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青藏高原一直被称为地球的“第三极”,其动力和热力作用对亚洲乃至全球的气候都有重要的影响。在青藏高原地区,冻土面积占到高原总面积的一半以上,在气候变暖背景下,冻土的退化受到了国内外学者的广泛关注。冻土区地表的水热过程受到降水过程以及因降水造成的地面积雪和土壤水分变化的影响。而在青藏高原,一方面由于在多年冻土区系统的观测站点比较少,另一方面,由于高原地区大风天气造成的降水动力损失尤为严重,雨量筒难于获取准确的降水量。因此,关于降水与冻土区地表水热过程关系的研究目前相对较少。针对以上问题,本研究首次选用了Thies LPM和OTT Parsivel两种激光雨滴谱仪用于青藏高原多年冻土区降水量的观测,通过降水对比观测获取了更为可信的降水量。然后结合了中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站唐古拉、五道梁、西大滩这三个站点的气象和活动层数据,分析了降水事件、积雪以及土壤水分含量对地表水热过程的影响。得出的主要结论如下: (1)两种激光雨滴谱仪都能够准确记录青藏高原微量降水事件。在记录降水量方面,Thies LPM激光雨滴谱仪对固态降水量和液态降水量记录比较准确,而OTT Parsivel雨滴谱仪则过高估计了固态和液态的降水量。Geonor T-200B雨量筒在冷季记录固态降水的表现则比较差,当风速在3.5m/s以上时,T-200B几乎无法记录降水量在1 mm以下的固态降水事件。而对于液态降水,加有防风圈的T-200B雨量筒几乎不受风力造成的动力损失的影响,可以准确记录液态降水量,但是对于0.3mm以下的微量降水事件记录效果也比较差。通过把风速较小时的T-200B降水量作为真值,我们分别给出了Parsivel雨滴谱仪记录固态降水和液态降水时的粒径修正系数。另外,通过把Thies LPM雨滴谱仪获取的固态降水量作为真值,给出了T-200B雨量筒固态降水量的修正方案。 (2)暖季青藏高原降水只要集中在下午的12:00~21:00之间,降水量的最大值在下午的17时左右。按照降水发生的时间,我们将日降水类型划分为日雨型和夜雨型。夜雨型降水条件下,白天净辐射通量略高于同一时间的无降水日,但是高出的最大值不超过100w/m2,这与夜间降水对空气粉尘及气溶胶具有清洗作用,造成了达到地面的太阳辐射明显增加。日雨型降水对净辐射的消减作用比较大,日雨型降水日净辐射的最大值要比晴天日小200w/m2左右。当暖季降水发生在日出之前,这对白天的感热影响较小,但是会造成白天潜热的明显增加。当降水发生在正午时间左右,降水则造成了感热和潜热的显著减小,但是感热的减幅要远大于潜热。降水都造成了夜间地表热通量的增加,夜雨型降水对白天地表热通量的影响不明显,而日雨型降水对地表热通量的最大消弱量达到了40w/m2左右。降水对活动层温度的影响主要是降温,对表层10cm处的降温幅度在4℃左右,最大影响深度可以达到100cm左右,但是对100cm以下地温的影响不明显。降水对活动层水分的影响在地表受到植被以及土壤质地的影响,而在深层300cm处,土壤水分基本不受降水量年变化的影响。 (3)0~1mm的微量固态降水造成了地表反照率的增加量为0~0.2,这部分降水造成了活动层浅层温度的下降,但是它的影响深度小于40cm。微量固态降水形成的积雪在地表存在的时间比较短,一般都不超过1天,并且在暖季的存在时间要远远小于冷季。厚层积雪造成了反照率的增加和净辐射的减小,对活动层温度的影响在地表冻结前、地表冻结期有很大的差异性。积雪存在对地表开始冻结前的活动层主要是降温作用,冻结前积雪的存在造成了冻结开始时间的提前,这种降温作用在唐古拉地区甚至可以影响300cm深度处。积雪在冻结期主要是对活动层起保温作用,在有稳定积雪存在的年份,表层地温比无积雪的年份高出5℃左右,而在300cm深层处地温高出1℃左右。冬季稳定积雪的存在造成了唐古拉站300cm深度处开始融化的时间提前了9天。 (4)土壤水分的增大造成了青藏高原地区地表反照率的减小,但是在不同的下垫面条件下,这个减幅却不相同。在增加相同土壤含水量的条件下,五道梁地区的地表反照率减小幅度最大,唐古拉次之,西大滩最小。这与3个站点表层植被状况的差异性有关。植被的存在则消弱了土壤水分对地表反照率的影响。土壤水分的增加也造成了地表蒸发率的增加,这可能是唐古拉地区深层土壤水分基本不受降水量年变化的原因。 (5)唐古拉站暖季日平均土壤热导率的在0.9~2.0 wm-1K-1之间,土壤热容在0.8~1.8×106 Jm-3K-1之间,土壤热扩散率在0.6~2.2×10-6m2s-1之间。西大滩地区暖季表层土壤导热率在1.0~1.6 wm-1K-1之间,土壤热容在2.0~3.0×106 Jm-3K-1之间,土壤热扩散率在0.2~0.6×10-6m2s-1之间。从这个结果来看,唐古拉地区与西大滩地区的土壤热导率较为接近,而唐占拉地区土壤热容则小于西大滩,土壤热扩散率则大于西大滩。土壤水分在两个地区对土壤热参数的影响也不尽相同,在两个站点土壤水分的增加都造成了土壤热导率的显著增大。两个站点的土壤热容也随着土壤水分的增加呈现出上升趋势,但是在唐古拉站,土壤热容与土壤水分之间的关系不显著,而西大滩地区则相当显著。两个站点土壤热扩散率率与土壤水分之间的关系不同,在唐古拉地区,土壤热扩散率随着土壤水分的增加有不显著的增加趋势,而在西大滩地区,当土壤水分在0.35以下时,土壤热扩散率与土壤水分是正相关关系,而当土壤水分在0.35以上时,则是负相关关系。 (6)通过评价Noah-MP模型在多年冻土区的适用性,认为Noah-MP模型能够较为准确地模拟出青藏高原地区多年冻土区地表能量的变化,另外对暖季地表温度以及活动层浅层温度和水分都有较好的模拟,但是对冷季的积雪过程模拟效果比较差,这与Noah-MP无法反映出青藏高原冷季风吹雪造成升华有关。通过加入风吹雪方案,Noah-MP对活动层浅层地温的模拟效果有所改进,但是仍然无法反应实际状况,这说明了青藏高原冷季降雪及其地表积雪过程的复杂性。通过设计暖季不同降水变化方案利用Noah-MP进行模拟实验,发现在降水增加的情况下,活动层地温减小明显,但是这个影响在140cm深度处都较为明显,而在280cm深度处影响不大。在降水总量不变的情况下,降水量昼夜分布的改变虽然对活动层地温影响比较小,但是这种影响不仅仅是对活动层的降温作用,也包括增温作用。因此,在以后的研究中,降水量年内分布的变化也应该是一个受到关注的因素。