1 引言
青藏高原被称为“亚洲水塔”， 湖泊分布广泛而密集， 拥有地球上海拔最高、 数量最多、 总面积最大的高原湖泊群， 总面积超过5.0×104 km2， 占我国湖泊总面积一半以上（Zhang et al， 2019； Wan et al， 2016； 马耀明等， 2021）。受高海拔影响， 青藏高原湖泊多在冬季冻结， 冻结时间长达数月至半年， 湖冰厚度可达0.6~0.8 m（Kirillin et al， 2017； Sharma et al， 2016； 汪关信， 2020； 黄文峰等， 2016； 曲斌等， 2012； 陈贤章等， 1995）。
湖泊冻结改变了湖表反照率与入射湖水的太阳短波辐射强度， 显著阻隔了大气与湖水之间的热量和动量交换， 使得冰封期湖泊表现出与无冰期不同的辐射和温度特性， 从而对湖水-湖冰-大气系统的能量和质量传输产生影响（Leppäranta， 2010； 张津榕， 2021； 宋爽， 2019）。冻结湖泊可通过多种方式影响水生生态系统， 前人研究表明湖泊冻结可抑制湖中浮游藻类及水生植物光合作用， 同时湖冰也能阻隔湖泊与大气之间的氧气交换， 使得冰封期湖内的耗氧过程主要依赖冻结前水中溶解氧的供给（Kirillin et al， 2012； Meding et al， 2001）。氧气消耗殆尽后， 湖冰以下厌氧菌分解有机物产生大量甲烷， 最终湖内水生生物活动强度减弱、 活性降低。
冻结湖泊对区域气候和水资源分布的长期变化存在重要影响。被湖冰附着的湖表虽然一定程度上会阻止湖水和大气之间的能量交换， 减少热量散失和湖面蒸发， 但仍可通过冰雪传导进行湖泊与大气间的热传递从而成为冬季区域性热源（Wang et al， 2017； Li et al， 2016）。即使冬季湖冰覆盖率高达90 %， 湖面仍可提供相较陆地更多的热量和水汽， 使湖泊下风区出现湖效应降雪（Zhao et al， 2022； Baijnath-Rodino et al， 2018； Notaro et al， 2015； Cordeira et al， 2008）。此外， 湖冰通过阻隔风动量的输入， 可减弱湖泊垂直向的混合作用及其热量分配， 使得冬季湖泊热力分层相对稳定（Leppäranta， 2014）。
冻结湖泊的作用受降雨、 降雪等天气过程的影响发生改变， 不同的冰面覆盖物会使湖面条件存在差异， 从而影响湖冰的组成及湖表特征（反照率、 透射率等）， 进而改变湖泊内部热力状况（Li et al， 2021； Cao et al， 2021； 汤明光等， 2020； Svacina et al， 2014）。积雪可减少冷空气和湖冰表面的热量交换， 减缓湖冰下界面湖水冻结、 促进湖冰上界面的冰雪生长（Duguay et al， 2003； 解飞等， 2021）。风会改变湖面上的积雪分布， 还可通过增加湖冰表面的“冻结暴露度”促进冰的生长， 使冷空气进一步冷却冰面（Brown and Duguay， 2010； 吴其慧等， 2019）。
高原气候环境恶劣、 不易开展野外观测， 已有的观测主要集中在湖泊的无冰期， 有关结冰期的研究多利用遥感展开， 但遥感数据仅能了解湖泊表面特征， 无法系统认识湖水-湖冰-大气之间的相互作用， 也制约了高原湖泊模式的发展（Huang et al， 2016； 马耀明等， 2021； 刘奇， 2021； 赵仪欣等， 2021； 汪关信， 2020）。WRF-Flake（Li et al， 2018）、 Flake（Lang et al， 2018）、 LAKE（Li et al， 2021）等模型对青藏高原湖泊的湖冰反照率均存在高估， 导致其对湖泊冰封期能量平衡及消融日期的模拟效果并不理想（方楠等， 2017）， 准确刻画湖泊湖冰特征将是改进全球环流模型、 区域气候模型和数值天气预报的重要一步（Gou et al， 2017； Brown and Duguay， 2010）。
鉴于目前对高原季节性冻结湖泊的冰封期特征认识尚不清楚， 本研究在青海湖开展了冰封期多层湖水-湖冰-大气的系统野外观测， 基于野外观测数据和台站降水数据， 分析了观测期内的天气过程特征及其对湖泊表面特征的影响， 揭示了冰面覆盖对冻结期青海湖水-湖冰-大气系统辐射和温度的影响。研究结果有助于阐明湖冰覆盖物对冰封期湖面能量平衡过程及水热特性的影响， 为高原湖泊模型的参数优化提供理论依据， 为维护青海湖流域的生态文明建设及其周边地区水安全提供科学依据。
2 研究区域和数据
2.1 研究区域
青海湖是青藏高原乃至中国最大的湖泊， 地处高原东北缘（36.53°N -37.25°N， 99.60°E -100.78°E）， 为内陆咸水湖［图1 （a）］。年平均气温-1.0~1.5 ℃， 海拔3195 m， 平均水深21 m， 最大水深32.8 m， 湖水pH值9.23， 呈弱碱性， 含盐量12.50~12.96 g·L-1， 湖体东西长约106 km， 南北宽约63 km， 湖泊面积约4486.1 km2（青海省水利厅和青海省统计局， 2015； 孙永寿等， 2021）， 流域面积2.97×104 km2， 地势西北高东南低， 形成群山环抱的山间内陆盆地。北依大通山， 南抵青海南山， 西临阿木尼尼库山， 东傍日月山。
2.2 研究数据
2.2.1 冰封期原位观测数据
2022年2月6 -28日在青海湖开展了湖水-湖冰-大气系统观测， 观测点［图1 （b）］位于青海湖二郎剑景区鱼雷发射基地站南侧（36.59°N， 100.50°E）， 观测点水深18.5 m， 距码头东北角堤岸约100 m， 距鱼雷发射基地约300 m。对数据进行了质量控制， 剔除了重复记录时刻和明显超出物理意义或仪器量程的数据， 观测数据按照1 min间隔自动记录， 对气温、 湿度、 风向风速、 辐射和反照率进行了30 min平均和日平均， 观测要素及精度等见表1 。
表1 观测仪器介绍Table 1 Introduction of observation instrument |
| 观测项目 | 设备型号（制造商） | 测量精度 | 测量范围 | 监测高度（深度） |
|---|---|---|---|---|
| 气温 | PTWD （JST， China） | 0.2 ℃ | -40~80 ℃ | 150 cm |
| 风向风速 | MaxiMet GMX 501 （Gill， England） | 1° | 0°~359° | 150 cm |
| 0.1 m·s-1 | 0.1~60 m·s-1 | |||
| 相对湿度 | MaxiMet GMX 501 （Gill， England） | 2 % | 0~100 % | 150 cm |
| 短波辐射 | TBQ-2 （JST， China） | 1 W·m-2 | 0~1600 W·m-2 | 150 cm |
| 湖表上界面位置 | SR50A （Campbell Scientific， USA） | 0.01 cm | 0.5~10 m | 60 cm |
| 湖表下界面位置 | Tritech PA500/6 （Tritech， England） | 0.1 cm | 0.1~10 m | -40 cm |
| 冰水温度链 | PTWD （JST， China） | 0.01 ℃ | -40~150 ℃ | -5、 -10、 -15、 -20、 -40、 -50、 -60、 -1270 cm |
2.2.2 气象观测站数据
本文使用的降水资料源自国家气象科学数据中心（http： //data.cma.cn/）， 主要使用中国地面气候资料日值数据集（V3.0）中青海湖151站降水资料， 时间分辨率1 min， 青海湖151站位于青海湖南侧（36.58°N， 100.48°E）， 海拔3200.8 m， 是距离青海湖最近的地面气象站。
3 结果
本次野外观测时段为2022年2月6 -28日， 处于青海湖湖冰稳定期。根据观测期天气过程和冰面是否存在覆盖物及覆盖物类型， 将观测期分为三个阶段： 积雪主要覆盖阶段（2月6 -12日）、 沙尘主要覆盖阶段（2月13 -18日）、 裸冰阶段（2月19 - 28日）。
3.1 青海湖冰封期气象要素特征
3.1.1 气温
观测期间， 气温整体呈弱上升趋势［图2 （a）］， 但均保持在0 ℃以下， 日均气温分布在-15.23~-5.00 ℃， 30 min平均气温分布在-19.85~-0.48 ℃， 观测期间平均温度为-10.21 ℃。2月6 -7日， 日均气温迅速下降， 由-13.07 ℃降低至-15.23 ℃； 8 -13日气温持续上升至-8.41 ℃； 14 -18日气温稳定维持在-9.06~-8.18 ℃； 19日气温下降至-12.37 ℃； 20 -28日气温逐渐回升， 至28日出现日均气温最高值-5.00 ℃。30 min平均气温最低值-19.85 ℃， 出现在2月8日08:00（北京时， 下同）， 30 min平均气温峰值出现在27日18:00， 为-0.48 ℃。30 min平均气温日变化显著， 日变化最大值出现在25日， 日变化幅度13.28 ℃。
3.1.2 风速
观测期平均风速3.19 m·s-1［图2 （c）］， 日峰值出现在15:00左右， 日均风速高于6.00 m·s-1与30 min平均风速高于10.80 m·s-1有5天， 且对应观测期三次大风过程（表2 ）。第一次大风过程发生于2月12 -14日， 日均风速保持在6.06~6.68 m·s-1， 其中2月13日的日均风速6.68 m·s-1是观测期内最大日均风速， 12日14:00出现了观测期内30 min平均风速峰值14.21 m·s-1， 大风带来沙尘天气， 可将细小沙粒带到冰面上， 冰面被沙尘覆盖。第二次大风过程发生在2月18日， 日均风速6.11 m·s-1， 该过程30 min平均风速峰值13.99 m·s-1出现在14:00， 大风将沙尘吹散， 使冰面部分裸露在外。第三次大风过程发生于2月28日， 日均风速6.27 m·s-1， 30 min平均风速峰值12.81 m·s-1出现在16:00。
表2 主要天气现象及湖面特征Table 2 Major weather phenomena and lake surface features |
| 日期 | 天气现象 | 地面特征 |
|---|---|---|
| 2月5日 | 降雪 | 薄雪覆盖 |
| 2月6日 | 降雪 | 积雪覆盖（监控录像） |
| 2月10日 | 夜间飘雪 | 积雪覆盖（监控录像） |
| 2月11日 | 夜间飘雪 | 积雪覆盖（监控录像） |
| 2月12日 | 大风、 沙尘（第一次） | 积雪、 沙尘覆盖（监控录像） |
| 2月18日 | 大风（第二次） | 裸露冰面 |
| 2月28日 | 大风（第三次） | 裸露冰面 |
3.1.3 降水
据青海湖151站降水资料知， 观测期间2月5日02:00青海湖出现降水， 该降水天气过程持续至6日06:00结束。5日02:00 -03:00出现0.2 mm降水， 07:00再次出现0.2 mm降水， 5日23:00至6日06:00连续降水3.1 mm。5 -6日气温低于-6 ℃， 降水可判定为降雪， 在湖表形成积雪。积雪在湖面维持直至第二次大风过程将积雪吹散， 第三次大风过程使得冰面转为裸冰。此外， 由观测录像可知9日和10日夜间出现零星飘雪。
3.1.4 向下短波辐射
向下短波辐射具有明显的日变化［图2 （e）］， 12:00 -13:00达到峰值。观测期内日平均向下短波辐射为238.34 W·m-2， 向下短波辐射的日平均峰值的最低值和30 min平均峰值的最低值均出现在2月10日， 该日的日均值191.84 W·m-2， 30 min平均峰值779.63 W·m-2。除10日向下短波辐射峰值的数值较小为阴天， 其余观测时段向下短波辐射峰值的数值均维持较大值基本为晴天， 主要由于9 -10日降雪天气出现在夜间并未影响日间向下短波辐射。此外， 2月18日的大风天气也未显著影响观测的向下短波辐射。
3.1.5 湖表反照率和向上短波辐射
湖表反照率［图2 （g）］和太阳高度角之间呈指数关系， 太阳高度角大于5°的反照率呈较为对称的U型日变化， 具体表现为早晚高， 中午低（姚彤和张强， 2014）。湖表反照率受湖表覆盖物的影响， 观测期内除裸冰阶段， 其余时段冰层上部覆盖有积雪和沙尘， 湖表物质将部分太阳辐射反射、 吸收， 从而减少入射湖泊水体的太阳辐射。向上短波辐射日变化特征与向下短波辐射相似， 但显著受湖表反照率的影响。
观测初期冰面被积雪覆盖， 积雪具有高反射特性， 2月6日12:00湖面新雪反照率高于0.64； 随后因积雪变质湖表反照率降低， 9日12:00湖表反照率降低至0.51。9日夜间出现飘雪（表1 ）， 湖表被新雪覆盖， 新雪较旧雪反照率更高（解飞等， 2021； Leppäranta et al， 2010）， 10日12:00反照率重新升高至0.66左右， 积雪覆盖阶段湖表主要维持高反射和强向上短波辐射状态。6 -11日的日均向上短波辐射由159.64 W·m-2波动减小至124.16 W·m-2， 30 min平均的向上短波辐射日峰值由6日13:00的623.43 W·m-2降低至11日12:00的482.63 W·m-2。
沙尘覆盖阶段开始于第一次大风过程， 大风使得沙粒附着在湖表冰层和积雪上部。沙尘反照率低于积雪反照率， 12日12:00湖表反照率突降至0.29， 向上短波辐射相应减小。15日冰面沙尘覆盖仍十分明显， 在积雪消融综合作用下， 湖面反照率持续下降， 15日12:00反照率降至0.11后保持稳定， 日均向上短波辐射在18日下降至该阶段最低值33.03 W·m-2， 30 min平均的向上短波辐射日峰值在17日12:00降低至该阶段最低值119.90 W·m-2。
裸冰阶段开始于第二次大风过程， 湖面的积雪和沙尘被大风吹散， 湖表转为裸冰状态， 19 -28日12:00反照率维持在0.12~0.17。与沙尘覆盖时相比， 裸冰阶段向上短波辐射略微升高， 但仍维持较低水平且稳定波动， 日均向上短波辐射基本维持在32.69~50.77 W·m-2， 最小值32.69 W·m-2出现在20日； 30 min平均向上短波辐射峰值基本维持在122.13~147.26W·m-2， 最小值119.90 W·m-2出现在17日13:00。
由此可见， 湖表反照率和向上太阳短波辐射主要受冰面覆盖物的影响， 冰面由积雪到沙尘再到裸冰的变化使观测期湖面反照率和向上太阳短波辐射呈阶段性变化。三个阶段的反照率表现为： 冰面无覆盖物时湖面裸冰反照率的变化范围为0.11~0.18； 积雪覆盖湖泊冰面时反照率的变化范围为0.52~0.74， 由于积雪变质的原因新雪反照率（0.61~0.74）较旧雪（0.51~0.57）反照率更高； 沙尘覆盖湖泊冰面时反照率的变化范围为0.12~0.33。积雪状态下， 湖面反照率高、 向上短波辐射强； 沙尘和裸冰状态下， 湖面反照率低、 向上短波辐射弱。
3.1.6 净短波辐射
积雪覆盖阶段由于积雪的高反射特性， 入射湖表的短波辐射被大量反射， 因此净短波辐射维持较低值， 日均净短波辐射72.95~110.04 W·m-2， 30 min平均的净短波辐射日峰值维持在294.90~495.63 W·m-2。沙尘覆盖阶段沙尘大量吸收入射的向下短波辐射， 净短波辐射迅速上升， 13-15日的日均净短波辐射由161.00 W·m-2上升至216.79 W·m-2后维持稳定， 18日太阳短波辐射减小导致净短波辐射减小至177.75 W·m-2。裸冰阶段净短波辐射呈波动稳定态， 基本维持在184.68~234.08 W·m-2， 30 min平均的净短波辐射日峰值维持在753.10~894.13 W·m-2。净短波日辐射峰值234.05 W·m-2出现在26日， 最小值72.95 W·m-2出现在6日。
积雪覆盖时入射湖表的净短波辐射相对较小（72.95~110.04 W·m-2）， 沙尘覆盖（161.00~216.79 W·m-2）和裸冰覆盖（184.68~234.08 W·m-2）时入射湖表的净短波辐射接近但相对积雪较大， 沙尘和裸冰相较积雪状态的阶段均值相差101.32~116.95 W·m-2。
3.2 湖表上、 下界面位置及湖表厚度
观测期间（图4 ）冰下超声与湖冰下界面距离呈微弱减小态势， 即湖冰大体向下缓慢增长， 速率约0.07 cm·d-1。观测初期积雪阶段， 湖表上界面维持在60.59~61.09 cm， 冰面被薄雪覆盖（表1 ）， 日变化幅度约1.5 cm； 湖表上下界面日均厚度维持在34.78~35.89 cm， 日变化幅度约2.40 cm， 因冰层底部向下增长缓慢， 湖表上下界面厚度日变化主要受风吹雪对冰面积雪风重分布的影响， 积雪厚度较薄约2 cm。积雪可促进湖泊冰层生长， 雪/冰界面的演变主要与雪面的变化一致（Cheng et al， 2020）。
图4 青海湖2022年2月6 -28日10 min平均的超声测距及湖表上下界面厚度×表示冰下超声仪器与湖冰下界面之间的距离， 简称“冰下距离”； ·表示冰上超声仪器与湖表上界面之间的距离（如有覆盖物则为覆盖物上界面， 无覆盖物则为湖冰上界面）， 简称“冰上距离”； △表示湖表上界面与湖冰下界面之间的距离（覆盖物与湖冰）， 简称“湖表厚度” Fig.4 10-minute average high precision ultrasonic distance measurement and thickness of upper and lower surface of lake surface in Qinghai Lake from 6 to 28 February 2022.× indicates distance between the ultrasonic instrument under the ice and the lower surface of the lake ice， referred to as the distance below the ice； · indicates distance between the ultrasonic instrument on the ice and the surface of the lake （if there is a covering， it is the surface of the covering， and if there is no covering， it is the surface of the lake ice）， referred to as the ice distance on the ice； △ indicates distance between the top surface and the bottom surface of the lake （covering and lake ice）， referred to as lake surface thickness |
沙尘覆盖阶段的2月12日10:00至13日01:00， 受第一次大风过程影响， 湖冰上界面被沙尘迅速覆盖、 堆积， 湖表上界面高度显著升高， 冰上超声与湖表上界面距离由60.71 cm迅速减小至观测期最低值48.20 cm， 湖表上下界面厚度由36.10 cm增加至观测期峰值48.30 cm。由于湖表下界面变化幅度较小， 湖表上界面沙尘累积是造成湖表上下界面厚度增加的主要原因。14 -18日， 大风将湖面沙尘吹散冰面逐渐裸露， 湖表上界面高度逐渐降低， 湖表上下界面日均厚度由44.86 cm逐渐减小至37.49 cm， 减幅7.37 cm。
裸冰阶段的2月19日， 第二次大风过程将冰面积累的沙尘和积雪吹散， 湖面仅存在微量沙尘， 冰面转为裸冰状态， 使得入射湖表的净短波辐射较积雪阶段和沙尘阶段高。19 -28日冰上超声与湖表上界面的距离日均维持在60.16~60.90 cm， 湖冰上界面白天升华和夜间凝华速率显著增强， 日波动幅度由1.60 cm增大到2.90 cm。裸冰状态下湖表上下界面厚度即为湖冰厚度， 日均冰厚保持在36.35~36.88 cm， 冰厚日变化幅度3.1 cm， 增长速率0.04 cm·d-1， 湖冰厚度变化依然主要依靠湖冰向下增长。
综上可知， 降雪、 沙尘和大风等天气过程可显著改变湖冰上界面的物质分布和积累厚度。观测期内， 湖冰的厚度变化不大， 但湖冰上部覆盖物类型及厚度受降雪、 沙尘和大风等天气过程影响显著不同。
3.3 湖水温度
冰下近冰层湖水温度低于0 ℃但不结冰， 主要是由于青海湖是咸水湖， 含盐量12.50~12.96 g·L-1， 根据海水状态经验函数的线型近似， 湖泊的冻结温度降低可至-0.71~-0.69 ℃（Su et al， 2020； 羊向东， 2018）。湖冰上界面以下40~12.7 m（湖冰约37 cm， 即湖冰下3~12.3 m）的湖水温度混合均匀（图5 ）。湖水温度随时间变化不大， 湖水温度维持在0 ℃左右， 观测期内温度变化不超过0.8 ℃， 最大日变化幅度0.22 ℃， 水温几乎不随昼夜变化。
3.4 湖冰温度
积雪和沙尘覆盖阶段（2月6 -16日）， 5 cm深度湖冰日均温度为-4.43~-2.71 ℃， 冰温日变化幅度小于3.68 ℃； 10 cm深度湖冰日均温度为-3.50~-2.23 ℃， 冰温日变化幅度小于1.66 ℃； 15 cm深度湖冰日均温度为-2.72~-0.98 ℃， 冰温日变化幅度小于0.90 ℃； 20 cm深度湖冰日均温度为-1.90~-0.44 ℃， 冰温日变化幅度小于0.56 ℃， 不同深度湖冰温度无明显重叠， 5 cm浅层湖冰温度始终低于20 cm深层湖冰温度， 各层冰温之间存在明显分层现象。
裸冰阶段（2月18 -26日）， 5 cm深度湖冰日均温度为-6.26~-4.13 ℃， 冰温日变化幅度高于7.29 ℃， 约为积雪和沙尘阶段冰温日变化幅度最大值3.68 ℃的1.9倍； 10 cm深度湖冰日均温度为-5.01~-2.96 ℃， 冰温日变化幅度大于3.92 ℃， 约为积雪和沙尘阶段冰温日变化幅度最大值1.66 ℃的2.3倍； 15 cm深度湖冰日均温度为-4.07~-2.09 ℃， 冰温日变化幅度大于2.31 ℃约为积雪和沙尘阶段冰温日变化幅度最大值0.90 ℃的2.56倍； 20 cm深度湖冰日均温度为-3.26~-1.94 ℃， 冰温日变化幅度大于1.41 ℃约为积雪和沙尘阶段的冰温日变化幅度最大值0.56 ℃的2.5倍， 不同深度湖冰温度存在温度交叠的现象， 白天浅层5 cm湖冰温度高于深层20 cm湖冰温度， 夜间相反。
裸冰阶段冰温日变化幅度较大（7.29~9.69 ℃）， 而积雪阶段（1.08~2.05 ℃）和沙尘阶段（1.09~3.68 ℃）冰下5 cm处冰温日变化较小， 这与上述提到裸冰、 沙尘状态低反照率导致湖表上界面入射净短波辐射高， 而积雪高反照率导致的湖表上界面入射净短波辐射低并不一致。
3.5 不同阶段湖冰温度差异机制
冰下湖水温度维持在0 ℃附近且变化较小（图5 ）， 湖水和湖冰的热量交换较少， 湖冰获得的能量并非主要来自于湖冰下界面。同时， 观测期内湖冰厚度变化较小， 即湖冰吸收的入射短波辐射基本维持不变且未出现湖冰生消引起相态变化导致热量传输的现象。那么， 三个阶段湖冰温度差异主要是由于湖冰上界面入射辐射差异导致， 即与湖冰 温度变化对应的积雪、 沙尘和裸冰阶段湖冰上界面接收到的入射辐射表现应为： 低、 低、 高； 然而积雪、 沙尘和裸冰阶段湖表上界面入射的净短波辐射表现为： 低、 高、 高（72.9~110.04 W·m-2、 161.00~216.79 W·m-2、 177.58~234.08 W·m-2）， 湖冰上表面和湖表上表面的能量差异则应是由湖冰上覆盖物的吸收作用形成（图7 ）。湖冰被积雪和沙尘覆盖时的透射率分别为0.3和0.08（曹晓卫， 2021）， 说明12 cm的沙尘覆盖吸收的太阳辐射远远大于2 cm（表1 ）积雪吸收的太阳辐射， 这使得沙尘阶段低反照率导致的湖表上界面的强入射辐射被削弱， 在湖冰上界面削弱到与积雪阶段相近的冰面低入射辐射。相较于积雪和沙尘阶段， 裸冰阶段缺少能够吸收太阳短波辐射的覆盖物， 抵达湖冰上界面的入射辐射基本等效于湖表上界面的强入射辐射。因此， 湖冰温度表现为： 高、 高、 低（冰下5 cm： -4.43~-3.53 ℃、 -3.95~-2.71 ℃、 -6.26~-4.13 ℃）； 湖冰日变化幅度表现为： 小、 小、 大（冰下5 cm： 1.08~2.05 ℃、 1.09~3.68 ℃、 7.29~9.69 ℃）。
图7 青海湖湖水-湖冰-大气系统辐射和温度变化示意图深色线条指代湖冰层温度变化幅度， 白色线条指代湖水层温度变化幅度， 图中数值来自图2估算 Fig.7 Schematic diagram of radiation and temperature variation of the water-ice-air system in Qinghai Lake. The dark lines refer to the temperature range of the lake ice layer， and the white lines refer to the temperature range of the lake layer. The values in Fig.7 are estimated from Fig.2 |
不同的冰面覆盖情况不仅会影响湖冰温度， 而且会使湖冰温度的日变化表现出显著差异。以日变化最明显的冰下5 cm处30 min平均冰温为例， 白天具有高反照率的积雪和强吸收作用的沙尘使得穿过湖表覆盖物入射湖冰上界面的太阳短波辐射维持在较低水平， 湖冰温度相对裸冰阶段升温幅度小2.72 ℃。夜间， 积雪间的空隙度高， 未融化的积雪空隙内存在空气， 空隙中的空气由于积雪的阻挡不能轻易流动， 空气导热性差减小了冰面由空气流动导致的热量散失； 沙尘的导热性好， 但由于其密度大且覆盖厚度较深， 阻隔了冰面与空气直接接触导致的热量散失起到保温作用， 因此积雪和沙尘阶段冰面热量散失放缓， 使冰面温度在夜间不至于降得很低仅-5.38 ℃， 约裸冰阶段最低温度-10.49 ℃的一半。积雪和沙尘阶段的冰温日变化幅度3.69 ℃远小于裸冰阶段的9.69 ℃。裸冰状态下， 太阳辐射可直接入射湖表冰面， 抵达湖冰上表面的净辐射辐射几乎为湖表接收到的所有净短波辐射， 湖冰上界面接收到的净短波辐射相较积雪和沙尘阶段更高， 日间冰温升温程度增强； 夜间湖冰失去覆盖物的隔热和保温作用， 裸露在外的表层湖冰直接向大气放射长波辐射， 冰面热量散失加剧， 降温强烈， 因此相较积雪和沙尘覆盖阶段， 裸冰阶段不同深度的湖冰均出现平均温度降低、 冰温日变化增大的现象。
4 结论
本文基于在青海湖开展的冰封期湖水-湖冰-大气系统多层野外观测， 结合台站降水数据， 研究了积雪、 沙尘对冰封期青海湖辐射和温度的影响， 对青藏高原最大湖泊青海湖冰封期天气过程和湖面过程特征进行了研究， 得出以下结论：
（1） 降雪、 沙尘、 大风等天气过程可显著改变冰面物质分布， 也可导致湖冰和覆盖物的厚度变化明显。
（2） 不同冰面覆盖物使湖表反照率存在明显差异， 导致入射湖表上界面、 湖冰上界面的短波辐射差异显著。
（3） 裸冰时反照率较小（0.11~0.18）且上层无覆盖物， 冰下5 cm处湖冰温度的日变化幅度较大（7.29~9.69 ℃）。积雪、 沙尘覆盖均使入射冰面的短波辐射较小进而造成湖冰温度日变化幅度小（1.08~2.05 ℃、 1.09~3.68 ℃）， 但作用机理有所不同。积雪的高反射特性（0.52~0.74）使短波辐射被大量反射， 而沙尘尽管反照率较小（0.12~0.33）， 但其对太阳辐射具有强吸收作用， 两者都造成入射冰面的短波辐射较小。