西天山風對雪面升華量影響的實驗研究——以中國科學院天山積雪雪崩研究站為例

林楚娟，熊良時

(1.重慶市環(huán)境保護工程設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518055;2.深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引言

中國西部高山帶廣泛分布的現(xiàn)代冰川，而冰川以下地區(qū)在冬季會積累大量季節(jié)性積雪。季節(jié)性積雪是普通降水的延遲，其融雪徑流是干旱內(nèi)陸河流域十分寶貴的淡水資源，在不同時間尺度上的變化對該地區(qū)河川徑流的影響非常顯著［1］。對于積雪的物質(zhì)循環(huán)主要基于融雪水的估算和模擬［2］，而針對風對積雪的升華損耗鮮有研究。風速是影響雪面能量交換的重要參數(shù)，感熱和潛熱的收支狀況都與風速大小有直接的關(guān)系。風速過大時造成風吹雪的發(fā)生，使得雪物質(zhì)向地勢低洼處搬運［3，4］。風吹過雪面時，風速隨之降低，損耗的部分動能轉(zhuǎn)化為熱能輸入雪層，加速雪面升華，積雪以水汽升華的相變形式而釋放能量［5］。

西天山地區(qū)是我國西北干旱區(qū)多降水中心之一，積雪和冰川分布廣泛。對于融雪期能量輸入輸出對積雪消融量估算研究頗多［6］。本文以地處西天山的天山積雪雪崩研究站為研究區(qū)，通過對雪面進行不同持續(xù)時間的吹風實驗，從升華潛熱的角度估算雪面升華量，將估算的升華量與實測量進行對比，探討估算值與實際值誤差產(chǎn)生的原因。

2 雪面水汽升華潛熱估算方法

風吹雪面，雪面獲得能量而升華，是一個由固相向氣相轉(zhuǎn)化的相變過程。雪面向大氣中輸送水汽而發(fā)生潛熱交換，其水汽升華量△m取決于潛熱變化量，其估算方法如下［7］:

式中:QE為潛熱(kJ)，其估算方法如式(2)所示，hv為升華潛熱(2.834kJ/g)，△m雪面的水汽升華量(g)。

式中:λv為蒸發(fā)潛熱(2.5 ×103kJ/kg)，ρs為雪表面水汽密度(kg/m3)，視為飽和水汽密度，ρa為大氣中水汽密度(kg/m3)，rv為水汽熱交換阻抗(day/m)，本論文假定rv的估算方法如下［7］:

式中:zu為風速測量高度(2m)，zm為動力粗糙度參量(0.001m)，zT為氣溫測量高度(1m)，d為零水平面的替代高度(0m)，zh為熱蒸發(fā)粗糙度參量(0.0002m)，k為 karman 常數(shù)(0.41)，u 為風速(m/s)。

利用水汽壓和理想氣體狀態(tài)方程計算水汽密度，本論文采用冰面飽和水汽壓替代雪面飽和水汽壓，冰面飽和水汽壓的估算最常用的是馬格努爾(Magnus)經(jīng)驗公式:

E0=6.11hPa(t=0℃時，純水平面上的飽和水汽壓);t為氣溫(℃)。

3 實驗方法

選擇中國科學院天山積雪雪崩研究站(以下稱積雪站)為研究區(qū)域，位于新疆伊犁地區(qū)新源縣鞏乃斯鄉(xiāng)境內(nèi)，積雪觀測場海拔1776m，是新疆乃至整個中國西北干旱區(qū)的最大降水中心之一，冬季積雪深厚，有數(shù)十年的積雪研究歷史和資料，是理想的研究試驗區(qū)。1968～2009年，平均年降水量836.3mm，冬半年降水量約250mm，平均最大積雪深度87.2cm，而融雪集中于3月，積雪日數(shù)長的年份里融雪期能延長至4月中旬。

本實驗于2010年1月在積雪站進行，此時為研究區(qū)的積雪期。以風速為6.4m/s的鼓風機作為人工控制風源，在積雪尚未開始時將6個孔徑為0.1 mm雪篩放置于實驗區(qū)，雪篩的直徑為20 cm，降雪自然積于雪篩中，保持積雪的自然特性。每天實驗時間為12:00～20:00，雪篩架設(shè)于鼓風機上方，對雪進行不同持續(xù)時間的吹風實驗，記錄風吹前后積雪的質(zhì)量變化。對積雪分別吹風5 min(重復(fù)實驗25次，平均氣溫為 －8.9℃)、10 min(15 次，平均氣溫為 －8.2℃)、15 min(15 次，平均氣溫為 －7.8℃)、20 min(5次，平均氣溫為 －6.8℃)、30 min(5 次，平均氣溫為 －7.9℃)和 60 min(5次，平均氣溫為 －9.6℃)。

4 結(jié)果與討論

4.1 潛熱的變化特征

潛熱交換發(fā)生于雪面和大氣之間，水汽密度差與風的作用使得雪面和水汽之間發(fā)生湍流交換。實驗期間，利用實測氣象數(shù)據(jù)估算潛熱變化如圖1所示，隨著吹風時間的增加，潛熱值也在不斷上升，平均增長率為0.506 kJ/min。潛熱交換不僅取決于吹風時間和風速，而且受水汽密度梯度影響，吹風30 min的實驗中，潛熱值在降低，因為實驗中氣溫在不斷下降，而60 min實驗時潛熱值卻在不斷上升，而此實驗過程中氣溫在不斷上升。氣溫的變化，造成水汽密度梯度的變化，所以估算的潛熱也在不斷變化之中。

圖1 風吹雪面不同時間的潛熱變化

4.2 水汽升華量的估計值與實測值對比分析

采用了兩個常用的精度分析指標來評價模擬結(jié)果，無量綱的擬合優(yōu)度系數(shù)Nash－Sutcliffe系數(shù)(R2)和質(zhì)量差(Dm［%］):

式中:Δm為實測雪面升華量(g)，Δm'為相對應(yīng)的估算所得雪面升華量(g)。

由式(1)估算的水汽升華量與實測值對比如圖2。水汽升華量(Δm')的估算僅在變化趨勢相對實際值(Δm)得到了較好的把握(R2=0.949)，而對于水汽升華量的總量估算卻偏差較大，估計值總是低于實際值(Dm=27.1%)。

圖2 水汽損耗的估計值與實際值對比

誤差產(chǎn)生的原因有兩點:一是水汽密度的估算采用了克拉伯龍方程，此方法將水汽假設(shè)為單一的理想氣體，而且雪面水汽視為飽和水汽壓，理想狀態(tài)下的假設(shè)，使得水汽密度梯度的估算產(chǎn)生誤差;二是升華潛熱hv=2834J/g，此參數(shù)為常量，文獻能量平衡融雪模型(UEB)中所公布參數(shù)來源于其他地區(qū)的研究結(jié)果［7］，所以在本研究區(qū)進行試用時，需要對參數(shù)hv進行校準。對于天山區(qū)風吹干寒型積雪的升華熱研究，需要針對性較強的干寒型積雪升華熱研究實驗，有待后續(xù)更多的努力。

5 結(jié)語

通過實驗，實測雪面水汽升華量，估算了潛熱的變化狀況，并利用潛熱估算雪面升華量(Δm')與實際值(Δm)進行比較，主要結(jié)論為:風過雪面，隨著風吹時間的增加，潛熱值也在不斷上升，但增長率較為穩(wěn)定，平均增長率為0.506kJ/min。估算雪面升華量偏低于實際值(Dm=27.1%)，而對于升華量的變化趨勢卻得到了較好的把握(R2=0.949)。對于常量升華潛熱hv的應(yīng)用需要進一步校準和針對干寒型積雪的實驗研究，估算出可適用于天山區(qū)干寒型積雪特性的升華熱。

［1］Jansson P，Hock R，Schneider T.The concept of glacier storage:a review［J］.Journal of Hydrology，2003(282):116 ～129.

［2］莊毅璇.能量平衡融雪模型在西天山的應(yīng)用試驗［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，31(5):721～728.

［3］王中隆.中國風雪流及其防治研究［M］.蘭州:蘭州大學出版社，2001.

［4］湯 英.古爾班通古特沙漠融雪水文過程試驗與模擬［D］.石河子:石河子大學，2008.

［5］Adam Winstral.Simulating wind fields and snow redistribution using terrain－based parameters to model snow accumulation and melt over a semi－ arid mountain catchment［J］.Hydrol Process，2002(16):3585～3603.

［6］趙求東，劉志輝.融雪模型研究進展［J］.新疆農(nóng)業(yè)科學，2007，44(6):734～739.

［7］Quick M C，Pipes B C.Watershed Model［M］.Hydrological Sciences Bulletin，1977.