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A paper on evaluation of some simple permafrost models on QTP

Zhao S, Nan Z*, Huang Y, Zhao L. The application and evaluation of simple permafrost distribution models on the Qinghai-Tibet Plateau. Permafrost and Periglacial Processes. 2017, 28(2): 391-404. DOI:10.1002/ppp.1939.

ABSTRACT

The performance of simple permafrost distribution models widely used on the Qinghai–Tibet Plateau (QTP) has not been fully evaluated. In this study, two empirical models (the elevation model and mean annual ground temperature model) and three semi-physical models (the surface frost number model, the temperature at the top of permafrost model and the Kudryavtsev model) were investigated. The simulation results from the models were compared to each other and validated against existing permafrost maps of the entire QTP and in three representative areas investigated in the field. The models generally overestimated permafrost distribution in the investigated areas, but they captured the broad characteristics of permafrost distribution on the entire QTP, and performed best in areas with colder, continuous permafrost. Large variations in performance occurred at elevations of 3800–4500 m asl and in areas with thermally unstable permafrost. The two empirical models performed best in areas where permafrost is strongly controlled by elevation, such as eastern QTP. In contrast, the three semi-physical models were better in southern island permafrost areas with relatively flat terrain, where local factors considerably impact the distribution of permafrost. Model performance could be enhanced by explicitly considering the effects of elevation zones and regional conditions.

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一篇冻土建模的中文论文

马启民,黄滢冰,南卓铜*,吴小波. 青藏高原典型多年冻土区的一维水热过程模拟研究. 冰川冻土. 2016, 38(2): 341-350.

摘要:

了解多年冻土内部的水热过程对寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义。冻土的水分迁移与温度变化密切相关,然而传统的经验模型局限性大,对水热物理过程考虑不足;陆面过程模型所需的驱动数据多且很难准确模拟深层土温,尽管数值模型在工程上应用的比较多,但很少应用到冻土的演化过程中。基于非饱和土壤渗流和热传导理论,实现了冻土水分场与温度场的水热耦合数值模拟。以唐古拉综合观测场为例,将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证水热耦合数值模拟的有效性。结果表明:模型对土壤温度模拟效果较好,15 m以上R2在0.88以上,RMSE在1℃以内;水分模拟尚可,但仍存在一定误差,R2在0.7以上,RMSE在7.65%以内。模拟的活动层厚度约3.6 m,年平均地温所在的深度约为15 m,与实测值基本一致。该水热耦合模型可用于研究多年冻土区土壤水热变化规律.

下载 (pdf, ~10.8 MB): mqm.et al. bcdt.2016

两篇与数据有关的中文论文

1. 吴立宗, 南卓铜, 王亮绪, 2014. 科学数据出版—促进数据共享的一种新模式. 中国科技资源导刊, (5): 72-78.

2. 史健宗, 南卓铜*, 赵林, 2014. 多年冻土元数据标准研究和应用. 遥感技术与应用, 29(5): 878-885

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吴立宗等,2014

史健宗等,2014

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吴立宗等,2014

史健宗等,2014

2个冻土论文

[1] Huang P, Nan Z, Zhao L.Permafrost distribution simulation over the Qinghai-Tibet plateau with the extended surface frost number model[C]//Research Monograph of Cold and Arid Regions Engineering and Environment: A Collection of the Papers Dedicated to the 70th Birthday of Academician CHENG Guodong.Lanzhou:Lanzhou University Press,2012:240—252.[黄培培,南卓铜,赵林.利用扩展的地面冻结数模型模拟青藏高原冻土分布[C]//寒旱区工程与环境研究——程国栋院士七十华诞学术研讨会文集.兰州:兰州大学出版社,2012:240—252.]
[2] Li X, Ran Y, Nan Z, et al.A Frozen Ground Distribution Map of China by Integrating Existing Permafrost Maps and Modeling Results[C]//Research Monograph of Cold and Arid Regions Engineering and Environment: A Collection of the Papers Dedicated to the 70th Birthday of Academician CHENG Guodong.Lanzhou:Lanzhou University Press,2012:229—239.[李新,冉有华,南卓铜,等.一个融合了我国现有冻土图和模型模拟结果的中国冻土分布图[C]//寒旱区工程与环境研究——程国栋院士七十华诞学术研讨会文集.兰州:兰州大学出版社,2012:229—239.]

frostnum_qtp (pdf)

lixin_perm.pdf (pdf)

叶城阿里区域的冻土分布图

根据科技部基础调查项目的西昆仑、改则两个调查区的野外调查数据,分别用冻土下限—高程关系和扩展的冻结数模型做了叶城—阿里区域的多年冻土分布图,因为扩展的冻结数模型是根据两个调查区进行了参数率定,从结果上看好像更合理一些,因此采用这个图。

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图件用了250m的MODIS LST,90m STRM DEM数据,出图比例尺是1:170万(实际上可以做到100万,但因为是做到A1幅面上了,最大只能放到170万)。

我估计这应该是这区域目前最精确的冻土分布图了。图件提交给某给水部队作为该区找水打井之用。

打井也不容易

上午银川某部队水文勘测的M总和W工过来找我们。他们要给叶城—阿里区域边防驻地解决用水问题,通俗的讲就是打个水井。但因为在冻土区可能面临的问题他们没有经验,要求我们给提供一些有关冻土分布、厚度等资料以及冻土对地下水资源影响的有关专家经验。谈话里讲到冻土区打井可能遇到的一些问题,感觉很有意思并且深受启发,有机会可以在这方面深入做一些工作。

比如在多年冻土区打水井,一般需要取冻土层下承压层的地下水,那么如果打穿的话,水在压力作用下会上涌,区别于非冻土区,经过一段时间井里的水可能会结冰,那么井就废了。怎么解决这个问题? 在井下增加加温装置可能不大实用,边防驻地没有大功率发电机,而且费用不菲。一个可能的方案是水冻结前,使用水泵再抽一次水,利用地下水本身的正温防止水井冻结。然而这里还有问题,多长时间抽一次呢? 可能需要做一些实验建一些模型进行计算,得到合理的一个时间间隔。

这些实际的工程需求平时都没有注意到。埋首实验室辛苦工作的同时,如果能结合一些实际需求做一些工作也是很有意思的。