西藏納木錯(cuò)流域冬季土壤凍結(jié)氣象站觀測(cè)結(jié)果分析

西藏納木錯(cuò)流域冬季土壤凍結(jié)氣象站觀測(cè)結(jié)果分析

1納木錯(cuò)流域凍土水文氣象的觀測(cè)研究自20世紀(jì)60年代以來，中國(guó)科學(xué)家開始對(duì)青藏高原的凍土進(jìn)行初步研究和局部研究。而20世紀(jì)70年代末至90年代初,科學(xué)家們對(duì)青藏高原凍土進(jìn)行了更深更廣的研究,主要涉及青藏高原凍土整體的特征、區(qū)域凍土的特征、發(fā)育形成條件、歷史演變、形成及發(fā)展趨勢(shì)以及分布規(guī)律。隨著20世紀(jì)80年代以來的全球升溫,以后的青藏高原凍土研究更多側(cè)重于氣候變化對(duì)凍土的影響和變化趨勢(shì),以及凍土變化導(dǎo)致的環(huán)境問題研究,相繼的還有凍土水文過程、凍土內(nèi)部水熱交換過程及其影響因素研究,凍土分布圖的編制和凍土溫度狀況數(shù)值模擬研究,建立了基于GIS的凍土分布模型。納木錯(cuò)是西藏最大的內(nèi)陸湖泊,然而納木錯(cuò)流域凍土及其相關(guān)的研究仍然缺乏實(shí)際的觀測(cè)資料。吳中海等通過對(duì)納木錯(cuò)湖湖相地層的研究指出,納木錯(cuò)地區(qū)的年平均氣溫從1970年以來比新冰期時(shí)期升高了約4~8℃。納木錯(cuò)高山地區(qū)是否存在多年凍土,氣候變化對(duì)該地區(qū)凍土產(chǎn)生了什么影響?以及凍土對(duì)水文過程及草原生態(tài)環(huán)境有什么影響?過去一直缺乏實(shí)地水文氣象觀測(cè)而認(rèn)識(shí)空白。為了解納木錯(cuò)流域的寒區(qū)環(huán)境及凍土水文特征,自2005年8月開始,中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所在納木錯(cuò)流域進(jìn)行了一系列觀測(cè)研究,包括在流域上布設(shè)了兩臺(tái)帶有土壤溫濕度探頭的自動(dòng)氣象站。旨在了解納木錯(cuò)流域氣象、氣候特征的基礎(chǔ)上,揭示該流域凍土特征、凍土水文過程,以及氣候變化對(duì)該流域產(chǎn)生的影響及未來發(fā)展趨勢(shì),為該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)政策制定等提供科學(xué)依據(jù)。2研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源2.1西藏地方地區(qū)的n如圖1A所示,納木錯(cuò)位于藏北高原的東南部(30°00′~31°10′N,89°30′~91°25′E,海拔4718m),西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣和班戈縣內(nèi)。流域的北部和西北部是起伏較小的藏北高原丘陵,東南部是念青唐古拉山脈,地勢(shì)總的特征是南高北低,整個(gè)流域形成一封閉的內(nèi)陸盆地,流域面積約1.06×104km2。具有典型的高原草地湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征,下墊面為高寒草甸,環(huán)境異質(zhì)性強(qiáng),生物多樣性豐富。2.2儀器和觀測(cè)系統(tǒng)在納木錯(cuò)流域安裝了兩臺(tái)美國(guó)CampbellScientificLtd.公司生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站(AWS;圖1),各帶有四層土壤溫濕度探頭(Pts和TDRs),記錄氣溫、空氣相對(duì)濕度、太陽輻射、飽和水汽壓、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫度及土壤含水量,儀器具有可靠的穩(wěn)定性和極高精度。AWS布設(shè)如圖1B所示,流域南部的自動(dòng)氣象站位于念青唐古拉北坡(記為NQN),觀測(cè)從2005年9月19日至2006年5月26日,觀測(cè)數(shù)據(jù)每半小時(shí)記錄一次,貯存于數(shù)采器中。流域西北部的自動(dòng)氣象站位于保吉鄉(xiāng)管理站(記為BJ)。觀測(cè)從2005年9月23日至2006年5月26日,觀測(cè)數(shù)據(jù)每半小時(shí)記錄一次,貯存于數(shù)采器中。3數(shù)據(jù)分析3.1月平均氣溫特征圖2所示為兩觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)期日平均氣溫變化,呈現(xiàn)了較一致的變化趨勢(shì)。期間NQN日平均氣溫為-6.9℃,最高為4.5℃,最低為-19.5℃,變化幅度為24℃。BJ日平均氣溫為-4.8℃,最高為8.7℃,最低為-17.5℃,變化幅度為26.2℃。NQN日平均氣溫明顯低于BJ,兩者相差最大為8.5℃;觀測(cè)期間的日平均氣溫變化幅度也小于BJ。兩觀測(cè)點(diǎn)日平均氣溫最低值同時(shí)出現(xiàn)在12月26日,相差2.0℃。日平均氣溫持續(xù)低于0℃的時(shí)間為土壤凍結(jié)期。NQN處土壤凍結(jié)期從10月4日至次年5月23日,期間平均氣溫為-7.5℃;BJ土壤凍結(jié)期從10月22日至次年4月30日,平均氣溫為-6.9℃。觀測(cè)期間的月平均氣溫除12月份外,NQN各月平均氣溫皆比BJ低,變化幅度也較小。兩觀測(cè)點(diǎn)月最低氣溫都出現(xiàn)在12月,分別為-10.3℃和-11.4℃。觀測(cè)期間的月平均氣溫前者為-5.9℃,后者為-3.7℃,相差2.2℃,由此可知兩處的氣溫梯度為-0.31℃/100m,小于通常的大氣溫梯度(-0.6℃/100m),這可能是由于NQN位于念青唐古拉山脈的北面陰坡上,而BJ位于納木錯(cuò)湖的西北的高原丘陵上。此外,我們比較了西藏安多與NQN及BJ9~12月的月平均氣溫,發(fā)現(xiàn)除12月外,安多的月平均氣溫都高于NQN,各月份都低于BJ。3.2未凍水時(shí),各年凍土的物理、化學(xué)特性依賴溫度在低于0℃時(shí),土壤中未凍水對(duì)植物的生長(zhǎng)具有重要性,而當(dāng)存在未凍水時(shí),凍土和多年凍土的物理、化學(xué)特性依賴于溫度。另外需要說明一下的是,我們所用土壤濕度探頭(TDR)只能觀測(cè)到土壤中的液態(tài)水,即未凍水。3.2.1未凍水含量日變化圖3為觀測(cè)期間NQN土壤溫度及未凍水含量變化過程,顯示地溫變化趨勢(shì)與氣溫一致,隨著氣溫降低而降低。各層觀測(cè)地溫均與氣溫有良好的相關(guān),且達(dá)到0.01的顯著性水平,但隨深度增加,相關(guān)系數(shù)越來越小。NQN處氣溫與地下20cm深度處地溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可表達(dá)為:Tg20=-0.55+0.57Ta,R=0.83;60cm深度處則為:Tg60=-0.36+0.40Ta,R=0.76。大氣—土壤及土壤內(nèi)部之間的熱傳輸過程導(dǎo)致氣溫與地溫在時(shí)間上有較大的遲滯,距地表越深,遲滯時(shí)間越長(zhǎng)。出現(xiàn)最低值的時(shí)間,氣溫為12月26日,深度20cm處遲滯1天,40cm處遲滯2天,60cm處遲滯5天,而80cm處遲滯55天。圖3A表明與溫度變化不一樣,土壤中未凍水含量有一個(gè)躍變的過程。NQN各層變化在時(shí)間上較一致,未凍水含量從10月下旬地溫為-0.1℃時(shí)開始迅速減少,初始未凍水含量為5.65%,至11月中旬地溫達(dá)到-2.5℃左右時(shí)變化趨于平緩,繼續(xù)減少到一個(gè)穩(wěn)定的值后不再變化,達(dá)到穩(wěn)定時(shí)60cm處的未凍水含量最大,其他各層表現(xiàn)為隨深度增加,未凍水含量增多;5月初又開始增加,5月中旬增加迅速,但地溫達(dá)到同樣的-0.1℃時(shí),未凍水含量比凍結(jié)開始時(shí)少1.29%。圖4給出了觀測(cè)期間NQN土壤溫度和未凍水含量日變化?？梢钥闯龅販卦?0cm和40cm處變化明顯,尤其以20cm處變化最大。各層土壤中未凍水含量日變化不大,除60cm深度處未凍水含量最大之外,其他三層隨深度增加未凍水含量增大。20cm處,土壤溫度最低值為-5.3℃,出現(xiàn)在13:00,同時(shí)未凍水含量也達(dá)到最低值1.66%;40cm處土壤溫度最低值為-4.2℃,出現(xiàn)時(shí)間為17:00,此時(shí)未凍水含量為2.17%,而這層土壤未凍水含量最低值2.16%遲滯0.5小時(shí)出現(xiàn)。土壤溫度日變化幅度在20cm處為1.2℃,在40cm處為0.3℃。在60cm和80cm深度處,土壤溫度及未凍水含量日變化微小。3.2.2未凍水含量日變化圖5顯示觀測(cè)期間BJ土壤溫度及未凍水含量變化過程。BJ各層觀測(cè)地溫與氣溫也有良好的相關(guān),且達(dá)到0.01的顯著性水平。氣溫與土壤溫度的關(guān)系在地表以下20cm深度處為:Tg20=2.13+0.54Ta,R=0.80。在60cm深度處則為:Tg60=2.17+0.37Ta,R=0.66。BJ氣溫與各層地溫出現(xiàn)最低值時(shí)間,氣溫為12月26日,深度5cm和20cm處都滯后1天,60cm滯后21天,而100cm處滯后34天。圖5A顯示BJ未凍水含量變化過程,BJ未凍水含量同樣顯示了一個(gè)躍變的過程,地表5cm處從11月上旬地溫為-0.1℃時(shí)開始迅速減少,初始含量為11.6%,至11月中旬地溫達(dá)到-2.2℃左右時(shí)變化趨于平緩,繼續(xù)減少到一個(gè)穩(wěn)定的值后不再變化;達(dá)到穩(wěn)定時(shí)100cm處的未凍水含量最大,其他各層沒有表現(xiàn)出隨深度變化一致的趨勢(shì);4月上旬溫度為-1.1℃時(shí)又開始迅速增加,地溫達(dá)到同樣的-0.1℃時(shí),未凍水含量為11.3%,與凍結(jié)開始時(shí)相差不大。其他各層變化趨勢(shì)幾乎一致,只是在時(shí)間上滯后地表20~30天左右。另外,近地表處(5cm)未凍水含量變化幅度較大,而在地表20cm深度以下變化幅度較小。圖6為觀測(cè)期間BJ土壤溫度和未凍水含量日變化,圖中顯示5cm和20cm處地溫變化明顯,尤其以5cm處變化最大。各層土壤中未凍水含量日變化除了5cm處變化較大且在四層中最大外,其他各層變化不大,且隨深度增加,未凍水含量度大。5cm處,最低土壤溫度為-4.5℃,出現(xiàn)在12:00,未凍水含量最低值5.41%滯后氣溫0.5小時(shí);20cm處土壤溫度最低值為-2.7℃,出現(xiàn)時(shí)間為16:30,此時(shí)未凍水含量為最低值2.72%。地溫日變化幅度5cm處為1.9℃,20cm處為0.3℃。在60cm和100cm深度處,日內(nèi)地溫及未凍水含量都變化微弱。3.2.3不同層序土壤溫度日變化及凍結(jié)期間未凍水含量的變化兩觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)期間地溫變化都顯示了隨著深度增加凍結(jié)開始日期變遲的現(xiàn)象;在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi),隨深度增加,凍結(jié)時(shí)間縮短,地溫變化幅度減小。觀測(cè)點(diǎn)各層觀測(cè)地溫均與氣溫有良好的相關(guān),同一深度的氣溫與地溫關(guān)系式中系數(shù)表明,兩觀測(cè)點(diǎn)地溫受氣溫影響幾乎一致。地溫隨氣溫向下傳導(dǎo)不同深度滯后,在60cm深度處,BJ地溫滯后氣溫的時(shí)間明顯要比NQN長(zhǎng),說明BJ在60cm以上地?zé)醾鬏斶^程較慢;而在60cm以下,地?zé)醾鬏斶^程較NQN快。這是由于不同層的土壤含水量不同而導(dǎo)致的熱量傳輸速度不同。土壤溫度日變化表現(xiàn)為越接近地表,土壤溫度越低,日變化幅度越大,地下0~40cm內(nèi),土壤溫度日變化明顯,而在60cm及以下深度處幾乎沒有變化。同時(shí)越接近地表,日平均地溫最低值出現(xiàn)時(shí)間也越早。這主要是因?yàn)樵浇咏乇硎軞鉁赜绊懺酱?而大氣—土壤熱傳輸過程導(dǎo)致了最低值出現(xiàn)時(shí)間滯后。同一深度,NQN土壤溫度最低值出現(xiàn)時(shí)間比BJ早約3.5小時(shí),相差2.6℃,未凍水含量相差不大。從開始凍結(jié)及凍結(jié)結(jié)束時(shí)的相同溫度-0.1℃時(shí)未凍水含量可以看出,在經(jīng)過凍結(jié)過程之后,NQN土壤中未凍水有損失,而在BJ幾乎沒有。另外,同一深度(20cm和60cm)處,凍結(jié)期內(nèi)NQN未凍水含量比BJ小,這可能與兩觀測(cè)點(diǎn)的土壤位于坡地和平原有關(guān)。未凍水含量日變化表現(xiàn)為在5cm處有較明顯變化,而在20cm及以下土壤層沒有變化。與土壤溫度隨深度變化不同,未凍水含量受土壤性質(zhì)及初始含量的影響較大,因而兩觀測(cè)點(diǎn)的變化特征差異極其顯著,凍結(jié)期內(nèi)NQN的60cm深度處未凍水含量最大,而BJ是5cm處最大,這是由于NQN位于念青唐古拉的陰坡且海拔較高,積雪較厚,而BJ位于納木錯(cuò)湖北岸,氣溫較高,積雪大多能在短時(shí)間內(nèi)融化,融水補(bǔ)給了近地表土壤未凍水含量。在相同深度處,平原處BJ未凍水含量顯示了比坡地NQN大的特點(diǎn)。3.3凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)速度圖7顯示根據(jù)日平均地溫確定的兩觀測(cè)點(diǎn)凍融過程。在此研究中,我們以0℃為凍結(jié)溫度。NQN不同深度的土壤凍結(jié)開始日期和融化開始日期相差不大。近地表(0~20cm)土壤開始凍結(jié)的時(shí)間為11月上旬,解凍時(shí)間在次年5月中旬。80cm深度開始凍結(jié)時(shí)間為11月下旬,延遲地表凍結(jié)一個(gè)月左右,解凍在次年5月下旬。隨著深度增加,凍結(jié)時(shí)間減少,但相差不大。BJ近地表土壤開始凍結(jié)的時(shí)間大約出現(xiàn)在11月上、中旬,解凍時(shí)間在次年4月下旬,而100cm深度到12月中旬才開始凍結(jié),到次年5月下旬開始解凍,延遲地表1個(gè)多月。同樣,隨著深度增加,凍結(jié)時(shí)間減少,但相差不大。比較可知,NQN凍結(jié)和解凍速度都比BJ快。同時(shí),同一深度近地表(20cm)NQN開始凍結(jié)日期比BJ觀測(cè)點(diǎn)提前了15天,解凍推遲了16天,凍結(jié)時(shí)間相差了一個(gè)月時(shí)間。在更深的土壤層(60cm),凍結(jié)則提前了20天,解凍推遲了18天。這是由于青藏高原溫度受海拔影響比受緯度影響大,隨海拔增加,凍結(jié)開始日期提前,凍結(jié)時(shí)間增加。除高程的影響之外,由于NQN位于念青唐古拉山的北坡,其地溫也可能受地形的影響較大。兩觀測(cè)點(diǎn)地溫還顯現(xiàn)了在緯度上從北到南地溫變化與地溫隨海拔變化相同趨勢(shì)的特點(diǎn)。3.4凍結(jié)過程中未凍水含量的變化據(jù)徐學(xué)祖等的研究,土壤中未凍水含量在凍結(jié)過程中隨溫度變化與融化過程不同,相同溫度情況下,凍結(jié)開始時(shí)的未凍水含量比融化過程的大。同時(shí),凍結(jié)期內(nèi)未凍水含量是一條與土壤溫度衰退一致的漸近曲線。土壤水的最大傳輸速率發(fā)生在凍結(jié)循環(huán)的開始階段,這時(shí)的溫度介于0~-2℃之間。最終,土壤獲得一個(gè)穩(wěn)定的水汽含量,不再隨著溫度的降低而變化。在本研究中,我們只關(guān)心在凍結(jié)的開始階段,未凍水含量最大的觀測(cè)層中其與土壤溫度之間的關(guān)系。Lovell提出了表達(dá)地溫與凍土中未凍水含量關(guān)系式:Wu=A|T|BWu=A|Τ|B式中,Wu是指未凍水含量(%),T為土壤溫度(℃),A和B為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算,NQN和BJ各層在凍結(jié)期內(nèi)同一層的地溫與其土壤中未凍水含量皆有良好的相關(guān),達(dá)到0.01的顯著性水平。由此,統(tǒng)計(jì)得出凍結(jié)時(shí)土壤中未凍水含量與其土壤溫度關(guān)系分別為:在NQN:Wu=3.25|Tg|-0.20R2=0.92而BJ為:Wu=6.99|Tg|-0.23R2=0.96由式中系數(shù)3.25/6.99可知,BJ觀測(cè)點(diǎn)的土壤凍結(jié)初始含水量要比NQN的大;而系數(shù)-0.20/-0.23則表明,NQN觀測(cè)點(diǎn)凍結(jié)期間未凍水含量受土壤溫度的影響要比BJ的大。3.5凍結(jié)深度的計(jì)算經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)(如圖8),NQN和BJ不同深度(Df)與其凍結(jié)積溫(Tg)具有良好的相關(guān),相關(guān)顯著性水平均達(dá)到0.01。由此得出如下模型,在NQN:Df-n=0.0016Tg+1.69,相關(guān)系數(shù)R2=0.9958,并據(jù)此推算NQN最大季節(jié)凍結(jié)深度為1.69m。在BJ:Df-b=0.002Tg+1.13,相關(guān)系數(shù)R2=0.9424,推算得出BJ最大季節(jié)凍結(jié)深度為1.13m。4凍土及凍結(jié)過程經(jīng)過上述分析,得出如下結(jié)論:(1)經(jīng)過兩觀測(cè)點(diǎn)日平均氣溫及月平均氣溫比較發(fā)現(xiàn),觀測(cè)期間NQN日和月平均氣溫及變化幅度皆低于BJ,最低月平均氣溫同時(shí)出現(xiàn)在12月。期間NQN日平均氣溫為-6.9℃,BJ為-4.8℃,氣溫梯度為0.31℃/100m。NQN的土壤凍結(jié)時(shí)間比BJ長(zhǎng),分別為232天和190天。據(jù)研究,安多地區(qū)存在多年凍土。將兩觀測(cè)點(diǎn)月平均氣溫與安多進(jìn)行比較,初步推斷NQN存在高山多年凍土,即在念青唐古拉峰北坡海拔5400m