基于過程的雪蓋模型研發(fā)II
——應(yīng)用

高 潔

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

積雪是冰凍圈對氣候變化最敏感的因素之一[1]；同時(shí)，積雪對氣候變化的響應(yīng)又進(jìn)一步影響整個(gè)水文循環(huán)過程。因此，模擬和預(yù)測雪蓋厚度、密度等變化是了解水文循環(huán)過程對氣候變化響應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。

各種基于溫度指標(biāo)或能量平衡的融雪模型被廣泛應(yīng)用于雪蓋對氣候變化的響應(yīng)分析。Lazar和Williams首先通過RCM MM5和GCM降尺度方法預(yù)測Colorado，Pitkin，Aspen山區(qū)(海拔2 422～3 418 m)2030年和2100年氣溫、降水等變化趨勢。在中度溫室氣體排放的情景下，相對于1990年的氣溫水平，2030年升溫幅度1.8～2.5℃，平均升溫2℃；2100年升溫幅度4～6℃，平均升溫4.8℃；基于溫度指標(biāo)的Snowmelt Runoff Model(SRM)[2- 3]被用于預(yù)測融雪洪水發(fā)生時(shí)間，基于過程的一維能量平衡模型SNTHERM[4]被用于預(yù)測積雪密度變化。結(jié)果顯示，中度溫室氣體排放條件下，2030年山頂積雪融化提前25～27 d，2100年山頂積雪融化提前31～37 d，2030年表層雪蓋密度增加近20%[5]。Rasmus等[6]采用考慮雪層微觀結(jié)構(gòu)的一維能量平衡積雪模型SNOWPACK[7]結(jié)合RCM RCAO設(shè)置情景，對比分析芬蘭1980年～1989年和2080年～2089年積雪特征的變化。發(fā)現(xiàn)3月15日同期，芬蘭的5個(gè)觀測點(diǎn)中Santala積雪密度降低23 kg/m3，其余4個(gè)觀測點(diǎn)均出現(xiàn)密度增大的現(xiàn)象，平均增大33 kg/m3。雪溫普遍升高，融雪期提前13～19 d，最大雪水當(dāng)量(SWE)降低至1980年～1989年均值80%。Ma和Cheng[8]將SRM應(yīng)用于西天山Gongnaisi River流域，在氣溫增加4°C的情景設(shè)置下，4、5、6月融雪徑流分別增加68.1%、44.2%和9.1%；7、8、9月融雪徑流平均減少27.7%、49.4%和56.7%。

本研究采用基于過程的能量平衡雪蓋模型Snow Column Model[9]，模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)來源于美國Niwot Ridge Long-Term Ecological Research Site項(xiàng)目(http://culter.colorado.edu/NWT/)。以洛基山脈東側(cè)的Niwot Ridge實(shí)驗(yàn)場為研究對象，通過1997年～1999年4月～6月006號(hào)雪坑詳細(xì)觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證。在1996年～1999年實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上設(shè)置氣候變化情景，分析雪深、密度、雪水當(dāng)量對不同情景的響應(yīng)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域Niwot Ridge位于美國科羅拉多山脈東側(cè)(40°03’N，105°35’W)海拔3 517 m。該區(qū)域內(nèi)樹線海拔約3 350 m(http://culter.colorado.edu/Subnivean/Subniv_site_desc.html)。平均每年冬季積雪深度在2 m以上，最深時(shí)超過8 m；平均年溫差21℃，日溫差達(dá)6～8℃[10]。

Subnivean觀測場位于樹線以上大約150 m相對平坦的鞍狀山脊，輻射資料經(jīng)由儀器直接觀測，湍流通量采用空氣動(dòng)力學(xué)法(aerodynamic profile method)計(jì)算獲取[11]。數(shù)據(jù)分為4個(gè)等級(jí)：level 0是儀器直接記錄的以10分鐘為間隔的原始數(shù)據(jù)；level1是經(jīng)過插補(bǔ)和過濾后的數(shù)據(jù)；level2是在level1的基礎(chǔ)上進(jìn)行平滑和平均的小時(shí)/日數(shù)據(jù)；level3是經(jīng)過嚴(yán)密分析和糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)僅處理了1994和1995兩年。其他可下載的level1和level2數(shù)據(jù)長度為1996年～2008年。相應(yīng)儀器說明：①短波輻射和反射，采用Kipp & Zonen CM14輻射計(jì)和反照率測量儀；②大氣輻射和地面發(fā)射長波輻射，采用Kipp & Zonen CG2長波輻射計(jì)；③氣溫和相對濕度，采用Vaisala HMP35C溫度/相對濕度探頭；④風(fēng)速和風(fēng)向，采用R.M.Young風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器05103，位于雪面高度0.5 m、1.0 m和2.0 m，level2僅使用2.0 m相應(yīng)數(shù)據(jù)；⑤雪深，采用Campbell Scientific UDG01超聲深度探測器，置于地面高度6.0 m。Niwot Ridge/Green Lakes Valley snow cover profiles數(shù)據(jù)集是雪蓋剖面每隔10 cm取樣1000 mL觀測密度。其中，006測點(diǎn)在subnivean氣象觀測站北側(cè)30 m。

本文使用數(shù)據(jù)：①Subnivean level2小時(shí)觀測數(shù)據(jù)(1996年～1999年)；②006號(hào)雪坑的雪蓋剖面數(shù)據(jù)(1996年～1999年)。

在1996年4月25日～6月21日模型率定[9]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以1997年5月7日～5月30日，1998年4月28日～6月22日，1999年5月18日～6月22日驗(yàn)證模型，采用計(jì)算步長1 h。

經(jīng)驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致(見圖1)。其中，1997年5月30日的雪深結(jié)果表明，計(jì)算值比實(shí)測值明顯偏小，但是密度、雪溫計(jì)算成果與實(shí)測數(shù)據(jù)一致。鑒于1997年計(jì)算時(shí)段略短，只包含4個(gè)雪坑觀測記錄，誤差較大測次的代表性不足以保證。1999年6月22日雪深計(jì)算值比實(shí)測偏厚，密度計(jì)算值比實(shí)測值偏大，這極可能與實(shí)際發(fā)生了風(fēng)吹雪現(xiàn)象有關(guān)。1998年實(shí)測積雪密度波動(dòng)較大，存在觀測有誤的可能性，但計(jì)算結(jié)果可基本保持在實(shí)測波動(dòng)范圍內(nèi)。

2 模型應(yīng)用

2.1 情景設(shè)置

根據(jù)1996年至1999年觀測數(shù)據(jù)的起訖時(shí)間，選取4年中觀測資料全程覆蓋的時(shí)段：5月18日至5月30日，共312 h。計(jì)算每小時(shí)4組(每年為一組)數(shù)據(jù)在短波輻射、長波輻射、氣溫、感熱和潛熱通量上的均值E和標(biāo)準(zhǔn)差σ，以E，E+σ，E-σ作為不同的邊界條件，計(jì)算雪蓋變量對不同情景的響應(yīng)。本文對較為敏感的入射短波輻射、反射短波輻射和潛熱通量進(jìn)行E±σ變動(dòng)，長波輻射和感熱通量采用4年相應(yīng)時(shí)段的均值E作為輸入條件。

在模擬期312 h內(nèi)，氣溫E的均值2.3℃，氣溫變化標(biāo)準(zhǔn)差σ的均值3.1℃。本研究設(shè)置情景是在氣溫平均變化2σ(6.2℃)的變幅內(nèi)，分析雪層厚度、密度和雪水當(dāng)量的響應(yīng)情況(見表1)。

表1 情景設(shè)置的變化范圍

2.2 影響分析

(1)隨著入射短波輻射增加、反射輻射減少、潛熱通量(從大氣到雪層)增加，雪蓋消融，雪水當(dāng)量減少。

(2)在本例中，雪水當(dāng)量采用雪深(m)×密度(kg/m3)的方式來表示。模擬中，雪水當(dāng)量的減少體現(xiàn)為雪蓋變薄，密度增加，但兩者乘積減少。

(3)隨著雪蓋輸入能量的增加，雪水當(dāng)量減幅增大、雪深降幅增大，但是雪蓋密度的變幅較為復(fù)雜。

圖1 雪深、密度、雪溫實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算值對比

圖2 短波輻射變化的影響分析

(4)隨短波輻射增加，在模擬期前期(05/18～05/25)，密度增幅較?。辉谀M期后期(05/25～05/30)，變化幅度變大。反射短波輻射與入射短波輻射的效果類似，但方向相反(見圖2和圖3)。

(5)雪蓋吸收能量后，一方面體現(xiàn)為雪層整體消融、厚度變薄、融雪出流；另一方面是雪層部分消融、上負(fù)雪層荷載壓實(shí)、本層密度增加。消融初期，入射能量較大的情況下，整層消融作用主導(dǎo)，雪蓋厚度減小效果顯著；入射能量略小，則雪蓋以部分消融壓實(shí)、密度增加效果顯著；到了消融后期，隨著輻射增加，雪厚加速減小且密度加速增大。

(6)潛熱通量的效應(yīng)(圖4)與短波輻射原理相同。從雪層傳輸?shù)酱髿獾臐摕嵬可伲瑒t雪層內(nèi)的能量(E-σ)多。反之，E+σ對應(yīng)于進(jìn)入雪層中的能量較少。因此，消融前期，潛熱通量E-σ情景時(shí)，雪蓋內(nèi)能量多，雪層整體消融，對應(yīng)于厚度變薄的效果顯著；E+σ時(shí)雪蓋內(nèi)能量略少，雪層部分消融，密度增加的效果顯著。在消融后期，雪蓋中累積能量足夠大，厚度減小和密度增加的效果并存。但是鑒于潛熱計(jì)算的情景中σ=39.0 W/m2，小于短波入射和反射的情景變幅σ(92.9 W/m2和58.8 W/m2)。因此，從消融前期到后期的轉(zhuǎn)折較晚，在5月28日～5月29日之間。

圖3 短波輻射反射變化的影響分析

圖4 潛熱通量變化的影響分析

Snow Column Model運(yùn)行結(jié)果顯示，隨著進(jìn)入雪層的能量增多，存在雪層消融、積雪密度增加的現(xiàn)象，與前人的研究成果一致[6]。亦發(fā)現(xiàn)，隨著能量輸入，雪蓋密度增幅不是單調(diào)變化。

3 結(jié) 論

本文采用基于過程的一維能量平衡雪蓋模型Snow Column Model，通過氣候變化情景設(shè)置，研究Niwot Ridge， Colorado，F(xiàn)ront Range of Rocky Mountains 006號(hào)雪坑的雪蓋變化?；?997年～1999年結(jié)果驗(yàn)證，通過1996年～1999年消融期內(nèi)實(shí)測短波輻射、長波輻射、氣溫、感熱和潛熱通量數(shù)據(jù)，分析這4年消融期內(nèi)312 h數(shù)據(jù)在相應(yīng)時(shí)刻的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，作為情景設(shè)置的基礎(chǔ)?？紤]氣溫變幅6.2℃的條件下，不同的入射短波輻射、反射短波輻射和潛熱通量邊界條件，分析雪蓋密度、厚度和雪水當(dāng)量的響應(yīng)情況。隨著消融過程的發(fā)展，雪蓋厚度減小、密度變大、雪水當(dāng)量減少；在改變輻射通量的情景下，隨著入射能量的增大，密度增幅存在先減小后增大的過程。