青藏高原冻结期地表热储分析

　　摘要：根据鄂陵湖畔高寒草地站点2011-2013年的观测数据，分析了冻结期高寒草甸地表能量通量平衡 特征，在假定冻结期土层中各相态水的质量近似稳定的基础上，对热储项进行了定量分析。由于缺少对 积雪深度的直接观测，根据地表反照率定义了积雪期。首先对冻结期地表能量特征进行了比较，发现无 积雪时地表波文比多数时候大于 3，而在积雪期，波文比大多时候小于 0. 5。有积雪时土壤各层温度平 均日较差都显著地减小，其中0. 05 m处土壤温度日较差相较于无积雪时减少4 ℃。伴随温度日较差减 小，积雪期土壤内相变过程也会减弱，引起土壤湿度变化幅度的减少。积雪层可以吸收短波辐射，因此 有积雪存在时，地表能通量传输过程需重新考虑。计算热储后发现，非积雪期土壤温度变化和相变过程 贡献的热储项分别占不闭合能量(简称占比)的 69%和 12%，这个比例在阴天和晴天也会存在不同。在 积雪期，积雪热储项占比为 88%，而土壤热储占比仅为 10% 左右。与晴天相比，阴天积雪热储占比下 降，土壤热储占比上升。这说明短波辐射增强会迅速增加积雪吸收的热量，但对积雪下冻土的影响却很 小。对于冻结期中非积雪期闭合度的分析，同时考虑土壤温度和相变热储时闭合度会增加 0. 01~0. 02， 且阴天闭合度整体大于晴天。

　　关键词：青藏高原;鄂陵湖;热储;积雪

　　1 引言

　　积雪和冻土是冰冻圈的重要组成部分，其中积 雪是冰冻圈最活跃的要素之一，两者都对地表能量 平衡和水分交换有着重要的影响(蒋元春等，2020; 张正等，2019)。青藏高原东西长约2000 km，南北 宽约 1000 km，平均海拔超过 4000 m，是北半球中 纬度海拔最高、积雪覆盖最大和冻土分布最广的地区，被称为“世界屋脊”(王婷等，2019;陈月等， 2019;李跃清，2011)。

　　农业论文范例：我国西南地区春季降水对前期青藏高原热力作用的响应

　　青藏高原是大型河流发源地，也因其独特的地 理位置影响着全球的气候变化。为更好地了解青 藏高原影响全球气候的机制，自 20 世纪 70 年代以 来，各类国内外大型观测实验在青藏高原上开展， 包括中日合作 GAME-Tibet 实验、TIPEX-Ⅱ(1998) 和 TIPEX-Ⅲ(2013)实验等(Zhao et al，2019;Bian et al，2003;季国良，1999;李茂善等，2008;马伟 强等，2005;马耀明等，2006a;钱正安等，1997;王 介民，1999;王永杰等，2010;武荣盛等，2010;周 长艳等，2012)。在过去的陆气研究中，冻土的发 展始终是青藏高原研究中受到最多关注的过程(程 国栋等，2019;戴黎聪等，2019)。不少研究指出青 藏高原的冻土与湖泊，径流等水体变化存在紧密联 系，但基于陆气作用开展的观测研究目前还不多。 土壤水热变化与地表能量平衡之间存在着紧密联 系(Steven et al，2007)。自然或人为因素对地表的 改变，会通过影响地气能量交换产生一系列影响 (Yang et al，2008)。

　　基于这点考虑，青藏高原复杂 下垫面开展的陆气观测试验不少都是围绕地表能 量平衡展开的。 观测研究青藏高原冻结期地表能量平衡问题 有利于更好地了解大气与边界层的相互作用，对研 究冻土发展的机理和积雪覆盖对青藏高原气候的 影响具有十分重要的意义。

　　但在实际的观测试验 中，由于仪器本身存在的系统误差和其他原因，结 果往往是不闭合的，尤其当观测站点位于复杂下垫 面时，如雪表、湖畔(Steven et al，2007)。这些不闭 合过程的产生可能与高原冻土、积雪存在关系，也 是目前陆面模型发展重点关注的方向。 由于青藏高原冻结期积雪覆盖和冻土分布范 围增大，试验环境恶劣，数据稀缺，目前对高原上 鄂陵湖站点附近区域冻结期陆气相互作用的认识 还存在很大不确定性(李静等，2009;王澄海等， 2008;张海宏等，2017)，尤其对积雪通过改变地表 能量传输进而影响冻土发育的过程还存在不足(刘 火霖等，2020;王婷等，2019)。基于这点考虑，本 研究借助较为持续的观测数据，对鄂陵湖冻结期周 边草地的地表热储进行初步分析，期望能对积雪的 作用有更深入的认识。

　　2 数据与方法介绍

　　2. 1 观测实验简介

　　本研究所使用的资料来源于青海省玛多县境 内鄂陵湖观测站。鄂陵湖是黄河源区的大型淡水 湖泊，对黄河源头径流量有重要的调节作用(李照 国等，2012)，位于青藏高原的东北部、青海省东南 部。湖泊面积 610. 7 km2 ，流域面积 18188 km2 ，海 拔 4268 m，长 32. 3 km，平均宽度 18. 9 m，最大宽 度可达31. 6 m(Han et al，2020)。 本试验观测平台位于鄂陵湖西北草地(距地表 3. 1 m)，有鄂陵湖和扎陵湖两大湖泊分布左右。实 验以一套开路涡动相关系统(CSAT3+Li7500)为核 心进行观测，数据采集频率均为10 Hz，并使用Ed‐ dyPro软件(LI-COR)对采集到的数据进行系统的质 量控制。

　　3 结果

　　3. 1 地表能量通量特征

　　根据冻结期中地表能量通量的平均日变化可以发现，Rn在 14:00左右达到最大值，约为 315 W·m-2 。Hs消耗了绝大多数Rn，其峰值一般出现 在 14:00，约为 185 W·m-2 。LE峰值约为 30 W·m-2 ， 其在 12:00-18:00变化不明显。G5日变化最小，平 均日变化峰值仅有 10 W·m-2 左右，出现在 16:00; 其全天多数时候为负，表示此时表层土壤可以从深 层土壤获得能量。无积雪覆盖时期各能量通量与 冻结期结果近似。Rn在 14:00左右达到最 大值，约为 365 W·m-2 。Hs峰值一般在 15:00，约为 186 W·m-2 。LE峰值约为40 W·m-2 ，12:00-18:00 日 变化不明显。G5多数时候为负，平均日变化峰值为 15 W·m-2 左右，出现在15:00。

　　4 结论

　　借助于 2011-2013 年在青藏高原鄂陵湖草地 观测站的数据，在假定冻结期浅层土壤总含水量变 化不大的前提下，对当地地表能量平衡特征进行了 分析，重点关注不同情况下土壤储存的能量变化 (土壤热储)，得出如下结论：

　　(1) 观测的地表各能量通量都对积雪事件有 很显著的响应。在积雪期，伴随地表反照率的迅速 增大，草地波文比迅速从无雪期的3降低为0. 5，与 此同时，土壤热通量也显著降低，造成了浅层土壤 温度和湿度的日变化幅度迅速减小。

　　(2) 在非积雪期，土壤温度热储和相变热储都 是造成观测的地表能量不闭合的重要原因。其中 温度热储更为关键，占比约为 69%，而冻融过程产 生的相变热储仅占比12%，两种热储一起贡献了约 81% 的不闭合能量。土壤温度热储在晴天和阴天 占比差异不大。但相变热储阴天占比为 6. 8%，仅 为晴天的 1/2。说明短波辐射是土壤中水分发生相变的主要热源。

　　(3) 在积雪期，利用地表能量闭合反算的积雪 热储占比为88%，而土壤热储仅占约10%。积雪期 内，积雪热储占比始终大于土壤热储。而阴天时积 雪热储占比显著下降，土壤热储占比显著上升。说 明短波辐射对于积雪热储的影响要强于长波辐射。

　　(4) 在非积雪期，同时考虑 土壤 温度变化和 土层中水分相变产生的热储，闭合度可提高 0. 01~ 0. 02。由于长短波辐射性质的差异，阴天的闭合度 整体高于晴天。

　　参考文献：

　　Bian L G，Xu D Y，Lu L Y，et al，2003. Analyses of turbulence pa‐ rameters in the near-surface layer at Qamdo of the southeastern Ti‐ betan Plateau[J]. Advances in Atmospheric Sciences，20(3)： 369-378.

　　Han B，Meng X H，Yang Q H，et al，2020. Connections between dai‐ ly surface temperature contrast and CO2 flux over a Tibetan lake： A case study of Ngoring Lake[J]. Journal of Geophysical Re‐ search： Atmospheres， 125(6)： D032277. DOI： 10. 1029/ 2019JD032277.

　　Steven P O，Thomas F，Roland V，et al，2007. The Energy balance experiment EBEX-2000. Part I：Overview and energy balance [J]. Boundary-Layer Meteorology， 123 (1) ： 1-28. DOI： 10. 1007/s10546-007-9161-1.

　　作者：齐木荣1，2 ，马千惠1，2 ，杨清华1，2 ，吴仁豪1，2 ，吕世华3，4 ， 孟宪红3 ，李照国3 ，奥银焕3 ，韩 博1，2