局地因素影响下北麓河盆地多年冻土精细化分布与模型改进研究

Climate determines the spatial distribution pattern of permafrost, but permafrost distribution in local scale is mainly controlled by the local factors. The purpose of this application is to reveal the relationship between permafrost distribution and local factors and to improve a permafrost model considering the local factors. We will select the Beiluhe basin with the comprehensive local factors and the data-rich of weather and permafrost as the study area, and will construct 11 three-dimensional grid permafrost observational sites. We hope to know the influence pattern, processes, and mechanisms of local factors on the spatial distribution of permafrost, obtain a quantitative relationship between local factors and permafrost distribution, and improve a permafrost model considering the local factors through the investigations of local factor and differences of spatial and temporal permafrost distribution. This model can simulate accurately the permafrost distribution in local scale on Qinghai-Tibet Plateau. Based on this improved modelling, the fine permafrost distribution in Beiluhe basin can be modeled. This study will improve the precision of permafrost distribution and have an important significance for the plan of high level engineering and the assessment of permafrost hazards.

气候背景决定多年冻土的空间分布格局，但局域尺度范围内冻土分布主要受控于局地因素影响。本申请以揭示局地因素与多年冻土关系和考虑局地因素、改进现有冻土模型为目标。拟选取局地因素类型全面、气象和冻土资料丰富的青藏高原北麓河盆地作为研究区，建设11个局地因素与多年冻土关系三维网格观测场。通过对局地因素调查和对局地因素影响下多年冻土分布的时空变化差异观测，以期获得局地因素对多年冻土空间分布的影响方式、影响过程和机理，给出局地因素与多年冻土分布间定量关系；将局地因素引入现有冻土模型，发展成为具有青藏高原局域特色的冻土分布模型。基于改进的模型，完成研究区冻土精细化分布制图。研究成果将提高冻土分布的预测精度，并对高等级工程规划和灾害评估具有指导意义。

在全球尺度上，多年冻土是地气相互作用的产物，但在局域尺度上植被、岩性、坡度、坡向、水体等，在一定程度上超过气候背景，造成多年冻土在空间上的“异常”分布。针对局地因素对多年冻土空间分布的影响程度和机理，本项目开展了精细化网格观测及冻土模型改进研究。首先在青藏高原北麓河盆地高温高含冰量多年冻土区建设了10×10m的网格监测场8个，每个监测场具有不同的植被盖度、地表湿度、坡向等局地因素，并分别安装了气温、地温、水分、辐射等监测系统，通过两个完整年的连续监测、结合室内试验及GIS平台制图，研究了：1）植被盖度、坡向、地表湿度等局地因素对多年冻土水热状态的影响程度和机理。揭示了坡向差异强烈的影响着多年冻土地温场、水分场及活动层厚度的空间差异，地表湿度仅次于坡向，植被盖度对多年冻土空间分布的影响较弱，可能是湿度及土壤特性隐蔽了这一差异；2）局地因素影响下，多年冻土顶部地下冰含量及空间结构组分有较大差异。阴坡由于较低的地温，孕育着稳定的多年冻土，草甸草原过渡区多年冻土处于强烈的退化状态，地下冰含量很低，几乎无过剩冰含量；3）不同植被盖度影响下，高盖度植被的作用遮盖了冻融循环过程对土壤水分循环的影响，导致土壤水分在随着深度的增加而逐渐增多。冻土上限附近地下冰的含量与深层土壤水分含量存在明显的正相关关系；4）考虑局地因素的多年冻土模型改进及完成北麓河盆地多年冻土高分辨率制图。将局地因素影响下n因子的变化引入GIPL冻土模型，作为模型输入的上边界条件，大大提高了模拟精度，完成了北麓河盆地多年冻土分布制图，具有较高的精度。项目收集到了气温、地温、水分等各类原始数据356.1万条，约100MB以上。揭示了植被盖度、坡向、湿度等局地因素对多年冻土空间分布的影响过程和机理，改进的模型将应用于第二次青藏高原综合科学考察研究中，用于青藏高原考察区冻融灾害评估与预测时的多年冻土分布模拟制图，以提高评估与预测精度。