气候暖湿化背景下风积沙覆盖对多年冻土的热物理效应及其机制研究

《Geoderma》：Multiple thermophysical effects of aeolian sand cover on permafrost under climate warming and wetting

本文针对气候变暖和降水增加背景下，风积沙覆盖对青藏高原多年冻土的热物理效应机制不清的问题，通过模型试验和水-热-汽耦合模型，揭示了不同厚度风积沙覆盖下，气候暖湿化通过改变地表能量平衡和土壤内部热传导与热对流过程，对下伏多年冻土产生的差异化影响。研究发现，薄沙层(<80 cm)下增湿的冷却效应与厚沙层(>80 cm)下增湿的增温效应形成鲜明对比，研究为理解多年冻土区地气耦合过程及预测冻土变化提供了新见解。

　　

被誉为“世界第三极”和“亚洲水塔”的青藏高原，广泛分布着对气候变化极为敏感的多年冻土。近年来，在气候变暖和降水增加（即“暖湿化”）的背景下，高原多年冻土正经历着显著的退化和 thawing，这不仅威胁着区域生态环境的稳定性，也对青藏铁路、公路等重大线性工程的安全运营构成了严峻挑战。除了气候变化这一全球性驱动因素外，高原内部强烈的风沙活动导致的沙地扩张（风积沙覆盖，Aeolian Sand Cover, ASC）作为重要的局地因子，深刻影响着下伏多年冻土的热状态。然而，风积沙覆盖如何调节气候暖湿化对多年冻土的热影响，其背后的热物理过程和水分-热量耦合机制尚不明确，限制了我们对高原多年冻土变化及其环境效应的准确预测。

为了揭示这一复杂过程，研究人员在《Geoderma》上发表论文，通过室内模型试验和耦合了地表能量平衡与土壤水热过程的水-热-汽数值模型，系统分析了在不同厚度风积沙覆盖下，气候变暖和降水增加对多年冻土热状况的影响及其机理。

研究团队主要运用了冻融循环模型试验来获取风积沙的基本水热参数，并开发了一个水-热-汽耦合数值模型。该模型的核心在于同时考虑了地表与大气之间的能量（如净辐射R_n、感热H_s、潜热L_wE）和水分交换，以及土壤内部的热传导（由热导率λ_p主导）和由水分入渗引起的热对流等多种物理过程。模型的下边界设置了恒定的热通量，并利用青藏高原腹地红梁河流域的现场监测数据对模型进行了验证，确保了其模拟的可靠性。

3.1. 气候暖湿化对多年冻土的热影响

研究发现，气候变暖普遍加剧了多年冻土的退化，但风积沙覆盖的厚度显著改变了这种影响的强度和方式。在较薄的风积沙覆盖（如20-60 cm）下，气候变暖主要通过增加地表净辐射和减少地表感热损失，从而增加了传入地下的热通量，主要以热传导的方式促进多年冻土升温和解冻。然而，当风积沙覆盖厚度增加至80 cm左右时，气候变暖对多年冻土热状态的加剧作用最弱，表现为活动层厚度（Permafrost table）下降幅度和年平均地温（MAGT, Mean Annual Ground Temperature）的升高幅度最小。当沙层进一步增厚（如100-160 cm）时，气候变暖通过延长土壤融化期，显著增加了水分入渗量，增强了由水流动引起的热对流效应，反而加速了热量向地下的输送，导致活动层厚度急剧下降和年平均地温快速上升。

3.2. 降水增加的差异化效应

降水增加对多年冻土的影响同样表现出对风积沙覆盖厚度的强烈依赖性。在薄沙层（60 cm）覆盖下，增加的降水更多地用于地表蒸发，消耗了大量的潜热（L_wE），从而减少了进入土壤的热量，对多年冻土产生冷却效应，一定程度上缓解了气候变暖带来的退化。相反，在厚沙层（160 cm）覆盖下，沙层具有较强的持水能力，增加的降水主要形成向下入渗的水流，增强了热对流作用，将更多地表热量带入地下，从而加剧了多年冻土的升温和解冻。研究还指出，厚沙层、气候变暖和高降水三者协同，会促使多年冻土中形成高温夹层，加速其向季节性冻土的转化。

3.3. 热传递过程的变化

对沙-土界面热通量的分析揭示了内在机理。在薄沙层下，年总热通量（H_tot）随降水增加而减少，主要归因于热传导（H_duc）的减弱。而在厚沙层下，尽管热传导分量减小，但由强烈入渗驱动的热对流（H_vec）分量显著增加，导致年总热通量不降反升，成为主导多年冻土增温的关键过程。

3.4. 地表能量平衡的调节

从地表能量平衡角度看，气候变暖导致净辐射（R_n）普遍增加。在薄沙层下，潜热蒸发（L_wE）的增加是抵消净辐射增温效应、导致地表热通量（G）减少的主要原因。在厚沙层下，由于水分下渗增多，地表蒸发受到抑制，潜热消耗减少，使得净辐射增加的能量更多地转化为地表热通量进入地下。

3.5. 多年冻土退化阶段的转变

研究还关注了多年冻土退化阶段的转变。在厚风积沙覆盖和气候变暖共同作用下，地温剖面曲线显示，低于0°C的等温线（如-0.10°C, -0.05°C）会变得不连续，出现高温区，指示着多年冻土从加速退化阶段向层状不衔接冻土（Layered Talik）阶段发展，最终可能迅速融化，转变为季节性冻土。

结论与意义

该研究阐明了在气候暖湿化背景下，风积沙覆盖厚度通过调控热传导与热对流的相对重要性，对下伏多年冻土产生“双刃剑”效应：薄覆盖时可能缓解退化，厚覆盖时则加速退化。这一发现强调了局地因素（如风积沙）在调节多年冻土对气候变化响应中的关键作用，挑战了仅考虑气候变暖的简化认知。研究建立的耦合模型和揭示的物理机制，为更精确模拟和预测青藏高原多年冻土的变化趋势及其对工程安全、水文生态的潜在影响提供了重要的理论依据和实践指导。特别是在高原沙漠化区域的基础设施稳定性评估和生态保护策略制定中，必须充分考虑风积沙覆盖的厚度及其水文特性。