照率试验,优化了地表能量平衡边界条件并建立水-汽-热多场耦合模型;最后,通过数值模拟,研究了不同季节降雨变化对青藏高原多年冻土区活动层内部水热状态的影响机制并探究了其热稳定性。主要研究内容及结论包括:(1)为了明确太阳短波辐射和土壤内部水热状态对季节降雨及不同下垫面的响应特性。利用青藏高原北麓河现场监测数据,分析了太阳短波辐射以及土壤不同深度处含水量、温度及热通量的变化规律。结果表明,季节降雨以及不同下垫面通过影响地表反照率,导致太阳短波辐射以及土壤内部水热变化显著。其中,天然场地夏季降雨相比春季、秋季降雨对短波辐射和水热变化影响更加明显;相同降雨事件下,沥青路面对太阳短波辐射以及水热的影响规律与天然场地相似,但变化趋势会更加显著。(2)地表反照率反映土壤地表特征,且地表要素具有强烈的地带和区域差异。为了给多年冻土区水热模型提供更加合理的地表能量平衡边界条件,首先通过反照率试验明确了土壤含水量与反照率之间存在指数依赖性关系,并随着土壤深度增加此种依赖性关系逐渐减弱。然后,利用反照率试验得出青藏砂质黏土地表含水量与反照率之间的定量关系式。最后,通过该定量关系式优化地表能量平衡边界条件并建立水-汽-热多场耦合模型,结果表明模型计算的平均误差(MBE)以及一致性指数(d)有了较大提升。(3)基于所建立的水-汽-热耦合模型,通过COMSOL Multiphysics数值软件模拟了季节降雨变化对地表能量分量、水分场及温度场的影响规律。结果表明,a)不同季节降雨增加导致净辐射、地表蒸发潜热呈增加趋势,感热以及地表热通量减小,不同季节降雨减小则变化趋势相反。其中,春季、夏季活动层整体以吸热为主,秋季主要向外释放热量。春季降雨变化前后地表与大气之间的能量交换方式都为感热,夏季以及秋季降雨增加后交换方式转换为地表蒸发潜热;b)不同季节降雨增加导致液态水通量增加,水汽通量减小,反之则变化趋势相反。其中水力梯度液态水通量在春季和秋季主要向土壤上部运移,而夏季以向下运移为主;c)热传导通量、水汽对流热通量及水汽扩散潜热通量随着不同季节降雨增加而减小,而液态水对流热通量随着不同季节降雨增加而增加,反之则变化趋势相反。其中,热传导通量随不同季节降雨变化会更加显著。(4)通过分析不同季节降雨对地表能量分量以及活动层内部水分场和温度场的影响,探究了不同季节降雨变化对多年冻土区活动层热稳定的影响。结果表明,不同季节降雨增加可以缓解多年冻土退化,而降雨减小会加速冻土消融。
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