青藏高原雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化及其影響

李文鎧 郭維棟

摘要 回顧了青藏高原雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化及其影響研究的新進(jìn)展。高原大部分地區(qū)雪蓋不穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間短，導(dǎo)致高原雪蓋具有顯著的季節(jié)內(nèi)快速變化特征。局地氣溫和降水的季節(jié)內(nèi)變化是控制高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的直接原因，這種直接關(guān)系是區(qū)域大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)活動(dòng)的結(jié)果。高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化還與大尺度大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)活動(dòng)有關(guān)，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩、北極濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)引起的大氣季節(jié)內(nèi)過程可解釋部分高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變率。高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化通過雪-反照率效應(yīng)迅速對(duì)大氣施加影響，雪蓋造成的冷異常通過大氣平流過程影響高原及其下游地區(qū)，造成東亞高空急流和東亞大槽增強(qiáng)。由于高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的重要影響，數(shù)值預(yù)報(bào)中高原雪蓋的初始場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)會(huì)影響次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧。

關(guān)鍵詞陸氣相互作用;青藏高原;雪蓋;大氣季節(jié)內(nèi)變化;次季節(jié)預(yù)報(bào)

青藏高原在氣候系統(tǒng)中扮演了重要角色。葉篤正先生等青藏高原氣象學(xué)研究的先驅(qū)們率先發(fā)現(xiàn)了青藏高原的地形機(jī)械作用（Yeh，1950;顧震潮，1951）和熱力強(qiáng)迫作用（葉篤正等，1957;葉篤正和高由禧，1979）。這些早期的開創(chuàng)性工作提出了大地形熱力作用的概念，為青藏高原氣象學(xué)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。青藏高原海拔高、面積大，它作為抬升的大氣熱源、熱匯，直接作用于對(duì)流層中、高層大氣，改變海陸熱力差異狀況，深刻影響亞洲地區(qū)、乃至全球氣候格局（Wu and Zhang，1998;徐祥德等，2002;Duan and Wu，2005;Wu et al.，2007;周秀驥等，2009;劉屹岷等，2017，2020）。

青藏高原熱力強(qiáng)迫作用通過陸氣耦合過程影響高原上空大氣熱力狀況和大氣環(huán)流，影響局地及鄰近地區(qū)的大氣環(huán)流和天氣氣候。在東亞季風(fēng)區(qū)，青藏高原熱力強(qiáng)迫作用的變化與我國(guó)氣候異常事件相聯(lián)系，例如可造成我國(guó)降水異常（趙平和陳隆勛，2001;段安民等，2003;Wang et al.，2014;Hu and Duan，2015;Wan et al.，2017;姚秀萍等，2019）。在全球增暖背景下，青藏高原熱力狀況和熱力強(qiáng)迫作用（如氣溫、大氣熱源、地表感熱通量等）發(fā)生了顯著變化（Liu and Chen，2000;吳紹洪等，2005;Duan and Wu，2009;陽坤等，2010;You et al.，2011，2016;王美蓉等，2012），對(duì)全球增暖響應(yīng)強(qiáng)烈，是全球氣候變化的重要部分，并影響我國(guó)氣候（丁一匯和張莉，2008;Wang et al.，2008;Liu et al.，2012;李菲等，2021）。

青藏高原還是大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的重要活躍區(qū)和來源地，學(xué)者們對(duì)高原及其臨近地區(qū)的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩現(xiàn)象及其天氣氣候效應(yīng)進(jìn)行了深入且系統(tǒng)的研究。青藏高原大氣季節(jié)內(nèi)振蕩，特別是青藏高原大氣熱源的季節(jié)內(nèi)變化，一方面具有局地活動(dòng)特征（徐國(guó)強(qiáng)和朱乾根，2000;周兵等，2000;Yang et al.，2017），另一方面還影響高原外地區(qū)，造成東亞季風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化（鞏遠(yuǎn)發(fā)等，2007;王躍男等，2009;Zhang et al.，2014;Wang and Duan，2015）。青藏高原大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的來源與高原地表加熱有關(guān)（陳隆勛等，1985;彭玉萍等，2012），也與高原外部的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)傳播有關(guān)（李崇銀，2004;Hu et al.，2016;Yang and Li，2017;Li and Mao，2018;陳悅等，2019）。

雪蓋是特殊而又重要的大氣下墊面，雪蓋-大氣作用過程是陸-氣相互作用過程的重要部分。雪蓋的存在顯著影響地表熱力學(xué)特征（Zhang，2005），并通過反照率效應(yīng)和水文效應(yīng)來影響大氣（段安民等，2018;魯萌萌等，2020）。隨著雪蓋資料的豐富和數(shù)值模式的發(fā)展，大量研究揭示了雪蓋對(duì)氣候的顯著影響（楊修群和黃士松，1992;Yang and Xu，1994;陳海山等，1999;Liu and Yanai，2002;Wu and Kirtman，2007;Wu et al.，2009，2011;左志燕等，2011;Li and Wang，2014;陳紅，2017;Zhang et al.，2017;Han and Sun，2018;Jia et al.，2018）。雪蓋還會(huì)影響水文循環(huán)，積雪形式的降水累積以及通過融雪釋放的徑流是水文循環(huán)的重要成分（Jeelani et al.，2012;Fayad et al.，2017）。

世界“第三極”——青藏高原，海拔高度高、氣溫寒冷，具有較高的積雪覆蓋率，這與同緯度其他地區(qū)有非常明顯的差異。超過一個(gè)世紀(jì)的研究表明，青藏高原雪蓋的年際、年代際變化顯著影響包括我國(guó)在內(nèi)的亞洲氣候。青藏高原雪蓋對(duì)大氣的影響首先是局地效應(yīng)，進(jìn)而是非局地效應(yīng)。青藏高原雪蓋通過反照率效應(yīng)和水文效應(yīng)影響高原局地地表能量平衡和水循環(huán)，進(jìn)而影響高原熱力強(qiáng)迫作用（Li et al.，2001，2018），并影響下游或其他地區(qū)的天氣和氣候。青藏高原雪蓋的天氣氣候效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于南亞季風(fēng)（Blanford，1884）。青藏高原雪蓋對(duì)東亞地區(qū)的季風(fēng)活動(dòng)、天氣和氣候的影響非常重要，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了大量的翔實(shí)且深入的研究，揭示了青藏高原雪蓋對(duì)東亞季風(fēng)的影響（范廣洲等，1997;楊秋明，1998;鄭益群等，2000;張順利和陶詩言，2001;Wu and Qian，2003;Zhao et al.，2007;Xu et al.，2012;Wu et al.，2016;Xiao and Duan，2016;Liu et al.，2017;Wang et al.，2017;Wang et al.，2018a;You et al.，2020;Jia et al.，2021）。青藏高原雪蓋還有顯著的年代際變化（Wang et al.，2018b;Qian et al.，2020），也對(duì)我國(guó)天氣和氣候造成影響（Zhang et al.，2004;Wu et al.，2012;Si and Ding，2013）。此外，青藏高原雪蓋在水文系統(tǒng)中也起著重要作用，長(zhǎng)江、黃河、雅魯藏布江和湄公河等河流的源頭都位于青藏高原，青藏高原雪蓋對(duì)下游地區(qū)的水資源管理至關(guān)重要（Immerzeel et al.，2009;Zhang et al.，2012，2013）。2972EF2B-7BD2-46CD-9D9B-0BFF3B3E2FF5

在北半球空間尺度上，雪蓋時(shí)間變化主要是年循環(huán)，大部分地區(qū)的積雪是季節(jié)性積雪（例如冬季的西伯利亞地區(qū)積雪），雪蓋變化緩慢、維持時(shí)間至少達(dá)到一個(gè)季節(jié)。然而，在季節(jié)性積雪區(qū)和無積雪區(qū)（例如我國(guó)華南）的過渡帶，雪蓋并不像季節(jié)性積雪區(qū)那樣長(zhǎng)時(shí)間存在，一個(gè)季節(jié)內(nèi)的積雪可能會(huì)迅速變化（Clark and Serreze，2000;Wang et al.，2015;Suriano and Leathers，2018;Song and Wu，2019;Song et al.，2019a，2019b）。在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上，一些不穩(wěn)定積雪區(qū)的雪蓋并非固定不變。例如，Clark and Serreze（2000）發(fā)現(xiàn)東亞雪蓋在月時(shí)間內(nèi)有較強(qiáng)變化。Song et al.（2019b）發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部季節(jié)性積雪變化的主要時(shí)間尺度是30 d內(nèi)，華東西北部和長(zhǎng)江以北積雪變化有10～30 d周期。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展，青藏高原積雪監(jiān)測(cè)由點(diǎn)拓展到面。利用青藏高原地區(qū)高時(shí)空分辨率雪蓋資料，有學(xué)者注意到了青藏高原雪蓋的多尺度變化特征（Pu et al.，2007;Shen et al.，2015;Li et al.，2018;車濤等，2019;Song et al.，2019a），表明青藏高原雪蓋在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上有較強(qiáng)變化。

“雪-反照率效應(yīng)”的機(jī)制主要涉及雪蓋反射太陽短波輻射過程，而“雪-水文效應(yīng)”的機(jī)制則主要涉及土壤濕度變化、地表徑流等過程，由于兩者機(jī)制的不同，它們發(fā)生的時(shí)間尺度也不同，反照率效應(yīng)在雪蓋生成時(shí)可立即發(fā)生，而水文效應(yīng)則需滯后數(shù)天至數(shù)月才發(fā)生（Xu and Dirmeyer，2013;Lin，2018）。由于“雪-反照率效應(yīng)”對(duì)大氣的快速影響，積雪的季節(jié)內(nèi)快速變化對(duì)于理解大氣中期、延伸期過程非常重要（Clark and Serreze，2000;Li et al.，2018;韓世茹等，2019;Zhang et al.，2019）。青藏高原作為抬升的大氣冷熱源，其雪蓋的快速變化可通過“雪-反照率效應(yīng)”迅速影響高原和下游大氣。此外，青藏高原作為大氣季節(jié)內(nèi)活動(dòng)的重要活躍區(qū)和來源地，雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化可能受到大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的影響，也可能是該地區(qū)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩產(chǎn)生的原因。

綜上所述，近年來的一些研究揭示出青藏高原雪蓋在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上有較強(qiáng)變化，且對(duì)大氣活動(dòng)有重要影響。但是，與被研究較多的青藏高原雪蓋年際變化和長(zhǎng)期變化相比，青藏高原積雪的季節(jié)內(nèi)變化仍受到較少關(guān)注。本文將梳理季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上青藏高原雪蓋快速變化及其影響研究的新進(jìn)展，并提出一些未來有待研究的科學(xué)問題，希望引起更多學(xué)者參與解決這些科學(xué)問題。

1 青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化特征

1.1 時(shí)空變化特征

青藏高原積雪并不同于其他中緯度地區(qū)或更高緯度地區(qū)的積雪，青藏高原積雪較淺且持續(xù)時(shí)間短（Qin et al.，2006）。青藏高原積雪的空間異質(zhì)性強(qiáng)，穩(wěn)定積雪和瞬時(shí)性積雪同時(shí)存在，年積雪覆蓋日數(shù)從超過200 d到小于5 d都存在（車濤等，2019），并且大部分地區(qū)是非周期性不穩(wěn)定積雪區(qū)（張廷軍和鐘歆玥，2014）。即使是在冬季，絕大部分氣象臺(tái)站的積雪覆蓋日數(shù)都小于15 d（Xu et al.，2017）。這說明青藏高原積雪與冬季高緯度地區(qū)較厚的積雪（例如，冬季西伯利亞地區(qū)的穩(wěn)定積雪）不同，青藏高原大部分地區(qū)的積雪不能在某個(gè)季節(jié)穩(wěn)定維持。

以青藏高原北部部分區(qū)域（80°～92°E，33°～38°N）雪蓋覆蓋率在2018/2019年冬季的變化為例（圖1a），該區(qū)域平均的積雪覆蓋率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)內(nèi)變化（根據(jù)交互式多傳感器冰雪制圖系統(tǒng)雪蓋分析產(chǎn)品，即IMS雪蓋資料，Helfrich et al.，2007）。圖1a中紅色實(shí)線為1998—2020年多年平均的積雪覆蓋率，即年循環(huán)，可被認(rèn)為是雪蓋變化的氣候背景。藍(lán)色實(shí)線為逐日積雪覆蓋率，對(duì)比年循環(huán)，該冬季大部分日期的積雪覆蓋率高于正常年水平，但也有一些日期的積雪覆蓋率低于正常年水平。相對(duì)于緩變的年循環(huán)，季節(jié)內(nèi)變化成分（圖1a中黑色實(shí)線）導(dǎo)致了最終逐日雪蓋覆蓋率的劇烈變化，變化周期短于一個(gè)季節(jié)。季節(jié)內(nèi)變化成分振幅較大，圖1a中的藍(lán)色陰影和橙色陰影標(biāo)記了超過正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差日期，正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之間的差異超過25%，即超過四分之一高原面積。該冬季幾個(gè)典型日期的Terra/MODIS真彩色遙感圖像顯示：在2018年11月1日（圖1b），該區(qū)域僅有少量積雪覆蓋區(qū)域，地形輪廓、湖泊等清晰可見;僅一周后的11月7日（圖1c），雪蓋面積迅速擴(kuò)大，該區(qū)域較大部分被積雪覆蓋，雪覆蓋時(shí)呈現(xiàn)一定斑駁特征，雪蓋區(qū)域隱約有裸土的顏色，推斷積雪較淺;僅近一個(gè)月之后的12月5日（圖1d），該區(qū)域雪蓋又基本消失;此后，又發(fā)生多次反復(fù)劇烈變化（圖1e—g）。這種雪蓋的季節(jié)內(nèi)快速變化在整個(gè)青藏高原都存在，青藏高原雪蓋變化劇烈時(shí)，積雪覆蓋面積在半個(gè)月內(nèi)的變化可達(dá)青藏高原面積的三分之一以上（Li et al.，2018）。

由于青藏高原大部分地區(qū)積雪的不穩(wěn)定存在，其逐日雪蓋并非緩慢變化，而是經(jīng)?？焖僮兓?。這導(dǎo)致就青藏高原整體雪蓋而言，其變化較為復(fù)雜。這種逐日快速變化疊加在青藏高原雪蓋的緩變分量（例如年循環(huán)、年代際變化、長(zhǎng)期變化）之上，使得青藏高原雪蓋具有多時(shí)間尺度變化特征。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，例如集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Shen et al.，2015）、濾波（Li et al.，2018，2020a），可研究青藏高原雪蓋不同時(shí)間尺度變化特征。Li et al.（2020a）研究了青藏高原雪蓋的多時(shí)間尺度變化特征，并重點(diǎn)關(guān)注了季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度（10～90 d）變化。結(jié)果表明，青藏高原雪蓋通常以年循環(huán)變化為主，季節(jié)內(nèi)變化次之，而天氣尺度變化、季節(jié)變化、年際變化和長(zhǎng)期變化對(duì)青藏高原雪蓋的總?cè)兆兓暙I(xiàn)相對(duì)較少。雪蓋的季節(jié)內(nèi)變率在青藏高原中部和東部地區(qū)占主導(dǎo)地位，占總雪蓋變率的22%～40%。這種快速變化在冷季更加活躍，一些區(qū)域（如羌塘高原）的冷季雪蓋季節(jié)內(nèi)變化甚至占總?cè)兆兓?0%以上?？臻g上，青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的活躍區(qū)分布不均勻。最主要的空間分布特征為：積雪覆蓋比例較高的橫斷山脈西側(cè)、念青唐古拉山、巴顏喀拉山、喜馬拉雅山及帕米爾高原地區(qū)在冬半年因?yàn)榉e雪穩(wěn)定存在而季節(jié)內(nèi)變化較弱，但夏半年積雪變得不穩(wěn)定之后季節(jié)內(nèi)變化較強(qiáng);積雪覆蓋比例較低的青藏高原其他地區(qū)（如羌塘高原），在冬半年季節(jié)內(nèi)變化較強(qiáng)，但夏半年由于積雪很少存在而使季節(jié)內(nèi)變化較弱。概括而言，積雪覆蓋日數(shù)過高（例如60%比例）或過低（例如10%比例）不利于雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化，適當(dāng)?shù)姆e雪覆蓋日數(shù)比例（例如30%）會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的雪蓋季節(jié)內(nèi)變化。2972EF2B-7BD2-46CD-9D9B-0BFF3B3E2FF5

1.2 可能原因

從局地大氣環(huán)流來看，青藏高原雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化直接受到區(qū)域氣溫和降水的影響（Li et al.，2020a）。青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化與區(qū)域近地層氣溫和降水高度相關(guān)，氣溫和降水是青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的直接控制因子。在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上，青藏高原雪蓋和氣溫是同期負(fù)相關(guān)關(guān)系，與前期5 d異常降水正相關(guān)。青藏高原雪蓋與氣溫和降水的直接關(guān)系是區(qū)域大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化的結(jié)果：異常垂直上升運(yùn)動(dòng)引起的絕熱冷卻引起增加青藏高原雪蓋的對(duì)流層溫度冷異常，有利于雪蓋增加，垂直下沉運(yùn)動(dòng)則相反;區(qū)域水汽平流異常、積雪升華造成的局地水汽變化影響降水，并最終影響雪蓋。

青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化還與大尺度大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)振蕩有關(guān)。Li et al.（2016）發(fā)現(xiàn)熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）調(diào)制青藏高原雪蓋。當(dāng)MJO對(duì)流負(fù)異?；顒?dòng)區(qū)（對(duì)流正異常活動(dòng)區(qū)）位于海洋性大陸時(shí)，即在MJO第8—1位相（第4—5位相），青藏高原雪蓋顯著增加（減少）。但在隨后的MJO第2—3位相（第6—7位相），青藏高原雪蓋的變化不顯著。MJO抑制對(duì)流（增強(qiáng)對(duì)流）激發(fā)了Matsuno-Gill型響應(yīng)，在造成的非絕熱冷卻（加熱）中心的西北側(cè)有反氣旋（氣旋）式異常低層水平風(fēng)場(chǎng)。當(dāng)反氣旋（氣旋）式異常風(fēng)場(chǎng)的西部的偏南風(fēng)（偏北風(fēng)）位于阿拉伯海時(shí)會(huì)增加（減少）青藏高原來自上游地區(qū)的水汽輸送。異常的水汽通過平流過程被輸送進(jìn)入青藏高原，造成青藏高原上空水汽的正異常（負(fù)異常）。隨后青藏高原降水被影響，造成降水的正異常（負(fù)異常），并最終影響青藏高原雪蓋，造成雪蓋增加（減少）。數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)了MJO影響青藏高原雪蓋的因果性（李文鎧，2017）。青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化還受到中緯度大氣環(huán)流的影響（Song et al.，2019a），且調(diào)制高原西部和高原東部雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的大氣過程并不相同：青藏高原西部的雪蓋季節(jié)內(nèi)變化受到北極濤動(dòng)引起的中緯度波列調(diào)制，而高原東部雪蓋季節(jié)內(nèi)變化則與北大西洋濤動(dòng)引起的副熱帶波列有關(guān)。兩種情況中的羅斯貝波列都會(huì)導(dǎo)致異常的水汽輻合和上升運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致青藏高原雪蓋正異常。但引起青藏高原西部地區(qū)雪蓋異常的水汽來自里海，而引起高原東部地區(qū)雪蓋異常的水汽則來自孟加拉灣。

2 青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的影響

2.1 對(duì)大氣環(huán)流的影響

如引言所述，學(xué)者們對(duì)青藏高原雪蓋的氣候效應(yīng)進(jìn)行了詳實(shí)研究，這些研究的著眼點(diǎn)一般是尋找氣候預(yù)測(cè)因子，因而大部分研究是利用某一季節(jié)平均的青藏高原雪蓋狀況做氣候異常的歸因或預(yù)測(cè)研究。青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化可通過“雪-反照率效應(yīng)”對(duì)大氣造成快速影響。Clark and Serreze（2000）發(fā)現(xiàn)東亞雪蓋在月時(shí)間內(nèi)的較強(qiáng)變化影響大氣環(huán)流，并提出觀點(diǎn)認(rèn)為東亞積雪的影響對(duì)短期和中期天氣預(yù)報(bào)非常重要，而不應(yīng)僅注意其在長(zhǎng)期時(shí)間尺度的氣候效應(yīng)問題。但限制于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)資料，該研究并未涉及青藏高原雪蓋。

由于青藏高原的特殊位置和地形，高原成為對(duì)流層中層的大氣下邊界，通過陸氣相互作用過程影響局地和下游大氣環(huán)流。青藏高原雪蓋在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的不穩(wěn)定存在，使青藏高原成為不穩(wěn)定的大氣變化外強(qiáng)迫熱源。Li et al.（2018，2021）發(fā)現(xiàn)東亞大氣環(huán)流對(duì)青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的響應(yīng)是快速的，在一周以內(nèi)即可完成響應(yīng)過程（圖2）。在季節(jié)內(nèi)，青藏高原雪蓋反復(fù)變化，有時(shí)偏多，有時(shí)偏少，且變化幅度較大（圖2a）。大面積雪蓋累積和消融使高原地表在無積雪和有積雪兩種狀態(tài)下反復(fù)且快速切換，并即刻改變地表反照率，通過雪-反照率效應(yīng)影響地表能量平衡（圖2b）。高原雪蓋季節(jié)內(nèi)正異常導(dǎo)致高原對(duì)大氣的異常冷卻，反之則是異常加熱。雪蓋正異常時(shí)，雪蓋使高原充當(dāng)大氣對(duì)流層中部異常冷源，迅速影響局地上空的大氣熱力狀況，造成高原局地上空的冷異常響應(yīng)（圖2c），氣溫的冷異常響應(yīng)從高原地面可達(dá)對(duì)流層上層，并引起局地位勢(shì)高度負(fù)異常，局地大氣環(huán)流對(duì)雪蓋異常的響應(yīng)過程在2 d內(nèi)即可達(dá)到最強(qiáng)。高原上空的冷異常響應(yīng)通過大氣水平運(yùn)動(dòng)造成的溫度平流過程影響下游至西北太平洋地區(qū)的大氣環(huán)流（圖2d），造成下游位勢(shì)高度負(fù)異常，引起東亞大槽和東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，下游大氣環(huán)流對(duì)雪蓋異常的響應(yīng)過程在6 d內(nèi)即可達(dá)到最強(qiáng)。這表明青藏高原雪蓋的季節(jié)內(nèi)變化可迅速影響東亞范圍的大氣環(huán)流活動(dòng)。

2.2 對(duì)次季節(jié)預(yù)報(bào)的影響

天氣和氣候異常導(dǎo)致的自然災(zāi)害對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有嚴(yán)重影響，對(duì)天氣和氣候異常情況進(jìn)行具有足夠預(yù)報(bào)時(shí)效（提前預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)）的可靠預(yù)報(bào)有重大社會(huì)價(jià)值。隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和季節(jié)動(dòng)力預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展，災(zāi)害天氣的短期和中期（數(shù)小時(shí)至約兩周）確定性預(yù)報(bào)及氣候（3～6 mon）概率預(yù)測(cè)能力持續(xù)提高。但介于兩者之間的次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)（從兩周左右到一個(gè)季節(jié)的預(yù)報(bào)）能力薄弱，限制了無縫隙天氣-氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展（徐邦琪等，2020;朱躍建等，2020）。

大氣、陸地和海洋對(duì)不同時(shí)效預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性貢獻(xiàn)不同（圖3;WWRP/WCRP，2018）。大氣初值對(duì)可預(yù)報(bào)性的貢獻(xiàn)在一周內(nèi)迅速降低，超過兩周的更長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)報(bào)的主要依據(jù)是大氣與地球系統(tǒng)其他變化較慢成分（如陸地或海洋）之間的相互作用（Mariotti et al.，2018;金蕊等，2020）。海洋是季節(jié)以上的氣候預(yù)測(cè)的主要可預(yù)報(bào)性來源。陸地-大氣耦合是次季節(jié)到季節(jié)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵物理過程之一。特別是對(duì)次季節(jié)預(yù)報(bào)而言，陸面狀況（包括土壤濕度、積雪、植被狀態(tài)等）提供了大氣變化過程中幾天至幾周時(shí)間尺度的可預(yù)報(bào)性來源。如果預(yù)報(bào)系統(tǒng)中對(duì)陸面狀況的初始化或預(yù)報(bào)效果不好，則將降低次季節(jié)到季節(jié)預(yù)報(bào)技巧（Robertson et al.，2015;Dirmeyer et al.，2019）。

積雪是次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性來源之一。研究表明，數(shù)值模式中的積雪初始場(chǎng)通過積雪的局地輻射反饋、熱力學(xué)反饋和水文反饋影響數(shù)值預(yù)報(bào)或數(shù)值模擬，數(shù)值模式中更準(zhǔn)確的積雪初始化可以改善次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)（Jeong et al.，2013;Lin et al.，2016，2020;Senan et al.，2016;Li et al.，2019;李菲等，2021）。在積雪初始場(chǎng)影響預(yù)報(bào)技巧的過程中，雪-反照率效應(yīng)起了關(guān)鍵作用，優(yōu)化積雪初始化對(duì)預(yù)報(bào)技巧的提高也集中在雪-反照率效應(yīng)強(qiáng)的地區(qū)（Jeong et al.，2013），優(yōu)化的積雪初始場(chǎng)還通過改進(jìn)模式中的局地雪-大氣耦合過程或?qū)α鲗雍推搅鲗哟髿猸h(huán)流過程提高預(yù)報(bào)技巧（Li et al.，2019）。由于青藏高原積雪在整個(gè)冰雪圈的重要地位，準(zhǔn)確的青藏高原積雪的初始化對(duì)次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)意義重大。Senan et al.（2016）發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)積雪初始場(chǎng)影響模式對(duì)印度夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間的預(yù)報(bào)技巧。Lin et al.（2016，2020）定量研究了積雪同化對(duì)全球模式季節(jié)預(yù)報(bào)的影響，發(fā)現(xiàn)使用積雪同化方案將改進(jìn)改進(jìn)季節(jié)氣溫預(yù)報(bào)技巧，這種技巧改進(jìn)在青藏高原和高緯度地區(qū)尤其明顯，并且青藏高原地區(qū)是優(yōu)化積雪初始化的關(guān)鍵地區(qū)。青藏高原位于中低緯地區(qū)，受太陽短波輻射影響強(qiáng)烈，積雪同化通過雪-反照率效應(yīng)改進(jìn)該區(qū)域凈短波輻射和近地層氣溫預(yù)報(bào)技巧（Lin et al.，2016）;在更長(zhǎng)的季節(jié)尺度上，冷季進(jìn)入暖季時(shí)青藏高原積雪融化吸收潛熱導(dǎo)致的陸面潛熱通量影響雪-大氣耦合過程，也會(huì)造成積雪同化對(duì)預(yù)報(bào)技巧的影響（Lin et al.，2020）。2972EF2B-7BD2-46CD-9D9B-0BFF3B3E2FF5

除積雪的初始場(chǎng)影響次季節(jié)預(yù)報(bào)之外，模式對(duì)積雪的預(yù)報(bào)技巧也會(huì)影響模式對(duì)其他大氣要素的預(yù)報(bào)技巧，特別是通過雪-氣溫耦合影響模式對(duì)氣溫的預(yù)報(bào)技巧（Diro and Lin，2020）。Li et al.（2020b）使用次季節(jié)至季節(jié)國(guó)際合作計(jì)劃數(shù)據(jù)庫（Vitart et al.，2017）中的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和中國(guó)氣象局（CMA）模式回報(bào)數(shù)據(jù)，比較了這些模式對(duì)青藏高原雪蓋的預(yù)報(bào)技巧。這三家業(yè)務(wù)單位模式對(duì)青藏高原雪蓋變化能提前2周進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，但對(duì)3周及之后的青藏高原雪蓋則預(yù)測(cè)能力有限。與觀測(cè)資料相比，這三家預(yù)報(bào)模式都高估了青藏高原雪蓋面積，并且高估程度隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加（模式積分時(shí)間增長(zhǎng)）而增加。青藏高原雪蓋的這種系統(tǒng)性偏差會(huì)影響局地陸面能量平衡，進(jìn)而影響模式預(yù)報(bào)的地面氣溫，造成預(yù)報(bào)模式中，青藏高原地表氣溫隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加而變得更冷。上述青藏高原雪蓋的系統(tǒng)性偏差是由于陸面模式低估了青藏高原雪蓋的消融過程，也與三家預(yù)報(bào)模式都強(qiáng)烈高估青藏高原的降水有關(guān)。韓世茹等（2019）也指出，青藏高原積雪對(duì)延伸期預(yù)報(bào)技巧有重要貢獻(xiàn)，為東亞延伸期預(yù)報(bào)的潛在可預(yù)報(bào)源。這表明除了改進(jìn)積雪初始化之外，優(yōu)化積雪預(yù)測(cè)模型也可以提高次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧。模式中積雪參數(shù)化方案（積雪模式）的改進(jìn)，對(duì)提高次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧至關(guān)重要。

3 總結(jié)和展望

3.1 總結(jié)

從季節(jié)平均視角來看，青藏高原積雪大多在秋季建立，并持續(xù)到第二年春季。但值得注意的是，與更高緯度地區(qū)的積雪相比，青藏高原雪蓋明顯淺且持續(xù)時(shí)間短，這種獨(dú)特的特征會(huì)導(dǎo)致高原雪蓋在季節(jié)內(nèi)快速變化。局地氣溫和降水的季節(jié)內(nèi)變化是控制青藏高原雪蓋快速變化的直接原因。青藏高原雪蓋和同期區(qū)域氣溫負(fù)相關(guān)、與前期降雪正相關(guān)，這種直接關(guān)系是區(qū)域大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化的結(jié)果，包括大氣垂直運(yùn)動(dòng)引起的異常絕熱加熱和水汽平流異常、積雪蒸發(fā)。此外，青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化還與大尺度大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)活動(dòng)有關(guān)，MJO、北極濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)引起的大氣季節(jié)內(nèi)過程可解釋部分青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變率。

青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化通過“雪-反照率效應(yīng)”對(duì)大氣造成快速影響。青藏高原雪蓋造成的地表反照率快速增強(qiáng)，將迅速調(diào)制青藏高原地表熱力狀況，造成青藏高原對(duì)大氣加熱的冷異常，高原上空立即產(chǎn)生冷卻響應(yīng)，氣溫在2 d內(nèi)迅速降低，位勢(shì)高度場(chǎng)相應(yīng)發(fā)生變化。雪蓋造成的冷異常通過大氣平流過程影響下游地區(qū)，造成東亞高空急流和東亞大槽增強(qiáng)，下游大氣環(huán)流對(duì)雪蓋異常的響應(yīng)過程在6 d內(nèi)即可達(dá)到最強(qiáng)。由于青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的重要影響，數(shù)值預(yù)報(bào)中青藏高原雪蓋的初始場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)會(huì)影響次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧，模式中積雪初始化方案和積雪模式的改進(jìn)對(duì)提高次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧至關(guān)重要。

3.2 挑戰(zhàn)與展望

次季節(jié)預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的間隙，目前氣象學(xué)界對(duì)次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性來源的認(rèn)識(shí)仍然有限，這對(duì)提高次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧、實(shí)現(xiàn)無縫隙預(yù)報(bào)造成了一定障礙。陸地表面狀態(tài)影響地表熱量、水分和向大氣的輻射通量，并且可能對(duì)晝夜周期的演變產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響更長(zhǎng)的時(shí)間尺度。陸地狀態(tài)與自由大氣狀態(tài)相比發(fā)展緩慢，因此陸地狀態(tài)可以提供從幾天到幾周的時(shí)間尺度的可預(yù)報(bào)性來源。這種可預(yù)報(bào)性能夠提高次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)技巧，但前提是實(shí)現(xiàn)模式中準(zhǔn)確的陸地初始化狀態(tài)和陸-氣耦合過程（WCRP/WCRP，2018）。

青藏高原高原雪蓋面積變化大且不穩(wěn)定，大氣對(duì)青藏高原高原雪蓋變化響應(yīng)迅速，數(shù)值模式中青藏高原高原雪蓋的預(yù)報(bào)誤差將降低次季節(jié)預(yù)報(bào)技巧。而改進(jìn)數(shù)值模式對(duì)青藏高原雪蓋的模擬和預(yù)報(bào)能力，則有可能提高次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)水平。但想要充分認(rèn)識(shí)青藏高原高原季節(jié)內(nèi)變化，進(jìn)而改進(jìn)次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)水平，仍存在較大挑戰(zhàn)：1）亟需更可靠的積雪觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于自然環(huán)境狀況，青藏高原相對(duì)缺乏對(duì)積雪的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，臺(tái)站觀測(cè)積雪的代表性也有限。逐日衛(wèi)星遙感雪蓋產(chǎn)品受云影響較大，依賴準(zhǔn)確的去云化算法。觀測(cè)資料的不確定性給預(yù)報(bào)模式中積雪的初始化造成一定影響。2）數(shù)值模式在青藏高原地區(qū)不確定性較大。當(dāng)前大氣環(huán)流模式（GCM）往往強(qiáng)烈高估青藏高原的降水（Su et al.，2013;Chen and Frauenfeld，2014;Zhang and Li，2016;Zhang et al.，2019）。當(dāng)前次季節(jié)至季節(jié)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式對(duì)青藏高原地區(qū)降水也強(qiáng)烈高估，并進(jìn)一步引起了青藏高原雪蓋偏差。而青藏高原雪蓋偏差又會(huì)反過來影響模式對(duì)大氣的預(yù)報(bào)（Li et al.，2020b）。改進(jìn)數(shù)值模式在青藏高原地區(qū)的預(yù)報(bào)或模擬能力的挑戰(zhàn)非常大，不僅要降低大氣模式的在該區(qū)域的偏差，也要改進(jìn)陸面模式在該區(qū)域的性能。

WCRP/WCRP于2019年啟動(dòng)了國(guó)際次季節(jié)至季節(jié)預(yù)測(cè)計(jì)劃第二階段，陸面初始化和配置是該階段的重要子項(xiàng)目，致力于解決三個(gè)問題：1）觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)陸面初始化和次季節(jié)至季節(jié)預(yù)測(cè)有什么影響？2）次季節(jié)至季節(jié)預(yù)測(cè)模式中的陸-氣耦合過程表現(xiàn)如何？3）陸面狀態(tài)異常如何導(dǎo)致極端天氣氣候事件？由于青藏高原熱力狀況在陸-氣系統(tǒng)中重要地位，進(jìn)一步研究青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的影響因子、青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化對(duì)大氣的影響，研究數(shù)值模式中青藏高原雪蓋季節(jié)內(nèi)變化的預(yù)報(bào)誤差來源和影響，以至改進(jìn)數(shù)值模式對(duì)青藏高原雪蓋的初始化和預(yù)報(bào)方案，是解決這三個(gè)問題的關(guān)鍵方向之一。

致謝：圖1和圖2使用NCAR Command Language 6.6.2版繪制（https：//doi.org/10.5065/D6WD3XH5）。IMS雪蓋資料獲取自https：//nsidc.org/data/G02156。Terra/MODIS真彩色遙感圖像獲取自https：//worldview.earthdata.nasa.gov。

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（責(zé)任編輯：張福穎）2972EF2B-7BD2-46CD-9D9B-0BFF3B3E2FF5