北疆地區季節性積雪物理特性分析

胡慧玲，高 凡，唐小雨，擺麗萍，肖宇峰，張富森

（新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

冰凍圈作為現代氣候系統定義的五大圈層之一，積雪是冰凍圈覆蓋面積最廣的要素[1]。同時，積雪作為一種特殊的下墊面、重要的水文變量、以及氣候系統中最活躍的因素[2]，其分布與變化對地表和大氣會產生深刻影響[3～4]。在全球氣候變化背景下，新疆氣候環境自1987年以來表現出顯著的暖濕趨勢，高山流域冰雪水文過程對氣候變暖與積雪水資源的分配改變產生明顯的影響，近年來雪崩、冰洪、風吹雪和冰川泥石流等多種冰雪災害頻繁發生[5～8]，對區域及全球水資源安全性及生態環境穩定造成嚴重威脅，研究寒旱區季節性冰雪水文過程，有助于理解地表能量交換、生態系統平衡等重要生態水文過程，對變化環境下干旱區內陸河水資源可持續利用具有科學指導意義。

積雪的物理特性主要包括積雪深度、積雪密度和積雪液態含水率等[9～11]。其中，積雪深度對雪水當量、研究流域水量平衡和模擬春季融雪徑流的估算有重要意義[12]；雪密度對積雪區域的水量平衡研究[13～14]、融雪模型的參數化[15～16]、雪崩預報和建筑物雪荷載計算均有重要意義[17]；雪層含水率對理解融雪機制有重要意義[18～19]。俞正祥等[20]研究大興安嶺北部3種主要森林類型林內積雪特征，表明冬季林分郁閉度不光影響降雪截留率，同時直接影響林內積雪深度、積雪密度及雪水當量。陸恒等[12]研究天山雪嶺云杉林下季節性積雪物理特性，表明林冠下和開闊地積雪物理特性是不同的。高培等[9]在天山積雪雪崩站穩定期雪期的時間變化特征中指出整個穩定期積雪日平均密度與日平均含水量、日平均氣溫沒有顯著關系。目前，對于有無遮蔽條件下積雪累積過程中的相關物理特性要素的觀測與對比分析研究成果較少。基于此，本次試驗選擇在2018年12月1日～12月31日時段內天山北坡烏魯木齊河流域下游試驗區內林冠下與開闊地兩種條件下進行，結合研究區內同期氣溫要素（大氣溫、濕度）數據，對分層積雪物理特性（積雪深度、積雪密度、積雪溫度、積雪液態含水率等）進行初步觀測并加以分析。

1 試驗樣地設置與基本概況

選擇天山北坡烏魯木齊河流域下游城市段（新疆農業大學校內季節性積雪覆蓋場地）為人工試驗研究區，海拔846 m，地處亞歐大陸中心，南面有雅瑪里克山。地勢高差大，山地面積廣大。屬于溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短，冬夏兩季較長，晝夜溫差大。站區內多年平均氣溫8.2℃，12月份平均氣溫-9.8℃，多年平均降水量294 mm，積雪深度平均值30 mm，冬季最大積雪深度可達到50 mm。由于新疆的雪密度在10月～11月，3月～4月的變化幅度大，而12月～次年2月呈平穩狀態，所以穩定積雪期一般在12月上旬～次年2月下旬[21～22]。研究區內樹種以榆樹林（Elmforest）為主。

圖1 有無遮蔽區積雪對照

2 研究方法

試驗于2018年12月1日～2018年12月31日在研究區榆樹林內選取不同遮蔽條件下（林冠下、開闊地）的試驗區，在冬季降雪開始前布設2個5 m×5 m的天然正方形積雪樣方，利用架設的自動氣象站同步觀測研究所需要素（空氣溫度、濕度）同時對研究區9場自然降雪后積雪物理特性（積雪深度、積雪密度、液態含水率、雪層溫度等）進行重復觀測試驗。以王彥龍等[23]對我國的積雪分類標準，把積雪剖面自雪表至下部分為5層：新雪層(粒徑范圍0.1 mm～0.4 mm)、細粒雪層(粒徑范圍0.5 mm～1.0 mm)、中粒雪層(粒徑范圍 0.5 mm～1.0 mm)、粗粒雪層(粒徑范圍2.0 mm～3.0 mm)和深霜層(粒徑范圍3.0 mm～6.0 mm)。利用SnowFork雪特性儀觀測積雪分層物理特性（積雪密度、積雪液態含水率），積雪測量過程均從底部深霜層開始，每層測量3～5次取均值作為最終的測量值，同時，利用TP3001便攜式溫度計（測量分辨率為0.1℃，溫度觀測范圍為-50℃～300℃）對上述雪層的劃分進行3次同步測量，取分層雪溫均值作為最終測量值。測量積雪深度可用鐵尺，尺上用mm劃分，尺子零刻度對準底部深霜層，忽略微地形、地面異物和地表冰凍層對雪深測量的影響，采用3次測量的均值作為最終測量值。考慮到氣象條件的日變化過程，測量時間依次分別選擇在北京時間 9∶00、12∶00、15∶00、18∶00 共 4 個時間點進行。

根據野外觀測的實驗數據，利用Excel 2010統計分析軟件進行數據處理與統計分析，并且繪制出研究區內有無遮蔽條件下各積雪物理特性垂直廓線，并進行分析，見圖2。

圖2 氣溫與雪深變化

3 結果與分析

3.1 積雪期氣象及雪深變化

由圖2知，研究區內12月份平均氣溫為-6.69℃，最低氣溫-13.5℃（12月2日），最高氣溫-2℃（12月15日）。期間伴隨著9次降雪，并且有連續降雪情況。2018年12月積雪站內第1場降雪始于12月1日，12月2日是第2場降雪，林冠下累積降雪深度達到16 cm，開闊地累積降雪深度達到18 cm。積雪還未來得及消融，12月4日第3場降雪，接連12月5日第4場降雪，林冠下累積降雪深度達到19.5 cm，開闊地累積降雪深度達到21.5 cm，此時，積雪累積深度達到最大。自12月6日～12月16日積雪站內未產生降雪，且溫度逐漸升高，太陽輻射加強，積雪深度急劇下降，到16日林冠下和開闊地的積雪深度下降到15 cm，此時積雪深度下降到最低值。由于遮蔽條件不同，林冠下植被郁閉度明顯高于開闊地，其植被阻擋了太陽的輻射，即開闊地所接受的太陽輻射比林冠下所接受的太陽輻射多，并且林冠下具有降雪截留作用，導致在12月6日～12月16日未降雪期間闊地積雪沉降速率0.32 cm/d，林冠下積雪沉降速率0.27 cm/d，即開闊地沉降速率比林冠下快[26]。12月17日～12月21日積雪站內連續5天降雪，林冠下積雪累積深度達到17.5 cm，開闊地積雪累積深度達到20 cm，開闊地積雪累積深度大于林冠下積雪累積深度。12月22日～12月31日再無降雪，氣溫逐漸升高，積雪深度下降，12月31日林冠下與開闊地積雪深度分別降至17 cm和17.5 cm。由于植被的攔截作用、雪粒間的空隙及雪層受到上層積雪壓力的影響[9]，綜上所述，林冠下積雪深度小于開闊地，林冠下積雪沉降速率小于開闊地，林冠下積雪累積深度小于開闊地積雪累積深度。

3.2 積雪密度特征

本積雪站處于中國西北地區，在大陸性氣候條件下容易形成密度小，溫度變化大，深霜層發育層厚特點的“干寒性”積雪[24]。不同遮蔽條件下分層積雪密度變化特征具體表現為：①林冠下雪層密度垂直變化從新雪層到深霜層表現為先增大后減小，新雪層積雪密度0.073 g/cm3，細粒雪層密度0.123 g/cm3，峰值出現在中粒雪層0.157 g/cm3，之后積雪密度開始減小，粗粒雪層密度為0.146 g/cm3，深霜層0.083 g/cm3；②開闊地雪層密度垂直變化從新雪層到深霜層表現為先增大后減小，新雪層積雪密度0.074 g/cm3，細粒雪層密度0.125 g/cm3，中粒雪層密度0.159 g/cm3，與林冠下積雪垂直密度不同的是開闊地積雪垂直密度峰值出現在粗粒雪層0.165 g/cm3，之后又開始減小，深霜層密度0.083 g/cm3（圖3）。究其原因可能為林冠下新雪層為新降雪，密實度小，所以密度小；細粒雪層到中粒雪層由于受到上層積雪壓力的影響，所以密度大于新雪層；由于再結晶作用使得粗粒雪層和深霜層形成顆粒較粗、空隙大的深霜，所以密度較小[24]。開闊地雪層密度垂直變化類似于林冠下，由于積雪厚度、太陽輻射等條件，密實化作用深入到粗粒雪層，即在粗粒雪層密度達到峰值，頂部、底部雪層密度小[24]。林冠下積雪平均密度小于開闊地積雪平均密度。其原因可能是由于林冠的遮蔽作用，積雪會有部分被攔截在樹冠上，降雪不易直接降落到地面上，樹枝起到了減緩積雪降落的作用，使得林冠下積雪空隙率高于開闊地。

圖3 雪層密度廓線分布

3.3 積雪液態含水率變化特征

在觀測期內，積雪由4次非連續降雪形成，具有層狀結構，各雪層密度、粒徑及孔隙率不同，因而各雪層之間含水率存在差異[9]。不同遮蔽條件下分層積雪含水率變化特征具體表現為：①林冠下含水率隨著積雪深度自新雪層至深霜層不斷增大，在深霜層達到最大含水率0.269%，粗粒雪層至新雪層含水率分別為0.256%、0.199%、0.132%和0%；②開闊地雪層含水率呈現單峰型，表現為先增加后減小：新雪層含水率0%，細粒雪層含水率0.147%，中粒雪層含水率0.344%，在粗粒雪層達到峰值，含水率0.356%，深霜層含水率減小到0.213%（圖4）。林冠下雪層含水率在深霜層達到最大主要受雪層底部水汽遷移影響[9]，隨著積雪深度的增加，水汽遷移加劇，到深霜層達到最大。開闊地含水率最大值在粗粒雪層，主要原因是由表面積雪消融水下滲到一定深度時被阻擋，于是沿著水平方向流動，若是此時氣溫下降，積雪消融水遇冷凍結成冰殼層[25]。冰殼層會阻擋上部融水繼續向下流動，導致深霜層的含水率在粗粒雪層之后減小。積雪底部深霜層含水率仍然高的原因是由于土壤的熱傳導，深霜層與土壤接觸，土壤將熱量由溫度高處向溫度低處流動，因而深霜層受熱出現液態含水率。林冠下、開闊地積雪含水率都較小，新雪層含水率大多數情況下為0%，屬于干雪[26]，雪層主要由冰河空氣組成[27]。開闊地深霜層含水率小于林冠下深霜層含水率可能是因為林冠下地溫高于開闊地地溫，所以林冠下深霜層含水率較開闊地高。

圖4 雪層含水率廓線分布

4 結論

（1）由于植被的攔截作用、上層積雪壓力及雪粒間的空隙，積雪期林下積雪深度小于開闊地，林下積雪沉降速率小于開闊地。

（2）積雪期林下積雪平均密度小于闊地積雪平均密度。林下雪層密度垂直變化從新雪層到深霜層為先增大后減小，在中粒雪層達到峰值；闊地雪層密度則在粗粒雪層達到峰值。

（3）積雪期液態含水率較小，新雪層含水率均為0%，最大含水率不超過0.4%。開闊地雪層含水率呈現單峰型，表現為先增大后減小，在粗粒雪層含水率達到峰值；林下含水率隨著深度的遞增不斷增大，在深霜層達到峰值。