引言

积雪对东亚地区短期气候有重要影响，已成为我国气象部门短期气候预测，特别是统计预测中的重要因子(陈兴芳和宋文玲，2000；孙林海和宋文玲，2001；彭京备等，2006)。积雪作为气候系统中冰冻圈的一部分，因其高反射率和隔绝热量交换特性以及其消融引起的水文效应，可通过改变地表能量平衡、水循环和大气环流对全球气候和水循环系统产生重要影响，在天气气候的变化中占据重要地位(张若楠等，2014)。积雪作为一种重要的陆面强迫因子可对气候产生重要影响(卢楚翰等，2014；周利敏等，2016)。积雪覆盖地表会阻碍地气之间的能量交换，积雪通过表面不同的反照率和不同的湍流通量形成了陆面与大气间独特的能量交换，影响近地层气象要素特征，反过来对湍流和能量交换又有重要影响(李丹华等，2017)。青藏高原积雪被视为中国短期气候预测的重要因子(李栋梁和王春学，2011)。高原积雪对其周围的大气有重要的热力影响，雪盖较高的反射率会影响地面对辐射能的吸收，改变地气之间的能量交换(过霁冰等，2012)。积雪陆面过程的研究对改进气候模式、提高短期气候预测水平有重要的参考价值(吴统文等，2004a；2004b)。

目前大气科学界对于高寒地区积雪陆面过程及微气象要素变化特征的研究已经取得了一些成果。高培等(2012)利用中国天山积雪雪崩站干湿雪雪层内雪温数据，探讨了一次降雪过程后干湿雪的雪层温度特征，对比分析了干湿雪的雪面能量平衡方程中各分量的差异，发现雪温日变化振幅由雪面向下逐渐减小，积雪深层温度的波峰(谷)值稍滞后于积雪浅层温度极值1~2 d，太阳辐射对湿雪的穿透深度大于干雪，雪层温度振幅变化与能量吸收随雪深都呈指数衰减分布，干雪雪面的感热通量和潜热通量几乎都为负值，湿雪雪面的潜热通量与感热通量方向相反，净辐射是导致湿雪消融的主要因素。李丹华等(2017)利用黄河源区玛曲站的观测资料，分析了积雪过程及前期无雪时的近地层气象要素特征，研究了积雪对大气温度层结特征的影响，发现当地表有积雪覆盖时，早上温度随高度减小的变化趋势出现时间比无雪覆盖时落后1 h，傍晚温度随高度增大的变化趋势较之提前1 h出现，积雪可减小白天气温分布范围及各层温度梯度绝对值。卢盼盼和吴晓庆(2009)的研究表明雪面上辐射和能量平衡特征多导致其上温度层结为近中性和稳定状态，随着新雪的沉积，夜晚大气的稳定性呈增强趋势，白天正午附近大气呈中性到不稳定的状况略有增加。卞林根等(2006)利用北冰洋浮冰站的观测资料对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究，发现浮冰区大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型，白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度，来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用会形成强风切变和逆温、逆湿过程。师春香等(2018)采用改进后的CLDAS Prcp驱动Noah陆面模式对积雪变量进行模拟，并对中国主要的积雪区(东北区域、新疆区域、青藏高原区域)的积雪覆盖率、雪深、雪水当量的模拟效果进行了评估，改善了在冬季由于低估降水所造成的模拟积雪量偏少的情况。

由于青藏高原腹地人迹罕至，交通不便，观测资料匮乏，高原地区降雪过程对近地层微气象要素影响的研究结果较少。本文利用青海省气象科学研究所甘德边界层气象观测站的观测资料，通过对2018年2月和4月两场降雪过程微气象要素的分析，探讨了雪深、雪密度、雪中含冰量、雪中含水量和雪面温度的变化情况，分析了地表反照率与雪密度、雪中含冰量及雪中含水量的关系，结合降雪过程近地面温、湿、风廓线特征分析了积雪对近地面温、湿、风梯度的影响，为全面认识青藏高原地区积雪陆面过程及对近地层气象要素特征的影响提供科学支持。

1 观测站情况与资料介绍

青海省气象科学研究所甘德边界层气象观测站位于中国青海省果洛州甘德县(33°57′N、99°54′E)境内，海拔4107 m，下垫面为高寒草甸。图 1为甘德站梯度塔和积雪测量系统的照片，该站建立时间为2016年7月，2017年增添了SPA-2积雪分析测量系统。观测的物理量包括空气温度、空气湿度、风速、风向、大气压、短波辐射、长波辐射、积雪深度、积雪密度、雪水当量等。除仪器拆装和天气原因造成供电短暂中断外，一直连续进行观测。表 1给出了该站的观测物理量及安装高度。

本文所用观测资料的时间段为2018年2月16—24日和2018年4月4—7日，为青海南部地区2018年春季两次较大规模的降雪过程。两次降雪过程期间甘德边界层气象观测站数据较完整，在对观测资料进行分析之前，去除因仪器故障、天气原因等产生的野点，舍弃质量较差的数据。文中所用时间为北京时。

2 结果与分析 2.1 降雪过程积雪特性要素的变化

积雪深度是近地面多种气象要素共同作用的结果，降水相态、降雪量、降雪强度、气温、地温和风速均对其产生影响(杨成芳和刘畅，2019)。青藏高原腹地积雪的消融与日照时数、雪的形态、消融程度、升华过程等均有一定联系(周扬等，2017)。图 2为两次降雪过程的雪深、雪密度、雪中含冰量、雪中含水量和雪面温度的变化情况。第一次降雪过程持续时间较长，雪深最大达到8 cm，融雪过程雪深下降较为缓慢，雪密度较小，维持在40~60 kg·m^-3，雪中含冰量维持在6%左右，由于气温较低融雪过程以升华为主，雪中含水量极低。第二次降雪过程持续时间较短，雪深最大达到9 cm，融雪过程雪深下降较为迅速，雪密度较大，最高达到100~160 kg·m^-3，雪中含冰量达到10%~14%，由于气温较高，积雪融化导致雪中含水量升高。两次降雪过程的雪密度和雪中含冰量存在一定的对应关系，变化趋势基本一致。雪中含水量变化的不连续性可能是由于积雪蓬松导致消融的雪水下渗所致。

2.2 积雪对地表反照率的影响

冰雪反照率在地气能量平衡中起重要作用，其大小取决于两个方面，即冰雪面的反射属性以及大气或天空的状况，影响冰雪反照率的物理属性有雪粒径、密度、含水量、杂质和污化程度等(蒋熹，2006)。冰雪反照率是影响地表辐射平衡的重要因子之一，雪粒的大小和结构是影响冰雪反照率的重要因素(杨兴国等，2012)。张强等(2011)通过对黄土高原地区地表反照率的研究发现土壤湿度和表面积雪变化均可影响反照率的日变化，冬、春季地表反照率的“V”型日变化大多明显向左倾，反映了白天积雪消融过程的影响特征。图 3为甘德地区这两次降雪过程地表反照率的逐日变化情况，降雪过程发生前地表反照率中午的值大概在0.27左右，降雪过后地表反照率中午的值达到0.8~0.9左右，可见当地表有积雪覆盖时，地表反照率的值显著升高。

图 4给出了地表反照率与雪密度、雪中含冰量及雪中含水量的关系，其中地表反照率与雪密度和雪中含冰量的关系所用数据为2月16—24日降雪过程，地表反照率与雪中含水量的关系所用数据为4月4—7日降雪过程，这主要是由于两次降雪过程温度差异较大，第一次降雪过程气温较低导致积雪大部分升华，消融形成的雪水很少，第二次降雪过程气温较高导致积雪融化，雪中含水量较高。可以看出，地表反照率与雪密度和雪中含冰量呈显著的正相关，而与雪中含水量呈负相关关系。

2.3 降雪过程近地面温、湿、风廓线特征

图 5为两次降雪过程近地面温度廓线在降雪前、降雪后和消融后的日变化，从气温变化随高度的分布来看，2 m高度气温日变化幅度最大，而16 m高度气温日变化幅度最小，两次降雪过程均表现为降雪后气温降低，消融后气温升高，白天最高温度较夜间最低温度的降幅更加明显，降雪前会出现清晨06:00左右气温随高度增加而递增、下午15:00左右气温随高度增加而递减的趋势，降雪后这种趋势有所减弱，积雪消融后又重新出现这种趋势。

图 6为两次降雪过程近地面相对湿度廓线在降雪前、降雪后和消融后的日变化。两次降雪过程均表现为降雪后相对湿度增加，消融后相对湿度降低。从相对湿度变化随高度的分布来看，降雪前低层(2~4 m)和高层(8~16 m)相对湿度日变化幅度相差不大，降雪后低层(2~4 m)相对湿度日变化幅度小于高层(8~16 m)，消融后低层(2~4 m)和高层(8~16 m)相对湿度日变化幅度再度接近。

图 7为两次降雪过程近地面风速廓线在降雪前、降雪后和消融后的日变化，从风速变化随高度的分布来看，2 m高度风速日变化幅度最小，而16 m高度风速日变化幅度最大，风速日变化幅度随高度的增加而显著增大。风速较大的时间段出现在15:00—18:00，这可能是由于甘德边界层气象站所处地理位置的小气候因素所致。

2.4 积雪对近地面温、湿、风梯度的影响

图 8为两次降雪过程2~4，4~8和8~16 m温度梯度的逐3 h分布情况，2~4 m温度梯度的波动幅度最大，而8~16 m温度梯度的波动幅度最小，温度梯度的波动幅度随着高度的增加而减小。

图 9为两次降雪过程降雪前、降雪后和消融后温度梯度日变化。当地表无积雪覆盖时，夜间温度梯度为正值，近地面大气为稳定层结，白天温度梯度为负值，近地面大气为不稳定层结，温度梯度全天呈“V”字形变化。降雪后夜间正温度梯度和白天负温度梯度均减小且有趋向于0℃·m^-1的变化趋势，这表明当地表有积雪覆盖时，近地面大气接近于中性层结，消融后夜间正温度梯度和白天负温度梯度又有所增加，低层(2~4 m)温度梯度较高层(8~16 m)温度梯度在降雪前、降雪后和消融后的变化更加显著。

图 10为两次降雪过程2~4，4~8和8~16 m相对湿度梯度的逐3 h分布情况，可以看出，2~4 m相对湿度梯度的波动幅度最大，而8~16 m相对湿度梯度的波动幅度最小，2~4 m相对湿度梯度有正有负，4~8和8~16 m相对湿度梯度基本维持在负值，表明在低层(2~4 m)相对湿度随高度增加并无明显的增加或减少趋势，而在中层(4~8 m)和高层(8~16 m)相对湿度随高度增加呈逐渐递减趋势。

图 11为两次降雪过程降雪前、降雪后和消融后相对湿度梯度日变化。由图可见，当地表无积雪覆盖时，2~4和4~8 m相对湿度梯度均表现为凌晨至上午升高，下午至傍晚降低。降雪后凌晨相对湿度梯度升高，下午相对湿度梯度降低，消融后凌晨相对湿度梯度降低，下午相对湿度梯度升高。地表积雪覆盖会导致凌晨相对湿度梯度趋于零或正值，下午相对湿度梯度趋于负值，从而导致近地面大气竖直方向上相对湿度差异性在凌晨减小，在午后增大。

积雪融化除受温度影响之外，还与风速等因素有密切关系(杨建平等，2007)。图 12为两次降雪过程2~4，4~8和8~16 m风速梯度的逐3 h分布变化情况，可以看出，2~4 m风速梯度的波动幅度最大，而8~16 m风速梯度的波动幅度最小，风速梯度的波动幅度随着高度的增加而减小。

图 13为两次降雪过程降雪前、降雪后和消融后风速梯度日变化，由图可见，风速梯度在夜间和上午较小，在下午较大，这可能是由于下午气温较高导致地气温差增大加剧了地表的湍流作用，从而导致风速梯度增大。第一次降雪过程在降雪后白天风速梯度减小，第二次降雪过程在降雪后白天风速梯度增大，地表积雪覆盖对近地面风速梯度变化并无特定的影响。

3 结论

本文利用青海省甘德边界层气象观测站2018年2月16—24日和4月4—7日两次降雪过程的梯度塔和积雪特性观测数据，探讨了两场降雪过程雪深、雪密度、雪中含冰量、雪中含水量和雪面温度的变化情况，分析了地表反照率与雪密度、雪中含冰量及雪中含水量的关系，结合降雪过程近地面温、湿、风廓线特征分析了积雪对近地面温、湿、风梯度的影响，主要结论有：

(1) 积雪覆盖会导致地表反照率显著增加，无积雪覆盖时地表反照率正午的值为0.27，有积雪覆盖时地表反照率可高达0.8~0.9，随着积雪的消融，地表反照率逐渐减小。

(2) 积雪反照率与雪密度和雪中含冰量呈正相关，与雪中含水量呈负相关。

(3) 地表积雪覆盖会导致近地面温度梯度绝对值减小，使得近地面大气维持中性层结状态，近地面大气竖直方向上相对湿度梯度绝对值在凌晨减小、午后增大，而积雪覆盖对近地面风速梯度变化并无特定的影响。

由于甘德边界层气象观测站地处青藏高原腹地，人迹罕至，交通不便，观测资料获取非常不易，本文仅仅选用了2018年4月两次数据较完整的降雪过程的观测资料，样本代表性不强，相关结论具有一定的局限性。日后会考虑获取更丰富更全面的观测资料，以深入分析青藏高原地区降雪过程的微气象特征和积雪覆盖对大气边界层及陆气相互作用的影响。