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)性積雪分布對氣候變化與人類活動、地表輻射平衡與能量交換具有關(guān)鍵的反饋作用，是敏感且活躍的環(huán)境指示因子[3-4]。全球氣候變暖成為不爭事實，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]。冰凍圈積雪水文過程對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程研究成為該領(lǐng)域關(guān)注熱點，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，并且對開展變化環(huán)境下水資源合理開發(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別積雪累積與消融過程差異性規(guī)律的關(guān)鍵要素。已有研究證實，積雪累積與消融過程不僅受到空氣溫濕度、太陽輻射及風(fēng)速風(fēng)向等氣象因素的影響[8-10]，同時也受到海拔高度、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，林木空間分布會對積雪消融過程產(chǎn)生一定的影響，即林冠開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闊地的1/3。國內(nèi)學(xué)者圍繞東北地區(qū)大、小興安嶺林區(qū)的野外觀測試驗結(jié)果表明[22-23]，郁閉度大小會影響太陽輻射面積，郁閉度較大的區(qū)域在積雪消融過程時間上長于郁閉度較小的區(qū)域，且林內(nèi)的降雪和積雪密度大多均小于林外。目前，國內(nèi)外已有研究成果中，針對不同遮蔽條件下的季節(jié)性積雪累積與消融過程的系統(tǒng)觀測與差異性規(guī)律分析成果較少，需要針對不同流域開展基礎(chǔ)觀測試驗研究，以揭示不同遮蔽條件對積雪積累及消融過程的差異性規(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，本文通過對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觀測樣方展開長時間序列的積雪積累與消融過程觀測研究，通過對影響積、融雪過程的逐項要素(如積雪深度、積雪密度、積雪液態(tài)含水率等)進行連續(xù)觀測分析，結(jié)合試驗區(qū)同步長系列氣象資料，試圖發(fā)現(xiàn)并揭示不同遮蔽條件下的季節(jié)性積融雪過程差異性規(guī)律，為進一步構(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 試驗樣方與觀測方案設(shè)計

2.1 試驗樣方設(shè)計

本文試驗區(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)性積雪覆蓋試驗區(qū)(87°34′07″E，43°48′45″N)，該試驗區(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，多年平均氣溫5～7℃，7、8月屬最暖時段(平均氣溫為25.7℃)，1月屬最冷時段(平均氣溫為-15.2℃)，同時伴隨逆溫層出現(xiàn)。降水稀少且隨海拔高度增加呈遞增趨勢，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%。試驗區(qū)冬季降雪頻繁，積雪穩(wěn)定而深厚，覆蓋天數(shù)長，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1m以上[24]。試驗區(qū)主要樹種類型以榆樹(elm forest)為主，地表植被覆被類型以低地草甸為主。

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

2.2 試驗觀測時段、頻次與觀測項目

試驗觀測自2015年冬季積雪期開始至今已連續(xù)觀測4年。經(jīng)課題組積融雪研究團隊歷年觀測研究所得，該試驗區(qū)內(nèi)積雪累積過程一般始于上年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)達峰值，就北半球而言，該時段過后伴隨太陽直射點北移，所獲太陽高度角及其輻射逐漸增加，同時大氣溫度明顯回升致使積雪開始產(chǎn)生消融過程[25]。積雪累積與消融過程伴隨外界環(huán)境變化具有明顯反復(fù)波動且不連續(xù)的特點，因此確定積融雪期階段的劃分對野外觀測試驗起到不可忽視的作用。本文根據(jù)課題組積融雪研究團隊近4年來觀測經(jīng)驗，同時結(jié)合已有研究成果[14-19,25]，大多以觀測期內(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)合本次觀測期內(nèi)各階段氣溫變化的不同特點，劃分為積雪期、融雪波動期、融雪穩(wěn)定期，具體劃分結(jié)果如表1所示。試驗重點觀測外界環(huán)境氣象要素(如空氣溫度、相對濕度、太陽輻射等)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)見表2?？紤]氣象條件的日變化特征，積雪要素觀測時間依次分別選擇在北京時間09∶00、12∶00、17∶00、20∶00共4個時間點進行。

表1 試驗觀測積融雪階段劃分

表2 試驗觀測樣地觀測項目與儀器類型

2.3 試驗數(shù)據(jù)獲取方法

利用架設(shè)的Onset HOBO微型自動氣象站同步觀測收集試驗區(qū)地表以上1.5 m處常規(guī)氣象要素信息，數(shù)據(jù)記錄器時間間隔設(shè)置為15 min；利用TP3001便攜式溫度計同步測量積雪分層溫度，測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)。每層水平測量3～5個樣點，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雪特性分析儀進行觀測，測量時，將SnowFork叉形探頭插入積雪層，于雪蓋處切出垂直剖面，每層水平測量3～5個樣點，取其平均值作為該層的積雪密度值與積雪含水率值；測量積雪深度指標(biāo)時，每塊樣地內(nèi)設(shè)置6個均勻分布的積雪深度固定觀測點，并利用PVC標(biāo)桿作為標(biāo)記，積雪深度每日觀測4～6次，用鐵質(zhì)直尺垂直插入觀測點重復(fù)3次進行積雪深度測量，忽略微地形、地面異物和地表冰凍層對雪深測量的影響，取3次測量的平均值作為最終測量值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同遮蔽條件下分層積雪深度變化

對本次試驗觀測周期內(nèi)積雪穩(wěn)定期與融雪期各取一次典型降雪過程(積雪穩(wěn)定期降雪時間自2018年1月1日約08∶00時至次日約07∶00停止，融雪期降雪時間自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，林冠下與開闊地積雪剖面深度分別達到23.5和27.0 cm。取1周連續(xù)性觀測時段，隨時間變化及降雪停止后氣溫逐步下降，該時段內(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，林冠下沉降速率(0.43 cm/d)明顯小于開闊地(0.71 cm/d)，林冠下深度占比由17.02%大幅降至4.88%，開闊地深度占比由22.22%大幅降至4.54%，林冠下新雪層降幅明顯小于開闊地；

(2)除新雪層外，兩種遮蔽條件下(林冠下與開闊地)其余各層積雪深度基本保持不變，細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，主要歸結(jié)為低地草甸微地形條件和測量誤差的影響。以上研究結(jié)果與陸恒等[27]和高培等[28]的觀測分析結(jié)果基本一致。

圖1 2018年1次降雪過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，林冠下與開闊地積雪剖面深度分別達到22和25 cm，隨時間變化及降雪停止后氣溫逐步上升，該時段內(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闊地；(2)細粒雪層也具有明顯沉降趨勢，平均占比由9.10%降至0，由于該時段內(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，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，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)(見圖2)。積雪穩(wěn)定期內(nèi)的林冠下與開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。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稱均勻速率變化趨勢，即雪層積雪密度自新雪層至中粒雪層呈勻速上升趨勢，中粒雪層至深霜層呈勻速下降趨勢；(2)開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。各層積雪密度分布特征表現(xiàn)為開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闊地，因此林冠下積雪密度明顯小于開闊地，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)開闊地與林冠下全層積雪密度隨融雪期氣溫波動上升呈增加趨勢，平均值分別為0.2677和0.2712 g/cm3；(2)林冠下與開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)與細粒雪層(0.3224 g/cm3；開闊地)達峰值。究其原因可能為，融雪期積雪密度變化過程中，融雪水起主導(dǎo)作用，同時與雪層內(nèi)對流、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闊地，同時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，使融雪期開闊地與林冠下中部積雪密度達峰值。

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直接支配積雪層內(nèi)物質(zhì)與能量遷移[33]。由于試驗觀測期內(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)，同時伴隨氣溫大幅波動上升與下降，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見圖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，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，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，開闊地外部環(huán)境狀況通過雪-氣界面使新雪層獲得更多的太陽輻射，使雪層內(nèi)溫度升高，進而融水下滲，同時積雪期經(jīng)過長時間的積雪壓實變質(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闊地更為穩(wěn)定，其太陽輻射量及大氣溫度均小于開闊地，進而致使林冠下新雪層融化量及雪深均小于開闊地，同時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)含水率在此層達峰值。林冠下深霜層含水率略大于開闊地，這可能是由于林冠下表層土溫略大于開闊地所致。

圖2 2018年1次降雪過程后不同遮蔽條件下分層積雪密度變化

融雪期林冠下與開闊地雪層含水率垂直廓線變化趨勢基本一致，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(見圖3(c)、3(d))。該時段內(nèi)分層積雪含水率變化特征為：(1)林冠下與開闊地全層液態(tài)含水率隨氣溫逐步上升均呈增加趨勢，平均值分別為1.097%和1.157%；(2)林冠下與開闊地雪層液態(tài)含水率峰值均集中在細粒雪層，分別為1.415%和2.110%。此時積雪屬于潮雪[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形成硬度較大的冰殼層[36-37]，大致位于雪層剖面細粒雪層處，在一定程度上阻擋了上部融雪水下滲，同時也阻擋了熱量及其他物質(zhì)向下部傳輸[28]，因此在細粒雪層處含水率達到峰值。

圖3 一次降雪過程后分層積雪含水率變化

4 討 論

根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計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化過程逐漸加強[27]，但由于積雪穩(wěn)定期氣溫整體較低，且太陽輻射較弱，積雪主要依靠自身重力發(fā)生密實化作用，該時期積雪密實化作用是一種緩慢的過程[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)雪面接收太陽輻射量較多，同時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，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作用下致使雪層內(nèi)變質(zhì)與再結(jié)晶作用加劇[39]，進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。

在野外觀測試驗數(shù)據(jù)獲取過程中發(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，國際冰雪分類委員會按照液態(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，可能原因為融雪期溫度逐漸升高，土壤熱傳導(dǎo)作用加劇致使積雪底部受熱進而使液態(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，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(開闊地)與中粒雪層(林冠下)達到峰值；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。