青藏高原积雪对陆面过程水热输送的影响研究

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积雪做为冰冻圈的重要组成部分,与冰冻圈其他成分有非常强的相互作用,对区域及全球气候变化有着重要影响。由于青藏高原特殊的地理位置以及海拔高度,使其与其他地区积雪特征明显不同。同时,青藏高原冬春积雪对亚洲季风降水有明显指示意义,但其影响的物理机制还存在较大争议,因此开展积雪对陆面过程的影响研究具有十分重要的意义。本文利用多卫星融合反演的中国区域长时序每日雪深资料(1979-2016年),分析了青藏高原地区积雪深度与积雪日数的分布及变化特征,并根据积雪的季节变化将积雪期(10月至次年5月)分为三个阶段(积累期、鼎盛期和消融期),结合ERA-Interim月平均和3h再分析资料,分析积雪与气温等地表热状况,土壤水含量和潜热通量等能量输送量的联系,初步分析了积雪在高原陆面过程中的作用。考虑到ERA-Interim数据本身对积雪年际变化的描述和卫星观测积雪资料存在差异,根据两者的相关系数分布选取6个子区域进行积雪对地表水热参量的影响研究。结果表明:(1)积雪深度和积雪日数的时空分布基本一致,积雪分布无明显的年际变化规律,川西高原等高原边缘地区与高原主体呈反向变化的气候倾向特征,积雪期高原平均积雪深度和日数的气候倾向分别为:-0.30cm/10a、-3.23天/10a;原序列和去趋势后定义的多雪年有5个,少雪年有6个,由于原始序列一定程度受到积雪减少的气候倾向特征影响,多(少)雪年集中在2000年以前(后);ERA-I雪深与遥感雪深相比低估高原积雪的平均积雪深度、低估高原积雪年际变化振幅、无法描述高原积雪减少的气候倾向特征。(2)地表热状况均存在明显的增温的气候倾向,气温(0.29℃/10a)和地表温度(0.143℃/10a)在积雪鼎盛阶段增温最显著,土壤温度在积雪消融阶段温增最显著,第一至第四层土壤温度的气候倾向率分别为:0.127℃/10a、0.124℃/10a、0.118℃/10a、0.094℃/10a;土壤水含量主要呈变干趋势仅在鼎盛阶段第三和第四层土壤含水有变湿的趋势;净短波辐射受向下短波辐射的减小趋势而主要呈减小,感热和潜热均有明显的减弱趋势,土壤热通量则在不同积雪阶段和不同土壤层存在明显差异。(3)从年际变化的相关系数来看,积雪对于地表热状况而言起降温作用,对于土壤水含量起增湿作用,并且这种降温和增湿作用在积雪累积阶段最明显,随土壤层的加深其相关性减弱;积雪对地表向大气输送感热和潜热均有抑制作用,其抑制作用主要体现在累积阶段;积雪对土壤向上输送热量有促进作用,其促进作用主要体现在累积阶段。(4)多雪年地表热状况(土壤水含量)低于(高于)少雪年,积雪主要起降温(增湿)作用,其降温(增湿)作用在鼎盛阶段最显著;积雪消融阶段对感热通量有明显抑制作用,积雪积累阶段对潜热通量有明显抑制作用;在积雪累积过程中积雪对土壤向上输入热量存在抑制作用,而鼎盛和消融阶段对土壤向上输入热量存在促进作用。在积雪过程中,表现为积雪较多时土壤冻结时间提前、完全冻结天数增加,消融阶段浅表层(0-0.28m)土壤水含量迅速增加甚至一段时间内高于深层(1.0-2.89m)土壤水含量,在高原平均积雪大于1-2cm后地表潜热通量的振幅较小,感热通量在积雪期内的天气尺度波动与积雪深度相反;多雪年各层土壤热通量从向下(上)输送转为向上(下)输送的时间较少雪年早(晚)。
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