利用鉆孔溫度梯度重建過去地表溫度變化研究.pdf

1、對過去氣候變化的研究有助于我們理解現(xiàn)在氣候變化和預測未來氣候。作為地球“第三極”的青藏高原，具有獨特的地理位置和熱力系統(tǒng)，并對氣候變化非常敏感。了解青藏高原過去氣候變化歷史、變化特征，對于準確評估目前氣候變化與預測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資料觀測時間短，觀測站點少且覆蓋不均，因此僅靠氣象觀測不足以讓我們了解青藏高原長時間尺度的氣候變化。過去地表溫度變化的氣候信息可通過分析近期觀測的鉆孔溫度剖面進行重建。

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)，地溫熱傳遞主要以熱傳導方式進行，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，具有更強的物理意義。本文利用青藏高原多個鉆孔溫度剖面和地熱梯度，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)部熱流通過地熱梯度影響地溫形成穩(wěn)態(tài)溫度，在此基礎(chǔ)上地表溫度變化以熱傳導方式向地下傳播使

3、穩(wěn)態(tài)地溫發(fā)生擾動而產(chǎn)生偏離，偏離穩(wěn)態(tài)溫度的這部分地溫作為瞬時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，進而利用一維熱傳導模型分析瞬時溫度剖面，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，而十年或更長時期的溫度變化（“古氣候信號”）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。
　　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，地溫如何響應地表溫度變化。對于簡單一次氣候變化情形，根據(jù)一維熱傳導模型，對于不同類型地表溫度變化地下溫度場具有顯式的解析解。對于多年凍土區(qū)域熱傳導且考慮相變的復雜過程，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。控制體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。計算

5、時考慮未凍水含量及相變潛熱，并隨時間重新計算各深度熱物理參數(shù)進而準確計算地溫變化。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熱參數(shù)、地溫的影響。
　　基于對正問題的理解，本文對鉆孔溫度重建過去地表溫度變化的反問題提出改進的Tikhonov方法。基于過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。本文利用兩個數(shù)值例子模擬地表升溫和復雜氣候事件來驗證方法有效性以及與奇異值分解方法相比的改進效果。由于鉆孔溫度觀測具有無法避免的觀測誤差，我們對模擬的地溫剖面添加隨機擾動誤差來模擬觀測誤差。利用擾動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證方法有效性。兩個實驗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，并且改進方

7、法可成功壓制噪音導致的不穩(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誤差影響無法直接求解。利用 Tikhonov正則化和廣義交叉核實方法選取正則化參數(shù)求解待定參數(shù)，進而同時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，并且對模擬鉆孔溫度剖面添加不同水平隨機誤差擾動后仍能有效降低誤差擾動帶來的不適定性，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，最大的求解難點在于觀測誤差導致的結(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。本文綜合比較應用較廣泛的泛函空間反演（FSI）、奇異值分解方法（SVD）、改進的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）復雜周期變化，并在模擬例子中添加不同水平模擬觀測誤差。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，僅在氣候時間和溫度幅度上有細微差別。方法的有效性是依賴于地表溫度變化類型的?；窘夥椒ǜm用于重建周期變化和復雜周期變化信號。對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仍能重建地表溫度變化趨勢，但對初

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)鉆孔溫度剖面對各研究點進行過去地表溫度變化的單點重建研究，利用鉆孔溫度方法反演得到不同時間區(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致進入多年凍土的長期凈熱流約為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鉆孔地熱梯度為2.25℃/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。五道梁氣象觀測站的氣溫觀測結(jié)果驗證了Tikhonov方法重建2008年至201

13、2年間的地表溫度波動，且在時間重合階段氣溫和重建的地表溫度具有相同趨勢。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，具體升溫時間和幅度略有差別。根據(jù)五道梁觀測站的氣溫觀測數(shù)據(jù)對比表明，Tikhonov方法重建的地表溫度更可靠。5）柴達木盆地7個鉆孔（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。最冷時期發(fā)生在1780至1790年間，當時的地表溫度為5.4℃。在19世紀和20世紀間，重建的地表溫度具有升溫趨勢，且在20世紀末達到最高值，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證，細節(jié)溫度特征得到代用指標結(jié)果驗證。
　　基于鉆孔溫度方法