通过基于相变的热测量方法解析土壤在冻融过程中的表面能量交换

《Scientific Reports》：Resolving freeze-thaw surface energy exchange in soils through phase-dependent thermal measurements

　　

摘要

表面能量交换调节着永久冻土的稳定性以及寒冷地区的气候反馈，然而控制冻结-解冻过程的关键热参数仍然知之甚少。特别是，土壤的发射率和导热性常常被视作静态或一维的属性，尽管在冻结和解冻过程中这些属性会发生显著的相变依赖性变化。在本研究中，我们通过实验分析了在-15°C至20°C的温度范围内，不同饱和度、有机质含量和盐度条件下，以沙土、粉土和粘土为主的土壤中表面发射率、热导率、体积热容和导热通量的耦合演变过程。冻结状态的土壤比解冻状态的土壤具有更低的发射率，并且在相变过程中表现出明显的非线性变化。由于冰的作用增强了颗粒间的接触，冻结状态下的热导率显著增加；而潜热效应在0°C附近导致体积热容出现明显的峰值。通过明确量化垂直和横向的导热分量，我们发现忽略横向导热通量可能会导致总导热能量传递的估计值偏低，最高可达31.65%。这些结果为陆地表面和永久冻土模型提供了基于物理规律的、具有相变特性的参数化描述，从而减少了在热力学敏感温度范围内红外表面温度反演的不确定性。我们的发现建立了一个机制框架，将相变、辐射特性和多维热传递过程联系起来，适用于寒冷地区的土壤。