冰雪表面能量平衡模型研究進展

冰雪表面能量平衡模型研究進展

1日氣候因子模型這是干旱地區(qū)寶貴的淡水資源。它不僅是穩(wěn)定區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎，也是生態(tài)和環(huán)境的必要組成部分。由于不同時期的變化，用冰雪貸款補充的河水水量將不可避免地導致頻繁的變化。根據(jù)中國目前完成的《中國四川牧場》和根據(jù)新修訂的《四川流域》的數(shù)據(jù)，對四川流域的補充效應進行了計算。據(jù)不清楚的是，在中國西部的河流流域中，四川、甘肅和甘肅的流域比例為25.4%。結(jié)果表明，干旱地區(qū)水資源的形成和變化之間的聯(lián)系、冰川和雪冷的結(jié)合水在干旱中的作用和地位十分顯著。因此，冷杉和雪碎研究已成為國內(nèi)外科學家的研究重點之一。近10a來,冰川與積雪消融研究的方法從基于能量平衡的模型到基于單一或多個氣候因子的統(tǒng)計方法都有了較大發(fā)展.雖然冰川與積雪消融過程取決于其表面的能量收支狀況,但對于能量平衡模型來說,該方法涉及的模型參數(shù)較多,計算過程較為復雜,受觀測基礎限制,應用受到一定的限制,尤其在偏遠的高海拔山區(qū).因此,基于單一氣候因子的度日模型在冰川與積雪研究中應用較為廣泛.度日模型是基于冰雪消融與氣溫之間的線性關系建立的,這一概念是Finsterwalderetal.在阿爾卑斯山冰川變化研究中首次引入了的,隨后,廣泛應用于北歐、格陵蘭、阿爾卑斯山、青藏高原等地區(qū)的冰雪消融研究中[15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28].對于度日模型來說,其優(yōu)點在于:1)氣溫是模型輸入的主要數(shù)據(jù)要素,相對于其它觀測要素,氣溫是較為容易獲取的;2)氣溫的空間插值相對較為容易;3)模型計算相對簡單.基于以上特點,度日模型已廣泛應用于冰川物質(zhì)平衡、冰川對氣候敏感性響應、冰雪融水徑流模擬及冰川動力模型等的研究中[7,8,9,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28].這一模型雖然不能描述冰川與積雪消融的物理過程,但可以獲取類似于能量平衡模型的輸出結(jié)果.然而,該模型也有兩個不足之處:1)雖然模型在較長時間段內(nèi)能夠取得較為理想的模擬結(jié)果,但其精度隨著時間分辨率的提高而逐漸降低;2)受地形及冰川與積雪表面條件的影響,模型對冰雪表面消融狀況的空間變化特征無法精確描述.因此,度日模型還需進一步的改進與完善.本研究旨在介紹度日模型在國內(nèi)外冰川與積雪研究中的應用進展,為中國西部冰川與積雪消融研究提供一定的理論方法.2大氣長波輻射與氣候變化的關系對于大多數(shù)冰川來說,凈輻射(包括大氣長波輻射和短波輻射)和感熱通量是冰雪消融的主要能量來源,其中,大氣長波輻射和感熱通量占了冰川消融總能量的3/4左右,而短波輻射占了1/4左右.冰川表面吸收的大氣輻射主要來自于近地面大氣層,研究表明:在晴朗無云的條件下,冰川消融第一能量來源\_\_大氣長波輻射的60%和90%分別來源于地表以上100m和1km高度的大氣層;在有云的天氣條件下,70%的大氣長波輻射來源于地表以上1km高度的大氣層.在這一高度層內(nèi),氣溫是大氣長波輻射的主要影響因素.同樣,氣溫與作為冰川消融第二能量來源的短波輻射也有較好地相關關系.對于感熱通量來說,在冰川積累區(qū)由于溫度較低,感熱通量對冰川消融的影響較小;而在氣溫較高的消融區(qū),感熱通量對冰川消融的影響十分顯著,也就是說氣溫的高低決定了感熱通量對冰川消融影響的顯著與否.基于以上分析,氣溫可以作為衡量冰雪表面能量綜合狀況的理想指標.在冰川上,凈輻射(包括大氣長波輻射和短波輻射)和感熱通量受氣溫的影響顯著,導致氣溫與消融之間的關系較為密切.Krenkeetal.分析了前蘇聯(lián)、斯堪的納維亞和阿爾卑斯山地區(qū)冰川消融與長、短期平均氣溫尤其是正積溫之間的關系,并提出了較為實用的經(jīng)驗方程.Braithwaiteetal.發(fā)現(xiàn)格陵蘭地區(qū)的冰川年消融量與年正積溫的相關系數(shù)達到了0.96.張勇等在研究天山科其卡爾巴契冰川夏季冰川消融特征時發(fā)現(xiàn),冰川消融與正積溫的相關系數(shù)達到了0.7.度日模型正是基于冰雪消融與氣溫尤其是冰雪表面的正積溫之間的密切關系這一物理基礎建立的[18,19,20,21,22,23,24,25,33,34,35,36,37],雖然該模型是冰川與積雪表面消融能量平衡這一復雜過程的簡化描述,但在流域尺度上可以給出類似于能量平衡模型的理想輸出結(jié)果.3模型建立與檢驗眾多研究中[23,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40],度日模型的形式一般為:式中:Tt為某天(t)的日平均氣溫(℃);Ht為邏輯變量,當Tt≥0℃時,Ht=1.0;當Tt≤0℃時,Ht=0.0.此外,在一些研究中,正積溫計算也可假定氣溫呈正態(tài)分布來實現(xiàn),若日或月平均氣溫以氣溫的諧波變化來表示(Td),則Td(t)=Ta+T1cos(2πtA)+T2sin(2πtA)(3)Τd(t)=Τa+Τ1cos(2πtA)+Τ2sin(2πtA)(3)式中:A為一年的總天數(shù);Ta為年平均氣溫(℃);T1和T2為回歸參數(shù).對于正態(tài)分布的氣溫,其正積溫由下式計算:PDD=∫A2A1?11δ2π??√∫∞0eTd(t)?Tm)2δ2dTdt(4)ΡDD=∫A1-1A21δ2π∫0∞eΤd(t)-Τm)2δ2dΤdt(4)式中:δ為氣溫分布標準差;Tm為月平均氣溫(℃);A1和A2分別是計算時的起止天數(shù),時段長度為A=A2-A1+1.隨著度日模型的發(fā)展,為了提高模型的模擬精度,在許多研究中,度日因子不再是常數(shù).Arendtetal.在研究北極地區(qū)冰川消融的過程中,度日因子的變化取決于冰面反射率的變化,研究結(jié)果表明,與把度日因子看作常數(shù)相比,模型模擬效果有了顯著提高.另一方面,部分研究者在建立冰雪消融與氣溫之間關系的同時,試圖在模型中融入其它變量,如風速、水汽壓、太陽輻射[38,45,46,47,48,49,50].Lang運用多元回歸方法分析發(fā)現(xiàn),度日模型在融入了太陽輻射和水汽壓兩個變量之后,融水徑流的模擬精度有較大提高.同樣基于統(tǒng)計分析的方法,Zuzeletal.在計算積雪消融中發(fā)現(xiàn),融入凈輻射、水汽壓和風速變量之后,模型模擬效果比僅有氣溫這一變量時有顯著提高.不同研究中,融入輻射變量后的度日模型一般形式為:式中:α為系數(shù);R為太陽短波輻射或凈輻射.此外,由于坡度、坡向、遮蔽等地形條件的影響,冰雪消融速率在空間上存在較大地差異.然而,這些因素的影響在公式(1)和(5)中是無法描述的,其原因在于度日因子通常假定在空間上是沒有變化的.為了消除這些因素的影響,國外一些學者試圖建立空間分布式度日模型模擬冰雪的消融狀況,例如,Cazorzietal.和Hock運用分布式度日模型模擬了不同研究區(qū)內(nèi)每一個格網(wǎng)的消融狀況,其格網(wǎng)分辨率分別為20m×20m和30m×30m,獲得了較為理想的模擬結(jié)果.4日度工學模型“度日因子”這一概念最早應用于19世紀末歐洲阿爾卑斯山冰川變化的研究中,在隨后的一個世紀中,度日模型有了長足的發(fā)展.現(xiàn)在,度日模型已廣泛應用于北歐、阿爾卑斯山、格陵蘭冰蓋、青藏高原等地區(qū)的冰川物質(zhì)平衡、冰川對氣候敏感性響應、冰雪融水徑流模擬以及冰川動力模型等的研究中.4.1冰的物質(zhì)平衡估算與恢復的方法冰川是氣候的產(chǎn)物,冰川波動是氣候變化直接影響的結(jié)果,氣候變化引起冰川波動的作用方式表現(xiàn)為冰川物質(zhì)平衡和冰川內(nèi)部熱狀況的變化.冰川內(nèi)部熱狀況及其流動特性是長期氣候變化的累加作用結(jié)果;相對而言,冰川表面物質(zhì)平衡對氣候變化的響應卻要直接的多,即冰川物質(zhì)平衡對氣候的微小變化都有及時的響應.因此,物質(zhì)平衡的估算和恢復受到眾多學者的關注[19,20,21,22,23,24,25,26,40,57,58,59,60].冰川物質(zhì)平衡估算與恢復的方法歸結(jié)起來,除實測外,其方法不外乎有以下幾種途徑:能量平衡模型、P-T模型、物質(zhì)平衡與有關參數(shù)的關聯(lián)分析、度日模型等.4.2冰面反射率模型在眾多的冰雪融水徑流模型中,度日模型是模擬冰川與積雪融水徑流的有效方法之一,尤其在資料缺乏的偏遠山區(qū).研究表明,度日模型在流域尺度上能夠模擬出與能量平衡模型所得到的類似結(jié)果.Annette運用度日模型模擬瑞典和愛沙尼亞3個不同流域積雪徑流的研究中發(fā)現(xiàn),模擬徑流與實測徑流的一致性較好,相關系數(shù)達到了0.8以上.張勇運用度日模型模擬了中國西南天山科其卡爾巴契冰川夏季冰川融水徑流,模擬結(jié)果較為理想,模擬效率系數(shù)NSE達到了0.8(圖2).此外,對于UBC-model、HBV-model、SRM-model、HYMET-model、SHE-model等徑流模型來說,這些模型的模擬精度在一定程度上取決于度日模型對冰川與積雪消融過程的模擬.這些模型在模擬冰川與積雪融水徑流的過程中使用的度日因子是變化的,而不是常數(shù).例如,在UBC-model中,度日因子是逐月變化的,而在IACRES徑流模型中,度日因子的變化則取決于冰面反射率的變化.4.3表吾/雪/雪傳統(tǒng)驅(qū)動冰動力模型度日模型除了應用在以上兩個方面研究中外,在冰川動力模型中也有應用.由于度日模型是估算或恢復冰川物質(zhì)平衡序列最簡單常用的方法,因此,通常運用該模型估算或恢復冰川的物質(zhì)平衡序列以驅(qū)動冰川動力模型,如Oerlemansetal..此外,Singhetal.討論了喜馬拉雅山區(qū)Dokriani冰川表磧對雪/冰川冰度日因子的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于表磧的存在,冰川冰與雪的度日因子分別增加了9%和12%;冰川冰比雪的度日因子在數(shù)值上大了30%左右.5冰流速及積水數(shù)量模型隨著度日模型在歐洲溫性冰川及格陵蘭冰蓋等地區(qū)冰川上的廣泛應用,20世紀80年代以來,中國的一些學者也開始把度日模型應用在中國西部冰川與積雪的研究中.劉時銀等運用度日模型恢復了天山烏魯木齊河源1號冰川數(shù)十年來的物質(zhì)平衡變化序列,給出了比較理想的結(jié)果(圖1);同時發(fā)現(xiàn),位于大陸性氣候區(qū)且具有暖季補給特征的烏魯木齊河源1號冰川物質(zhì)平衡對氣候變化的敏感性要小于海洋性冰川,溫度升高1℃或增加20%的降水可引起平衡線上升81m或下降31m.在中國西部冰川與積雪研究中,度日模型僅在天山烏魯木齊河源1號冰川及祁連山冰川上有所應用,而中國是世界上冰川分布最廣泛、與人類生活關系最密切的國家之一.據(jù)已完成的中國冰川目錄統(tǒng)計,中國有冰川46377條,總面積達59425km2,冰儲量為5600km3,年平均冰川融水量可達604.7×108m3,是中國西部特別是西北內(nèi)陸干旱區(qū)十分寶貴的水資源.同樣,積雪,尤其是季節(jié)積雪也是西北干旱區(qū)地表水資源的一個重要組成部分,其主要分布在青藏高原地區(qū)、東北和內(nèi)蒙古地區(qū)以及北疆和天山地區(qū).在這3大穩(wěn)定積雪區(qū),春季融雪徑流量占河川年徑流總量的15%~50%以上.然而,中國有長期觀測的冰川數(shù)量較少,除烏魯木齊河源1號冰川外,其它冰川監(jiān)測多不超過10a,且冰川規(guī)模普遍較小.對于融雪徑流的研究更是沒有形成一個較為理想和完善的融雪徑流預報模型,仍滯后于國外以及中國西部社會經(jīng)濟發(fā)展的需求.因此,根據(jù)現(xiàn)有的觀測和研究基礎,無法定量分析中國西部冰雪融水變化對西部干旱區(qū)水資源未來發(fā)展趨勢影響的程度.基于度日模型在國內(nèi)外冰川與積雪消融研究中獲取的成果[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,66,67,68,69,70,71,72,73,74],以中國西部不同山區(qū)過去短期考察的各類觀測資料為基礎,輔之各類氣象數(shù)據(jù),獲取已考察冰川的度日因子,通過參數(shù)優(yōu)化,建立流域尺度格網(wǎng)化的度日模型.在此基礎上,綜合分析不同區(qū)域雨、雪比例規(guī)律,通過空間插值的方法獲取冰川區(qū)積累量,結(jié)合度日模型,輔之長序列的氣象資料或冰芯記錄、樹木年輪等代用指標,重建不同區(qū)域冰川歷史物質(zhì)平衡變化序列.同時,建立冰川動力模型,以重建的冰川物質(zhì)平衡變化序列為驅(qū)動,以已知冰川規(guī)模變化數(shù)據(jù)為控制因子,數(shù)值模擬冰川對氣候變化的響應規(guī)律.以此為基礎,研究不同地區(qū)、不同規(guī)模冰川對氣候變化的響應特征及區(qū)域差異,并結(jié)合GCM給出的未來可能的氣候變化情景,預測中國西部冰川與積雪變化對西部干旱區(qū)水資源的影響,為西部可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù).6建立冰雪消融與環(huán)境相互作用的日變化模型度日模型是基于冰雪消融與氣溫之間,尤其是冰雪表面正積溫之間的線性關系這一物理基礎建立的,現(xiàn)已廣泛應用于國內(nèi)外冰雪的研究中,且在未來的幾十年中,度日模型在冰川與積雪消