利用鉆孔溫度梯度重建過去地表溫度變化研究.pdf

1、對(duì)過去氣候變化的研究有助于我們理解現(xiàn)在氣候變化和預(yù)測(cè)未來氣候。作為地球“第三極”的青藏高原，具有獨(dú)特的地理位置和熱力系統(tǒng)，并對(duì)氣候變化非常敏感。了解青藏高原過去氣候變化歷史、變化特征，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估目前氣候變化與預(yù)測(cè)未來青藏高原氣候變化提供了重要依據(jù)。然而青藏高原的氣象觀測(cè)資料觀測(cè)時(shí)間短，觀測(cè)站點(diǎn)少且覆蓋不均，因此僅靠氣象觀測(cè)不足以讓我們了解青藏高原長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化。過去地表溫度變化的氣候信息可通過分析近期觀測(cè)的鉆孔溫度剖面進(jìn)行重建。

2、青藏高原作為多年凍土大區(qū)，多年凍土內(nèi)部土壤凍結(jié)，地溫?zé)醾鬟f主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，適宜利用鉆孔溫度方法的開展。鉆孔溫度方法較其他代用指標(biāo)方法是基于地溫剖面和地表溫度變化的物理聯(lián)系之上的，具有更強(qiáng)的物理意義。本文利用青藏高原多個(gè)鉆孔溫度剖面和地?zé)崽荻?，重建青藏高原不同地區(qū)過去地表溫度變化歷史。
　　地溫垂直溫度剖面受地中熱流和地表溫度變化影響。地球內(nèi)部熱流通過地?zé)崽荻扔绊懙販匦纬煞€(wěn)態(tài)溫度，在此基礎(chǔ)上地表溫度變化以熱傳導(dǎo)方式向地下傳播使

3、穩(wěn)態(tài)地溫發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生偏離，偏離穩(wěn)態(tài)溫度的這部分地溫作為瞬時(shí)溫度記錄了過去地表溫度變化的信息。鉆孔溫度方法利用近期觀測(cè)到的鉆孔溫度剖面，根據(jù)地溫梯度分離出穩(wěn)態(tài)溫度，進(jìn)而利用一維熱傳導(dǎo)模型分析瞬時(shí)溫度剖面，重建過去地表溫度變化。由于年際地表溫度變化隨深度明顯衰減，而十年或更長(zhǎng)時(shí)期的溫度變化（“古氣候信號(hào)”）向多年凍土更深處傳播，多年凍土溫度分布是氣候變化和地表能量平衡長(zhǎng)期變化的敏感指示。陸地作為天然的氣候低通濾波器，使得多年凍土區(qū)的地溫剖

4、面可用來重建過去地表溫度低頻變化趨勢(shì)。
　　在研究鉆孔溫度重建過去地表溫度變化的反問題之前，首先需要理解正向問題，地溫如何響應(yīng)地表溫度變化。對(duì)于簡(jiǎn)單一次氣候變化情形，根據(jù)一維熱傳導(dǎo)模型，對(duì)于不同類型地表溫度變化地下溫度場(chǎng)具有顯式的解析解。對(duì)于多年凍土區(qū)域熱傳導(dǎo)且考慮相變的復(fù)雜過程，僅能通過數(shù)值方法求解。本文利用控制體積方法數(shù)值模擬多年凍土地溫相變問題?？刂企w積方法在離散程度上介于有限差分和有限元方法之間，具有更直接的物理解釋。計(jì)算

5、時(shí)考慮未凍水含量及相變潛熱，并隨時(shí)間重新計(jì)算各深度熱物理參數(shù)進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算地溫變化。通過地表周期變化情形闡明控制體積方法數(shù)值模擬多年凍土相變問題的過程及未凍水含量對(duì)熱參數(shù)、地溫的影響。
　　基于對(duì)正問題的理解，本文對(duì)鉆孔溫度重建過去地表溫度變化的反問題提出改進(jìn)的Tikhonov方法?；谶^去地表溫度變化和近期鉆孔地溫剖面間的物理聯(lián)系，在對(duì)問題參數(shù)化后我們利用Tikhonov正則化方法來重建過去地表氣候變化。此方法是基于奇異值分解（S

6、VD）方法之上的，具有相同的參數(shù)化，都將問題轉(zhuǎn)化為求解不適定的矩陣方程。本文利用兩個(gè)數(shù)值例子模擬地表升溫和復(fù)雜氣候事件來驗(yàn)證方法有效性以及與奇異值分解方法相比的改進(jìn)效果。由于鉆孔溫度觀測(cè)具有無法避免的觀測(cè)誤差，我們對(duì)模擬的地溫剖面添加隨機(jī)擾動(dòng)誤差來模擬觀測(cè)誤差。利用擾動(dòng)的地溫剖面重建地表溫度變化并與假設(shè)的地溫剖面比較從而驗(yàn)證方法有效性。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)例子中重建的地表溫度及相關(guān)不確定性分析表明Tikhonov方法可較好地重建地表溫度，并且改進(jìn)方

7、法可成功壓制噪音導(dǎo)致的不穩(wěn)定性得到更平滑的地表溫度變化。通過比較地表溫度誤差可選出更適合 Tikhonov正則化的正則化參數(shù)選取方法。此外，本文利用 Tikhonov方法分析了鉆孔溫度方法的求解能力，可更好地理解重建的地表溫度。
　　鉆孔溫度重建地表溫度變化的結(jié)果是依賴于所選取的反演方法，我們基于熱傳導(dǎo)方程反邊界值問題給出創(chuàng)新的基本解方法。基本解方法根據(jù)熱傳導(dǎo)方程的基本解將問題參數(shù)化之后轉(zhuǎn)化為待定線性系統(tǒng)，由于反問題的不適定性，此

8、方程組受鉆孔溫度觀測(cè)誤差影響無法直接求解。利用 Tikhonov正則化和廣義交叉核實(shí)方法選取正則化參數(shù)求解待定參數(shù)，進(jìn)而同時(shí)重建地表溫度變化和地表溫度熱流變化。數(shù)值模擬例子表明基本解方法是可行且穩(wěn)定的，并且對(duì)模擬鉆孔溫度剖面添加不同水平隨機(jī)誤差擾動(dòng)后仍能有效降低誤差擾動(dòng)帶來的不適定性，得到精確的地表溫度變化。
　　利用鉆孔溫度重建地表溫度變化與其他地球物理反問題相同，最大的求解難點(diǎn)在于觀測(cè)誤差導(dǎo)致的結(jié)果不穩(wěn)定性。由于不同方法采用不

9、同的參數(shù)化和優(yōu)化方法，因此鉆孔溫度問題的結(jié)果依賴于所選取的方法。本文綜合比較應(yīng)用較廣泛的泛函空間反演（FSI）、奇異值分解方法（SVD）、改進(jìn)的Tikhonov方法以及創(chuàng)新的基本解方法（MFS）。通過五類不同類型地表溫度變化的模擬例子來比較各方法數(shù)值結(jié)果：（1）階梯變化；（2）線性升溫；（3）光滑線性升溫；（4）周期變化；（5）復(fù)雜周期變化，并在模擬例子中添加不同水平模擬觀測(cè)誤差。重建的地表溫度結(jié)果比較表明，在鉆孔溫度剖面具有較小誤差擾

10、動(dòng)下，所有方法均能給出較精確的地表溫度變化重建結(jié)果。盡管四種方法具有不同的參數(shù)化方式和正則化方法選取，重建地表溫度變化具有相似結(jié)果，僅在氣候時(shí)間和溫度幅度上有細(xì)微差別。方法的有效性是依賴于地表溫度變化類型的。基本解方法更適用于重建周期變化和復(fù)雜周期變化信號(hào)。對(duì)于其他類型地表溫度變化，Tikhonov方法在較小鉆孔溫度誤差0.001℃和0.01℃情形下，結(jié)果最精確。泛函空間反演方法較在鉆孔溫度剖面誤差較大時(shí)仍能重建地表溫度變化趨勢(shì)，但對(duì)初

11、始地表溫度重建較其他方法相比有較大誤差。并且泛函空間反演在重建近期地表溫度變化時(shí)具有更高分辨率，更精確。
　　基于鉆孔溫度方法研究，本文根據(jù)青藏高原不同地區(qū)鉆孔溫度剖面對(duì)各研究點(diǎn)進(jìn)行過去地表溫度變化的單點(diǎn)重建研究，利用鉆孔溫度方法反演得到不同時(shí)間區(qū)間古氣候信息：1）黑河上游100米鉆孔PT1鉆孔由于氣候變暖導(dǎo)致進(jìn)入多年凍土的長(zhǎng)期凈熱流約為0.014 Wm-2，深處穩(wěn)態(tài)熱流約0.0247 Wm-2。PT1鉆孔1952年至2012年地

12、表溫度由-2.7℃線性升高約0.5至0.65℃；2）黑河上游150米鉆孔PT9鉆孔地?zé)崽荻葹?.25℃/100m，1895年至2015年地表溫度由-2.3℃升溫至-1.5℃；3）奇異值分解方法和Tikhonov方法根據(jù)五道梁120米鉆孔溫度剖面重建地表溫度結(jié)果表明在過去1930年至2013年間地表溫度升溫1.8(±0.2)℃，且劇烈升溫過程開始于1980年代。五道梁氣象觀測(cè)站的氣溫觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了Tikhonov方法重建2008年至201

13、2年間的地表溫度波動(dòng)，且在時(shí)間重合階段氣溫和重建的地表溫度具有相同趨勢(shì)。4）根據(jù)昆侖山鉆孔220米鉆孔溫度剖面，奇異值分解方法和 Tikhonov方法重建地表溫度結(jié)果表明，1700年至2013年地表溫度由-6.5(±0.8)℃升高至-2.8(±0.2)℃。兩方法重建的地表溫度變化具有相同趨勢(shì)，具體升溫時(shí)間和幅度略有差別。根據(jù)五道梁觀測(cè)站的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，Tikhonov方法重建的地表溫度更可靠。5）柴達(dá)木盆地7個(gè)鉆孔（最大深度22

14、0米至400米）溫度反演表明此區(qū)域過去514年地表溫度由6.1℃升高了1.2℃(-0.11~2.21℃)，并表現(xiàn)出1500年至1900年間的小冰期寒冷信號(hào)。最冷時(shí)期發(fā)生在1780至1790年間，當(dāng)時(shí)的地表溫度為5.4℃。在19世紀(jì)和20世紀(jì)間，重建的地表溫度具有升溫趨勢(shì)，且在20世紀(jì)末達(dá)到最高值，隨后開始降溫。重建的地表溫度變化幅度已由EdGCM模式模擬的地表平均氣溫所驗(yàn)證，細(xì)節(jié)溫度特征得到代用指標(biāo)結(jié)果驗(yàn)證。
　　基于鉆孔溫度方法