青藏高原是我国主要大江大河的发源地，约占中国国土面积的四分之一，多年冻土约占高原总面积的2/3，是冰冻圈的重要组成部分。由于其特殊的水文特征，在寒区生态环境、水文及气候系统中起着极其重要的作用。在全球变暖的背景下，冻土退化的现象已十分显著，而这种退势必通过引起青藏高原地表能量和水分循环过程的改变。因此，通过模型模拟研究冻土水热过程，探讨冻土水热耦合机理及冻土变化对地表能水交换过程的影响已经成为冰冻圈科学研究的核心环节之一。这不仅可以解释多年冻土退化的动态过程及理论机制，还可为全球变暖背景下多年冻土水热耦合变化关系对气候的反馈作用研究奠定理论基础。近年来，各类模式的发展均取得了显著进展，但比较而言，目前常见的模型在青藏高原地区尤其是多年冻土区的应用存在着许多诸多问题。本文利用中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站布设在唐古拉多年冻土区综合观测场的观测数据，分析了多年冻土活动层冻融期间水热动态变化的特征;在综合评估COUPMODEL模型在本研究区的适用性和模拟能力的基础上，对模式的模拟深度进行了扩展，取得了较好的模拟效果。之后，利用模型对水分迁移和能量输运过程进行了研究，探讨了青藏高原多年冻土水热过程与气候变化之间的关系以及近四十年来活动层的变化过程。本研究主要内容包括：　　⑴在整个冻融期间气温与土壤温度的变化趋势一致。浅层10-70cm土壤温度分布变化呈现出较高的一致性，同样在90cm以下深度土层中，土壤温度分布变化也呈现出较高的一致性。土壤温度振幅的变化和土壤深度呈现对数关系，土壤温度滞后时间和土壤深度呈线性增加的关系。气温和不同土层地温的变化速度随土层深度增加呈递减趋势，升温过程要比降温过程平缓。西大滩、五道梁和唐古拉三个站点活动层厚度以及“零度幂”表现出不同的特点，西大滩融化锋面变化较为平缓，五道梁“零度幂”在活动层底部变化复杂持续时间长，而唐古拉融化锋面和冻结锋面变化波动不大，反映出青藏高原多年冻土区土壤水热过程主要受土壤含水量、下垫面植被类型和土壤质地的制约。5cm土壤含水量月均值和降水量月总量的关系发现，二者呈现幂指数递增的关系。土壤处于冻结状态时土壤水分含量小于12％，而融化状态时则大于12％。土壤含水量滞后时间随土壤深度增加而增加，二者呈现指数递增关系。比较冻融期水分和土壤温度两个呈“U”型状的剖面发现，在整个冻融期内，温度的变化较为平缓，而未冻水的变化较为复杂;未冻水含量在冻结期内浅层土壤较为稳定，而在融化期内波动较大。冻结期未冻水含量与负温呈现幂指数递减关系，土壤负温度值是影响未冻水含量的关键因素，同时土壤质地也是影响未冻水含量的主要因素。　　⑵通过传统方法和考虑对流项对TGL、QT05和QT06土壤温度进行模拟，TGL、QT05和QT06三个点5cm～10cm土壤热扩散率分别在1.17×10-6m2·s-1～1.65×10-6m2·s-1,0.91×10-6m2·s-1～1.22×10-6m2·s-1,0.89×10-6m·s-1～1.01×10-6m2·s-1之间，土壤水分通量密度分别平均为为2.65×10-6m2·s-1，2.01×10-6m2·s-1和0.74×10-6m2·s-1。对10cm土壤温度的模拟，对流法模拟的土壤温度误差最小，说明加入了土壤水分垂直运动的热传导对流法对温度的模拟结果跟实际观测值更吻合，因此土壤中由液态水垂直运动引起的热对流是不可忽视的。　　⑶基于观测和研究的结果，对COUPMODEL模拟深度进行扩展，使其在唐古拉地区多年冻土年变化深度15m以下;同时对冻融过程主要的参数进行调整，并对模型适用性进行分析，结果表明，模型对活动层不同深度的土壤温度模拟结果较为理想;活动层不同深度未冻水量和土壤热通量的模拟结果存在一定偏差，模拟的净辐射、感热、潜热与观测值的结果比较一致，说明模型在模拟能量各分量方面也表现出较好的效果。模型对于未冻水量和土壤热通量模拟结果稍差;基于对模型模拟和实测结果的分析表明，冻结和融化过程中的水-冰相变释放的热量约为148.73 MJ/m2，而冰-水相变吸收的热量约为139.9 MJ/m2，因此COUPMODEL模型可用于多年冻土区活动层土壤水热变化规律研究。　　⑷利用2009-2012年的资料对唐古拉综合观测场水热迁移进行模拟，模型对土壤温度的模拟表现较好，对于水分的模拟效果略差于温度，但基本能反映实际水分变化情况，尤其是水分的相对变化量;0-20 cm热通量模拟结果与实测值相吻合;模型模拟的土壤热通量在浅层年内波动较为剧烈，而随着深度增加，变化趋于平稳;冻结初始和融化初始两个过程中都出现稳定的比较小的地热通量，形成了一个相对稳定的接近零的地热通量，±壤热通量的传输随着深度增加逐渐变小，冬季冻结时热通量较低，夏季融化期热通量较高;浅层10cm土壤水迁移较大的值都出现在7-8月，此时降雨量和温度均较大，土壤水分有入渗和蒸发，50cm土壤水分开始冻结之前，土壤水迁移受蒸发和降水的影响变化复杂，土壤水分迁移越接近地表，土壤水运动越频繁，越深层的土壤水运动越缓慢，土壤水分迁移过程在融化时较为剧烈，土壤冻结之后，土壤水几乎不运动，处于零通量的状态。研究区蒸散发平均值为505.5mm，约占同期降水的92％，蒸散发是研究区最大的水循环组成部分。　　⑸利用COUPMODEL进行了敏感性试验模拟，研究了地表有机质层、土壤质地和气温变化对多年冻土的影响。结果表明，地表有机质层的存在对下覆多年冻土起保护作用，当地表有10cm有机质覆盖时，活动层减小到300cm左右，当有20cm有机质覆盖时，活动层减小到272cm左右，当有40cm有机质覆盖时，活动层减小到245cm左右。有机质层有利于土壤水分的存储，土壤会变得湿润;同时会使净辐射年均值呈现变小趋势，感热整体变小，同样潜热也呈现变小的趋势，土壤热通量变化说明土壤年内从吸收热量转换为释放热量，这种变化促进了多年冻土的发育，有机质层保护了多年冻土。当土壤质地为100％沙时，活动层增加到400cm左右;当土壤质地为100％粉粒土时，活动层减小到245cm左右;当土壤质地为100％粘土时，活动层减小到175cm左右;总体而言，随着土壤质地变细，活动层厚度逐渐变薄，说明土壤质地颗粒成分越细越有利于多年冻土的发育和保护。气温升高时，活动层厚度增加，从而引起多年冻土不同程度的退化。　　⑹对唐古拉观测场COUPMODEL模型驱动资料进行了插补延伸，扩展了时间序列，气温、地温和相对湿度延伸时根据相邻气象站点资料能获得较为可信的结果，其中，气温和安多、沱沱河、五道梁气象站拟合的相关系数为0.96，延伸后的气温序列经过检验与实际情况相吻合，所建立的1966-2012年气温资料序列，线性升温率达到0.33℃/10a;同样延伸了地温和相对湿度资料序列，取得了较好的结果，经过检验相关系数分别为0.95和0.88，地温线性升温率达到0.24℃/10a。总辐射根据Li et al(2013)的方法计算了87个气象站点结果延伸优于ITPCAS分析资料，延伸的唐古拉观测场总辐射结果基本可信;风速利用人工神经网络模拟所建立的资料序列与唐古拉实测值拟合结果基本一致，相关系数为0.58;降水根据气温和相对湿度估算的结果经过检验相关系数为0.43。根据延伸的1966-2012年气温、地温、相对湿度、总辐射、风速和降水资料序列的结果，对唐古拉观测场近四十年多年冻土活动层变化进行模拟发现，活动层有变厚的趋势，融化深度从1970年310cm左右增加到了330cm，递增率为5cm/10a。整体来看，近四十年来唐古拉观测场活动层呈现增加趋势。