基于D20蒸发皿的祁连山冰面升华参数化方案：一种简单高效的估算方法及其多方法性能比较

《Cold Regions Science and Technology》：A parameterization for estimating ice sublimation in the Qilian mountains

为解决传统方法（如涡动协方差、体积空气动力学法）在估算冰雪升华量时存在不确定性高、依赖复杂参数或成本昂贵等问题，本研究在祁连山葫芦沟小流域，基于D20蒸发皿升华量（Spanmax）、相对湿度（RH）和风速（U）建立了新的经验公式（EMnew）来估算冰面日升华量（Sice）。研究发现，与重力法、体积空气动力学法、Penman-Monteith方程等五种方法相比，EMnew具有最高的相关系数（CC=0.84）和Kling-Gupta效率系数（KGE=0.76），以及最小的偏差和平均绝对误差。该公式参数易于获取，为祁连山地区的水分平衡和气候变化研究提供了一种可靠且简便的工具。

　　

在全球气候变暖的大背景下，高山寒区的冰雪水文过程正经历深刻变化。冰雪升华（Sublimation）——即水分子从固态冰/雪直接转变为气态水蒸气的过程——是地表与大气间能量和水汽交换的关键一环。尤其在干旱半干旱区，如我国西北的祁连山，作为黑河、疏勒河等内陆河流的重要水源地，精准量化冰雪升华对于理解区域水循环、评估水资源以及应对气候变化至关重要。然而，这却是一项颇具挑战的任务。传统的升华估算方法各有各的“烦恼”：重力法（如D20蒸发皿）设备简单但易受物理隔离影响，测量值常与实际值偏差较大；涡动协方差法（Eddy Covariance）虽被认为最准确，但仪器昂贵、娇贵，难以大规模部署；而基于气象数据的空气动力学方法（Bulk Aerodynamic）则严重依赖难以精确获取的空气动力学粗糙度等参数。面对这些局限，研究人员不禁思考：能否找到一种既简单可靠，又适用于祁连山地区特定环境的升华估算方案？

为了回答这个问题，中国科学院西北生态环境资源研究院的马凯锋、刘俊峰、韩春坛和陈仁升等研究人员，在祁连山葫芦沟小流域（平均海拔3040米）展开了一项深入研究。他们在2023年12月21日至2024年3月1日的观测期内，综合运用了自动摄影测量系统、自动气象站（AWS）和D20蒸发皿等多种观测手段。研究核心在于建立一个仅需少量易得参数的新经验公式，并与现有主流方法进行系统性的性能比较。这项研究成果最终发表在《Cold Regions Science and Technology》期刊上。

为开展研究，作者团队运用了几项关键技术方法。首先，采用自动摄影测量法监测天然冰面的高程变化，以此作为计算真实冰面日升华量（S_ice）的基准。其次，通过重力法，每日两次称量D20蒸发皿（一种标准铁制圆盘）的质量变化，直接测量得到S_pan。再次，利用自动气象站（AWS） 持续采集日最高温度（T_max）、相对湿度（RH）、风速（U）等关键气象数据。最后，基于以上观测数据，研究人员不仅应用了体积空气动力学法、Penman-Monteith方程以及两种已有的经验公式（EM1和EM2）来估算S_ice，更重要的是，通过多元线性回归，建立了结合S_pan、T_max、RH和U的新参数化公式（EM_new）。所有方法的估算结果均与自动摄影测量法得到的S_ice进行对比，并使用相关系数（CC）、相对偏差（Bias）、平均绝对误差（MAE）和Kling-Gupta效率系数（KGE）四项统计指标进行评估。

研究结果部分通过多角度的对比分析，清晰地展示了不同方法的性能差异。

不同方法的模拟性能对比

研究将新建的参数化公式（EM_new）与重力法（Gravimetric method）、体积空气动力学法（Bulk aerodynamic）、Penman-Monteith方程以及另外两个经验公式（EM1和EM2）进行了全面比较。统计分析表明，EM_new的表现最为出色，其与观测值（自动摄影测量法所得S_ice）的相关系数（CC）高达0.84，KGE达到0.76，偏差（Bias）和平均绝对误差（MAE）分别低至0.05 mm d^?1和0.23 mm d^?1。相比之下，重力法和Penman-Monteith方程的误差最大，前者显著高估了升华量（Bias = 0.60 mm d^?1），后者则严重低估（Bias = ?0.59 mm d^?1）。体积空气动力学法表现中等，而基于天山冰川数据建立的EM2（CC=0.75）和源于东欧的EM1（CC=0.73）也展现出了相对较好的模拟能力，但其精度仍不及本研究提出的EM_new。

新参数化公式的优势与物理意义

EM_new公式为：S_ice= ?1.3 + 0.4S_pan? 2(T_max/RH) + 1.4exp(T_max/10) + 0.2U。该公式不仅统计性能优异，其参数也具有明确的物理意义：S_pan直接反映了与S_ice最相关的条件；T_max/RH组合表征了温湿度效应；exp(T_max/10)项代表了温度的指数影响；而U则考虑了风的动力作用。研究发现，公式中的T_max/RH和exp(T_max/10)两项与S_ice的相关性（CC分别为0.68和0.75）甚至高于传统蒸散发模型中常用的水汽压差（e_s- e_a， CC=0.59）。

各方法的系统偏差分析

箱线图结果进一步揭示了不同方法的系统偏差。重力法（D20蒸发皿）和体积空气动力学法普遍高估升华，其模拟平均值（分别为1.28 mm d^?1和0.92 mm d^?1）显著高于观测平均值（0.67 mm d^?1）。D20蒸发皿的严重高估主要归因于其金属材质吸热性强以及高出地面的安装方式（70厘米），加剧了测量误差。Penman-Monteith方程则严重低估，平均值仅为0.21 mm d^?1，这主要是由于研究区下垫面并非连续的冰雪覆盖，而是以高寒草甸为主，导致该方程估算的潜热通量更多反映了寒冷干燥条件下的弱蒸散发，而非冰雪升华。

研究的结论与讨论部分对上述发现进行了总结和深入阐释。本研究的核心结论是，在祁连山葫芦沟流域，新建立的基于D20蒸发皿升华量（S_pan）、日最高温（T_max）、相对湿度（RH）和风速（U）的经验参数化公式（EM_new），在模拟冰面日升华量（S_ice）方面，性能显著优于重力法、体积空气动力学法、Penman-Monteith方程及另外两个经验公式。这证实了该公式在本地化应用中的优越性。

研究讨论强调了几个关键点。首先，新公式的优势在于其参数简单易得（仅需四个常规气象变量和S_pan），且计算稳定，成本远低于涡动协方差法，更适用于长期、大范围的业务化估算。其次，现有方法的局限性被明确揭示：传统的D20蒸发皿重力法因物理隔离和材质问题，测量值严重偏离实际，不适合作为天然冰雪升华的可靠参考；而物理基础明确的体积空气动力学法和Penman-Monteith方程，在复杂地形和异质下垫面条件下表现不稳定，通用性有限。再者，研究指出了区域特异性的重要性，无论是EM_new还是其他经验公式，其良好表现都依赖于特定的环境条件（如本研究温度范围为-18至-2°C），这凸显了发展区域特异性参数化的必要性。

最后，研究也坦诚地指出了当前工作的局限性与未来展望。EM_new公式本质上仍是基于统计关系的经验模型，其物理机理阐释和区域外推能力有待进一步验证。未来研究需要在祁连山其他区域进行验证和率定。同时，改进观测技术也至关重要，例如开发自动称重系统以替代费力的人工观测，以及优化蒸发皿的材料（如改用低吸热材料）和安装方式（如降低高度、增大口径）以提高S_pan测量精度，从而为发展更具物理基础的升华估算模型奠定更可靠的数据基础。

综上所述，这项研究不仅为祁连山地区的冰雪升华估算提供了一种高精度、易操作的实用工具，还通过系统的多方法比较，深化了对不同估算技术适用性和局限性的认识，对区域水循环研究、水资源管理和应对气候变化具有重要的科学意义和应用价值。