气候变化背景下北半球积雪变化及影响研究

第1章 绪论本章介绍气候变化背景下积雪研究的重要性和北半球积雪的基本特征。北半球积雪的基本特征包括积雪的形成与发育条件、积雪的类型、积雪的物理特征、积雪的地带性分布、积雪的季节性变化，以及积雪在地球-大气系统中的重要作用相关内容。1.1 积雪研究的重要性地球表面存在时间不超过一年的雪盖，即季节性积雪，简称积雪（秦大河等，2017）。积雪是寒区或寒冷季节特有的自然景观，与河流和湖冰、海冰、冰川和冰帽、冰架、冰原、冻土等构成了地球的冰冻圈（IPCC，2007），见图1.1。积雪是一个极其活跃的地球系统变量，是全球气候变化过程中的一个重要指示性因子，与图1.1冰冻圈组成（IPCC，2007）地球表层的能量平衡、大气循环以及湿度、降雨、流域水文状况有着重要联系，并对其有明显的反馈作用（Frei et al.，2012；施雅风和张祥松，1995）。积雪对气候变化十分敏感，在干旱区和寒冷区，积雪既是*活跃的环境影响因子，也是*敏感的环境变化响应因子（李培基和米德生，1983）。同时，积雪对气候系统有重要的反馈作用，以高反照率、高冷储、巨大相变潜热和显著的温室气体源汇作用影响着地球表层的能量平衡、大气循环、水循环和碳氮循环（Christiansen et al.，2018；Frei et al.，2012；施雅风和张祥松，1995；王建等，2018；杨建平等，2015）。此外，作为固体水资源，积雪还具有重要的资源效应。冰冻圈储存了世界上75%的淡水资源。超过三分之一的全球灌溉用水和超过六分之一的全球人口依赖于冰川/积雪融水。因此，积雪的变化趋势在一定程度上是全球气候变化的佐证。积雪分布及其变化不仅是我国气候系统检测的关键指标之一（中国气象局，2019），也是政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）数次全球气候变化评估报告的重要变量之一（IPCC，2013，2019）。1.1.1 北半球积雪研究的重要性受气温和降水纬度地带性分布规律的影响，全球98%以上的积雪分布在北半球（赤道以北的地区），其年均积雪覆盖面积为1.9×106～45.2×106km2（IPCC，2007），这使得北半球成为积雪变化研究的重点区域。近年来的遥感观测和模型模拟结果表明，北半球积雪面积在全球气温变暖的背景下呈现快速减少的趋势（Brown et al.，2010；Brown and Robinson，2011；Déry and Brown，2007；Derksen and Brown，2012），尤其是在春、夏两季［图1.2（a）］。研究表明，1972～2006年北半球积雪面积的减少速度超过了世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）耦合模式比较计划第五阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）的模拟值（Déry and Brown，2007）；1979～2011年北半球6月积雪面积的消减速度甚至超过了9月北极海冰面积的减少速度（Derksen and Brown，2012）。此外，北半球积雪面积变化具有显著的季节性和区域性差异：与整体消减趋势相反，北半球积雪面积在秋冬两季呈现显著的增加趋势，尤其是在高纬度地区（Chen et al.，2016；Chen and Yang，2020；Cohen et al.，2012，2019；中国气象局，2019）。北半球积雪面积变化的季节性差异在2019年尤为突出［图1.2(b)］：2019年北半球积雪面积3～9月较常年同期偏小，其余月份偏大。例如，6月积雪面积大幅消减而10月积雪面积显著增加。根据IPCC对气候变化的预测，在未来一段时间，北半球积雪面积减少的趋势还将持续（Brown and Robinson，2011；IPCC，2013a）。同时，积雪面积的变化进一步造成北半球积雪物候的波动，如积雪初雪日（snow onset date，Do）推迟、积雪终雪日（snow end date，De）提前、积雪持续时间（snow duration days，Dd）缩短等，从而进一步对地球表层的生物和生态系统产生影响（Goes et al.，2005；Post et al.，2009）。图1.2 北半球1972～2019年积雪面积变化趋势资料来源：罗格斯大学全球积雪实验室北半球积雪变化会对全球气候过程产生深刻影响。一方面，北半球积雪变化引起当地气候环境变化。例如，积雪变化不仅与本地天气情况（Richard，2015）、作物产量（Bokhorst et al.，2009）、植被物候（Chen and Yang，2020；Zeng and Jia，2013）、融雪径流（Zakharova et al.，2011）、地表冻融状态（郑思嘉等，2018）、生物多样性（Niittynen et al.，2018）等自然生态过程紧密相关，也与淡水资源（邓海军和陈亚宁，2018）、农业生产（Bokhorst et al.，2009；沈斌等，2011）、旅游业（Steiger et al.，2017）、畜牧业（Wei et al.，2017；邵全琴等，2019）等社会经济状况息息相关。另一方面，北半球积雪变化制约地球-大气系统的能量交换，影响大范围甚至全球气候的变化进程：积雪具有较高的反射率，是热能和辐射能量的“绝缘体”，在阻碍太阳辐射到达地表的同时，积雪也阻止了冬季地表热能向外辐射（Wang et al.，2018a）。研究表明，随着北半球积雪面积的减少，地球表层反射太阳辐射的能力减弱，这在增加地表吸收太阳辐射的同时，也减弱了地表储热能力，从而导致地球—大气系统的增温（Flanner et al.，2011；Qu and Hall，2014）。因此，准确认识北半球积雪变化对深入认识全球气候系统规律及其变化影响极其重要。此外，随着季节的推移，积雪的覆盖范围和深度会影响土壤水分和水分有效性，而土壤水分和水分有效性直接影响农业、野火和干旱。1.1.2 中国区域积雪研究的重要性我国是北半球季节性积雪的主要分布区域之一。我国积雪资源丰富，季节性积雪分布广泛。早在20世纪50年代，我国就开始了对中国积雪的大范围观测研究（王建等，2018），中国气象局在全国765个气象基准站实施了雪深观测（马丽娟和秦大河，2012）。我国气象观测规范规定，积雪（包括霰、米雪、冰粒）覆盖地面达到气象站四周能见面积一半以上时，记为积雪日（宋世平等，2017）。我国的稳定积雪区主要分布在青藏高原、东北三省、内蒙古高原以及新疆北部—天山一带（李培基和米德生，1983）。作为“亚洲水塔”“第三极”（Jane，2008）和欧亚大陆积雪的重要组成部分，青藏高原地区冬、春季节积雪覆盖面积广、雪深较大、积雪日数多且持续性强，由青藏高原积雪融水转化而来的水资源不仅是我国黄河、长江、澜沧江等河流的重要补给水源，也是其他众多亚洲河流的发源地。西北干旱区地表水资源匮乏，但季节性积雪水资源丰富，新疆—天山一带稳定性积雪覆盖区不仅是天山南部、北部内陆河流域的重要补给水资源，也是该区域社会经济、生态环境建设的重要依据（包安明等，2010；陈晓娜和包安明，2011）。对于处于湿润半湿润区域的东北地区来说，积雪对该地区草原、森林生长和作物产量有显著的影响（陈海山等，2013；严晓瑜等，2015）。因此，对我国积雪覆盖状况的评估和有效监测对水资源利用、生态环境建设和社会经济的可持续发展都有重要的意义。气候变化背景下，我国积雪覆盖变化情况倍受国内外科学家的关注。我国进行积雪在内的冰冻圈研究已有十余年。早在2007年，国家重点基础研究发展计划启动“中国冰冻圈动态过程及其对气候、水文和生态的影响机理与适应对策”，该项目在探讨冰冻圈自身脆弱性的基础上，通过在典型区域将经济、社会、生态、技术与冰冻圈变化相结合，开展冰冻圈变化的脆弱性与适应研究，探索应对与适应冰冻圈变化影响的对策建议与战略措施。2010年、2013年与2017年，我国陆续启动了全球变化研究重大科学研究计划项目“北半球冰冻圈变化及其对气候环境的影响与适应对策（2010—2014）”、全球变化重大科学研究计划重大科学项目“冰冻圈变化及其影化的社会经济影响、风险与适应机制”和科技基础资源调查专项“中国积雪特性及分布调查”等，从机理研发到数据集研发，进一步对冰冻圈与积雪的物理特征、时空分布、数据资源等进行系统研究，以服务于气候变化、水资源调查和积雪灾害防治的数据需求。近年来，在“冰天雪地也是金山银山”的建设理念指导下，积雪分布、变化、脆弱性及适应性研究尤为重要。然而，由于长序列积雪特性分布数据的缺失和不统一，我国许多地区积雪资源的分布情况以及对气候变化的响应仍不清楚。具体表现在两个方面：①在积雪储量的评估上，缺乏时空连续的雪水当量数据，其精度也有待提高；②在融雪水资源的评估上，用于模拟融雪径流的水文模型依赖于积雪属性的地面调查，如积雪面积、雪水当量、密度、粒径及反照率等参数这些变量实测数据的缺乏，使得融雪水资源的评估在许多地区都存在极大的不确定性（王建等，2018）。1.1.3 气候变化背景下积雪研究的重要性积雪是气候的产物，积雪的变化受气温和降水等气候系统变量驱动。气候变化研究表明，北极圈气温放大效应（Cohen et al.，2014；Francis and Vavrus，2012；Screen，2014；Tang et al.，2013）和太平洋海表气温的降低（Kosaka and Xie，2013）对北半球近地表气温产生了显著的影响。尤其是，北半球高纬度地区近地表气温的增温速度几乎是低纬度地区增温速度的两倍（Cohen et al.，2014）。同时，大气环流（Mlg et al.，2013）和人类活动（Min et al.，2008）也造成了北半球降水量分布格局的显著变化。与此同时，北半球气候变化呈现显著的区域和季节性差异。例如，尽管全球平均气温在升高，过去十年北半球中纬度地区却频繁发生大范围的极端寒冷事件（Cohen et al.，2012）。鉴于积雪对近地表气温和降水的高度敏感性，探讨气候变化背景下北半球积雪面积和积雪物候的时空变化及其影响因素，在水资源管理、生态环境可持续发展以及气候灾害预测等方面显得尤为重要。1.2 北半球积雪的基本特征季节性积雪是北半球冰冻圈分布*广泛、年际和季节变化*显著的重要组成部分，是全球气候变化过程中的一个重要变量。充分了解北半球积雪的基本特征是进行积雪变化研究的基础。1.2.1 积雪的形成与发育条件积雪的形成首先需要降雪过程的发生，雪降落到地表以后，能够形成肉眼可见或者仪器可以量到的雪层时，才能被称为积雪（秦大河等，2017）。积雪的形成与发育不仅与地表温度有关，还与降雪地表形态、风场等因素有关。只有当一个地点、地区的降雪量与风吹雪累积量之和大地表融雪量和风吹雪损失量之和时，积雪才能够形成。积雪是水在固态的一种形式，是由大气中的水蒸气直接凝华或水滴直接凝固而成。因此，低温是积雪形成的*重要的条件。以雪花形式降落地表的降水为降雪，约5%的降水以降雪形式达到地球表面。由于气候的纬度地带性，降雪频次和持续时间也就随纬度的升高而增加。在高海拔地区，随着海拔的增加，降雪频次和持续时间同样增加。降雪能否形成积雪还依赖于地形条件。坡度、坡向、高程、表面粗糙度等地形条件是影响积雪形成与发育的重要条件。平地和缓坡有利于降雪在地面的累积和保存。不同坡向的坡面除表现为接收到的太阳辐射量不同外，所承受的风力作用也不同，积雪存在条件也有较大差异。高海拔地区尽管气温低，但太阳辐射强烈。此外，地