【摘要】：北半球多年凍土和季節(jié)凍土面積分別占裸露地表的24%和57%。廣義的季節(jié)凍土包括非多年凍土區(qū)的季節(jié)凍結(jié)層和多年凍土區(qū)的季節(jié)融化層。季節(jié)凍土的面積可達(dá)80%以上,占據(jù)北半球大部分陸地面積。季節(jié)凍土的凍融循環(huán)過(guò)程對(duì)地-氣水熱交換、地表能量平衡、地表水文過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)、碳循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等具有非常重要的影響。過(guò)去大量研究多集中在多年凍土和活動(dòng)層,而對(duì)大面積分布在非多年凍土區(qū)的季節(jié)凍土鮮有報(bào)道。因此,本論文基于站點(diǎn)觀測(cè)資料、再分析資料、衛(wèi)星遙感資料、模式輸出等,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方法分析北半球季節(jié)凍土的時(shí)空變化特征及對(duì)氣候變化的響應(yīng),主要開(kāi)展了以下幾部分研究?jī)?nèi)容:(1)基于16個(gè)耦合模式比較計(jì)劃第五階段(CMIP5)模式模擬資料、CRU分析資料,分析北半球凍土區(qū)過(guò)去氣溫變化以及對(duì)未來(lái)預(yù)估;(2)基于分析資料,評(píng)估和分析北半球過(guò)去和未來(lái)凍結(jié)、融化指數(shù)的空間分布及變化趨勢(shì),利用凍結(jié)、融化指數(shù)分析凍土區(qū)在全球氣候變暖大背景下的敏感性;(3)基于歐亞大陸1277個(gè)土壤溫度站點(diǎn)、分析資料,分析歐亞大陸過(guò)去和未來(lái)土壤凍結(jié)深度的時(shí)空變化特征,并且探討其變化的影響因素;(4)收集了北半球347個(gè)活動(dòng)層厚度站點(diǎn)多年觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合分析資料,利用Stefan方法,分析和預(yù)測(cè)北半球活動(dòng)層厚度變化,并且探討不同季節(jié)氣溫和降水對(duì)其影響以及北冰洋海冰面積變化與活動(dòng)層厚度變化之間的關(guān)系;(5)結(jié)合衛(wèi)星遙感資料,探討多年凍土變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響;(6)基于數(shù)值模擬方法,揭示土地覆蓋類(lèi)型變化對(duì)北半球多年凍土區(qū)的影響,對(duì)比分析土地覆蓋類(lèi)型變化對(duì)多年凍土區(qū)與整個(gè)北半球的影響。主要的結(jié)論如下:歷史時(shí)期(1850-2005)多年凍土地區(qū)(PF)和非多年凍土地區(qū)(Non-PF)年平均氣溫分別以0.094℃/decade和0.064℃/decade的速度增長(zhǎng),相當(dāng)于溫度升高了1.47℃和1.00℃。在RCP2.6情景下,PF和Non-PF分別以0.096℃/decade,0.069℃/decade的速度變暖。在RCP4.5情景下,分別以0.332℃/decade和0.248℃/decade的速度增溫。在RCP8.5情景下,增溫速率分別為0.807℃/decade和0.613℃/decade。在年平均氣溫變化速率上,PF地區(qū)遠(yuǎn)大于Non-PF地區(qū)。北半球融化指數(shù)的空間變化范圍介于0℃*d和11000℃*d之間,低值分布于高海拔和高緯度地區(qū)。凍結(jié)指數(shù)變化范圍介于0℃*d和10000℃*d之間,與融化指數(shù)相反,其較大值分布于高緯度和高海拔地區(qū)。北半球整體平均凍結(jié)、融化指數(shù)分別呈現(xiàn)遞減和遞增趨勢(shì)。在1850-2005期間,融化指數(shù)以1.14℃*d/yr的速度遞增。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),融化指數(shù)分別以1.51℃*d/yr,5.32℃*d/yr和13.85℃*d/yr的速度遞增。在1850-2005期間,區(qū)域平均凍結(jié)指數(shù)以-1.39℃*d/yr的速度遞減。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),凍結(jié)指數(shù)分別以-1.2℃*d/yr,-4.3℃*d/yr和-9.8℃*d/yr的速度遞減。在高緯度和高海拔地區(qū),凍結(jié)指數(shù)降低趨勢(shì)較快,明顯高于其它地區(qū);凍結(jié)指數(shù)降低速率明顯高于融化指數(shù)增長(zhǎng)速率。歐亞大陸區(qū)域平均土壤凍結(jié)深度呈現(xiàn)出顯著遞減的趨勢(shì)。在1850-2005期間,遞減率為-0.49 cm/decade。在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下(2006-2100年),土壤凍結(jié)深度遞減率分別為-0.45 cm/decade,-1.85 cm/decade和-4.58 cm/decade。土壤凍結(jié)深度與氣溫、融化指數(shù)、北冰洋濤動(dòng)(AO)和北冰洋海冰面積呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不同地區(qū),土壤凍結(jié)深度與積雪深度存在正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)關(guān)系。北半球區(qū)域平均活動(dòng)層厚度呈現(xiàn)出顯著遞增的趨勢(shì)。1901-2005年,以0.57cm/decade的速度增加;在RCP8.5,RCP4.5和RCP2.6情景下,活動(dòng)層厚度分別以6.51 cm/decade,2.56 cm/decade和0.77 cm/decade的速率顯著遞增。夏季氣溫和降水對(duì)活動(dòng)層厚度影響最大,其次為秋季和春季氣溫和降水。北冰洋海冰面積可以作為活動(dòng)層厚度變化的一個(gè)指示器,兩者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。1982-2015年,多年凍土區(qū)季節(jié)平均歸一化植被指數(shù)(NDVI)呈現(xiàn)顯著遞增的趨勢(shì),生長(zhǎng)季NDVI增長(zhǎng)率為0.00079 yr-1�？臻g變化趨勢(shì)分布表明,NDVI顯著增長(zhǎng)的象元占整體的70.39%(生長(zhǎng)季)、58.14%(春季)、66.02%(夏季)、71.99%(秋季)。植被生長(zhǎng)與融化指數(shù)、活動(dòng)層厚度、土壤溫度和融化天數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,與融化首日呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。即多年凍土融化有助于植被的生長(zhǎng)。北半球多年凍土區(qū)對(duì)土地覆蓋類(lèi)型變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出降溫的效應(yīng)。年平均氣溫以-0.032℃/100yr的速度遞減,相當(dāng)于降低了0.37℃(850-2005)。年平均土壤溫度(0.2 m)以-0.0334℃/100yr的速度遞減,相當(dāng)于降低了0.39℃(850-2005)�；顒�(dòng)層厚度以-0.54 cm/100yr±0.023 cm的速度遞減,相當(dāng)于變淺了6.24±0.26cm。對(duì)比分析北半球多年凍土區(qū)和整個(gè)北半球?qū)ν恋馗采w類(lèi)型變化的響應(yīng),無(wú)論是氣溫還是土壤溫度,多年凍土區(qū)對(duì)土地覆蓋類(lèi)型變化的響應(yīng)更加敏感。本文從氣溫變化、凍融指數(shù)、凍結(jié)深度、活動(dòng)層厚度、植被生長(zhǎng)、土地覆蓋類(lèi)型變化等方面,探索了北半球季節(jié)凍土的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。這些研究結(jié)果有助于進(jìn)一步探討季節(jié)凍土變化與氣候變化之間的物理機(jī)制、凍土區(qū)生態(tài)-水文過(guò)程等研究。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P642.14;P467
【圖文】：

10圖 1-1 論文技術(shù)路線。其中 FI/TI 分別為凍結(jié)、融化指數(shù)；ST 是土壤溫度；SFD 為土壤凍結(jié)深度；ALT 為活動(dòng)層厚度；LULCC 為土地覆蓋類(lèi)型變化；SM 為土壤水分；TD 是融化天數(shù)；FTC 是凍融循環(huán)；AO 為北冰洋濤動(dòng)Figure 1-1 The research flow chart. Freezing/thawing index (FI/TI), soil temperature (ST), soilfreeze depth (SFD), active layer thickness (ALT), land use and land cover change (LULCC), soilmoisture (SM), thawing day (TD), freeze thaw cycle (FTC), arctic ocean (AO).

圖 2-1 凍結(jié)指數(shù)與土壤凍結(jié)深度的線性關(guān)系。黑實(shí)線表示線性擬合Figure 2-1 Linear least squares regression between soil freeze depth and squared root of annualfreezing index based on observational sites. The black solid line is the linear fitted line.2.2.3 活動(dòng)層厚度計(jì)算方法關(guān)于活動(dòng)層厚度計(jì)算主要包括站點(diǎn)和半球尺度：站點(diǎn)尺度上，包括收集的站點(diǎn)活動(dòng)層厚度、土壤溫度（根據(jù)土壤溫度，使用線性插值方法獲取零度界面的深度）、物探等；區(qū)域尺度，使用 Stefan 近似解方法（公式 2-6 和 2-7）：LT = 2Kt(ntTIaPbwL) (2 6)LT = √TIa(2 7)ALT 為活動(dòng)層厚度；Kt為融土熱傳導(dǎo)系數(shù)；TIa為空氣融化指數(shù)。根據(jù)收集的站點(diǎn)活動(dòng)層厚度和 CRU 資料提供的空氣融化指數(shù)，結(jié)合 Stefan近似解獲取站點(diǎn) E 因子，然后根據(jù)站點(diǎn) E 因子獲取區(qū)域尺度或者半球尺度 E 因

圖 3-1 1901-2005 年觀測(cè)和多模式集合模擬的北半球年平均氣溫變化Figure 3-1 Variation of mean regional surface air temperature anomaly over NorthernHemisphere from 1901 to 2005 of CRU observation and CMIP5 dataset. The time period wasdivided into two periods, the early 20th(1901~1950), the late 20th(1951~2005).3.1.2 北半球氣溫變化的時(shí)空分布特征為了更好地了解北半球氣溫變化的時(shí)空變化特征，本文用 CRU 和 16 個(gè)CMIP5 模式集體平均值計(jì)算了 30 年（1971-2000）年平均氣溫的空間分布，以及它們之間的差值（圖 3-2 a-c），還計(jì)算了 1901-2005 年平均氣溫的空間變化趨勢(shì)及差值（圖 3-2 d-f）。圖 3-2a 顯示，根據(jù) CRU 資料計(jì)算 30 年年平均氣溫空間分布�？傮w上，氣溫隨著緯度的升高，年平均氣溫降低，變化范圍從大于 30 °C 到小于-25 °C。在相同緯度地區(qū)，高海拔地區(qū)（比如青藏高原、蒙古高原和西西伯利亞山區(qū)）的年平均氣溫凸顯低溫的趨勢(shì)。較高溫度出現(xiàn)在低緯度地區(qū)，例如 30°N 以南，年平均氣溫大部分高于 25°C。低溫度出現(xiàn)在高緯度和高海拔地區(qū)，例如 60°N 以北，年平均氣溫大部分在-5 °C 以下；在青藏高原地區(qū)，絕大部分區(qū)域的年平均氣溫

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2746220