积雪热效应的定量评估获重要进展
发表日期:2020-12-13来源：冰冻圈科学国家重点实验室
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近日，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室库威积雪站张伟博士等在国际农林科学TOP期刊Agricultural and forest meteorology在线刊发了题为Snow cover controls seasonally frozen ground regime on the southern edge of Altai Mountains的研究论文，该成果利用阿尔泰山库威积雪站的长序列积雪-冻土观测数据，定量评估了阿尔泰山南坡积雪对冻土的影响。这也是库威积雪站首次公开报道该地区长序列的积雪、冻土观测数据。
积雪会对人们的生产、生活和环境产生什么样的影响？一方面，积雪是重要的固体水库，冷季储存的积雪在春季消融季集中释放；另一方面，积雪具有重要的隔热保温作用，将显著改变近地表的能量平衡过程。积雪作为覆盖地表的一种具有低热导率、高反照率且在能量变化的情况下易发生相态转换并伴随大量潜热变化的特殊物质，具有显著的保温作用。一般认为，积雪深度是控制积雪热绝缘效果最直接的因素，随着积雪深度的增加，积雪的热绝缘作用有逐渐增强的趋势：当积雪的深度较小时，因积雪较高的反照率致使到达地表的能量显著减小且积雪的热绝缘作用较弱，积雪的出现不足以影响地气间的能量运移过程，从而有利于土壤的冻结过程；随着积雪深度的增加，积雪的热绝缘作用增强，逐渐抵消积雪高反照率引起的土壤冷却效应，此时的积雪主要表现为热绝缘作用，积雪的出现保证了土壤温度不至于过低，有利于植被等的生长但不利于冻土的发育。然而，由于积雪特殊的物理性质，积雪隔热保温作用的定量评估一直是一个难题，目前仍缺少相对成熟的研究方法。
为了实现积雪对冻土影响的定量评估，自2011年8月起，库威积雪站在阿尔泰山南坡开展系统的气象、积雪和冻土水热过程研究。基于库威积雪站大桥积雪观测场2011年9月至2018年8月的日观测数据，结合中国气象局7个国家基准站1961-2015年的积雪和冻土数据，系统、定量评估了阿尔泰山南坡积雪对季节冻土的影响。库威积雪站的观测结果表明：积雪是引起冻土冻融过程年际差异的首要控制因子（图1）；积雪的保温效果呈现出随积雪深度先增加后减小的变化趋势，当积雪的深度介于50～70 cm时，积雪的保温效果最佳（图2）；积雪覆盖期内不同的积雪深度导致地气间的热通量变化介于-5.86 W/m2（平均雪深为61.2cm）和-2.68 W/m2（平均雪深为13.7cm）之间，继而导致季节冻土的最大冻结深度从超过250 cm减小到69 cm。积雪对土壤温度的保暖作用评估结果显示，50 cm深度的积雪可以导致土壤温度升高达12.8 ℃。基于中国气象局的长期观测数据，发展了“SCI-TDAS-MFD”（积雪指数-地气温差-最大冻结深度）经验分析方法，相关结果表明，1961-2015年间积雪的存在导致阿尔泰山地区季节冻土的最大冻结深度平均减少了44.5 cm（图3）。在有较长期观测资料地区，该方法可以直接用于定量评估积雪对冻土最大冻结深度的影响；基于气温和积雪观测资料，也可估算季节冻土的最大冻结深度。另外，基于统计分析方法还发现，在阿尔泰山，1961-2015年间，尽管积雪控制着季节冻土的年际变化过程，但是升高的气温（第一主导因子）和增加的积雪（第二主导因子）共同导致了该地区季节冻土的退化。该研究将为研究积雪的生态效应提供基础数据和理论支撑，也为其他地区以及冻土和陆面过程模式中积雪的评估提供了新方法。
该研究由中科院西北研究院冰冻圈科学国家重点实验室、西北大学和中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所共同完成，成果获得国家自然科学基金（41971083、41721091）、国家重点研发计划（2019YFC1510501、2019YFC1510502）、冰冻圈科学国家重点实验室（SKLCSZZ-2020）和西北研究院人才基金项目等联合资助。
图1 2011-2018年积雪（a）、冻融过程（b）和土壤热通量（c）的变化
图2 积雪表层-底层温差与积雪深度的关系
图3 观测和利用SCI-TDAS-MFD方法估算的忽略积雪存在情况下的季节冻土最大冻结深度
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