Page 135 - 《高原气象》2022年第1期
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1 期             武月月等：黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆‐气间的水热交换特征分析                                        133
               盆地内潮湿地段主要发育多年冻土，相对干燥地段                            表通量的相互关联，解决本研究区域高寒草原下垫
               则发育季节冻土，河湖区至周围的高山区，多年冻                            面土壤冻融过程中水热交换通量的变化规律这一
               土逐渐由融区过渡为岛状分布，至海拔 4400. 0 m                       科学问题。
               以上则主要呈连续状分布（洪涛等，2013）。冻融过                         2   研究区域与数据
               程是冻土环境的主要组成成分，土壤的冻融循环在
               很大程度上会影响着土壤和大气之间能量和水分                                 黄河源区位于青藏高原多年冻土区边缘，季风
               的交换（王学佳等，2012）。                                   气候影响显著；该区主要下垫面有多年冻土和季节
                   近年来，对地表土壤冻融过程研究取得了很大                          性冻土区，高寒沼泽，高寒草甸草地和湖泊湿地等
               进展。王澄海等（2003）发现冻融对东亚大气环流                         （文军等，2011）。黄河源区冻土的基本特征为厚度
               有显著影响。尚伦宇等（2011）分析了高原冻融过                          薄、地温高、热稳定性差。汤岔玛小流域地处于黄
               程对地表辐射的影响，得出土壤冻结增大了地表反                            河源头地区的扎陵湖和鄂陵湖附近的汤岔玛盆地
               照率等结果。同时，冻土冻融过程的水热特征研究                            边缘（图 1），其植被覆盖度达到 90% 以上，汤岔玛
                                                                                                             2
               也有颇多成果，Guo et al（2011a）表明土壤的冻结和                   盆地位于黄河源区中央，是一个面积约 400. 0 km ，
               融化过程对地表‐大气相互作用有重要影响。陈渤                            厚度约 60. 0 m，透水性好的沙砾洪积扇。研究站点
               黎（2014）对青藏高原东部若尔盖站观测数据进行                          海拔约为 4300. 0 m，下垫面为高寒草甸，地形开阔
               了分析，发现近地面能量平衡过程中，各地表能量                            平缓，盆地内不连续和岛状多年冻土交错分布，该
               通量日变化和年变化均较显著，其中净辐射、潜热                            地 区 多 年 平 均 降 水 320. 7 mm，多 年 平 均 气
               通量呈单峰型年变化；感热通量呈双峰型年变化。                            温-3. 7 ℃（唐恬等，2013；李照国等，2012）。
               葛骏等（2016）将冻土冻融过程分为四个阶段并分                              选取的数据为黄河源头地区扎陵湖和鄂陵湖
               析了各阶段通量变化，得出各通量的季节变化受土                            汤岔玛小流域 2014-2015 年气象关键要素和开路
               壤冻融阶段转变的影响显著。因此，无论在多年冻                            涡动相关系统的观测数据。观测数据选取时间为
               土还是季节性冻土区，其冻融过程中水热交换都有                            2014 年 5 月 26 日至 2015 年 5 月 22 日，气象观测要
               显著的季节变化特征。                                        素主要包括土壤各深层温度、辐射通量、土壤含水
                   高寒草原对气候变化和水分循环过程较为敏                           量以及土壤热通量等，数据每 30 min 记录一次；涡
               感，而且高寒草原水热交换的季节变化特征显著，                            动相关系统主要由三维超声风速仪，CO /H O 气体
                                                                                                        2
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               是局地水分循环的主要环节。冻融过程中水与冰                             分析仪和数据采集器组成，数据采集频率为 10 Hz。
               的相变过程导致地表能量和水分的变化，影响了地                            通过处理涡动相关系统脉动量观测数据，可以获取
               表 与 大 气 之 间 的 物 质 和 能 量 的 交 换（葛 骏 等 ，             感热通量（H）和潜热通量（LE），通量输出时间间隔
                                                                 为 30 min。进行数据质量控制，将其中明显不合理
               2016；李文静等，2021）。近地表层土壤的季节冻
               融循环显著地影响着地表的能量和水分平衡，进而                            的数据进行剔除，并对缺失的数据采用内插法进行
                                                                 插补。
               冻融过程可以反映高原地面和大气的水热交换的
               变化（杨梅学等，2006）。因此，高寒草原下垫面的                         3   研究方法
               水热交换与土壤的冻融过程高度相关。
                   然而，由于黄河源区地形复杂，冻土所占面积                          3. 1  数据处理方法
               较大，不同冻土分布疏散，下垫面土壤冻融过程中                                地表能量平衡问题已成为众多学者关注的重
               能量与水分交换特征等还需进一步研究（齐木荣                             点，土壤热通量是地表能量中重要的组成部分，因
                                                                 此需要正确估算地表热通量（徐自为等，2013；吕
               等，2020；罗栋梁等，2014）。基于此，本研究的创
               新之处在于利用野外观测试验数据，分析高寒草原                            钊等，2020；杨成等，2020）。本研究测量土壤热通
                                                                 量的热流板埋在一定深度的土壤中，其测量值不能
               下垫面冻融过程水热交换特征，解析土壤冻融过程
                                                                 表示为地表土壤热通量。因此，利用 5. 0 cm 的热
               中水热过程演变的原因。而基于以上论述，本文利
                                                                 通量来计算地表的热通量。在分析过程中，地表温
               用黄河源汤岔玛小流域 2014 年 5 月 26 日至 2015 年
                                                                 度T sfc 由地表长波辐射计算得到：
               5 月 22 日陆面过程的观测资料，首先确定这一完全                                                          1/4
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               冻融循环过程的冻融状态与过程，并统计出土壤冻                                       T sfc = ê éR LW - (1 - ε g )R LW ù ú ú  （1）
                                                                                 ê
               融过程中各阶段通量数值，比较分析不同阶段陆-                                            ë      ε g σ     û
               气间水热交换通量的变化特征，探究土壤冻融与地                            其中： R LW 和 R LW 分别为向上和向下的地表长波辐
                                                                        ↑
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