Plateau Meteorology

Plateau Meteorology >

2020 , Vol. 39 >Issue 6: 1144 - 1154

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00143

Variation Characteristics of Snow Cover and Its Influence on Soil Water and Heat Transfer on the Qinghai-Xizang Plateau

  • Jiangxin LUO , 1 ,
  • Shihua LÜ , 1, 2 ,
  • Ting WANG 3 ,
  • Yigang LIU 1
Expand
  • 1. Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China
  • 2. Collaborative Innovation Science and Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China
  • 3. Sichuan Meteorological Disaster Prevention Technology Center，Chengdu 610072，Sichuan，China

Received date: 2020-07-20

  Revised date: 2020-10-14

  Online published: 2020-12-28

Fold

Highlights

In this paper， RegCM4.7-CLM4.5 is used to simulate the snow process on the Qinghai-Xizang Plateau （QXP）.Through EOF decomposition， it is found that the spatial and temporal variation of snow cover on QXP mainly presents three modes and the variance contribution rates are 30.05%， 14.86% and 8.48%， respectively.The composite analysis shows that the abnormal center of snow cover is consistent with the main snow areas on QXP.The snow depth and snow days have a decreasing trend， the "Three River source area" in the southeast of QXP has the most obvious decreasing trend.The snow cover in the central and northern part of QXP has a slight increase trend.The correlation analysis of snow cover and soil water and heat parameters reveals that snow cover can effectively reduce the loss of heat in the soil and play a "heat preservation" effect on the soil.Snow cover changes in the same phase with soil temperature and surface heat flux at the accumulation and peak stage； Snow melting water can increase soil moisture and "humidify" the soil.At the peak stage， snow cover and soil moisture content are positively correlated.The effect of snow days on soil moisture was higher than that of snow depth.The soil temperature and soil moisture in the accumulation stage and the peak stage in high snowfall years are also higher than those in low snowfall years.For the whole QXP， more snow makes the degree of soil freezing increase and the soil moisture content decrease.

Cite this article

Jiangxin LUO , Shihua LÜ , Ting WANG , Yigang LIU . Variation Characteristics of Snow Cover and Its Influence on Soil Water and Heat Transfer on the Qinghai-Xizang Plateau[J]. Plateau Meteorology, 2020 , 39(6) : 1144 -1154 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00143

1 引言

素有 “世界第三极”、 “亚洲水塔”之称的青藏高原（下称高原）， 以其独特的地理位置和海拔， 极大地影响着中国以及亚洲的气候特征。高原储备着我国近一半的积雪水资源（车涛等， 2005）， 高原冻土面积占我国冻土总面积的70%， 我国冻土总面积占国土面积的22.3%（周幼吾等， 1982）。积雪和冻土作为地气相互作用的“缓冲器”（Zhang， 2005）， 两者的快速变化可作为判断气候变化的重要指标（高荣等， 2003； 刘晓东， 1989； Mackay， 2008）。高原冬春积雪与冻土变化具有多时间尺度和区域性特征（伯玥等， 2014； 保云涛等， 2018； 王澄海等， 2001， 2009）， 多年冻土区受气候变化的影响要远远高于其他地区（张涛等， 2018）。
冬春季积雪的覆盖， 可以有效减少高原地表的绝热加热作用， 从而影响到亚洲的大气环流以及我国夏季降水的区域性分布。杨凯等（2017）利用积雪的敏感性试验， 探讨了高原南、 北部冬春季积雪异常对局地西风急流以及西太平洋副热带高压的位置和强度的影响， 发现高原南部积雪的增加有利于长江流域夏季降水的增加， 高原北部积雪的增加有利于华北、 东北夏季降水的增加。陶亦为等（2011）通过对比ENSO与高原积雪对我国夏季降水异常的影响， 发现高原积雪对我国夏季降水影响的持续性更强。积雪与大气环流之间具有明显的反馈机制， 段安民等（2018）提出， 在统计分析的基础上， 仍需要通过数值模式等方法进一步揭示高原积雪与地面感热加热的联系。
李培基（1993）曾指出， 高原积雪具有显著的水文效应， 但在不同的区域， 其表现的特征可能不同。土壤含水量的异常将会改变土壤的水热属性， 从而改变地气间的辐射传输， 从而影响气候变化（林朝晖等， 2008）。但目前来看， 高原积雪对土壤水热传输的影响研究仍落后于季风系统等的研究。高原的积雪资料具有很大的不确定性（李培基， 1995； 徐国昌等， 1994）， 而再分析资料在高原上的适用性又存在较大争议（秦艳慧等， 2015）， 高原积雪仍有很大的研究空间。本文利用数值模式模拟了高原及其周边地区31年的积雪过程， 进一步探讨了高原积雪的时空变化特征， 并深入分析了高原积雪与土壤水热传输的影响机制。

2 试验设计

利用区域气候模式（Regional Climate Model， RegCM4.7）， 陆面部分采用陆面过程模式（Community Land Model， CLM4.5）， 对高原及其周边地区（区域为21°N -45°N， 65°E -110°E）进行了数值模拟。RegCM4和CLM4.5现已广泛应用到各学科的研究中（Gao et al， 2008； Kong et al， 2019）。模拟时段设置为1982年1月1日至2018年12月31日， 取前5年为模式的自适应， 其后的31年为分析对象。初值数据以及各参数化方案的选择详见罗江鑫等（2020）， 该文通过模拟单个积雪年， 验证了RegCM4-CLM4.5模式对高原积雪以及土壤温湿度的较好模拟能力。本文使用模式输出的日平均数据集， 采用气候平均的方法来探讨高原积雪的空间分布特征， 采用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function， EOF）分解来分析高原积雪的时空变化特征， 采用合成分析、 相关分析来揭示高原积雪与土壤水热之间的内在联系。
在不同的积雪阶段， 降雪频率以及降雪量的不同可能导致积雪的物理属性及其对土壤水热的影响机制不同。同时， 为消除不同月份在天数上的差异， 参照王婷等（2019）对积雪日数、 积雪日数比的定义方法， 计算高原1987年9月至2018年8月的积雪深度、 积雪日数（比）逐月平均， 并绘制成图1的折线图。模拟雪深的大值中心要比遥感雪深平均偏高10~20 cm， 南部山脉地区甚至可能更高（罗江鑫等， 2020）。同时， 由于研究时段和高原区域选取的不同， 模拟的积雪深度最大值（4月）高于遥感雪深（王婷等， 2019）最大值约4 cm， 积雪日数（比）最大值（3月）则偏低3天（0.1）。高原分别在10月和4月左右各有一次强降雪过程， 3月过后降雪频率逐渐减小（图略）， 基于此， 为充分探讨高原从积累到消融的整个积雪过程中的不同特征， 将当年10月至次年5月定义为高原的积雪期， 并将10 -12月定义为积累阶段， 1 -3月为鼎盛阶段， 4 -5月为消融阶段。
图1 1987 -2018年平均积雪深度和积雪日数的变化特征

Fig.1 Variations of average snow depth and snow days from 1987 to 2018

3 结果分析

3.1　青藏高原积雪时空分布特征

图2为高原1987 -2018年积雪期平均积雪深度与积雪日数的分布。从图2中可以看出， 积雪深度与积雪日数主要有3个大值区， 分别为高原中东部的“三江源区”、 南部山脉以及高原西部。3个大值区的多年平均积雪日数都在150天及以上， 积雪深度平均为12 cm， 最高可达100 cm及以上（高原西北部的黑色区域）。积雪深度与积雪日数在空间分布上基本吻合。高原积雪的这种分布特征与韦志刚等（1995）、 王顺久（2017）的研究成果相似， 但由于研究时段与使用数据的不同， 其数值上有明显差异。
图2 1987 -2018年青藏高原积雪深度(a, 单位: cm)和积雪日数(b, 单位: d)空间分布特征

Fig.2 Spatial distribution of snow depth (a, unit: cm) and days with snow cover (b, unit: d) on the Qinghai-Xizang Plateau from 1987 to 2018

为进一步探讨高原积雪的时空变化特征， 对高原积雪期的积雪深度进行EOF分解。经检验， EOF分解结果中的前3个模态之间相互独立， 其方差贡献率分别为30.05%， 14.86%和8.48%， 反映了积雪的主要特征， 所以本文仅分析前3个模态。从EOF分解的第一模态［图3（a）］来看， 高原东北部与高原其他地区的积雪深度呈相反的变化趋势， 当高原东北部积雪深度增大（减小）时， 高原其余地区的积雪深度减小（增大）。对应的时间序列［图3（b）］可以看出， 自1998年以来， 高原主体积雪深度减少， 高原东北部积雪深度增大。图3（c）为第二模态的空间分布， 其时间序列如图3（d）所示， 可以看出高原东西部积雪深度具有2~4年的周期性反相变化特征， 正负位相的分界线位于95°E附近， 当高原西部积雪深度减小（增大）时， 东部积雪深度增大（减小）。高原积雪深度EOF分解的第三模态［图3（e）， （f）］主要表现为南北反相变化特征： 32°N以南积雪深度在1987 -1990年减小， 1991 -2001年增加， 2002年以来又显著减小； 32°N以北积雪深度则在1987 -1990年增加， 1991 -2001年减小， 2002年以来又再次增加。前人的工作中也有许多关于高原积雪EOF分解的研究： 覃郑婕等（2017）主要讨论了高原积雪覆盖率距平场的东西反相变化特征； 保云涛等（2018）认为高原中东部气象站观测的积雪深度是一致变化的； 郭其蕴等（1985）指出， 高原积雪日数具有东西相反和南北相反的变化趋势。
图3 积雪深度EOF分解前3个模态的空间分布（左）及时间序列（右）

Fig.3 The top three spatial distribution (left) and time series (right) modes of snow depth EOF decomposition

分别对积累阶段、 鼎盛阶段、 消融阶段的积雪深度做EOF分解（图略）， 3个阶段的前3个模态的方差贡献率分别为32.78%， 14.24%和7.33%； 30.60%， 14.74%和8.09%； 34.74%， 13.52%和7.25%。其中， 鼎盛阶段、 消融阶段3个模态的空间分布和时间序列均与积雪期的3个模态较为一致。积累阶段， 第一模态则表现为， 自1998年以来， 高原主体积雪深度增大， 中东部“三江源区”积雪深度减小； 第二、 三模态也主要表现为高原积雪深度的东西反相变化， 南北反位相变化特征不明显。

3.2　青藏高原多、 少雪年积雪特征

不同年份， 因降雪量的不同， 不同阶段、 区域的积雪过程也有较大差异。将高原31个积雪期的积雪深度与积雪日数进行标准化处理， 其时间变化如图4所示。从图4可以看出， 积雪深度与积雪日数基本处于同步变化， 两者的相关系数为0.96。1997年10月至1998年5月为本序列中的最大正偏差， 1998年10月至1999年5月为最大负偏差。根据王婷等（2019）对多、 少雪年的划分方法， 以±0.2为分界线， 可以筛选出10个多雪年： 1989/1990、 1991/1992、 1992/1993、 1993/1994、 1994/1995、 1995/1996、 1997/1998、 2002/2003、 2004/2005和2014/2015年； 以及12个少雪年： 1987/1988、 1996/1997、 1998/1999、 2000/2001、 2001/2002、 2003/2004、 2009/2010、 2010/2011、 2012/2013、 2015/2016、 2016/2017和2017/2018年。该结论与韦志刚等（2002）和Xu et al（2012）的研究成果具有较好的相似性。
图4 1987 -2018年青藏高原标准化积雪深度与积雪日数变化特征

Fig.4 Variation characteristics of normalized snow depth and days with snow cover on the Qinghai-Xizang Plateau from 1987 to 2018

将筛选出来的10个多雪年和12个少雪年合成高原多雪年与少雪年积雪深度和积雪日数（王素， 2015； Lakhraj-Govender et al， 2018）， 计算两者的差值及其在31个积雪期内的多年线性变率（图5）， 以此来综合比较高原积雪在空间上的异常变化。整体来看， 合成场差值［图5（a）~（d）］和多年线性变率［图5（e）~（h）］的空间分布中， 积雪深度与积雪日数为相同的变化趋势。从积雪的合成场差值来看， 在整个高原区域上， 多雪年的积雪深度和积雪日数均要高于少雪年。在积雪期， 多雪年积雪深度和积雪日数分别比少雪年高0.89 cm和17.41天， 积雪的异常中心主要位于高原东南部的“三江源区”以及南部山脉一带。积累、 鼎盛、 消融阶段积雪深度与积雪日数的平均差值分别为0.51 cm和4.54天， 1.01 cm和8.18天， 1.26 cm和4.69天。从图5（b）~（d）来看， 积雪异常主要体现在鼎盛阶段和消融阶段， 其中高原东南部的积雪异常在鼎盛阶段最明显， 高原西部积雪异常则在消融阶段最明显。挑选积雪异常较为明显的3个区域， 用矩形标记于图5（a）~（d）中的A（31°N -34°N， 81°E -86°E）、 B（32°N -35°N， 97°E -102°E）、 C（29°N -32°N， 93°E -98°E）， 并将各个积雪阶段的积雪深度与积雪日数的区域平均值罗列于表1。从表1可以更加清晰地看出， 区域A和区域C的结果比较相近， 且积雪异常变化显著。
图5 青藏高原积雪深度差值（a~d, 彩色区, 单位: cm）及其多年线性变率[e~h, 彩色区, 单位: cm·(10a)-1]和积雪日数差值（a~d, 等值线, 单位: d）及其多年线性变率[e~h， 等值线, 单位: d·(10a)-1]

A、 B、 C方框区域分别表示高原西部、 高原东部和高原东南部

Fig.5 Distribution of the snow depth difference field (a~d, color area, unit: cm) and its multi-year linear variability [e~h, color area, unit: cm·(10a)-1], the days with snow cover (a~d, contour, unit: d) and its multi-year linear variability [e~h, contour, unit: d·(10a)-1] on the Qinghai-Xizang Plateau.The rectangular boxes of A, B and C represent the western, the eastern and the southeast part of the plateau, respectively

表1 积雪深度和积雪日数在3个区域的合成场差值

Table 1 Composite field difference of snow depth and days on the three regions

区域 参量 积雪期 积累阶段 鼎盛阶段 消融阶段
区域A 积雪深度/cm 2.25 0.75 2.37 4.34
积雪日数/d 39.34 11.26 14.11 13.96
区域B 积雪深度/cm 0.98 0.75 1.23 0.96
积雪日数/d 24.44 9.17 10.15 5.12
区域C 积雪深度/cm 3.39 1.93 4.09 4.52
积雪日数/d 35.50 13.45 14.18 7.86
高原东南部积雪深度与积雪日数的多年线性变率表现出明显的减小趋势， 且主要表现在鼎盛阶段和消融阶段。计算区域C在积雪期、 积累阶段、 鼎盛阶段、 消融阶段积雪深度和积雪日数多年线性变率的平均值， 分别为1.44 cm·（10a）-1和13.65 d·（10a）-1， 0.79 cm·（10a）-1和4.56 d·（10a）-1， 1.83 cm·（10a）-1和6.36 d·（10a）-1以及1.86 cm·（10a）-1和2.72 d·（10a）-1。区域C又是我国的重要水源区， 由此可见， 研究高原积雪对我国水资源的保护具有重要意义。在积雪期、 鼎盛阶段以及消融阶段， 高原中北部积雪深度与积雪日数都呈明显的增加趋势； 在积累阶段， 32°N以北的积雪深度和积雪日数明显增加。

3.3　青藏高原积雪对土壤水热的影响

本节主要利用合成分析、 相关分析来讨论高原积雪对土壤水热属性的影响机制。为揭示积雪在不同区域的影响差异， 仍选取3.2节中积雪量大、 年际差异明显的A、 B、 C三个区域以及整个高原来分别展开讨论。借鉴观测数据的研究经验（边晴云等， 2017； 姚闯等， 2019； Fu et al， 2018）， 选取模拟数据中土壤深度在6.2， 11.9， 21.2， 36.6和103.8 cm的土壤温湿度进行分析。为简洁起见， 数据仅展示区域C和整个高原平均。
从土壤的热属性合成场差值（表2）与气候倾向率（表3）来看， 区域C以及整个高原在积雪期、 积累阶段、 鼎盛阶段， 气温与各层次的土壤温度均呈现减小的趋势， 在消融阶段则有升温的趋势。此结论也可以佐证高原冻土冻结、 消融时间的提前， 以及冻融过程的加快（吉哲君等， 2016； Wang et al， 2017）。从合成场差值来看， 3个子区域在积累、 鼎盛阶段的土壤温度要明显高于少雪年， 平均偏高0.1~0.9 ℃， 表征出积雪的“保温”作用， 而整个高原则只表现在鼎盛阶段； 垂直方向上看， 积雪的“保温”作用主要表现在6.2~36.6 cm土壤层， 但高原西部只有6.2~21.2 cm较为明显； 高原东部B、 C两个区域的“保温”作用可以影响到整个积雪期， 有时也可以影响到103.8 cm以及更深层。积累和鼎盛阶段， 地表土壤热通量值为负， 土壤向大气放热， 多雪年土壤向大气释放的热量少于少雪年， 尤其是积累阶段偏少最明显， 因此多雪年土壤温度要高于少雪年。消融阶段， 地表土壤热通量为正， 大气向土壤传递热量， 多雪年土壤吸收的热量要少于少雪年， 多雪年土壤温度低于少雪年。消融阶段， 由于土壤吸收的热量增加， 所以气温、 地表温度、 土壤温度均表现为增温的气候倾向。在各个阶段， 多雪年降雪量明显多于少雪年， 也使得多雪年气温、 地表温度均要低于少雪年。
表2 青藏高原土壤热属性合成场差值

Table 2 Difference of composite field of soil thermal properties on Qinghai-Xizang Plateau

研究 区域

积雪

阶段

 气温 /℃ 地表温度 /℃ 土壤温度/℃ 地表热通量 /(W·m-2)
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 -1.576 -2.024 0.346 0.331 0.317 0.292 0.150 0.230
积累阶段 -1.765 -2.187 0.308 0.261 0.200 0.103 -0.239 1.917
鼎盛阶段 -1.547 -2.043 0.961 0.941 0.921 0.883 0.663 0.323
消融阶段 -1.337 -1.752 -0.522 -0.479 -0.412 -0.311 -0.035 -1.570
高原整体 积雪期 -0.726 -0.899 -0.151 -0.161 -0.173 -0.194 -0.295 0.247
积累阶段 -0.682 -0.786 -0.045 -0.066 -0.097 -0.154 -0.390 1.108
鼎盛阶段 -0.634 -0.840 0.150 0.138 0.127 0.109 0.016 0.199
消融阶段 -0.929 -1.155 -0.763 -0.754 -0.737 -0.708 -0.620 -0.781
表3 青藏高原土壤热属性气候倾向率

Table 3 Climatic tendency rate of soil thermal properties on Qinghai-Xizang Plateau

研究 区域 积雪 阶段 气温 /[℃·(10a)-1] 地表温度 /[℃·(10a) -1] 土壤温度/[℃·(10a) -1] 地表热通量 /[W·m-2·(10a) -1]
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 -0.637 -0.691 -0.310 -0.529 -0.959 -1.770 -5.717 0.219
积累阶段 -0.451 -0.545 -0.317 -0.531 -0.849 -1.223 -1.959 -0.944
鼎盛阶段 -0.679 -0.709 -0.085 -0.095 -0.107 -0.102 0.534 -1.387
消融阶段 0.281 0.342 0.110 0.208 0.343 0.418 -0.189 0.307
高原整体 积雪期 -0.644 -0.698 -0.123 -0.219 -0.436 -0.886 -2.743 0.417
积累阶段 -0.444 -0.530 -0.129 -0.230 -0.408 -0.688 -0.966 -0.558
鼎盛阶段 -0.812 -0.899 -0.028 -0.049 -0.056 -0.005 0.926 -1.428
消融阶段 0.259 0.308 0.093 0.151 0.225 0.356 1.217 0.236
青藏高原土壤的水属性合成场差值与气候倾向率如表4~5所示， 多雪年3个子区域鼎盛阶段6.2~36.6 cm土壤湿度均要高于少雪年， 平均偏高0.27%~0.96%， 体现了积雪的“增湿”作用， B、 C的“增湿”作用甚至可以影响到103.8 cm， C的影响时段可以扩展到积累阶段和整个积雪期。而在整个高原上， 积雪对地温表现为“降温”作用， 土壤冻结的程度更高， 使得土壤中更多的液态水转换为固态水， 土壤湿度合成场差值全部表现为负。消融阶段， 3个子区域以及整个高原均表现出“增湿”的气候倾向， 且随着深度增加， “增湿”倾向逐渐减小。积雪在积累过程中， 气温降低， 土壤冻结， 阻碍了积雪融水的下渗， 使得多雪年土壤湿度明显低于少雪年； 而当积雪达到鼎盛阶段， 尤其是在鼎盛阶段的后期， 积雪过程逐渐减缓， 积雪与土壤均开始消融， 多雪年积雪融水的下渗量明显高于少雪年（区域B和C更显著）， 多雪年的土壤湿度也明显高于少雪年。但在4、 5月， 土壤消融进度加快， 多雪年却滞后于少雪年， 使得多雪年下渗的积雪融水少于少雪年， 同时积雪融水不能到达土壤更深层， 多雪年土壤湿度也低于少雪年。消融阶段， 积雪融水整体表现为增加的过程， 土壤含水量也表现为增加的趋势， A、 C最为明显， 而积雪期、 积累阶段、 鼎盛阶段则表现为土壤含水量减小的趋势。
表4 青藏高原土壤水属性合成场差值

Table 4 Difference of composite field of soil water properties on Qinghai-Xizang Plateau

研究区域 积雪阶段 下渗 /(mm·d-1) 土壤含水量/%
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 -0.702 0.001 0.004 0.074 0.184 0.481
积累阶段 -0.020 0.267 0.312 0.386 0.430 0.449
鼎盛阶段 0.080 0.519 0.424 0.442 0.529 0.736
消融阶段 -2.896 -1.176 -1.088 -0.948 -0.705 0.145
高原整体 积雪期 -0.137 -0.271 -0.236 -0.179 -0.156 -0.274
积累阶段 -0.164 -0.245 -0.193 -0.144 -0.148 -0.374
鼎盛阶段 0.010 -0.043 -0.055 -0.023 -0.015 -0.155
消融阶段 -0.318 -0.651 -0.570 -0.464 -0.378 -0.304
表5 青藏高原土壤水属性气候倾向率

Table 5 Climatic tendency rate of soil water properties on Qinghai-Xizang Plateau

研究区域 积雪阶段 下渗 /[mm·d-1·(10a)-1] 土壤含水量/[%·(10a)-1]
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 -0.374 -0.619 -0.330 -0.189 -0.112 -0.033
积累阶段 -0.950 -0.464 -0.232 -0.121 -0.061 -0.012
鼎盛阶段 -0.126 -0.520 -0.254 -0.126 -0.057 0.002
消融阶段 0.571 0.263 0.132 0.068 0.034 0.007
高原整体 积雪期 -0.110 -0.865 -0.465 -0.271 -0.164 -0.057
积累阶段 -0.175 -0.658 -0.337 -0.182 -0.097 -0.021
鼎盛阶段 -0.010 -0.989 -0.484 -0.240 -0.110 -0.001
消融阶段 0.071 0.400 0.209 0.117 0.068 0.023
从高原积雪与土壤热属性的相关系数（表6）来看， 积雪的绝热特性可以抑制地气间的热交换， 积雪与地表热通量为负相关。但B、 C以及整个高原的积累阶段和鼎盛阶段， 地表热通量为负值， 土壤向大气传输热量， 积雪深度、 积雪日数与地表热通量表现为正位相变化， 区域C最明显， 说明土壤向大气输送热量的强度正在逐渐减弱。积雪过程常伴随着较低的气温和地表温度， 积雪的增加可以有效减少土壤内能量的流失， 从而对土壤起到“保温”作用， 表现为积雪与土壤温度的正相关， 尤其是在积累阶段。与此同时， 积雪的隔热作用使得向上的土壤热通量减小， 地表降温减缓， 从而使得气温和地表温度的升高， 主要表现在积累阶段和鼎盛阶段积雪与气温、 地表温度的正相关。
表6 青藏高原积雪深度、 积雪日数与土壤热属性参量的相关系数

Table 6 Correlation coefficients between snow depth, snow days and soil thermal properties on the Qinghai-Xizang Plateau

研究区域

积雪

阶段

 参量 气温 地表温度 土壤温度 地表 热通量
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 积雪深度 -0.011 -0.010 -0.001 -0.001 -0.001 0.003 0.007 -0.013
积雪日数 0.013 0.013 0.019 0.022 0.025 0.032 0.040 -0.027
积累阶段 积雪深度 0.084 0.084 0.106 0.106 0.106 0.108 0.110 0.109
积雪日数 0.076 0.078 0.112 0.112 0.110 0.108 0.094 0.106
鼎盛阶段 积雪深度 0.100 0.087 0.025 0.008 -0.010 -0.021 -0.031 0.090
积雪日数 0.077 0.070 0.048 0.038 0.014 0.005 -0.003 0.077
消融阶段 积雪深度 -0.040 -0.036 -0.016 -0.017 -0.020 -0.018 0.018 -0.030
积雪日数 -0.072 -0.068 -0.034 -0.037 -0.045 -0.046 0.002 -0.032
高原整体 积雪期 积雪深度 -0.002 -0.001 -0.001 -0.003 -0.003 0.001 0.014 -0.010
积雪日数 -0.004 -0.003 0.004 0.003 0.004 0.007 0.023 -0.020
积累阶段 积雪深度 0.059 0.060 0.047 0.047 0.048 0.050 0.049 0.032
积雪日数 0.031 0.030 0.034 0.035 0.036 0.036 0.042 0.009
鼎盛阶段 积雪深度 0.035 0.028 0.006 -0.001 -0.003 -0.010 -0.018 0.037
积雪日数 0.029 0.022 0.010 0.006 0.001 -0.002 -0.016 0.020
消融阶段 积雪深度 -0.001 0.005 -0.019 -0.021 -0.022 -0.018 -0.033 -0.011
积雪日数 -0.005 -0.004 -0.021 -0.020 -0.020 -0.017 -0.032 -0.008
表7为高原积雪与土壤水属性在各阶段的相关系数。降雪量与积雪深度的逐日变化（图略）显示出， 高原积雪具有过程短、 消融快的特点。对于整个积雪期， 积雪量较多的区域A和C， 积雪深度的增加常伴随着较强的降雪与较低的气温， 使得土壤冻结程度加大， 从而使得土壤含水量减小； 而积雪日数的增加， 可以为土壤提供更多的积雪融水， 使得土壤含水量增加； 积雪日数与下渗的负相关也要明显弱于积雪深度与下渗的负相关。在3个区域以及整个高原的积累阶段和鼎盛阶段， 积雪深度与积雪日数都与土壤含水量表现为同相变化特征， 均可使得土壤含水量的增加； 而在消融阶段， 积雪深度与积雪日数均开始减小， 积雪融水的下渗开始增加， 土壤含水量增加。
表7 青藏高原积雪深度、 积雪日数与土壤水属性参量的相关系数

Table 7 Correlation coefficients between snow depth, snow days and soil water properties on the Qinghai-Xizang Plateau

研究区域 积雪阶段 参量 下渗 土壤含水量
6.2 cm 11.9 cm 21.2 cm 36.6 cm 103.8 cm
区域C 积雪期 积雪深度 -0.025 -0.001 -0.001 0.000 0.002 0.009
积雪日数 -0.006 0.013 0.016 0.020 0.027 0.048
积累阶段 积雪深度 0.105 0.105 0.104 0.103 0.101 0.089
积雪日数 0.084 0.112 0.111 0.110 0.108 0.097
鼎盛阶段 积雪深度 0.030 0.041 0.039 0.035 0.026 -0.024
积雪日数 0.001 0.057 0.055 0.052 0.046 0.007
消融阶段 积雪深度 -0.006 -0.031 -0.030 -0.028 -0.023 -0.006
积雪日数 -0.024 -0.065 -0.064 -0.062 -0.058 -0.032
高原整体 积雪期 积雪深度 0.001 0.007 0.008 0.009 0.012 0.020
积雪日数 0.008 0.009 0.010 0.012 0.015 0.026
积累阶段 积雪深度 -0.016 0.054 0.054 0.055 0.055 0.056
积雪日数 -0.007 0.036 0.036 0.037 0.037 0.037
鼎盛阶段 积雪深度 -0.007 0.032 0.032 0.031 0.028 0.004
积雪日数 -0.013 0.030 0.029 0.029 0.027 0.007
消融阶段 积雪深度 -0.006 -0.005 -0.006 -0.007 -0.009 -0.019
积雪日数 -0.011 -0.012 -0.012 -0.012 -0.013 -0.018
综上所述， 积雪的覆盖可以抑制地气间的热交换。积累和鼎盛阶段， 地表热通量为负值， 土壤向大气传输热量； 随着积雪的增加， 地气相互作用减弱， 土壤向大气传输热量的强度减弱， 积雪与地表热通量同位相变化， 积雪深度、 积雪日数与土壤温度正相关， 积雪对土壤起到“保温”作用。积雪融水的下渗可以增加土壤含水量， 积累、 鼎盛阶段积雪与土壤含水量为正相关， 积雪对土壤起到“增湿”作用， 主要体现在鼎盛阶段， 尤其是积雪和土壤刚开始消融时。由于高原积雪过程的不稳定， 以及空间分布的差异， 积雪与土壤水热属性参量的相关性较弱， 其相关系数基本不足0.1。从气候倾向率来看， 积雪期、 积累阶段和鼎盛阶段， 土壤有降温的趋势， 土壤含水量减少； 消融阶段， 土壤有升温趋势， 土壤含水量增加。

4 结论与讨论

利用区域气候模式对高原及其周边地区进行了为期31年的数值模拟， 采用EOF分解、 合成分析、 相关分析等方法， 进一步探讨了高原积雪的时空变化特征， 并深入分析了高原积雪与土壤水热传输的内在联系， 主要结论如下：
（1） 高原主要有3个积雪区， 分别为： 东南部的“三江源区”、 高原西部以及高原南部的山脉一带。
（2） 高原积雪的变化呈现出3个特征： 高原主体与高原东北部反相变化、 高原东部与高原西部反相变化以及高原南部与高原北部反相变化， 3个特征均有明显的年际和年代际波动。
（3） 高原积雪异常中心的空间分布与高原的3个主要积雪区较为吻合， 积雪异常主要在鼎盛阶段和消融阶段； 积雪的多年线性变率则表现为积雪深度与积雪日数逐渐减小的趋势， 尤其是高原东南部的“三江源区”减小趋势最明显， 而高原的中北部积雪有增加的趋势。
（4） 在多雪区， 积雪的覆盖可以减少土壤中热量的流失， 对土壤起到“保温”作用； 积雪融水又可以对土壤起到“增湿”作用。积雪对土壤的“保温”作用主要表现在积累阶段， 积雪深度、 积雪日数与地表热通量、 土壤温度正相关， 多雪年土壤温度高于少雪年； “增湿”作用主要表现在鼎盛阶段， 积雪深度、 积雪日数与土壤含水量正相关， 多雪年土壤含水量高于少雪年， 且积雪日数对土壤的“增湿”作用要强于积雪深度。在作用时效和垂直深度上， 积雪对土壤的保护作用还与积雪的厚度以及积雪的持续时间有关。
（5） 对高原整体而言， 积雪的异常偏多将导致更低的气温和地表温度， 使得土壤温度减小、 土壤冻结程度加大、 土壤湿度减小。
积雪对土壤的保护作用现已得到广泛认可， 观测数据统计、 遥感数据与再分析资料的相关分析、 数学模型分析以及数值模拟均能得到积雪的“保温”和“增湿”作用， 但由于积雪过程以及积雪量的不同， 使得积雪作用的时间长度和土壤深度略有差异。高原地区由于土壤的冻融过程， 积雪与冻土间的相互作用更具复杂性。本文对高原积雪与土壤水热的相关分析中， 积雪深度、 积雪日数为月平均数据， 未采用滞后相关。在相关分析中也发现， 积雪的作用在地表至36.6 cm的土壤层中影响是最明显的， 再往深层也能发现一些影响作用， 但或许应该综合考虑其他因素。

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