不同遮蔽條件下季節(jié)性積融雪過(guò)程差異規(guī)律對(duì)比研究

唐小雨，高 凡

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

積雪是冰凍圈分布最廣、季節(jié)變化最顯著、具有多重屬性的自然地表特征[1-2]。寒旱區(qū)季節(jié)性積雪分布對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)、地表輻射平衡與能量交換具有關(guān)鍵的反饋?zhàn)饔茫敲舾星一钴S的環(huán)境指示因子[3-4]。全球氣候變暖成為不爭(zhēng)事實(shí)，不僅加速了冰凍圈積雪凍土融化，且導(dǎo)致了如北半球中緯度山區(qū)積雪重新分布[5]、高海拔寒旱區(qū)季節(jié)性積雪持續(xù)時(shí)間縮短以及融雪徑流峰值提前且流量增加等一系列現(xiàn)象[6-7]。冰凍圈積雪水文過(guò)程對(duì)氣候變化的高度敏感性使得以積融雪為代表的冰雪水文過(guò)程研究成為該領(lǐng)域關(guān)注熱點(diǎn)，該方面的研究不僅有助于理解大氣-植被-積雪-凍土間水熱耦合關(guān)系，并且對(duì)開(kāi)展變化環(huán)境下水資源合理開(kāi)發(fā)與可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義。

積雪深度、積雪密度、液態(tài)含水率等積雪物理特性是識(shí)別積雪累積與消融過(guò)程差異性規(guī)律的關(guān)鍵要素。已有研究證實(shí)，積雪累積與消融過(guò)程不僅受到空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射及風(fēng)速風(fēng)向等氣象因素的影響[8-10]，同時(shí)也受到海拔高度、坡度坡向等下墊面因素的影響[11-13]，此外，在林雪關(guān)系中，由于植被類型及冠層截留的影響，不同遮蔽條件下特有的積雪分布與微氣象條件[14]導(dǎo)致林冠下雪表輻射收支平衡[14-17]、積雪物理特性及雪層結(jié)構(gòu)與開(kāi)闊地積雪顯著不同[18-19]。Metcalfe等[20]和Bewley等[21]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣候及地形條件一定時(shí)，林木空間分布會(huì)對(duì)積雪消融過(guò)程產(chǎn)生一定的影響，即林冠開(kāi)闊度與融雪速率成正比。Pan等[16]研究發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)林冠下融雪速率僅為開(kāi)闊地的1/3。國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞東北地區(qū)大、小興安嶺林區(qū)的野外觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明[22-23]，郁閉度大小會(huì)影響太陽(yáng)輻射面積，郁閉度較大的區(qū)域在積雪消融過(guò)程時(shí)間上長(zhǎng)于郁閉度較小的區(qū)域，且林內(nèi)的降雪和積雪密度大多均小于林外。目前，國(guó)內(nèi)外已有研究成果中，針對(duì)不同遮蔽條件下的季節(jié)性積雪累積與消融過(guò)程的系統(tǒng)觀測(cè)與差異性規(guī)律分析成果較少，需要針對(duì)不同流域開(kāi)展基礎(chǔ)觀測(cè)試驗(yàn)研究，以揭示不同遮蔽條件對(duì)積雪積累及消融過(guò)程的差異性規(guī)律，用以更好地體現(xiàn)在融雪徑流模型的參數(shù)異質(zhì)化率定及分布式模擬模型的構(gòu)建方面。基于此，本文通過(guò)對(duì)新疆天山北坡烏魯木齊河流域下游城市段不同遮蔽條件下的試驗(yàn)觀測(cè)樣方展開(kāi)長(zhǎng)時(shí)間序列的積雪積累與消融過(guò)程觀測(cè)研究，通過(guò)對(duì)影響積、融雪過(guò)程的逐項(xiàng)要素(如積雪深度、積雪密度、積雪液態(tài)含水率等)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)分析，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)同步長(zhǎng)系列氣象資料，試圖發(fā)現(xiàn)并揭示不同遮蔽條件下的季節(jié)性積融雪過(guò)程差異性規(guī)律，為進(jìn)一步構(gòu)建融雪徑流模型提供異質(zhì)性參數(shù)指標(biāo)奠定理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)樣方與觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)樣方設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)區(qū)位于新疆天山北坡烏魯木齊河流域下游新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)的季節(jié)性積雪覆蓋試驗(yàn)區(qū)(87°34′07″E，43°48′45″N)，該試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶愿珊禋夂颍骄０?30 m，主要表現(xiàn)為晝夜溫差大、春秋兩季較短，但冬季寒冷漫長(zhǎng)，多年平均氣溫5～7℃，7、8月屬最暖時(shí)段(平均氣溫為25.7℃)，1月屬最冷時(shí)段(平均氣溫為-15.2℃)，同時(shí)伴隨逆溫層出現(xiàn)。降水稀少且隨海拔高度增加呈遞增趨勢(shì)，多年平均降水量為2 63.4 mm，冬季降水量為32.4 mm，約占年降水量的12.3%。試驗(yàn)區(qū)冬季降雪頻繁，積雪穩(wěn)定而深厚，覆蓋天數(shù)長(zhǎng)，一般每年11月至次年3月為雪季，冬、春積雪覆蓋天數(shù)約150 d，城市段多年平均積雪深度約為18.8 cm，高海拔區(qū)域積融雪期可持續(xù)到每年6月份，最大積雪深度可達(dá)1m以上[24]。試驗(yàn)區(qū)主要樹(shù)種類型以榆樹(shù)(elm forest)為主，地表植被覆被類型以低地草甸為主。

試驗(yàn)觀測(cè)選擇在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)季節(jié)性積雪覆蓋試驗(yàn)區(qū)榆樹(shù)林冠下(郁閉度大于90%，無(wú)直接太陽(yáng)輻射)與林間開(kāi)闊地兩種遮蔽條件下同時(shí)進(jìn)行。冬季降雪開(kāi)始前在無(wú)直接太陽(yáng)輻射的榆樹(shù)林林冠下和林間開(kāi)闊地各布設(shè)5m×5m表面平整且不受污染的天然積雪樣方進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，雪樣需避免人為干擾及踩踏，同時(shí)為保證外側(cè)積雪剖面物理特性不受升華及蒸發(fā)所影響及測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，在每次試驗(yàn)觀測(cè)前均需進(jìn)行輕度推進(jìn)式開(kāi)挖。

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)段、頻次與觀測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)觀測(cè)自2015年冬季積雪期開(kāi)始至今已連續(xù)觀測(cè)4年。經(jīng)課題組積融雪研究團(tuán)隊(duì)歷年觀測(cè)研究所得，該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)積雪累積過(guò)程一般始于上年11月上旬前后，積雪累積深度于次年2月中下旬前后陸續(xù)達(dá)峰值，就北半球而言，該時(shí)段過(guò)后伴隨太陽(yáng)直射點(diǎn)北移，所獲太陽(yáng)高度角及其輻射逐漸增加，同時(shí)大氣溫度明顯回升致使積雪開(kāi)始產(chǎn)生消融過(guò)程[25]。積雪累積與消融過(guò)程伴隨外界環(huán)境變化具有明顯反復(fù)波動(dòng)且不連續(xù)的特點(diǎn)，因此確定積融雪期階段的劃分對(duì)野外觀測(cè)試驗(yàn)起到不可忽視的作用。本文根據(jù)課題組積融雪研究團(tuán)隊(duì)近4年來(lái)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合已有研究成果[14-19,25]，大多以觀測(cè)期內(nèi)日均氣溫和日最高氣溫作為積融雪階段劃分的主要參考依據(jù)。結(jié)合本次觀測(cè)期內(nèi)各階段氣溫變化的不同特點(diǎn)，劃分為積雪期、融雪波動(dòng)期、融雪穩(wěn)定期，具體劃分結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)重點(diǎn)觀測(cè)外界環(huán)境氣象要素(如空氣溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等)和分層積雪物理特性要素(如積雪密度、雪溫、雪深和積雪液態(tài)含水率等)見(jiàn)表2。考慮氣象條件的日變化特征，積雪要素觀測(cè)時(shí)間依次分別選擇在北京時(shí)間09∶00、12∶00、17∶00、20∶00共4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)觀測(cè)積融雪階段劃分

表2 試驗(yàn)觀測(cè)樣地觀測(cè)項(xiàng)目與儀器類型

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取方法

利用架設(shè)的Onset HOBO微型自動(dòng)氣象站同步觀測(cè)收集試驗(yàn)區(qū)地表以上1.5 m處常規(guī)氣象要素信息，數(shù)據(jù)記錄器時(shí)間間隔設(shè)置為15 min；利用TP3001便攜式溫度計(jì)同步測(cè)量積雪分層溫度，測(cè)量方法為在雪蓋處切垂直剖面，根據(jù)積雪分類標(biāo)準(zhǔn)[26]將積雪剖面由上至下大致分為5層：新雪層(粒徑范圍0.1～0.4 mm)、細(xì)粒雪層(粒徑范圍0.5～1 mm)、中粒雪層(粒徑范圍1～2 mm)、粗粒雪層(粒徑范圍2～3 mm)和深霜層(粒徑范圍3～6 mm)。每層水平測(cè)量3～5個(gè)樣點(diǎn)，取其平均值作為此層垂直剖面溫度；積雪密度與積雪含水率數(shù)據(jù)利用SnowFork雪特性分析儀進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量時(shí)，將SnowFork叉形探頭插入積雪層，于雪蓋處切出垂直剖面，每層水平測(cè)量3～5個(gè)樣點(diǎn)，取其平均值作為該層的積雪密度值與積雪含水率值；測(cè)量積雪深度指標(biāo)時(shí)，每塊樣地內(nèi)設(shè)置6個(gè)均勻分布的積雪深度固定觀測(cè)點(diǎn)，并利用PVC標(biāo)桿作為標(biāo)記，積雪深度每日觀測(cè)4～6次，用鐵質(zhì)直尺垂直插入觀測(cè)點(diǎn)重復(fù)3次進(jìn)行積雪深度測(cè)量，忽略微地形、地面異物和地表冰凍層對(duì)雪深測(cè)量的影響，取3次測(cè)量的平均值作為最終測(cè)量值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同遮蔽條件下分層積雪深度變化

對(duì)本次試驗(yàn)觀測(cè)周期內(nèi)積雪穩(wěn)定期與融雪期各取一次典型降雪過(guò)程(積雪穩(wěn)定期降雪時(shí)間自2018年1月1日約08∶00時(shí)至次日約07∶00停止，融雪期降雪時(shí)間自2018年2月20日約12∶00至次日約10∶00停止)，分析積雪穩(wěn)定期與融雪期該次降雪停止后1周內(nèi)不同遮蔽條件下的分層積雪深度變化特征，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可看出，積雪穩(wěn)定期一次降雪停止后，林冠下與開(kāi)闊地積雪剖面深度分別達(dá)到23.5和27.0 cm。取1周連續(xù)性觀測(cè)時(shí)段，隨時(shí)間變化及降雪停止后氣溫逐步下降，該時(shí)段內(nèi)分層積雪深度變化特征歸納為：

(1)新雪層積雪深度變化顯著且呈逐漸下降趨勢(shì)，林冠下沉降速率(0.43 cm/d)明顯小于開(kāi)闊地(0.71 cm/d)，林冠下深度占比由17.02%大幅降至4.88%，開(kāi)闊地深度占比由22.22%大幅降至4.54%，林冠下新雪層降幅明顯小于開(kāi)闊地；

(2)除新雪層外，兩種遮蔽條件下(林冠下與開(kāi)闊地)其余各層積雪深度基本保持不變，細(xì)粒雪層深度占比分別為11.25%和12.21%，中粒雪層深度占比分別為13.50%和8.14%；

(3)各分層積雪剖面中，深霜層與粗粒雪層積雪深度較大，占全層雪深比例分別為32.37%和31.70%，深霜層積雪厚度隨雪坑位置稍有變化，主要?dú)w結(jié)為低地草甸微地形條件和測(cè)量誤差的影響。以上研究結(jié)果與陸恒等[27]和高培等[28]的觀測(cè)分析結(jié)果基本一致。

圖1 2018年1次降雪過(guò)程后不同遮蔽條件下分層積雪深度變化

融雪期雪層深度變化幅度大于積雪穩(wěn)定期，主要體現(xiàn)在上層積雪消融，深度變化較為明顯(圖1(c)、1(d))。2月21日降雪停止后，林冠下與開(kāi)闊地積雪剖面深度分別達(dá)到22和25 cm，隨時(shí)間變化及降雪停止后氣溫逐步上升，該時(shí)段內(nèi)分層積雪深度變化特征為：(1)本次降雪停止后次日新雪層厚度均為4 cm，沉降速率均為1 cm/d，此后林冠下與開(kāi)闊地新雪層平均沉降速率分別為0.8和1.0 cm/d，仍然大于積雪穩(wěn)定期，而林冠下深度占比由22.73%大幅降至0，開(kāi)闊地深度占比由24.10%大幅降至0，林冠下新雪層降幅略小于開(kāi)闊地；(2)細(xì)粒雪層也具有明顯沉降趨勢(shì)，平均占比由9.10%降至0，由于該時(shí)段內(nèi)氣溫逐步上升，2月27日粗粒雪層以上積雪層逐步消融與其合并為一層，導(dǎo)致該層積雪深度增加，占比呈增加趨勢(shì)，由27.27%增加至44.83%；(3)其余雪層厚度基本保持不變，積雪剖面底部深霜層積雪厚度隨雪坑位置稍有變化，呈小幅度上下起伏逐漸減小趨勢(shì)，但占積雪剖面的比例略大于積雪穩(wěn)定期，為38.74%。

3.2 不同遮蔽條件下積雪密度變化

本文積雪密度分類依據(jù)參考日本學(xué)者黑巖大助研究成果[29]。該試驗(yàn)區(qū)積雪穩(wěn)定期及融雪期全層積雪密度均屬低密度積雪，變化范圍區(qū)間在0.05～0.26 g/cm3(積雪穩(wěn)定期)和0.05～0.35 g/cm3(融雪期)(見(jiàn)圖2)。積雪穩(wěn)定期內(nèi)的林冠下與開(kāi)闊地兩種遮蔽條件下，分層積雪密度垂直廓線呈單峰型變化特征，可以歸納為：(1)林冠下積雪密度均值為0.1516 g/cm3，隨積雪穩(wěn)定期內(nèi)氣溫降低而呈減小趨勢(shì)。各層積雪密度分布特征表現(xiàn)為積雪剖面表層(新雪層)與底部(深霜層)積雪密度較小，中部(細(xì)粒雪層、中粒雪層、粗粒雪層)積雪密度較大，中粒雪層積雪密度最大(見(jiàn)圖2(a))。林冠下雪層密度以中粒雪層(0.1899 g/cm3)為界限，上下兩層積雪密度基本呈對(duì)稱均勻速率變化趨勢(shì)，即雪層積雪密度自新雪層至中粒雪層呈勻速上升趨勢(shì)，中粒雪層至深霜層呈勻速下降趨勢(shì)；(2)開(kāi)闊地積雪密度均值為0.1772 g/cm3，隨積雪穩(wěn)定期內(nèi)氣溫降低而呈減小趨勢(shì)。各層積雪密度分布特征表現(xiàn)為開(kāi)闊地雪層積雪密度自新雪層至粗粒雪層均勻增加，峰值出現(xiàn)在粗粒雪層(0.2463 g/cm3)，后至深霜層積雪密度大幅度減小降至0.1318 g/cm3(見(jiàn)圖2(b))。究其原因可能為，雪層剖面中部密度由于受到上覆積雪壓力作用、溫度梯度變化及粒間水分遷移等相關(guān)要素影響，形成雪層剖面密度最大區(qū)域[30]，且積雪穩(wěn)定期內(nèi)林冠截留降雪及樹(shù)蔭遮蔽作用減緩了降雪速率，致使林冠下新雪層疏松度及孔隙率均大于開(kāi)闊地，因此林冠下積雪密度明顯小于開(kāi)闊地，這與陸恒等[30]、郝曉華等[31]和高培等[28]的研究結(jié)果基本一致。

融雪期開(kāi)闊地與林冠下兩種遮蔽條件下，積雪密度垂直廓線變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為雪層中間密度較大，表層與底層密度較小特征(見(jiàn)圖2(c)、圖2(d))，融雪期雪層密度高于積雪穩(wěn)定期雪層密度，融雪期分層積雪密度變化特征為：(1)開(kāi)闊地與林冠下全層積雪密度隨融雪期氣溫波動(dòng)上升呈增加趨勢(shì)，平均值分別為0.2677和0.2712 g/cm3；(2)林冠下與開(kāi)闊地分層積雪密度垂直廓線變化特征基本一致，雪層密度從新雪層向下逐漸增大，至中粒雪層(0.3406 g/cm3；林冠下)與細(xì)粒雪層(0.3224 g/cm3；開(kāi)闊地)達(dá)峰值。究其原因可能為，融雪期積雪密度變化過(guò)程中，融雪水起主導(dǎo)作用，同時(shí)與雪層內(nèi)對(duì)流、冷凝、輻射和熱傳導(dǎo)等因素引起的熱量交換相互制約[18,32]。而林冠條件下積雪表面殘留的枯枝落葉等大量雜質(zhì)在新雪層融化后逐步出露，該污化條件在一定程度上加速了雪層融化[30]，致使林冠下全層積雪密度略大于開(kāi)闊地，同時(shí)中部雪層處形成的冰殼層在一定程度上阻隔了上部積雪水下滲，中層融雪水聚集，使融雪期開(kāi)闊地與林冠下中部積雪密度達(dá)峰值。

3.3 不同遮蔽條件下積雪液態(tài)含水率變化

積雪液態(tài)含水率一定程度上會(huì)直接支配積雪層內(nèi)物質(zhì)與能量遷移[33]。由于試驗(yàn)觀測(cè)期內(nèi)積雪由數(shù)次非連續(xù)性降雪構(gòu)成，雪內(nèi)形成明顯層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴隨氣溫大幅波動(dòng)上升與下降，致使分層積雪密度、雪層持水能力、粒徑及孔隙率等均存有明顯差異[18]。積融雪期內(nèi)雪層液態(tài)體積含水率垂直廓線變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。積雪穩(wěn)定期雪層液態(tài)含水率變化特征為：(1)林冠下與開(kāi)闊地全層液態(tài)含水率隨積雪穩(wěn)定期氣溫逐步降低均呈減小趨勢(shì)，平均值分別為0.536%和0.637%；(2)林冠下雪層液態(tài)含水率自表層至下部呈均勻上升趨勢(shì)，最大值與最小值分別出現(xiàn)在深霜層和新雪層，分別為0.787%和0.215%；(3)開(kāi)闊地雪層液態(tài)含水率隨積雪深度變化呈單峰型，雪層含水率自新雪層至下部雪層勻速增加，至粗粒雪層含水率達(dá)峰值，為0.950%,后至深霜層含水率大幅度減小降至0.498%。究其原因可能為，開(kāi)闊地外部環(huán)境狀況通過(guò)雪-氣界面使新雪層獲得更多的太陽(yáng)輻射，使雪層內(nèi)溫度升高，進(jìn)而融水下滲，同時(shí)積雪期經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積雪壓實(shí)變質(zhì)作用，出現(xiàn)雪花向粒雪和冰轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象并伴隨水汽游移，使得積雪期開(kāi)闊地含水率最大值出現(xiàn)在粗雪粒層[30]。由于林冠下微氣象條件較開(kāi)闊地更為穩(wěn)定，其太陽(yáng)輻射量及大氣溫度均小于開(kāi)闊地，進(jìn)而致使林冠下新雪層融化量及雪深均小于開(kāi)闊地，同時(shí)林冠下深霜層主要受到上部雪層水汽遷移的影響，因此液態(tài)含水率在此層達(dá)峰值。林冠下深霜層含水率略大于開(kāi)闊地，這可能是由于林冠下表層土溫略大于開(kāi)闊地所致。

圖2 2018年1次降雪過(guò)程后不同遮蔽條件下分層積雪密度變化

融雪期林冠下與開(kāi)闊地雪層含水率垂直廓線變化趨勢(shì)基本一致，均隨積雪深度變化呈單峰型，即積雪剖面表層與底部含水率較小，中部較大(見(jiàn)圖3(c)、3(d))。該時(shí)段內(nèi)分層積雪含水率變化特征為：(1)林冠下與開(kāi)闊地全層液態(tài)含水率隨氣溫逐步上升均呈增加趨勢(shì)，平均值分別為1.097%和1.157%；(2)林冠下與開(kāi)闊地雪層液態(tài)含水率峰值均集中在細(xì)粒雪層，分別為1.415%和2.110%。此時(shí)積雪屬于潮雪[33]，由冰、空氣及自由水分構(gòu)成[35]。主要原因可能為新雪層接收太陽(yáng)輻射量較大，致使融雪水下滲到一定深度后，由于外界環(huán)境風(fēng)的作用及內(nèi)部積雪變質(zhì)等作用受阻而沿水平方向緩慢流動(dòng)形成硬度較大的冰殼層[36-37]，大致位于雪層剖面細(xì)粒雪層處，在一定程度上阻擋了上部融雪水下滲，同時(shí)也阻擋了熱量及其他物質(zhì)向下部傳輸[28]，因此在細(xì)粒雪層處含水率達(dá)到峰值。

圖3 一次降雪過(guò)程后分層積雪含水率變化

4 討 論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)出不同遮蔽條件下各層積雪物理特性的相關(guān)特征值(表3和4)并結(jié)合圖1，可以看出，積融雪期內(nèi)一次降雪停止后新雪層厚度隨氣溫及時(shí)間變化逐漸減小，究其原因，可能為積雪穩(wěn)定期內(nèi)的降雪輸入使降落至原積雪層表面的新雪層較為松散，初始的新雪密度主要由冰晶的類型和結(jié)晶量決定，一般為40～100 kg/m3[34]，雪粒間空隙較大，伴隨積雪穩(wěn)定期氣溫的變化，新雪黏結(jié)，空隙減小，新雪層厚度逐漸減小，積雪剖面高度逐漸下降，原積雪表層受到上覆積雪壓力的作用致使密實(shí)化過(guò)程逐漸加強(qiáng)[27]，但由于積雪穩(wěn)定期氣溫整體較低，且太陽(yáng)輻射較弱，積雪主要依靠自身重力發(fā)生密實(shí)化作用，該時(shí)期積雪密實(shí)化作用是一種緩慢的過(guò)程[28]。而融雪期雪層深度變化幅度及深霜層深度均大于積雪穩(wěn)定期，這是由于融雪期內(nèi)雪面接收太陽(yáng)輻射量較多，同時(shí)由于積雪具有高反射率[32]，短波輻射作用深度淺，影響表層較大，雪表融化變質(zhì)，因此深度變化顯著。積雪剖面中層與底層由于地溫回升及上層融雪水下滲，雪層易于壓實(shí)，導(dǎo)致積雪底層厚度逐漸減小[28,38]。

表3 研究區(qū)積雪期內(nèi)分層積雪物理特性特征值

表4 研究區(qū)融雪期內(nèi)分層積雪物理特性特征值

在大陸性氣候條件下，我國(guó)西北地區(qū)季節(jié)性積雪呈厚度較淺、氣溫偏低等特征[29-30，39]，該區(qū)域氣候有利于積雪深霜層的發(fā)育，伴隨積雪穩(wěn)定期氣溫逐步下降，地溫影響及溫度梯度同時(shí)作用下致使雪層內(nèi)變質(zhì)與再結(jié)晶作用加劇[39]，進(jìn)而在雪層底部形成粒徑較大、孔隙率較高且較為疏松的深霜層，因此雪層剖面底部密度較小。在變質(zhì)時(shí)間、冰晶類型與結(jié)晶量共同制約下，由新降雪構(gòu)成的新雪層密度一般要小于深霜層。

在野外觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，新雪層液態(tài)含水率較小，且含水率為0的頻率較高，國(guó)際冰雪分類委員會(huì)按照液態(tài)含水率不同將積雪劃分為干雪(0)、潮雪(0～3%)、濕雪(3%～8%)、很濕雪(8%～15%)和雪粥(>15%)[28,31,34]，因此該研究區(qū)穩(wěn)定期新雪層屬于干雪。究其原因可能為，新雪層主要由冰與空氣構(gòu)成[35]，其含水率主要取決于冰晶類型與結(jié)晶量[34]。融雪期新雪層液態(tài)含水率數(shù)值大多為0，可能由于凍融作用及晝夜溫差較大，且雪-氣界面熱量交換弱，使新雪層溫度遠(yuǎn)低于外界空氣溫度，雪內(nèi)液態(tài)水凍結(jié)所致[18,28]。深霜層含水率較大，可能原因?yàn)槿谘┢跍囟戎饾u升高，土壤熱傳導(dǎo)作用加劇致使積雪底部受熱進(jìn)而使液態(tài)含水率發(fā)生變化[28]。

5 結(jié) 論

(1)積雪期內(nèi)，降雪停止后新雪層厚度隨氣溫及時(shí)間變化逐漸減小，其余各層厚度基本保持不變，其中深霜層與粗粒雪層深度比重較大；融雪期雪層深度變化幅度大于積雪穩(wěn)定期，主要體現(xiàn)在上層積雪消融，深度變化較為明顯。

(2)積雪期內(nèi)，開(kāi)闊地分層積雪液態(tài)含水率自上而下先增加后減少，呈單峰型，峰值出現(xiàn)在粗粒雪層，林冠下分層積雪液態(tài)含水率自上而下呈均勻遞增趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在深霜層；融雪期不同遮蔽條件下雪層含水率均隨雪深垂直廓線變化呈單峰型，峰值集中在細(xì)粒雪層。

(3)不同遮蔽條件下積雪期分層積雪密度垂直廓線變化特征基本一致，雪層密度從新雪層向下逐漸增大，至粗雪層(開(kāi)闊地)與中粒雪層(林冠下)達(dá)到峰值；融雪期均呈現(xiàn)中間密度較大，表層與底層密度較小的趨勢(shì)。