冰冻圈与环境_冻土第1讲

冻土与环境Frozengroundandenvironment赵林中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站冰冻圈科学国家重点实验室中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国科学院大学冰冻圈与环境——冻土•本讲的目的：对冻土的基本认识•内容：概念及最新研究动态–涉及到许多目前正在开展的研究工作，许多认识有待进一步完善–涉及到许多科学家的工作，讲课中没有一一列出姓名，致谢！•方法：理解为主、欢迎互动–如果有什么问题，请及时提出！开场白冰冻圈与环境——冻土•冻土学研究的范畴与冻土和土层（岩石）冻融过程有关的所有过程和现象冻土－冻土学Frozenground——Geocryology冰冻圈与环境——冻土一、概念地球表层温度低于0˚C的土层或岩层寒土Gelisol冻土Frozenground含冰不含冰多年冻土：2年以上季节冻土半月～数月短时冻土半月以内干寒土不含冰和重力水湿寒土含盐水、卤水等存在持续时间是否含水冰冻圈与环境——冻土•活动层（Activelayer)位于多年冻土之上，夏季被融化冬季被冻结的表层土层(S.Muller,1947)－后来曾被扩展到非多年冻土区(ChurchandAndresen,1967)冰冻圈与环境——冻土•活动层的定义S.W.Muller（1947）状态or温度?Washburn(1971)温度vanEverdingen（1976）冻结状况ACGR（1988）冻结状况IPA（1998）冻结状况冰冻圈与环境——冻土50100150200250300350JuliaDate-150-100-500Depth/m-20-10010050100150200250300350AT/ºC风火山－高寒草甸5月中9月中11月底10月初冰冻圈与环境——冻土•“零幕层”（Zerocurtain）位于多年冻土上限之上（活动层底部）特定厚度的土层这层土的温度在冻结过程中有相当长的时间为0ºC(S.Muller,1947)——具有“时间”和“空间”两种属性“零幕层”是由冻结过程中冰－水转化的冻结潜热释放所导致，活动层底部的含水量越大，“零幕层”越厚，持续时间越长冰冻圈与环境——冻土冰冻圈与环境——冻土讨论多年冻土、季节冻土、活动层的关系和差异？时间？空间？50100150200250300350JuliaDate-150-100-500Depth/m-20-10010050100150200250300350AT/ºC风火山－高寒草甸5月中9月中11月底10月初零幕层冰冻圈与环境——冻土•潜在融化（冻结）深度特定气候条件下，土壤（岩层）可能达到融化（冻结）的最大深度融化指数：融化温度积温冻结指数：冻结温度积温潜在融化深度潜在冻结深度－季节冻土潜在融化深度潜在冻结深度－多年冻土冰冻圈与环境——冻土•多年冻土上限（permafrosttable)–垂直剖面上多年冻土的顶面。大多是活动层底面。•多年冻土下限（permafrostbase/bottom)–垂直剖面上多年冻土的下界面（0ºC下届面）。•多年冻土下界（thelowerlimit(boundary)ofpermafrost)–高山多年冻土所能够分布的最低海拔高度•多年冻土南界（thesouthlimit(boundary)ofpermafrost)–高纬多年冻土所能够分布的最南界限（纬度）冰冻圈与环境——冻土-10-8-6-4-20246810051015202530西大滩30米孔（QTB01）多年冻土下限冰冻圈与环境——冻土冰川多年冻土多年冻土下界冰冻圈与环境——冻土•温度年变化深度地表下一定深度处，地温不随地表温度发生年内变化，这个深度就是温度年变化深度实际中一般把温度年变幅0.1ºC的深度作为温度年变化深度温度年变化深度冰冻圈与环境——冻土•地下冰：埋藏于地表下的任何一种冰体地下冰构造冰洞脉冰埋藏冰脉冰洞穴冰胶结冰分凝冰侵入冰脉状冰多边形脉冰热融洞穴冰喀斯特洞穴冰冰椎冰河、湖、海冰多年积雪冰川冰ШУМСКИЙ，п.А.共生型后生型埋藏型活动层夏季被融化冬季被冻结多年冻土温度低于0℃含有地下冰存在两年以上地下冰是多年冻土存在与否的必要条件2001年11月14日，青藏高原昆仑山口发生8.1级大地震，地震断裂带宽3米至5米，长约400公里北半球地下冰储量NorthernAlaska(Davis,2000)超出土壤最大持水量的地下冰总量：10800——35460km3相当与约2.7-8.8cm海平面变化的水当量(Zhangetal.,2000:PolarGeography).水资源地下冰的形成与融化气候系统工程稳定性其它……青藏高原多年冻土地下冰储量评估•资料来源：青藏公路沿线的钻孔剖面资料–1975～1978年：青藏铁路沿线综合调查铁道部第一勘测设计院、西北铁路科学研究所和中国科学院兰州冰川冻土研究所–1979～1984年：青藏公路改建勘察交通部西安第一公路勘测设计院中国科学院兰州冰川冻土研究所–1991～1995年：青藏公路第一、二期整治工程的勘测交通部西安第一公路勘测设计院中国科学院兰州冰川冻土研究所–其它零星调查青藏公路沿线冻土分布图青藏公路沿线典型多年冻土钻孔剖面含水量分布冻土分段•按照地形地貌和沉积物特征，对沿线划分了14个区020406080100120西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区区段长度（km）段内冻土长度（km）统计区段总长度：630km，多年冻土分布长度：440km多年冻土连续性：70%0102030405060708090西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区平均孔深（m）平均冻土厚度(m)钻孔数（个）020406080100西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区钻孔数（个）平均多年冻土厚度39m，最大多年冻土深度130m选用钻孔697个计算方法S：区段面积h：区段内平均冻土厚度rd：平均干容重ρ：地下冰的密度w和wu：土壤含水量和未冻水含量，按照区段平均值选取ρwwγhsIud)(×××=含水量样品数（个）050010001500西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区含水量样品数（个）共测定样品重量含水量9261个平均含水量（%）01020304050西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区合计/平均平均含水量（%）各区段多年冻土剖面平均含水量各区段多年冻土平均地下冰储量平均地下冰储量（106m3/km2)0.005.0010.0015.0020.00西大滩谷地昆仑山区楚玛尔河高平原可可西里山区北麓河盆地风火山区沱沱河盆地开心岭山区通天河盆地布曲河谷地唐古拉山区桃尔九山区捷布曲谷地安多以南岛状冻土区平均地下冰储量（106m3/km2)(×106m3/km2)青藏高原多年冻土分布图（据李树德等，1996）垂向上分段深度（m）重量含水量（%）每段冻土厚度（m）地下冰量（km3）据占比例（%）最小平均最大上限下1m内5.038.0188.01.006657.0上限下1～10m段6.819.6112.89.00265027.8上限下10m以下段5.015.795.228.79621365.2合计38.799528100.0青藏高原冻土区垂向上分段计算的地下冰储量问题与展望•勘探深度小于冻土厚度•有效冰量估算（土壤最大持水量的确定）•区域平均含水量的可信度•青藏公路之外地区地下冰特征•基岩中地下冰特征•青藏高原多年冻土面积–气候–地质因素–地表覆盖–地貌因素–水文因素–时间二、多年冻土的发育条件（影响因素）冰冻圈与环境——冻土G=Rn+q–H–LEG-q=Qc+QlG：地表土壤热流；Rn：净辐射；q：地热流；H：感热；LE：潜热：Qc：土壤热容；Ql：土壤相变热–地面辐射–气温–降水–日照–积雪大气候（全球性的气候分区）中气候（地区性气候）小气候（受微地貌影响的小气候）1.气候－主控因子冰冻圈与环境——冻土地面的能量收支状况决定了多年冻土的分布与否青藏高原年均气温分布（1961-2000）(Wuetal.,2006)(周幼吾等,2000)36702900-31504850-50004900-50004950-51004350-44004650-47004090-43204500?4400?3400-36002200?我国西部多年冻土分布下界海拔高度的空间差异2.地质因素地热：地热流q地质：土壤水热特征地形：辐射、水分、岩性二、多年冻土的发育条件（影响因素）冰冻圈与环境——冻土G=Rn+q–H–LEG-q=Qc+QlG：地表土壤热流；Rn：净辐射；q：地热流；H：感热；LE：潜热：Qc：土壤热容；Ql：土壤相变热活动层导热率的季节变化过程活动层热扩散系数的季节变化活动层容积热容量的季节变化活动层是多年冻土与大气间能水交换过程中的一个“可变热（水）阻”12/2/031/31/043/31/045/30/047/29/049/27/040.001.002.003.00conductivity(W.m-1.K-1)QT02QT01QT05QT0610/3/0412/2/041/31/054/1/055/31/057/30/059/28/050.001.002.003.00diffusivity(m2.s-1)QT02QT01QT05QT06×10**-610/3/0312/2/031/31/043/31/045/30/047/29/049/27/040.001.002.003.004.005.00capacity(J.m-3.K-1)QT02QT01QT05QT06×10**6亚砂土亚粘土4.0m含水量%含水量%亚粘土砾石土砾砂中砂孔深m柱状图1:1001.0m3.2m3.5m4.0m1.5m孔深m柱状图1:100龙木错北3龙木错北40246810121416-4.0-2.00.02.04.0深度/m温度/℃龙北3号孔龙北4号孔岩性特征对多年冻土的影响42254252431543654305430142574138400040504100415042004250430043504400NNEESESSWWNW坡向多年冻土下界海拔/ma.s.lLowerlimitofpermafrost/maslElevation/m温泉地区不同坡向的多年冻土下界3.地表覆被积雪：反照率、高热阻、消融耗热植被：遮阴性、蒸腾好热其他：人类覆被（建筑工程）二、多年冻土的发育条件（影响因素）冰冻圈与环境——冻土G=Rn+q–H–LEG-q=Qc+QlG：地表土壤热流；Rn：净辐射；q：地热流；H：感热；LE：潜热：Qc：土壤热容；Ql：土壤相变热S-slopeFlatplainAlpinenarrowflat-landandN-slopeElevation/mGTat10m/oC温泉地区10m深度地温与海拔的关系唐古拉站00.511234567891011121月份反照率Albedo唐古拉站05101520251234567891011121月份日最大积雪深度（cm）0.260.32地表反照率年变化过程地表反照率年变化过程2006年月地表反照率计算值和实测值的对比图206.0002.0)(356.0+−=aTNnαn/N相对旬积雪日数，Ta为旬平均气温–蒸发耗热–热学参数–地表植被水文地质条件水资源状况水文因素冰冻圈与环境——冻土湖泊对多年冻土的影响-湖泊南岸新藏公路湖泊对多年冻土的影响-湖泊南