《CATENA》：Energy balance effects of extreme snow events on shallow frozen and thawed surfaces in highland pastoral areas
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能量平衡研究在青藏高原 Namtso 湖通过气象站监测极端降雪事件下的土壤冻融过程，开发新算法量化能量通量，揭示积雪深度对能量闭合率（CR）的非线性影响，CR 在积雪期随深度先降后升，融化期持续下降，为雪-冻土相互作用研究提供数据支撑。
郑虎格|洪超顿|雷扎阿里·帕克扎德|李光|黄宁
中国教育部西部灾害与环境力学重点实验室，甘肃省兰州市730000
摘要
能量平衡是验证陆气相互作用模型的关键指标。极端降雪事件会深刻改变积雪动态，并在冻融循环期间扰乱浅层土壤的能量分配，但目前对这些现象的认知仍然不足。我们在纳木错湖附近的高山草原建立了气象站，监测空气和土壤参数（温度、湿度）、辐射通量以及积雪深度，以量化极端条件下的能量预算变化。该研究成功捕捉到了罕见的极端降雪事件及其伴随的地表冻融过程，提供了重要的观测数据。随后我们开发了新的计算方法来量化各个能量通量，从而能够对这个复杂环境中的能量平衡进行严格评估。极端降雪在土壤冻融循环中对能量分配起主导作用，尽管随着积雪深度的增加，其对能量闭合率的影响逐渐减弱，但仍能显著改变地表能量通量。我们的研究发现：（1）各个能量通量保持昼夜周期性，与积雪覆盖情况无关；（2）降雪阶段的能量闭合程度高于融雪阶段；（3）降雪期间的能量闭合比（CR）与积雪深度呈凹形关系（最初下降后上升），而融雪期间的CR则呈单调下降趋势。这项研究加深了我们对中纬度高海拔地区雪-永久冻土相互作用的理解，为分析极端降雪事件提供了机制框架。
引言
青藏高原被誉为世界上海拔最高的高原，常被称为“第三极”（邱，2008年）。该地区广泛分布着永久冻土和积雪覆盖区域（邹等，2017年；吴等，2018年）。位于青藏高原中部的纳木错盆地拥有高原上最大的内流湖——纳木错湖，其显著的湖泊效应驱动着中尺度环流模式，形成了独特的雪水文特征（Kropacek等，2010年；Haginoya等，2009年；You等，2007年）。在该地区，积雪覆盖率在积雪季节可达到20%至80%，远高于其他盆地地区。这一影响还体现在纳木错站记录的平均积雪深度和雪水当量显著高于周边地区（Wan等，2013年）。
高原苔原活跃层的冻融循环过程已成为环境科学研究的重点，因为它对水供应、能量交换以及大气边界层内的气候-冰冻圈相互作用具有重要影响（郭等，2011年；顾等，2015年；程等，2013年）。土壤冻融过程涉及土壤冰和水之间的频繁相变，导致潜热的吸收和释放。这些热条件的波动以及相应的冻融循环改变了地表土壤与大气之间的能量和水分交换（郭等，2011a；杨等，2007年）。冻融循环通过改变显热通量、潜热通量、辐射通量以及地表与大气之间的能量和动量传输，对气候变化产生深远影响。这些变化主要通过地表蒸发、蒸散作用、土壤渗透、径流和植被状况的变化来实现（陈等，2014年；郭等，2011b；姚等，2011年；马等，2013年）。天气和气候直接受到地球表面能量分布和转化的影响，气候变异性在很大程度上由这些过程决定（Bonan，1998年）。青藏高原不仅存在活跃的浅层土壤冻融循环，还伴有反复的积雪-消融过程，包括极端降雪事件。融雪是地表水分径流的重要来源，显著改变了土壤水分分布和地下水的连通性（崔等，2014年；李等，2018a）。降雪后的积雪通过其高反照率和隔热效应改变了冻融过程、地表能量平衡和热条件（何等，2015年）。积雪对区域气候的影响引起了广泛关注（丁等，2009年；傅等，2020年；李等，2018b；张等，2004年）。青藏高原上的积雪和永久冻土是夏季降水量和东亚雨季时间演变的关键调节因素（李等，2021年；林等，2021年）。目前关于土壤冻融过程与积雪覆盖之间相互作用的模拟研究还较为有限（姜等，2020年）。近期研究强调了积雪在永久冻土动态中的关键作用（王等，2021a；赵等，2020年）。不同冻融阶段下，极端降雪事件对土壤温度的影响既有增强也有减弱作用。其对浅层土壤温度和冻融速率的影响更为显著（王等，2021b）。积雪覆盖对浅层土壤温度有显著影响，而对深层土壤的影响较小，从而显著影响了浅层土壤冻融循环的进程。最近的一项研究考察了积雪对高山草甸不同时间尺度上地表水和热量传递的影响。观测发现，积雪减少阶段延长了每日冻融循环，加剧了土壤水分蒸发和相关的水文损失；相反，降雪丰富的阶段缩短了冻融周期，促进了更多融雪渗透到深层土壤中，导致显热通量与潜热通量之间的显著差异（李等，2021a）。值得注意的是，青藏高原上的积雪-永久冻土相互作用已成为研究重点，尤其是考虑到极端降雪事件频率的增加，这些事件导致雪水文状况的快速变化（刘等，2021a，刘等，2021b；沈等，2021年）。
在这项研究中，我们建立了一个气象观测站，记录了一次持续三个月的极端降雪事件，期间积雪深度接近60厘米。这一独特事件使我们能够系统地研究青藏高原上积雪-永久冻土相互作用在较长时间尺度上的变化。利用观测站获得的数据，我们分析了积雪对土壤冻融过程及相关水热传递机制的影响。此外，我们还量化了不同积雪深度和不同土壤冻融阶段下的能量预算分配。这些发现有助于我们更好地理解极端降雪事件如何影响高原上的地表过程。
研究区域
研究区域位于纳木错湖南岸，海拔4718米（图1），地处青藏高原中部（北纬30°44′，东经91°2′）。平均空气密度为0.73千克/立方米，气压为571.2毫巴。最高记录温度为17摄氏度，最低温度降至约-28摄氏度。纳木错湖地区属于亚寒冷、季节性风湿气候区。
冻融阶段与降雪后阶段的分界
我们从2021年6月21日至2022年4月15日期间获取了纳木错湖气象站的气象数据，涵盖了完整的冻融循环过程和观测期间的极端降雪事件。如图2所示，我们使用了每30分钟采样一次的空气温度、5厘米深度的土壤温度和风速数据。根据第2.2.1节中的土壤冻融分类标准，我们对数据进行了划分。
不同阶段的能量闭合比（CR）
我们通过计算能量闭合率来比较八个阶段的能量平衡。图6显示，实线的斜率代表实际能量闭合率，该值通过主要数学函数拟合，拟合度超过90%。虚线代表理想情况，即CR等于1。这种比较突出了实际能量闭合率与理想情况之间的差异，有助于分析能量不平衡的原因。
结论
本文通过在高原牧区及频繁降雪的季节性永久冻土区进行的实地观测，研究了雪-永久冻土相互作用下的能量闭合问题。观测期间发生了罕见的极端降雪事件，得出了以下关于这些事件如何影响青藏高原浅层不同冻融阶段地表能量平衡的关键结论：
(1)极端降雪前后
作者贡献声明
郑虎格：撰写初稿、数据整理、方法论设计。洪超顿：监督、撰写与编辑、项目管理工作。雷扎阿里·帕克扎德：数据整理、撰写与编辑。李光：撰写与编辑。黄宁：撰写与编辑、项目管理工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42376245）、国家自然科学基金青年科学基金（项目编号：42106218）、第二次青藏高原科学考察与研究计划（项目编号：2019QZKK020109）以及甘肃省重点研发计划（项目编号：22YF7FA019）的支持。
