多年冻土分布模型在青藏高原的应用研究

论文摘要

冻土作为冰冻圈的主要组成成分,在全球气候系统中的作用不可忽视,由于冻土分布广泛而且具有独特的水热特性,成为地球陆地表面过程的一个非常重要的因子。青藏高原是世界上中低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土区,它的存在及其气候变化对中国东部乃至东亚气候的形成、发展和变化都有重要的影响,被谓为气候变化的示警区或启动区。随着青藏高原人类活动增多,青藏铁路的全线通车,正确的评价青藏高原多年冻土分布是规划和解决冻土区实际工程问题的基础,也是生态环境建设和国民经济持续稳定发展的要求。由于青藏高原海拔高亢、面积广袤的特点,使用传统的区域冻土调查手段不易获取冻土数据。建立和发展冻土分布模型成为我们要查明青藏高原多年冻土分布状况的有效手段,目前国内外发展了许多冻土分布模型,但不是所有的模型都可以移植到青藏高原上,因此我们需要对冻土分布模型进行适用性评价。地表温度作为地表能量平衡的主要参数,是多年冻土数值模型和分布模型的上边界条件之一。传统通过布设观测站点获取地表温度的方法具有很大的空间局限性,往往不足以代表整个区域的情况。随着遥感技术的日趋成熟,利用遥感资料反演地表温度成为获得地表温度的重要途径,然而由于陆地表面的复杂性导致遥感数据反演过程中存在较大不确定性,影响遥感数据的应用。基于此,本论文首先利用MODIS地表温度反演产品,通过单点、区域、模型三个方面来验证MODIS地表温度产品在青藏高原冻土模拟中的适用性。单点验证中,通过69个气象站点观测的地表Ocm温度数据与所在位置的MODIS地表温度数据比较,两者在时间序列上的变化趋势基本一致,但是平均误差较大。在区域验证中,实测地表温度数据采用经纬度海拔回归方法和克里金插值地统计方法得到空间温度分布,与MODIS地表温度产品进行面状要素的时间序列比较,回归结果与MODIS地表温度产品在时间和空间上变化趋势是相似的,但也存在一定的差异；而地统计方法与回归方法相比则表现出更差的插值结果,与MODIS地表温度产品相比表现出较差的相关性和较大的平均误差。单点和区域验证都揭示两个数据集在暖季（5-8月）比冷季（9-4月）差异大,相关系数小。模型验证中,选用半经验半物理的TTOP（冻土顶板温度）模型,分别应用实测地表温度数据和MODIS地表温度产品模拟青藏高原多年冻土分布情况,与基于调查绘制的青藏高原冻土图比较。从面积统计以及Kappa系数计算结果可以看出,MODIS地表温度产品的模拟结果比实测数据的模拟结果更接近青藏高原冻土图。基于以上结果,结合MODIS地表温度数据,进一步讨论和比较了多年冻土顶板温度模型（TTOP）、冻结数模型、Kudryavtsev模型及年平均地温模型在青藏高原的应用,与基于调绘的青藏高原冻土图相比。结果显示：四个模型中,TTOP模型的模拟结果最好,其次冻结数模型、年平均地温模型、Kudryavtsev模型；MODIS地表温度产品比实测0cm地表温度能够较好的模拟青藏高原多年冻土分布状况,这与高原实测站点少且分布不均有很大关系；在同样输入实测数据即实测地表温度和实测地温数据的时候,年平均地温模型模拟结果最好,说明年平均地温可以作为冻土类型划分的可靠指标；分区计算Kappa系数结果显示,在藏北和高原腹地分布着大片连续多年冻土的区域,模拟结果较好,而在藏南、喜马拉雅山附近分布岛状不连续多年冻土的区域,模拟结果较差；对模拟结果按照海拔、地势起伏度分级后进行分类总体精度的计算表明,模拟结果符合高海拔多年冻土分布所具有的垂直地带性这一特征规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 冻土分布模型的研究进展
• 1.2.2 MODIS地表温度产品验证的研究进展
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 研究区及数据准备
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 地貌特征
• 2.1.2 气候条件
• 2.1.3 水系特征
• 2.1.4 自然景观
• 2.2 数据准备
• 2.2.1 MODIS地表温度产品
• 2.2.2 实测地表0cm温度数据
• 第三章 MODIS地表温度产品的适用性评价
• 3.1 验证方法
• 3.1.1 单点验证
• 3.1.2 区域验证
• 3.1.3 模型验证
• 3.2 验证结果
• 3.2.1 单点验证
• 3.2.2 区域验证
• 3.3 模型验证
• 3.3.1 TTOP模型的应用以及比较
• 3.3.2 相似性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 模型应用及结果分析
• 4.1 模型介绍
• 4.1.1 地面冻结数模型
• 4.1.2 Kudryavtsev模型
• 4.1.3 年平均地温模型
• 4.2 比较内容与方法
• 4.3 模拟结果及比较
• 4.3.1 地面冻结数模型
• 4.3.2 Kudryavtsev模型
• 4.3.3 年平均地温模型
• 4.4 结论与分析
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间参与科研项目与论文发表情况
• 攻读硕士期间文章发表情况
• 致谢