基于COUPMODEL模型的冻融土壤水热耦合模拟研究

doi:10.13249/j.cnki.sgs.2013.03.356

地理科学 ›› 2013, Vol. 33 ›› Issue (3): 356-362.doi: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.03.356

基于COUPMODEL模型的冻融土壤水热耦合模拟研究

胡国杰(), 赵林, 李韧, 吴通华, 肖瑶, 焦克勤, 乔永平, 焦永亮

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, 甘肃兰州 730000

收稿日期:2012-06-08 修回日期:2012-08-11 出版日期:2013-03-20 发布日期:2013-01-31
作者简介:
作者简介：胡国杰(1987-),男,甘肃武威人,博士研究生,主要从事冻土水热耦合及陆面过程模式研究。E-mail：huguojie123@126.com
基金资助:
国家自然科学基金项目（40830533,41271081,40871037,40901042,41271086）、中国科学院“百人计划”项目（51Y251571）、冰冻圈科学国家重点实验室自主课题（ SKLCS-ZZ-2010-03）资助

The Water-thermal Characteristics of Frozen Soil Under Freeze-thaw Based on CoupModel

Guo-jie HU(), Lin ZHAO, Ren LI, Tong-hua WU, Yao XIAO, Ke-qin JIAO, Yong-ping QIAO, Yong-liang JIAO

Cryosphere Research Station on Qinghai-Xizang Plateau,Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Cryospheric Sciences,Lanzhou, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, Gansu 730000, China

Received:2012-06-08 Revised:2012-08-11 Online:2013-03-20 Published:2013-01-31

摘要/Abstract

摘要：

利用COUPMODEL 模型,对唐古拉研究区活动层土壤的水热特征进行模拟,与观测结果进行对比发现,在活动层土壤温度方面,COUPMODEL模型的模拟结果R²>0.94,其平均值为0.98,均方根误差较小,模拟效果较理想;在活动层水分特征方面,模拟结果存在一定偏差,R²介于0.88~0.93之间,平均值0.90,均方根误差平均值4.24,基本反映了高海拔多年冻土区活动层水热变化;在土壤热通量方面,0~20 cm土壤热通量的模拟结果与观测值基本一致;模型模拟的冻结深度在3 m左右,接近观测值,COUPMODEL模型可用于多年冻土区活动层土壤水热变化规律研究。

关键词: COUPMODEL模型, 土壤温度, 土壤水分, 多年冻土

Abstract:

To study the water-heat characteristics of soil in the active layer in high altitude permafrost regions and to examine the interaction between soil and moisture under freeze-thaw cycles, a physical process by the CoupModel was used to simulate the soil temperature and moisture in the active layer, using the meteorological, the soil thermal and the moisture data on different depths in the active layer at the Tanggula test site. Comparisons between simulated and monitored data in situ showed that: 1) for soil temperature in the active layer, the simulated results fit well with the monitored, and the determination coefficient (R²) is more than 0.94 with the mean value of 0.98 while mean square deviation is relatively small, implying the CoupModel could successfully simulate the soil temperatures. 2) For soil moisture, results generally reflect water content variation in the active layer with R² ranging from 0.88 to 0.93, the mean is 0.90 and the mean square deviation is 4.24, indicating a bit poor accuracy compared to soil temperature. 3) As to the heat flux of soil within the depth of 0-20 cm, results simulated is consistent with the monitored. The simulation accuracy is improved with depths, which may be related to the depth from the natural ground surface. The frozen depth is about 3.0 m, which is close to the observed data. It is concluded that the CoupModel can be well applied to study soil water-heat characteristics of the active layer in permafrost regions with higher elevations in Qinghai-Tibet Plateau.

Key words: CoupModel, soil temperature, soil water content, permafrost

中图分类号:

P642.14

胡国杰, 赵林, 李韧, 吴通华, 肖瑶, 焦克勤, 乔永平, 焦永亮. 基于COUPMODEL模型的冻融土壤水热耦合模拟研究[J]. 地理科学, 2013, 33(3): 356-362.

Guo-jie HU, Lin ZHAO, Ren LI, Tong-hua WU, Yao XIAO, Ke-qin JIAO, Yong-ping QIAO, Yong-liang JIAO. The Water-thermal Characteristics of Frozen Soil Under Freeze-thaw Based on CoupModel[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2013, 33(3): 356-362.

图/表 9

表1

表2

图1

表3

表4

图2

图3

图4

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参考文献 24

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项目		仪器	架设/埋设位置
活动层土壤	温度	105T 热电偶温度传感器	2、5、10、20、50、70、90、105、
	温度	105T 热电偶温度传感器	140、175、210、245、280、300 cm
	热通量	HFP01SC 自标定热通量板	5、10、20 cm
	湿度	Hydra 土壤湿度传感器	35、70、105、140、175、
	湿度	Hydra 土壤湿度传感器	210、245、280、300 cm
气象站	辐射	CNR-1/Kipp&Zonen Net Radiometer	2 m
	温度	HMP45C温度/相对湿度传感器	2、5、10 m
	相对湿度	HMP45C温度/相对湿度传感器	2、5、10 m
	表层土壤湿度	CS616L/Water Content Reflectometer	5、10、20cm

土壤深度(cm)	沙粒(%)	粉粒(%)	粘土(%)	土壤深度(cm)	沙粒(%)	粉粒(%)	粘土(%)
0~2	85	10	5	29~49	85	10	5
2~5	85	10	5	49~83	85	10	5
5~9	75	18	7	83~138	95	3	2
9~17	70	18	12	138~230	90	5	5
17~29	65	22	13	230~380	68	20	12

深度（cm）	0	2	5	10	20
相关系数	1	0.99	0.99	0.99	0.99
RMSE	0.39	1.00	0.96	0.96	0.91
深度（cm）	50	70	90	105	140
相关系数	0.99	0.99	1.00	0.99	0.97
RMSE	0.95	0.54	0.55	1.13	1.56
深度（cm）	175	210	245	280	300
相关系数	0.97	0.96	0.94	0.97	0.98
RMSE	1.43	1.38	1.28	0.86	0.62

深度（cm）	5	10	20	70	105	140
相关系数	0.88	0.91	0.93	0.90	0.89	0.88
RMSE	5.42	5.58	6.92	2.19	2.07	5.42
深度（cm）	175	210	245	280	300	-
相关系数	0.91	0.93	0.89	0.90	0.89	-
RMSE	5.58	6.92	2.24	2.19	2.07	-

基于COUPMODEL模型的冻融土壤水热耦合模拟研究

The Water-thermal Characteristics of Frozen Soil Under Freeze-thaw Based on CoupModel

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