高山积雪：母亲河之源——积雪分布时空演化的多物理过程、多尺度研究

发布时间：2022-01-02 19:11

　　雪是地球上最为活跃的自然要素之一,是组成极地冰盖和高山冰川的重要物质来源,同时也是地表径流的主要补给。积雪的时空分布和演变深刻影响着全球的水文循环、生态系统、气候演化以及其他自然过程,在高寒山区水文过程中扮演着重要的角色。高山积雪与冰川融水是黄河源头水源补给的主要形式,因此亟需开展黄河源区积雪水资源综合科学研究,在准确评估黄河源区水资源现状及其变化规律和发展趋势的基础上提出科学合理的保护和开发黄河水资源的策略。积雪分布研究涉及大气湍流与颗粒相互作用等具有挑战性的科学前沿及热点问题,以及多场耦合、多尺度等科学共性问题,还涉及力学学科与地理学、大气物理、气候变化等相关学科的交叉问题。目前对积雪分布的研究手段包括野外观测、遥感反演和基于动力学过程的模式研究。鉴于前两种手段的局限性,开展多物理过程、多尺度、多场耦合的积雪分布时空演化模拟已成为积雪水资源研究的重要手段之一。介绍了积雪分布研究现状及进展,指出了面临的挑战以及下一步研究方向。 

【文章来源】：科技导报. 2020,38(17)北大核心CSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

风雪流条带

积雪是冰冻圈最为活跃的元素，每年约有1/4的地球表面会被积雪覆盖（图1）。积雪由于其高反照率、热辐射能力、不良热导率以及相变时消耗大量潜热的特性，成为全球热量平衡的关键气候因子[1]。在中高纬度山区，积雪主宰着辐射平衡、能量交换和水文循环，对区域大气-陆面过程和生态系统具有深刻的影响[2]。在中国西北干旱地区，积雪是重要的淡水资源，同时也是西北诸多内陆河和中国主要河流的重要水源补给[3]。据估计，全球1/6的人口使用的水资源来自融雪水。积雪不但在地球上分布广泛，还具有空间分布不均匀和时空演变迅速的特点，尤其是地形复杂的山区[4]。而对于局部区域而言，山区的不均匀积雪层容易引发并加重雪崩、洪水、滑坡、泥石流及其他自然灾害[5]，不仅造成重大的社会和经济损失，而且可能威胁人类的生命安全。黄河起源于中国西部，地处世界屋脊——青藏高原的腹地、青海省曲玛莱县境内巴颜喀拉山的北麓，源区干流河道长约300 km，面积为2.28万km2，海拔在4200 m以上，域内的卡里恩卡着玛、玛尼特、日吉、勒那冬则等14座海拨5000 m以上的高山所蕴含的以终年积雪形式存在的固态水储量约有1.4亿m3[6]。该区域年平均径流量占整个黄河流域水资源总量的49%，对黄河流域水资源可持续开发利用具有决定性影响。同时，该区域也是亚洲、北半球乃至全球气候变化的敏感区和重要启动区之一。随着气候变暖，融雪径流得到越来越多的关注，人们发现气候变化对融雪径流的时空分布具有重要的作用，包括降雪/降雨比例变化、融雪期提前、多年积雪融化等，对人类的生活生产产生了巨大的影响[7]。研究表明未来黄河流域气温会升高，使得融雪径流增加、径流过程发生季节性迁移，导致更早和更大的春季径流，并加剧了流域夏季的水资源短缺[8]。同时，受全球气候变暖和人为因素影响，这些地区冰川退缩、积雪消融、冻土退化等现象十分明显，对区域水源涵养功能构成了严重威胁。目前黄河源区生态保护工程主要集中于林草地建设与保护、湿地保护和沙漠化防治方面，而这些工程的有效实施均依赖于水资源。在水资源短缺、生态环境极度脆弱的黄河源区，如果不全面摸清水资源现状，在科学、合理地分配和利用水资源的基础上开展生态保护工程，就会顾此失彼，即使短期内改善了个别区域的生态状况，也会由于用水短缺给其他区域的生态环境留下隐患并影响其工农业生产，最终加剧生态环境状况的整体恶化，使得正在实施的各项生态保护工程难以做到可持续发展。因此，准确评估积雪分布的时空变化是有效开展生态保护工程的前提。

基于拉格朗日粒子追踪方法的风吹雪模型相对较少，并且主要基于稳态风场方程建立的一维或二维模型。Doorschot等[33]基于颗粒的运动方程研究了颗粒特性对跃移层的影响，获得了稳态的水平输运通量，并且发现空气夹带在风吹雪过程中发挥的作用比现有假设要大；Nemoto等[34]基于一维的水平风场叠加垂直方向的湍流脉动，建立了单独追踪每颗雪粒的湍流边界层风吹雪模型，过程考虑了空气动力学夹带、粒-床碰撞、颗粒轨迹以及颗粒对风场的修正等过程，获得了风雪流发展过程及稳态输雪率。近几年来基于颗粒追踪的三维风吹雪模型逐步建立起来，Groot等[24]基于大涡模拟与拉格朗日粒子追踪方法，模拟了湍流边界层内的风吹雪过程，分析了风雪流的间歇特性，但是其模型中颗粒对风场的修正作用并未精确考虑，而是采用粗糙度修正表征颗粒对风场的反作用力，因此还未能定量再现出真实环境中的风雪流发展过程。兰州大学黄宁团队[35]通过大涡模拟获得充分发展的湍流边界层，并采用拉格朗日粒子追踪方法计算雪粒的三维运动轨迹、采用雪的击溅函数描述雪粒的粒-床相互作用，在此过程中，同时考虑雪粒的升华效应与空中碰撞机制，从而再现了湍流大气边界层内风吹雪的整个发展过程，形成了与自然现象一致的具有条带结构的风吹雪（图3），并发现相间分布的风雪流条带是空中跃移雪粒在高速旋转的气流漩涡的吸入效应作用下形成的一种局部颗粒浓度汇集的自组织现象，随机的雪粒-地表相互作用过程很大程度上决定了风雪流条带的最终形状。图3 风雪流条带

【参考文献】：
期刊论文
[1]来自高原的恩赐 三江之源[J]. 赵娜.  青海科技. 2015(02)
[2]未来气候变化对黄河流域水文过程的影响[J]. 曹丽娟,董文杰,张勇,冯锦明.  气候与环境研究. 2013(06)
[3]高山冻土区水量平衡及地表径流特征[J]. 杨针娘,胡鸣高,夏兆君,王强,刘新仁,王积强.  中国科学（D辑:地球科学）. 1996(06)



本文编号：3564728