1 引言
地表能量平衡和辐射平衡是陆面过程和陆气相互作用研究的主要内容, 其描述了地表和大气之间能量的交换过程及耦合过程, 不同的下垫面水热性质各异, 因此, 陆气能量物质交换特征各异（曾剑等, 2012）。即使对于同一类型的下垫面, 其陆面特性在时间尺度上也具有一定的差异（张强等, 2017）。冰雪层在地球的气候系统中起着重要的作用, 特别是高反照率、 高发射率和低热导率的积雪, 对地表辐射收支、 湍流能量通量和局地水文通量有着显著的影响（Cohen et al, 1991; Mote, 2008）。造成积雪-大气耦合的主要机制有两种: 瞬时雪反照率效应(Dickinson, 1983; Hall et al, 2008)和延迟水文效应(Cohen et al, 1991), 这两种影响通过能量和水分平衡影响大气, 然而这两种机制对雪-气耦合的作用机理尚未确定, 特别是滞后水文效应很难从观测资料中研究, 这种水文效应触发了土壤水分蒸散和降水反馈, 对雪融化后的天气和气候起着至关重要的作用。积雪作为一种重要的陆面强迫因子对气候产生重要影响, 积雪覆盖地表会阻碍地气之间的能量交换（李丹华等, 2017）。积雪陆面过程的研究对于改进气候模式、 提高短期气候预测水平有重要的参考价值（吴统文等, 2004a, 2004b）。
目前大气科学界对于高寒地区积雪陆面过程的研究已经取得了一些成果, 许多研究集中在测量和模拟积雪的能量和质量平衡（Male et al, 1981; Harding et al, 1996; Hedstrom et al, 1998; Marks et al, 2001）, 研究认为辐射和湍流通量对积雪能量平衡起主导作用（Luce et al, 1998; Pomeroy et al, 2003; Tribbeck et al, 2004）。高培等（2012）利用中国天山积雪雪崩站干湿雪雪层内的雪温数据, 探讨了一次降雪过程后干湿雪的雪层温度特征, 对比分析了干湿雪的雪面能量平衡方程中各分量的差异, 发现干雪雪面的感热通量和潜热通量几乎都为负值, 湿雪雪面的潜热通量与感热通量方向相反, 净辐射是导致湿雪消融的主要因素。陆恒等（2015）分析了天山融雪期不同开阔度林冠下积雪表面能量平衡特征, 发现受植被影响阴坡雪岭云杉林冠下积雪表面净短波辐射和感热明显小于阳坡开阔地, 净长波辐射损失小于阳坡开阔地, 阴坡林冠下积雪表面总能量明显小于阳坡开阔地。李丹华等（2018）利用黄河源区气候与环境综合观测研究站的观测资料, 对比分析了黄河源区玛曲3次积雪过程地表辐射和能量平衡特征, 发现受雪面较大反照率的影响, 降雪后净辐射显著减小, 降雪后及融雪后, 地-气间能量交换受天气条件和土壤冻融状态的影响较大, 积雪升华消耗能量使地表温度降低并低于气温, 出现负感热通量, 融雪后感热通量和潜热通量很快达到降雪前的水平。
由于青藏高原腹地人迹罕至, 交通不便, 观测资料匮乏, 高原地区积雪覆盖对陆气相互作用影响的研究结果尚不充分。本文利用青海省气象科学研究所玛沁微气象观测站的观测数据, 通过对2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程微气象要素变化特征的分析, 探讨了积雪覆盖对土壤温度, 土壤湿度, 土壤热通量及地表能量收支的影响, 为全面认识青藏高原地区积雪陆面过程特征提供科学支持。
2 观测站概况与资料介绍
图1 玛沁观测站点位置(a, 星号)和观测设施照片(b)Fig.1 Location (a, star) and observation facilities picture (b) of Maqin site |
表1 观测要素及架设高度Table 1 Observation elements and mounting height |
| 观测要素 | 高度或深度 |
|---|---|
| 风速、 风向 | 2 m |
| 空气温度 | 2 m |
| 空气湿度 | 2 m |
| 辐射四分量 | 1.5 m |
| 三维超声风速 | 2 m |
| 超声虚温 | 2 m |
| 土壤温度 | -2 cm, -10 cm, -20 cm, -30 cm, -40 cm |
| 土壤体积含水量 | -2 cm, -10 cm, -20 cm, -30 cm, -40 cm |
| 土壤热通量 | -8 cm, -15 cm |
| 水汽、 CO2通量 | 2 m |
本文所用降雪过程观测资料的时间段为2018年2月15 -23日和3月11 -15日。两次降雪过程期间玛沁微气象观测站数据较完整。感热通量和潜热通量是由三维超声风温仪和红外气体分析仪观测得到的10 Hz风速、 温度和比湿脉动量运用涡动相关法计算得到。由于涡动相关系统容易受到降水天气的影响导致通量观测数据出现异常, 因此在对观测资料进行分析之前, 去除因仪器故障、 天气原因等产生的野点, 舍弃质量较差的数据（徐自为等, 2009; 葛红星等, 2016）。将涡动相关系统测量数据按30 min长度分割, 对原始通量数据进行平面拟合校正（Kaimal et al, 1994）, 高频和低频损失修正（Moore, 1986）, 然后对感热通量进行超声虚温订正（Schotanus et al, 1983）, 对潜热通量进行WPL订正（Webb et al, 1980）。文中所用时间均为北京时。
3 结果与分析
3.1 积雪覆盖对土壤温度的影响
土壤温、 湿变化特征既是陆面的基本特征, 也是影响陆面水、 热交换的重要因素（张强等, 2012）。分析土壤温、 湿差异是全面认识和了解陆面特性的重要前提。高原冻土区土壤温度既有区域性规律, 同时还会受到局地气候因素的影响。降雪、 吹雪等天气事件可通过改变表面积雪性质对反照率产生显著影响, 降雪增加雪厚, 还使表面覆盖了细小的积雪颗粒, 两者均导致反照率显著增加（杨清华等, 2013）。本文判断地表有积雪覆盖的依据为: 地表反照率高于0.5（边晴云等, 2016）。
图2为玛沁地区2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程地表反照率和土壤温度日平均值变化情况。当地表无积雪覆盖时, 地表反照率日平均值维持在0.22左右, 地表有积雪覆盖时, 地表反照率日平均值可达到0.8~0.9, 积雪覆盖会使地表反照率显著升高。2018年2月15 -23日降雪过程中, 浅层（2~10 cm）土壤温度表现出先升后降的趋势, 降雪前, 浅层土壤温度日平均值维持在 -4 ℃左右, 降雪后, 浅层土壤温度日平均值升高至-2.5 ℃左右, 积雪消融后, 浅层土壤温度再度下降至-4 ℃左右。深层（40 cm）土壤温度在整个降雪过程期间也表现出微弱的先升后降趋势, 从降雪前的-3 ℃升高到降雪后的-2.5 ℃, 之后又逐渐降低至-3 ℃。2018年3月11-15日降雪过程中, 浅层土壤温度同样表现出先升后降的趋势, 降雪前, 浅层土壤温度日平均值维持在-0.9 ℃左右, 降雪后, 浅层土壤温度日平均值升高至 -0.3 ℃左右, 积雪消融后逐渐下降, 深层土壤温度呈现出缓慢增加趋势, 从-0.9 ℃升高至-0.8 ℃, 变化幅度很小。可见, 积雪覆盖地表会导致土壤温度升高, 且浅层（2~10 cm）土壤升温幅度较深层（40 cm）土壤更加显著, 这反映了积雪覆盖地表时会产生保温效应, 这一点与金会军等（2008）的研究结论“在青藏高原东部、 南部和腹地的高山区, 冷季降雪多, 很多地段为稳定积雪区, 雪盖厚且持续时间长, 对浅层地温起保温作用, 而高原腹部的高平原, 河谷和盆地冷季降雪较少, 雪盖薄且持续时间较短, 一般保温作用微弱”较为类似。玛沁观测站地处山间平原地带, 冬季降雪后积雪覆盖持续的时间一般不长, 但依然可以导致土壤温度产生短期内的升高。
图3为2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖时的土壤温度廓线。第一次降雪过程, 当地表无积雪覆盖时, 浅层（2~10 cm）土壤温度日变化幅度较大, 2 cm土壤温度日最低值为-6 ℃, 日最高值为 -1.8 ℃, 日变化幅度为4.2 ℃, 10 cm土壤温度日最低值为-5 ℃, 日最高值为-2.5 ℃, 日变化幅度为2.5 ℃。当地表有积雪覆盖时, 浅层土壤温度日变化幅度明显收窄, 2 cm土壤温度日最低值为 -5 ℃, 日最高值为-3 ℃, 日变化幅度为2 ℃, 10 cm土壤温度日最低值为-4.6 ℃, 日最高值为 -3.3 ℃, 日变化幅度为1.3 ℃。而深层（40 cm）土壤温度日变化幅度几乎不受积雪覆盖影响。第二次降雪过程, 土壤温度廓线再度表现出相同的特点, 即地表有积雪覆盖时浅层土壤温度日变化幅度收窄, 而深层土壤温度日变化幅度不变。不同之处在于, 第二次降雪过程, 当地表有积雪覆盖时, 浅层土壤温度日最低值升高, 日最高值没有发生明显变化, 这可能是由于第二次降雪过程积雪覆盖持续时间不长, 雪层厚度较小。边晴云等（2016）通过研究黄河源区土壤温度资料发现在土壤完全冻结阶段, 积雪对土壤温度有影响, 积雪覆盖会导致浅层土壤温度日最低值升高, 日最高值降低。玛沁地区积雪覆盖对土壤温度的影响与黄河源区较为类似。
从2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖时浅层（2~10 cm）和深层（30~40 cm）土壤温度梯度的日变化(图4)可以看出,当地表无积雪覆盖时, 浅层土壤温度梯度日变化幅度较大, 凌晨至上午为正值, 下午至晚上为负值。地表有积雪覆盖时, 浅层土壤温度梯度日变化幅度明显减小。第一次降雪过程深层土壤温度梯度在有积雪覆盖时趋向于正值, 这可能是由于降雪时寒潮天气过境导致浅层土壤温度低于深层土壤温度。第二次降雪过程深层土壤温度梯度绝对值接近于0, 积雪覆盖对深层土壤温度梯度几乎没有影响。
3.2 积雪覆盖对土壤含水量的影响
图5为2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖时的土壤湿度廓线。从图5可以看出, 玛沁地区冬季土壤体积含水量随着深度的增加而呈现出“减-增-减”的变化趋势, 30 cm以上为土壤体积含水量较高的湿润土层, 40 cm深处土壤体积含水量接近于0。第一次降雪过程, 由于2~40 cm土壤温度均低于0 ℃, 土壤处于完全冻结状态, 地表积雪覆盖对浅层和深层土壤体积含水量日变化幅度几乎没有影响。第二次降雪过程, 2 cm土壤温度白天高于0 ℃, 夜间低于0 ℃, 土壤处于融化状态, 地表无积雪覆盖时, 浅层（2~10 cm）土壤体积含水量日变化幅度较大, 当地表有积雪覆盖时, 浅层土壤体积含水量日变化幅度明显收窄。30 cm深处土壤体积含水量日变化幅度在积雪覆盖时有所增加, 这可能是由于30 cm土壤温度变化幅度略微增加导致土壤湿度探头敏感性增加所致。
为了更清楚地表明积雪覆盖对土壤含水量变化的影响, 图6给出了2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖时2, 10, 20, 和30 cm土壤体积含水量的日变化情况。第一次降雪过程由于土壤处于完全冻结状态, 在无积雪覆盖和有积雪覆盖条件下, 各层土壤体积含水量基本保持不变, 2 cm土壤体积含水量维持在10.9%, 10 cm土壤体积含水量维持在9.5%, 20 cm土壤体积含水量维持在10%, 30 cm土壤体积含水量维持在10.4%, 有、 无积雪覆盖条件下土壤体积含水量日变化情况基本相同, 这说明土壤完全冻结状态下地表积雪覆盖对土壤体积含水量变化不会产生影响。Li et al (2013)认为土壤中冰的存在极大地改变了土壤的水文特性, 土壤冻结时表层土壤几乎是不渗透的, 防止了融雪的下渗。玛沁地区土壤完全冻结时积雪覆盖对土壤体积含水量没有影响, 这可能也是由于土壤中的冰阻碍了积雪下渗。第二次降雪过程土壤处于融化状态, 无积雪覆盖时浅层（2~10 cm）土壤体积含水量日变化幅度较大, 2 cm土壤体积含水量日最低值11.2%, 10 cm土壤体积含水量日最低值10.3%, 出现在08:00 -12:00, 2 cm土壤体积含水量日最高值13.5%, 10 cm土壤体积含水量日最高值11.7%, 出现在18:00 -21:00。当地表有积雪覆盖时, 2~10 cm土壤体积含水量日最低值明显升高, 2 cm土壤体积含水量日最低值升至12.7%, 10 cm土壤体积含水量日最低值升至11.7%, 这可能是由于积雪覆盖导致浅层土壤温度日最低值升高加剧了土壤中冰的融化, 20 cm土壤体积含水量在无积雪覆盖和有积雪覆盖时没有太大差异, 维持在11.7%。30 cm土壤体积含水量在地表有积雪覆盖时有所升高, 体积含水量日最低值从11.9%升至12.5%, 日最高值从12.5%升至13.4%。
3.3 积雪覆盖对土壤热通量的影响
图7为2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖时8 cm和15 cm土壤热通量的日变化情况。第一次降雪过程, 当地表无积雪覆盖时, 土壤热通量日变化幅度较大, 8 cm土壤热通量日最低值为-8.5 W·m-2, 日最高值为6 W·m-2, 15 cm土壤热通量日最低值为 -6.5 W·m-2, 日最高值为3.8 W·m-2; 地表有积雪覆盖时, 土壤热通量日变化幅度减小, 8 cm土壤热通量日最低值为-5.5 W·m-2, 日最高值为3 W·m-2, 15 cm土壤热通量日最低值为-5 W·m-2, 日最高值为0.7 W·m-2。第二次降雪过程, 当地表无积雪覆盖时, 8 cm土壤热通量日最低值为-2.2 W·m-2, 日最高值为2.7 W·m-2, 15 cm土壤热通量日最低值为-0.6 W·m-2, 日最高值为1.7 W·m-2; 地表有积雪覆盖时, 8 cm土壤热通量日最低值为1.3 W·m-2, 日最高值为2.5 W·m-2, 15 cm土壤热通量日最低值为1.5 W·m-2, 日最高值为1.8 W·m-2, 土壤热通量日变化幅度再度表现出积雪覆盖时减小的特点, 与第一次降雪过程的不同之处在于, 地表有积雪覆盖时土壤热通量全天皆为正值。第一次降雪过程土壤处于完全冻结状态, 无积雪覆盖时8 cm和15 cm土壤热通量日平均值分别为-0.4 W·m-2和 -0.5 W·m-2, 有积雪覆盖时8 cm、 15 cm土壤热通量日平均值分别为-2.3 W·m-2和-2.7 W·m-2, 地表积雪覆盖导致土壤热通量日平均值降低。
图7 2018年2月15 -23日（上）和3月11 -15日（下）两次降雪有、 无积雪覆盖条件下土壤热通量日变化Fig.7 Daily variations of soil heat flux during the two snowfall processes under the conditions of without snow and snow covered during the two snowfall processes from 15 to 23 February (up) and from 11 to 15 March (down) 2018 |
3.4 积雪覆盖对地气间能量交换的影响
陆面温、 湿和辐射收支特征支配着陆面能量平衡过程（张强等, 2011）。净辐射通过转化为感热通量、 潜热通量和土壤热通量为大气和土壤提供热能（岳平等, 2015）。积雪可通过高反照率效应减少地表吸收的净短波辐射, 从而减弱大气向土壤的能量输送, 同时积雪也可通过隔热效应减弱地气间热量交换（边晴云等, 2016）。积雪融化和升华会导致潜热通量偏大, 使得能量闭合率在冬季正偏差较大（严晓强等, 2019）。李丹华等（2018）研究认为青藏高原地区冬季地表能量交换以感热为主, 降雪后波文比显著减小, 感热在能量交换中所占比重降低。
图8为2018年2月15 -23日降雪过程无积雪覆盖和有积雪覆盖条件下晴天时总辐射、 向上短波辐射、 向上长波辐射、 净辐射、 感热、 潜热、 地表反照率日变化及感热占比（H/Rn）和潜热占比（LE/Rn）的值。晴天时总辐射日变化特征基本一致, 日最高值维持在720 W·m-2左右。地表无积雪覆盖时, 向上短波辐射白天最高值为150 W·m-2, 当地表有积雪覆盖时, 向上短波辐射白天最高值增加至475 W·m-2, 可见积雪覆盖会导致向上短波辐射显著增加。地表无积雪覆盖条件下, 向上长波辐射日变化幅度较大, 日最低值为228 W·m-2, 出现在08:00左右, 日最高值为365 W·m-2, 出现在13:00左右, 当地表有积雪覆盖时, 向上长波辐射日变化幅度有所减小, 日最低值升高至232 W·m-2, 日最高值降低至304 W·m-2, 这与土壤温度日变化幅度减小有关, 同时积雪覆盖会衰减掉一部分土壤发出的向上长波辐射, 当然积雪的高反照率也会导致向下的长波辐射中较大部分被反射回天空, 这其中的机制较为复杂, 值得进一步讨论。地表无积雪覆盖时, 净辐射白天最高值为385 W·m-2, 夜间最低值为-73 W·m-2, 当地表有积雪覆盖时, 净辐射白天最高值下降至163 W·m-2。夜间最低值为-44 W·m-2, 地表积雪覆盖会导致净辐射白天的值显著降低, 夜间的值略微升高, 日变化幅度减小, 这主要是由于积雪的高反照率所致。地表无积雪覆盖时, 感热日最高值为220 W·m-2, 日最低值为-18 W·m-2, 地表有积雪覆盖时, 感热日最高值下降至47 W·m-2, 日最低值为-35 W·m-2, 地表积雪覆盖会导致感热白天的值显著降低, 夜间的值略微减小。Marks et al(2008)认为由于雪面非常冷, 特别是在夜间可能导致非常稳定的条件, 近地表温度倒置, 产生负感热, 本文的研究结果与其类似。地表无积雪覆盖时, 潜热的值很小, 白天最高值仅有13 W·m-2, 夜间的值基本为0, 地表有积雪覆盖时, 潜热白天的值显著升高, 日最高值达到92 W·m-2, 可见地表积雪覆盖会导致潜热白天的值显著升高。同时, 积雪覆盖导致晴天时感热占比（H/Rn）从0.61下降至0.29, 潜热占比（LE/Rn）从0.03升高至0.58。这说明积雪覆盖会削弱白天地面对大气的加热效应, 而增加地面水汽的蒸发量。
图8 2018年2月15 -23日有、 无积雪覆盖条件下晴天时总辐射(a)、 向上短波辐射(b)、 向上长波辐射(c)、 净辐射(d)、 感热(e)、 潜热(f)、 地表反照率(g)日变化及感热占比和潜热占比(h)情况Fig.8 Daily variations of total radiation (a), upward shortwave radiation (b), upward longwave radiation (c), net radiation (d), sensible heat flux (e), latent heat flux (f), surface albedo (g) and H/Rn, LE/Rn (h) in sunny days under conditions of without snow and snow covered from 15 to 23 February 2018 |
4 结论与讨论
利用青藏高原玛沁微气象观测站2018年2月15 -23日和3月11 -15日两次降雪过程的观测数据, 探讨了积雪覆盖对土壤温度, 土壤体积含水量、 土壤热通量及地表能量收支的影响。主要结论有:
（1） 积雪覆盖对浅层（2~10 cm）土壤温度的影响较为显著, 而对深层（40 cm）土壤温度的影响十分微弱。积雪覆盖对浅层土壤温度的影响主要表现为: 日平均值升高, 日变化幅度减小, 日最低值升高, 土壤温度梯度绝对值减小。
（2） 土壤完全冻结状态下土壤体积含水量几乎不受积雪覆盖影响。土壤融化状态下积雪覆盖会导致浅层土壤体积含水量日变化幅度减小, 而对深层土壤体积含水量没有影响。
（3） 地表积雪覆盖会减小浅层土壤热通量的日变化幅度。在土壤完全冻结状态下, 积雪覆盖会使得8~15 cm土壤热通量日平均值降低, 增加了土壤热通量向上传递的趋势。
（4） 在总辐射相同的晴天条件下, 当地表有积雪覆盖时, 由于积雪的高反照率导致白天向上短波辐射增加, 净辐射减小, 同时感热通量减小而潜热通量增加, 积雪覆盖会使感热占比（H/Rn）下降, 潜热占比（LE/Rn）升高。
本文分析积雪覆盖对地表能量收支的影响时, 只选用了2018年2月15 -23日降雪过程的观测资料而没有选用3月11 -15日降雪过程的观测资料, 这主要是由于第二次降雪过程积雪覆盖的持续时间较短, 无法找到有积雪覆盖和无积雪覆盖条件下同为晴天的数据, 由于晴天和阴天条件下总辐射差异会导致地表能量收支有所不同, 无法确定地气之间能量交换是否为积雪覆盖单一因子的影响。在日后的研究中, 将会考虑获取足够丰富的观测资料以深入分析青藏高原地区积雪覆盖对陆气相互作用的影响。