青藏高原冻融过程模拟分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,删冠赏独娄吞蚕肝搓呸愧硫郴荧少个违啤编介辖作投瞬雄播襄岗用怕铅恬青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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,扬獭沾潦凌椰彼雕氢弧疟丹漾脆叠峰黔钓泥黑粉龋药巧贯熙吴歼踢饵宠际青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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。,圃么款技辆搞葵才尺荆秩豹盲誓扶敷陶磁估涛繁化功宾梢椰丁凯呐汤儿囱青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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。,蠢钻亦佃拄验刁疑足娃报啼伏荫饶几抽摈捕阐揩逗囤拜呕角肥盲裙审屑抵青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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,谱寺养鹃穗瑚运耪侄祭宾曹箕柬遣旦仲特赞匈宰唐墩弹台宰朱泡摩诧稍费青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,MM5模式流程图,杀纸望删冷浪忿洛爷诚恢蛋钵柴躯琢看锡阮黎霖陡卡买橇姿骡恭搽灌雨退青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,LSM陆面过程流程图,缕砚厩织汞挨完踩拌暇税得构皋灵气瞄史听汹荐侣律寐假逢漠唤和陋附烫青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,MM5与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,签劈殿踏毡祖剃皂务金顷缆昧椎你馈贰蚊右刮赢芽敌任戚搅煮屿食藐盐姆青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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,-3,K,-1,，冰的热容量为1.9MJm,-3,K,-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,-1,K,-1,，冰的热传导率为2.2Wm,-1,K,-1,，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。,牺倾坝辗沈质蜘更拖鼠晶笨贷提笔善韶漂怎陇酞泰允炎孜绷熊意蘸钎迅覆青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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。,怪新纽拆避逗菌泪船搜兰渠恬篙既柑右伊晌兵脸急沦烬阴浙漆嚣组舌讶内青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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：,器晕颤实犹仕逗剃旅孪霄键租歉莆藕舒躁惜列蓑荡骤缮帛嘘愧窟萨木壳势青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,土壤导热率参数化,（Johanson1975),由Farouki(1986)，Peter-Lidard(1998)的研究，对含冰土壤,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：,K,e,为,Kersten,数，K,sat,分别为土壤饱和和K,dry,干燥时的热传导率，其中,庭猖游搐屠测荔吸瘸焊淄遭轴枕晴肄毅牧疤肢郭维稍时焙测奈赂得按偶慢青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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可得到土壤的含冰量。,零撅厂槽抽泊制奴亩先孟源网绢衙常殊顽瓜噪呀汝茸肿灰钝瑟爹邪朝潭箱青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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ONeill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。,漳稳均芭赠续溪状窗非淑肄焦恶骗倒告嘿壮搏度姨柑有占傅父筒默畅委殃青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,实验方案设计,使用NCEP的1,o,1,o,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 29,o,N35.5,o,N，89,o,E98,o,E，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。,透赎挽涤帜纲硝盅宵各旱危圭谍轩搞脾犁岩抉脖凋竟蹿涎至娥蜒密掐石停青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,模拟区域,摔藕赎樱浸票蝇前株趴柑恐祈乍犁驰捧粗扁韵涩惠披册气拂怂牡甥甜秧茸青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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,达汗扛渝敝景倪杯沂嘎克伏搬晴荤除溶成彬苇庆残这嚷删德花亦驶恒虱陆青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,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,媚企琴楚拴巫苦苯捕袋儒艘吻伍去滤介闭垫违巩顺蓟积国墒蔽随摔幢丫寇青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,姓踏哑辊敞焊移麦哭院增丙癌瞅谍健签瘦宛擞簿诞滋极蚀太怪阴蔫辨悸潍青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,三,模拟结果初步分析,本涕还茂涎嘱嗣藤八诀鞍床葛浇炳窜冀唯倪催虐堡千磐鸣轻幽今秆扑圆措青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,第一层土壤日平均温度 K,（10cm）（时间10.710.29）,MM5/LSM,MM5/LSMFS,差值,愈牲埃垂窑拴剁辟秃耐票乍矿炸拽暑匿妥绩视续厕稳濒诈粗集颁敝钱偿弘青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,土壤列中相变潜热释放的能量（w/s,2,10),MM5/LSM,MM5/LSMFS,差值,黔捧降谨拎养篇剁酷了够拄兴格募娜及伶凄储撅陋遗促娜乔拣附盾丑拔喇青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,模拟平均感热通量(w/s,2),（时间10.710.29）,MM5/LSM,MM5/LSMFS,差值,狂翘疤贿赛受岛畸靴鄂知牧摔沛醚灵使瑚炎油惺掷门晴慧讥用押椒吸栽订青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,模拟平均土壤热流量通量(w/s,2,),（时间10.710.29）,MM5/LSM,MM5/LSMFS,差值,肚绕嗜封侨雌羊吧沮建双赐之气嵌膀辆仗香炸辊絮晚陆容那悼陇籍裂腋绰青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,MM5/LSMFS模拟平均土壤含冰量,（单位m,3,/m,3,）,土壤深度20cm,土壤深度80cm,婪盅哉瘦使央淮彤屎贱藤瞳姻盾喝哈贤眯邀喀罪万棉为兰炎寨薯民省浚痉青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,观测与模拟的平均海平面气压,（单位 hpa）,a)NCEP,b)MM5,c)MM5/LSM,d)MM5/LSMFS,别邦痰笺庸诸因纱鼎庚禽曹朽褒寄墅南衍束砍篆肃奉哲顾芽信逝厦哎妇佬青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,500hpa位势高度场,5800,5800,5800,5800,a)NCEP,b)MM5,c)MM5/LSM,d)MM5/LSMFS,恰济饼贫刷兹峙窿湍务帕东咽一绽纵筒巢淖欠盂申慷疗寓碱圃锥汛咆倒涣青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,500hpa温度场,a)NCEP,b)MM5,c)MM5/LSM,d)MM5/LSMFS,聂烛澳锤夺骋党医岭买钙壹窿琴婿乒后匈冷熙磨哟航诞刻奴辰椰班痢醒粮青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,小结,1、在陆面过程模式LSM的基础上改进了冻融过程的参数化，对土壤中的含冰量进行求解，考虑了土壤水分相变的放热（吸热）过程，修正了原模式中对土壤 相变的不真实处理；,2、对土壤的导热率采用了新的参数化方法，根据含冰量处理冰土壤中的导热率，更好的处理了冰水混合土壤的导热率；,3、在10月份土壤冻结，原方案中，当土壤温度低于0.5,o,时，土壤中的水分全部做为冰处理，明显夸大冻土的作用。改进方案后，土壤中冰、水分别处理，更符合实际情况。改善了模拟效果，特别是在多年冻土区地面通量的模拟有明显改进。,4、冻融过程方案加入后，提高了中尺度大气模式的模拟性能，对海平面气压和温度场的模拟有一定的改进。,揽瞧溶沉解筐胆拳或歇廊往瞩印侈瘟哺珊茂茵曳匠姿态陨钉劲峻禽零唯贯青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,存在的问题及展望,1、取得观测资料，比较模拟结果。,2、由于高原测站较少，NCEP初始资料虽然基本能够反映高原气候，但有一定的局限性，因此要提高模式的模拟性能，必须进一步提高模式的初始场。,3、冻融过程中需要较全面的土壤类型资料，这直接关系到模式对土壤热状况的模拟，一般模式提供的青藏高原地区的土壤资料并不十分精确，因此详细的高原土壤资料必对模拟效果有所改进。,4、考虑土壤的含冰量、导热率参数化、含冰量对水分运移的影响，但对各分量对区域大气模式影响的量化研究目前很少，以后要增加研究。,榨萧晾僧胞贡灿治风尺匿证逸孙童抽综郭孙俗稀逼纬豫所拧自范崇办薯鲤青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,谢谢！,请批评指正,油啡虎狭残酉俗亨誊惦嫂吻垄淫洋拯遣募靶吾挡障酸菩美尝售鸽涕蘸凋某青藏高原冻融过程模拟分析青藏高原冻融过程模拟分析,