北疆地区季节性积雪物理特性分析

2020-06-08胡慧玲唐小雨摆丽萍肖宇峰张富森

陕西水利 2020年1期

胡慧玲，高凡，唐小雨，摆丽萍，肖宇峰，张富森

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

冰冻圈作为现代气候系统定义的五大圈层之一，积雪是冰冻圈覆盖面积最广的要素[1]。同时，积雪作为一种特殊的下垫面、重要的水文变量、以及气候系统中最活跃的因素[2]，其分布与变化对地表和大气会产生深刻影响[3～4]。在全球气候变化背景下，新疆气候环境自1987年以来表现出显著的暖湿趋势，高山流域冰雪水文过程对气候变暖与积雪水资源的分配改变产生明显的影响，近年来雪崩、冰洪、风吹雪和冰川泥石流等多种冰雪灾害频繁发生[5～8]，对区域及全球水资源安全性及生态环境稳定造成严重威胁，研究寒旱区季节性冰雪水文过程，有助于理解地表能量交换、生态系统平衡等重要生态水文过程，对变化环境下干旱区内陆河水资源可持续利用具有科学指导意义。

积雪的物理特性主要包括积雪深度、积雪密度和积雪液态含水率等[9～11]。其中，积雪深度对雪水当量、研究流域水量平衡和模拟春季融雪径流的估算有重要意义[12]；雪密度对积雪区域的水量平衡研究[13～14]、融雪模型的参数化[15～16]、雪崩预报和建筑物雪荷载计算均有重要意义[17]；雪层含水率对理解融雪机制有重要意义[18～19]。俞正祥等[20]研究大兴安岭北部3种主要森林类型林内积雪特征，表明冬季林分郁闭度不光影响降雪截留率，同时直接影响林内积雪深度、积雪密度及雪水当量。陆恒等[12]研究天山雪岭云杉林下季节性积雪物理特性，表明林冠下和开阔地积雪物理特性是不同的。高培等[9]在天山积雪雪崩站稳定期雪期的时间变化特征中指出整个稳定期积雪日平均密度与日平均含水量、日平均气温没有显著关系。目前，对于有无遮蔽条件下积雪累积过程中的相关物理特性要素的观测与对比分析研究成果较少。基于此，本次试验选择在2018年12月1日～12月31日时段内天山北坡乌鲁木齐河流域下游试验区内林冠下与开阔地两种条件下进行，结合研究区内同期气温要素（大气温、湿度）数据，对分层积雪物理特性（积雪深度、积雪密度、积雪温度、积雪液态含水率等）进行初步观测并加以分析。

1 试验样地设置与基本概况

选择天山北坡乌鲁木齐河流域下游城市段（新疆农业大学校内季节性积雪覆盖场地）为人工试验研究区，海拔846 m，地处亚欧大陆中心，南面有雅玛里克山。地势高差大，山地面积广大。属于温带大陆性干旱气候，春秋两季较短，冬夏两季较长，昼夜温差大。站区内多年平均气温8.2℃，12月份平均气温-9.8℃，多年平均降水量294 mm，积雪深度平均值30 mm，冬季最大积雪深度可达到50 mm。由于新疆的雪密度在10月～11月，3月～4月的变化幅度大，而12月～次年2月呈平稳状态，所以稳定积雪期一般在12月上旬～次年2月下旬[21～22]。研究区内树种以榆树林（Elmforest）为主。

图1 有无遮蔽区积雪对照

2 研究方法

试验于2018年12月1日～2018年12月31日在研究区榆树林内选取不同遮蔽条件下（林冠下、开阔地）的试验区，在冬季降雪开始前布设2个5 m×5 m的天然正方形积雪样方，利用架设的自动气象站同步观测研究所需要素（空气温度、湿度）同时对研究区9场自然降雪后积雪物理特性（积雪深度、积雪密度、液态含水率、雪层温度等）进行重复观测试验。以王彦龙等[23]对我国的积雪分类标准，把积雪剖面自雪表至下部分为5层：新雪层(粒径范围0.1 mm～0.4 mm)、细粒雪层(粒径范围0.5 mm～1.0 mm)、中粒雪层(粒径范围 0.5 mm～1.0 mm)、粗粒雪层(粒径范围2.0 mm～3.0 mm)和深霜层(粒径范围3.0 mm～6.0 mm)。利用SnowFork雪特性仪观测积雪分层物理特性（积雪密度、积雪液态含水率），积雪测量过程均从底部深霜层开始，每层测量3～5次取均值作为最终的测量值，同时，利用TP3001便携式温度计（测量分辨率为0.1℃，温度观测范围为-50℃～300℃）对上述雪层的划分进行3次同步测量，取分层雪温均值作为最终测量值。测量积雪深度可用铁尺，尺上用mm划分，尺子零刻度对准底部深霜层，忽略微地形、地面异物和地表冰冻层对雪深测量的影响，采用3次测量的均值作为最终测量值。考虑到气象条件的日变化过程，测量时间依次分别选择在北京时间 9∶00、12∶00、15∶00、18∶00 共 4 个时间点进行。

根据野外观测的实验数据，利用Excel 2010统计分析软件进行数据处理与统计分析，并且绘制出研究区内有无遮蔽条件下各积雪物理特性垂直廓线，并进行分析，见图2。

图2 气温与雪深变化

3 结果与分析

3.1 积雪期气象及雪深变化

由图2知，研究区内12月份平均气温为-6.69℃，最低气温-13.5℃（12月2日），最高气温-2℃（12月15日）。期间伴随着9次降雪，并且有连续降雪情况。2018年12月积雪站内第1场降雪始于12月1日，12月2日是第2场降雪，林冠下累积降雪深度达到16 cm，开阔地累积降雪深度达到18 cm。积雪还未来得及消融，12月4日第3场降雪，接连12月5日第4场降雪，林冠下累积降雪深度达到19.5 cm，开阔地累积降雪深度达到21.5 cm，此时，积雪累积深度达到最大。自12月6日～12月16日积雪站内未产生降雪，且温度逐渐升高，太阳辐射加强，积雪深度急剧下降，到16日林冠下和开阔地的积雪深度下降到15 cm，此时积雪深度下降到最低值。由于遮蔽条件不同，林冠下植被郁闭度明显高于开阔地，其植被阻挡了太阳的辐射，即开阔地所接受的太阳辐射比林冠下所接受的太阳辐射多，并且林冠下具有降雪截留作用，导致在12月6日～12月16日未降雪期间阔地积雪沉降速率0.32 cm/d，林冠下积雪沉降速率0.27 cm/d，即开阔地沉降速率比林冠下快[26]。12月17日～12月21日积雪站内连续5天降雪，林冠下积雪累积深度达到17.5 cm，开阔地积雪累积深度达到20 cm，开阔地积雪累积深度大于林冠下积雪累积深度。12月22日～12月31日再无降雪，气温逐渐升高，积雪深度下降，12月31日林冠下与开阔地积雪深度分别降至17 cm和17.5 cm。由于植被的拦截作用、雪粒间的空隙及雪层受到上层积雪压力的影响[9]，综上所述，林冠下积雪深度小于开阔地，林冠下积雪沉降速率小于开阔地，林冠下积雪累积深度小于开阔地积雪累积深度。

3.2 积雪密度特征

本积雪站处于中国西北地区，在大陆性气候条件下容易形成密度小，温度变化大，深霜层发育层厚特点的“干寒性”积雪[24]。不同遮蔽条件下分层积雪密度变化特征具体表现为：①林冠下雪层密度垂直变化从新雪层到深霜层表现为先增大后减小，新雪层积雪密度0.073 g/cm3，细粒雪层密度0.123 g/cm3，峰值出现在中粒雪层0.157 g/cm3，之后积雪密度开始减小，粗粒雪层密度为0.146 g/cm3，深霜层0.083 g/cm3；②开阔地雪层密度垂直变化从新雪层到深霜层表现为先增大后减小，新雪层积雪密度0.074 g/cm3，细粒雪层密度0.125 g/cm3，中粒雪层密度0.159 g/cm3，与林冠下积雪垂直密度不同的是开阔地积雪垂直密度峰值出现在粗粒雪层0.165 g/cm3，之后又开始减小，深霜层密度0.083 g/cm3（图3）。究其原因可能为林冠下新雪层为新降雪，密实度小，所以密度小；细粒雪层到中粒雪层由于受到上层积雪压力的影响，所以密度大于新雪层；由于再结晶作用使得粗粒雪层和深霜层形成颗粒较粗、空隙大的深霜，所以密度较小[24]。开阔地雪层密度垂直变化类似于林冠下，由于积雪厚度、太阳辐射等条件，密实化作用深入到粗粒雪层，即在粗粒雪层密度达到峰值，顶部、底部雪层密度小[24]。林冠下积雪平均密度小于开阔地积雪平均密度。其原因可能是由于林冠的遮蔽作用，积雪会有部分被拦截在树冠上，降雪不易直接降落到地面上，树枝起到了减缓积雪降落的作用，使得林冠下积雪空隙率高于开阔地。

图3 雪层密度廓线分布

3.3 积雪液态含水率变化特征

在观测期内，积雪由4次非连续降雪形成，具有层状结构，各雪层密度、粒径及孔隙率不同，因而各雪层之间含水率存在差异[9]。不同遮蔽条件下分层积雪含水率变化特征具体表现为：①林冠下含水率随着积雪深度自新雪层至深霜层不断增大，在深霜层达到最大含水率0.269%，粗粒雪层至新雪层含水率分别为0.256%、0.199%、0.132%和0%；②开阔地雪层含水率呈现单峰型，表现为先增加后减小：新雪层含水率0%，细粒雪层含水率0.147%，中粒雪层含水率0.344%，在粗粒雪层达到峰值，含水率0.356%，深霜层含水率减小到0.213%（图4）。林冠下雪层含水率在深霜层达到最大主要受雪层底部水汽迁移影响[9]，随着积雪深度的增加，水汽迁移加剧，到深霜层达到最大。开阔地含水率最大值在粗粒雪层，主要原因是由表面积雪消融水下渗到一定深度时被阻挡，于是沿着水平方向流动，若是此时气温下降，积雪消融水遇冷冻结成冰壳层[25]。冰壳层会阻挡上部融水继续向下流动，导致深霜层的含水率在粗粒雪层之后减小。积雪底部深霜层含水率仍然高的原因是由于土壤的热传导，深霜层与土壤接触，土壤将热量由温度高处向温度低处流动，因而深霜层受热出现液态含水率。林冠下、开阔地积雪含水率都较小，新雪层含水率大多数情况下为0%，属于干雪[26]，雪层主要由冰河空气组成[27]。开阔地深霜层含水率小于林冠下深霜层含水率可能是因为林冠下地温高于开阔地地温，所以林冠下深霜层含水率较开阔地高。