地球科学进展

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (9): 962 -979. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.081

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青藏高原北麓河多年冻土区阴阳坡地表能量和浅层土壤温湿度差异研究
兰爱玉 1, 2( ),林战举 1( ),范星文 1, 2,姚苗苗 1, 2   
  1. 1.冻土工程国家重点实验室 中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000
    2.中国科学院大学，北京 100049
  • 收稿日期:2021-01-25 修回日期:2021-07-10 出版日期:2021-09-10
  • 通讯作者: 林战举 E-mail:lanaiyu@nieer.ac.cn;zhanjulin@lzb.ac.cn
  • 基金资助:
    中国科学院战略性先导科技专项（A类）(XDA19070504);国家自然科学基金面上项目“高海拔多年冻土区局地坡向效应及水热差异定量化研究”(41971089)

Differences of Surface Energy and Shallow Soil Temperature and Humidity at Sunny and Shady Slopes in Permafrost Region， Beiluhe Basin， Qinghai-Tibet Plateau

Aiyu LAN 1, 2( ),Zhanju LIN 1( ),Xingwen FAN 1, 2,Miaomiao YAO 1, 2   

  1. 1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
    2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
  • Received:2021-01-25 Revised:2021-07-10 Online:2021-09-10 Published:2021-10-15
  • Contact: Zhanju LIN E-mail:lanaiyu@nieer.ac.cn;zhanjulin@lzb.ac.cn
  • About author:LAN Aiyu (1995-), Fuan City, Fujian Province, Master student. Research areas include cold region environment and engineering. E-mail: lanaiyu@nieer.ac.cn
  • Supported by:
    the Sub Project of Strategic Leading Science and Technology Project (Class A) of Chinese Academy of Sciences "Three major project decision services"(XDA19070504);The National Natural Science Foundation of China "Quantitative study on local slope aspect effect and water heat difference in high altitude permafrost region"(41971089)
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青藏高原海拔高，太阳辐射强，坡向效应显著。其中阴阳坡效应不仅导致多年冻土空间分布格局的差异性，也严重影响了冻土路基工程稳定性。目前虽有大量关于阴阳坡热效应的研究，但定量化和多因素耦合作用的研究，特别是场地内多次重复测量的定量评估研究仍不多见。通过对青藏高原多年冻土区北麓河盆地两个具有相反坡向研究场近4年（2016年9月至2020年5月）近地表温湿度、辐射和风速等野外多重观测资料的分析，研究了高海拔多年冻土区阴阳坡效应对近地表水热及能量平衡的影响。结果表明：在坡向的长期影响下，阴阳坡下垫面性质（辐射、温湿度和土壤质地等）存在较大的差异。其中，阳坡土质相对粗糙，不利于水分的保持，阴坡反之。0.05 m深度阳坡（朝南坡向）的日冻融循环次数明显高于阴坡（朝北坡向）。2016—2019年阳坡和阴坡的日冻融循环总次数分别为368和109次，差异非常明显。阳坡各深度土壤温度均显著大于阴坡，温差约1.4 ℃。浅层地温对地表热量变化的响应速率较快，但随深度的增加阴坡地温的响应速率逐渐滞后于阳坡，且这一现象在融化阶段更为显著。融化阶段，阳坡水分的变化速率较快，随深度的变幅较大，但土壤含水量却明显低于阴坡。地表性质差异如温湿度、反照率和风速等控制着地表能量的交换过程，致使阳坡土壤热通量和短波辐射均大于阴坡。研究对深入理解高海拔、坡地多年冻土区气候—冻土关系及多年冻土模拟边界条件优化具有重要意义。

关键词: 青藏高原, 多年冻土, 阴阳坡效应, 地表水热过程, 定量分析

The Qinghai-Tibet Plateau （QTP） has a high altitude and strong solar radiation so that the resulting slope effect is significant. The slope effect not only leads to the heterogenous spatial distribution of permafrost， but seriously affects the stability of permafrost subgrade as well. Although there are many reports on the thermal effects between shady and sunny slopes， the quantitative， multi-factor coupled effect studies are still rare， especially in quantitative evaluation with multiple repeated measurements on QTP. Based on the analysis of near surface temperature， humidity， radiation and wind speed in the past four years （2016.09-2020.05） at two sloping sites with opposing aspect in the Beiluhe Basin， the influence of shady-sunny slope effect on near surface water， heat and energy balance were studied in detail. The results show that the underlying surface properties （e.g.， radiation， temperature and humidity， soil texture， etc.） on shady and sunny slopes have great differences under the long-term influence of slope aspect. The soil quality on sunny slope is relatively rough， and is not conducive to the maintenance of water， while shady slope is just the opposite. The daily freeze-thaw cycles on sunny slope （south facing slope） at 0.05 m depth were significantly higher than those at shady slope （north facing slope）. In 2016 to 2019， the numbers of daily freeze-thaw cycles on sunny and shady slopes were 368 and 109， respectively， and the difference is significant. The soil temperatures at all depth on the sunny slope was significantly higher than those on the shady slope， reaching a temperature difference of about 1.4 ℃. The response of shallow ground temperature to surface heat variation is rapid. However the response rate of shady slope gradually lags behind that of sunny slope with the increase of depth， and this phenomenon is more significant in the warm season. In the thawing stage， the change rate of soil moisture on sunny slope was faster， and the change amplitude was larger with depth， but the soil moisture was significantly lower than that on the shady slope. The differences of surface properties （e.g.， surface temperature， humidity， albedo and wind speed） control the exchange process of surface energy， with the result that the soil heat flux and short wave radiation on sunny slope are higher than that on shady slope. This study is of great significance for further understanding the relationship between climate and permafrost in high-altitude， sloping permafrost regions and optimizing the boundary conditions of permafrost simulation.

Key words: The Qinghai-Tibetan Plateau, Permafrost, Slope effect, Surface hydrothermal processes, Quantitative analysis

中图分类号: 

图1 青藏高原北麓河研究区（据参考文献［ 6 ］修改）
Fig. 1 Study area of the Beiluhe River on the Qinghai-Tibetan Plateau （modified after reference ［ 6 ］）
图2 北麓河阴坡和阳坡监测场地
（a） 阳坡场地俯视图；（b） 阴坡场地俯视图
Fig. 2 Monitoring sites for shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
（a） Top view of sunny slope site； （b） Top view of shady slope site
图3 北麓河阴阳坡土壤质地
（a） 阳坡土壤剖面；（b）阴坡土壤剖面
Fig. 3 Soil texture of shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
（a） Soil profile of sunny slope； （b） Soil profile of shady slope
图4 北麓河阴阳坡月平均气温及风速
Fig. 4 Monthly mean air temperature and wind speed on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
图5 北麓河阴阳坡0.05 m深度土壤温度状况
Fig. 5 Soil temperature at 0.05 m depth on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
图6 北麓河阴坡和阳坡各深度日平均地温动态变化特征
Fig. 6 Dynamic variation characteristics of daily mean ground temperature at different depths on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
表1 北麓河阴坡和阳坡近地表各年温度变化特征
Table 1 Annual variation characteristics of surface temperature on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
坡向 项目 观测深度
0.1 m 2.5 m
2016.09—2017.08 2017.09—2018.08 2018.09—2019.08 2019.09—2020.05 2016.09—2017.08 2017.09—2018.08 2018.09—2019.08 2019.09—2020.05
阳坡

冻结起始时间

（月—日）

 10-26 10-27 10-10 10-15 02-03 01-30 01-16 01-17
阴坡 10-14 10-16 10-02 10-11 - - - -
阳坡

消融起始时间

（月—日）

 04-18 04-19 04-17 04-14 07-24 07-25 08-05 -
阴坡 04-22 04-20 04-20 05-01 - - - -
阳坡 冻结持续时间/d 174 174 189 182 170 176 201 -
阴坡 190 186 200 203 全年 全年 全年 全年
阳坡 年均温/℃ 0.8 0.9 -0.5 - 0.2 0.3 -0.1 -
阴坡 -0.5 - -2.0 - -1.2 - -1.5 -
阳坡 Tmax/℃/出现时间 16.8/07-20 15.7/08-04 13.7/08-15 - 2.7/08-31 2.4/09-05 2.8/09-12 -
阴坡 14.9/07-20 13.4/08-04 12.6/08-15 - -0.4/12-22 -0.3/12-19 -0.3/12-11 -
阳坡 Tmin/℃/出现时间 -11.6/01-14 -13.1/01-08 -13.5/01-15 - -1.1/03-30 -0.9/03-11 -2.0/03-18 -
阴坡 -12.6/01-14 -14.0/01-08 -17.4/12-29 - -2.8/04-01 -2.6/04-01 -3.6/03-23 -
图7 北麓河阴阳坡各层土壤含水量变化曲线
Fig. 7 Variation curve of soil water content （unfrozen water） in different layers on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
图8 北麓河阴坡和阳坡暖季土壤含水量对比分析
Fig. 8 Comparative analysis of soil moisture content between shady and sunny slopes in warm season of the Beiluhe Basin
图9 北麓河阴阳坡辐射四分量动态变化特征
Fig. 9 Dynamic characteristics of four component radiation on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
表2 2016— 2020年北麓河阴阳坡月平均及年平均辐射量 ( W/m 2)
Table 2 Monthly and annual average radiation on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin from 2016 to 2020
坡向 项目 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 平均值
阴坡 DR 138.1 169.7 216.1 269.5 289.3 254.3 263.9 240.0 206.1 200.9 158.6 140.4 209.7
UR 39.2 45.0 65.6 92.3 80.4 52.5 42.5 38.4 34.6 55.6 45.0 32.5 52.6
DLR 177.6 188.4 204.5 226.2 247.4 285.9 293.0 299.3 279.8 220.6 191.2 172.5 228.3
ULR 252.3 267.2 284.9 310.5 328.8 343.4 359.4 359.6 336.6 301.9 275.3 259.4 303.6
Rn 24.1 45.9 70.1 92.9 127.6 143.3 155.0 141.2 114.7 64.0 29.4 20. 9 81.9
Albedo 0.16 0.15 0.18 0.23 0.21 0.19 0.18 0.19 0.17 0.18 0.15 0.13 0.18
阳坡 DR 145.0 173.0 220.6 273.7 289.7 256.1 264.2 241.1 211.2 208.2 164.8 146.0 213.8
UR 54.8 53.6 86.8 106.5 96.1 64.8 50.5 44.7 42.6 59.2 60.8 46.2 63.9
DLR 175.4 188.6 201.6 224.5 244.8 278.5 289.8 297.2 277.0 219.5 185.0 172.7 227.4
ULR 256.7 271.7 283.4 308.0 324.5 340.6 365.6 365.4 340.6 309.9 277.8 267.4 307.7
Rn 9.0 36.3 52.1 83.7 114.0 129.2 137.9 128.1 105.0 58.7 11.1 5.0 69.6
Albedo 0.18 0.16 0.22 0.25 0.22 0.20 0.16 0.18 0.17 0.17 0.18 0.15 0.19
表3 2016— 2019年北麓河阴阳坡年平均辐射量 ( W/m 2)
Table 3 Annual average radiation of shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin from 2016 to 2019
坡向 年份 DR UR DLR ULR
阴坡 2016—2017 211.8 49.7 232.9 309.3
2017—2018 212.1 51.5 233.0 309.9
2018—2019 209.9 52.6 232.2 303.7
阳坡 2016—2017 216.6 60.0 229.7 313.0
2017—2018 192.3 58.3 219.5 302.0
2018—2019 212.7 63.8 228.2 305.1
图10 北麓河阴阳坡0.1和2.5 m深度9个监测点4年日平均地温箱式分布图
Fig. 10 Box type distribution map of daily mean ground temperature at nine monitoring points at the depth of 0.1 and 2.5 m on shady and sunny slopes in four years of the Beiluhe Basin
图11 北麓河阴阳坡地面长波辐射与地表温度（0.1 m深度）的关系
Fig. 11 Relationship between surface long wave radiation and surface temperature （0.1 m depth） on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
图12 北麓河阴阳坡土壤热通量变化
Fig. 12 Variation of soil heat flux on shady and sunny slopes of the Beiluhe Basin
图13 北麓河冷暖季阴坡和阳坡土壤热通量日变化
（a） 冷季；（b） 暖季
Fig. 13 Diurnal variation of soil heat flux on shady and sunny slopes in cold and warm seasons of the Beiluhe Basin
（a） Cold season； （b） Warm season
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