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青藏高原中东部表层土壤中累积了大量的有机质,导致其土壤具有与一般矿质土壤截然不同的水热性质,并且引起了明显的土壤垂直分层(图1),因此需要在陆面过程模型中正确描述。尽管已有的个别土壤水力参数化方案考虑了有机质的影响,但它们在青藏高原陆面过程的模拟中表现不佳。

1 上图是青藏高原土壤有机质含量的空间分布;下图显示土壤因有机质含量高而出现明显的垂直分层特征。

基于以上动机,清华大学地学系阳坤教授研究组揭示了青藏高原有机质对土壤水热过程及地表能量收支的影响,改进了陆面过程模拟。相关研究以“Influence of organic matter on soil hydrothermal processes in the Tibetan Plateau: Observation and parameterization”为题,发表于水文气象主流期刊Journal of Hydrometeorology

该研究通过大量测量青藏高原中部那曲地区的土壤质地、有机质含量、土壤持水曲线、饱和导水率和土壤水分/温度等数据,分析了土壤有机质(SOM)的水力特性。研究发现,青藏高原土壤中有机质的持水能力远远高于以往文献中给出的数值,并且饱和导水率也比已有方案中使用值要小。为此,研究在陆面模型Noah-MP中引入了基于观测的土壤水热性质参数化方案。数值实验结果表明,在表层SOM含量较高的站点,新方案明显提高了模型对表层土壤液态含水量的模拟能力(图2)。同时,对Noah-MP的进一步应用表明,在暖季,SOM的高持水能力可以增加土壤水含量(图3a),其低热传导系数使得热量难以下传,导致次表层土壤温度下降(图3b)。尽管土壤水含量增加,但土壤孔隙度增加更快,使得土壤湿度下降,从而降低了蒸发量(图3c),增加了感热通量(图3d)。在冷季(14月和1112月),土壤水分冻结,地表水汽交换过程减弱,但SOM使得热传导系数降低,弱化了表层和次表层的热量交换,表面能量损失使得表层土壤温度下降更多。值得指出的是,既往的研究为了模拟好高有机质土壤的水分含量,引入了植被根系分泌粘液影响土壤水文性质的过程和相关参数,使得模型更为复杂。该研究提出的参数化方案避免了改变模型结构和增加新参数。

2 Noah-MP中使用已有方案(模型缺省方案、可选方案SR06LS08)和新方案对高有机质表层土壤液态含水量的模拟结果。

3 有机质对土壤水热过程及地表能量收支的影响。高有机质土壤多年平均(20112017)模拟结果的差异(考虑有机质—不考虑有机质)表明,有机质使得(a)土壤液态含水量增加,(b)土壤温度降低,(c)潜热通量减小,(d)感热通量增加。

清华大学地学系博士生孙静为论文第一作者,地学系阳坤教授和中科院青藏所陈莹莹副研究员为论文共同通讯作者,清华大学地学系卢麾副教授、西南大学地科院赵龙副教授和中科院青藏所郑东海研究员参与了该项工作。该研究得到了国家重点研发计划项目(编号2018YFA0605400)、国家自然科学基金委基础科学中心(编号41988101)以及面上项目(编号41975125)的支持。

文章信息:Sun, J., Y. Chen, K. Yang, H. Lu, L. Zhao, and D. Zheng, 2021: Influence of organic matter on soil hydrothermal processes in the Tibetan Plateau: Observation and parameterization. J. Hydrometeor., 22(10), 2659-2674, doi: 10.1175/JHM-D-21-0059.1.

论文链接:https://journals.ametsoc.org/view/journals/hydr/aop/JHM-D-21-0059.1/JHM-D-21-0059.1.xml

供稿:阳坤 孙静

编辑:王佳音

审核:武海平

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