（大气物理学与大气环境专业论文）一个积雪模式的改进及地面积雪过程数值模拟.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 2 0 1 0 年1 月，在湖北省恩施雷达站进行了降雪过程外场观测试验。本文首先 分析了一次典型降雪过程中空气温度、水泥路面温度、相对湿度及积雪过程演 变特征，然后基于美国犹他州雪积聚和融化模式，针对原模式使用定常雪密度 进行改进，在模式中对新雪密度及积雪密度随时间变化进行参数化，从而对积 雪物理过程及积雪厚度演变进行了数值模拟研究，分析各个物理量对积雪过程 的影响，并进行了一系列敏感性试验。主要结论如下： ( 1 ) 降雪开始后，由于水泥地面温度高，地面上并没有积雪，雪落地即化。 随着雪的融化吸热，当水泥路面温度降到o c 以下，地面积雪开始形成并不断累 积，地面积雪厚度增加。融雪阶段积雪厚度的减小主要受太阳辐射和水泥地面 的影响。夜间热量主要来自地面，积雪融化缓慢；白天热量主要来自太阳辐射， 融化迅速。积雪和融化过程中相对湿度一直维持在9 8 n1 0 0 之间。 ( 2 ) 原模式能很好地模拟出积雪累积和融化过程，检验了模式对积雪过程 的模拟能力。改进密度后，对积雪厚度的模拟比原模式更接近实际值。 ( 3 ) 在积雪累积过程中，降水量是占主导作用的质量来源；融化阶段，净 辐射通量是占主导作用的能量来源。积雪融化产生的液体水流通量的模拟与积 雪厚度的减小存在比较好的对应关系，尤其是在积雪厚度明显减小的时期，这 也是模式对积雪变化模拟效果较好的原因。 ( 4 ) 随着反照率的增加，雪盖吸收到的太阳短波辐射量减少，故雪盖消融 所需的时间越长。 ( 5 ) 积雪持水力的变化主要是对积雪的融化产生比较大的影响。随着积雪 持水力的提高，阻碍了融化水的流出，融化过程变慢；相反，加速了积雪的融 化过程。 关键词：积雪，深度，湖北恩施，数值模拟 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 a b s t r a c t i nj a n u a r y2 010 ，w eo b s e r v e ds o m es n o wp r o c e s st e s t si ne n s h ir a d a rs t a t i o n ， h u b e ip r o v i n c e w ef i r s ta n a l y z e da i rt e m p e r a t u r e ，c e m e n tt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v e h u m i d i t ya n dt h es n o we v o l v e m e n tc h a r a c t e ri no n et y p i c a ls n o wp r o c e s s t h e nw e i m p r o v et h ep r e v i o u sm o d eb yu s i n gs t e a d ys n o wd e n s i t y , w h i c hp a r a m e t e r i z e st h e n e ws n o wd e n s i t ya n dt h ed e n s i t yc h a n g e sw i t ht i m e , b a s e do nt h eu t a he n e r g y b a l a n c es n o wa c c u m u l a t i o na n dm e l tm o d e l t h a n k st ot h ei m p r o v e m e n t , w ed i d s o m ed a t as i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h es n o wp r o c e s sa n dt h es n o wt h i c k n e s sc h a n g e s ， a n dt h e na n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f e a c hp h y s i c a lq u a n t i t yo nt h es n o wp r o c e s s s o m e s e n s i t i 、，i 锣t e s t sa l ea l s om a d ef o rf u r t h e rs t u d y t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e r ei sn os n o wo nt h eg r o u n dw h e nc e m e n tf l o o rt e m p e r a t u r ei sh i 曲t h e s n o wb e g i n sa c c u m u l a t i n ga st h ec e m e n tr o a ds u r f a c et e m p e r a t u r ed r o p st on e g a t i v e d e g r e ew i t ht h em e l to fs n o w f l a k e n et h i c k n e s so fs n o wr e d u c e sm a i n l yb e c a u s eo f t h es o l a rr a d i a t i o na n dt h ec e m e n tf l o o r s n o wm e l t ss l o w l ya tn i g h td u et ot h e c e m e n tf l o o ra n dm e l t sq u i c k l ya td a yt i m ed u et ot h es o l a rr a d i a t i o n t h er e l a t i v e h u m i d i t ym a i n t a i n sb e t w e e n9 8 a n d1 0 0 i ns n o wp r o c e s s ( 2 ) t h ef o r m e rm o d e lc a ns i m u l a t eb o t ht h es n o wa c c u m u l a t i o na n dm e l t i n g p r o c e s sv e r yw e l l ，h e n c ev e r i f i e dt h es i m u l a t i o nc a p a b i l i t yo ft h em o d e lt ot h es n o w p r o c e s s t h ei m p r o v e m e n tm o d e l sc a np r o v i d ec l o s e rs n o wt h i c k n e s sv a l u et ot h e a c t u a lv a l u et h a nt h ef o r m e ro n e t h e r e f o r e ，t h en e wm o d ei sb e t t e rt h a nt h ep r e v i o u s o n e ( 3 ) t h ep r e c i p i t a t i o n i st h ed o m i n a n tq u a l i t yr e s o u r c e si nt h ep r o c e s so f a c c u m u l a t i o nw h i l et h en e tr a d i a n tf l u xp l a y s 讥t a lr o l eo fe n e r g yr e s o u r c e si nt h e p r o c e s so f m e l t o u rs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ew a t e rf l u xd u r i n gt h em e l tp r o c e s sh a s q u i t eg o o dc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pw i t ht h er e d u c t i o n o fs n o wt h i c k n e s s ， e s p e e i a l l yw h e nt h et h i c k n e s so fs n o wr e d u c e do b v i o u s l y , w h i c ha l s oe n h a n c e st h e s i m u l a t i o ne f f e c t ( 4 ) w i mt h ei n c r e a s eo fs n o wa l b e d o ，t h es n o wa b s o r b sl e s ss o l a rs h o r t w a v e r a d i a t i o n , h e n c em e l t sw i t hm o r et i m e ( 5 ) t h es n o wr e t e n t i o na b i l i t yh a sq u i t et r e m e n d o u si n f l u e n c eo nt h em e l tp r o c e s s n 南京信息工程大学硕士学位论文 t h es n o wm e l t i n gp r o c e s ss l o w sd o w nw i t ht h ee n h a n c e m e n to fs l l o wr e t e n t i o n a b i l i t yw h i c hh i n d e r st h ef l o wo f t h em e l tw a t e r o t h e r w i s e ，t h es n o w m e l t i n gp r o c e s s a c c e l e r a t e s k e yw o r d s ：s n o w , t h i c k n e s s ，h u b e ie n s h i ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 d f a c t 作者签名：垄鳖 日期：兰! 三：盟 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：三曼鲑 日 期：避 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章引言 科学家们认为，大约5 5 亿年前，我们赖以生存的地球曾一度完全被冰雪 覆盖，并将该时期的地球形象地称为“雪球川。目前，北半球的陆地表面积雪 覆盖面积仍可高达5 3 ，就全球平均而言，积雪覆盖了陆地表面的4 4 1 。 雪的反照率在地表各种自然物质中，几乎是最高的，新雪的反照率高达o 9 以上，陈雪的反照率也在o 4 以上。因此积雪反射大量到达地表的太阳短波辐 射，影响着地球表面的能量平衡，是气候系统的重要决定因素。雪又是热的不 良导体，热传导率仅为冰的3 0 ，它的存在能够减小地表和大气之间的热量交换， 保护积雪下植物的生长，并影响冻土发育等地表自然过程。地表积雪至少提供 了全球三分之一的农业用水阻1 ，而且随着很多地方地表水质的不断下降，积雪提 供给人类生存用水所占的比例正在不断增大。此外，积雪在水文循环中也占有 突出的地位，在很多高山或高纬地区，降雪几乎是唯一的降水形式，融雪径流 是可依赖的稳定水源，被用于灌溉、生活和发电等。因此，地表积雪过程研究 日益受到广泛关注。 同时，雪也可能对社会经济带来很大的危害。持续的大量降雪会妨碍交通、 通讯、输电线路安全；冻坏农作物，导致农业歉收或严重减产；伴随低温冻害， 致使人畜冻伤或冻死，造成道路积冰，致使交通事故多发；雪的重压可以让建 筑物倒塌；雪的快速融化可以导致洪水爆发；世界上的一些多山地区，雪崩是 一种经常发生的灾害。1 9 6 6 年1 2 月天山西部大雪崩，2 l 公里长公路上积雪4 4 万立方米，使交通中断4 个月。1 9 7 0 年5 月秘鲁安第斯山大雪崩，受灾面积2 3 平方公里，8 0 0 0 人死亡。1 9 8 5 年1 0 月西藏那曲大雪灾，仅唐古拉山地区安多 县的牲畜死亡率就高达8 0 以上，死亡和失踪人员近2 0 人h 3 。1 9 9 2 年2 月瑞士 发生3 0 0 0 次以上的雪崩，给周围的居民，农田，电力和运输带来巨大的损失隋1 。 2 0 0 8 年1 - 2 月，中国南方发生了大范围低温、雨雪、冰冻等自然灾害，2 0 个 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 省( 区、市) 均不同程度受到影响，因灾直接经济损失1 5 1 6 5 亿元人民币。 研究积雪的形成、发展和融化过程，观测试验是不可或缺的。在观测试验 基础上，通过物理试验、数值模拟进行理论研究，揭示地表积雪过程的物理规 律，最终用于预测、预报，服务于社会经济发展。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 地表积雪物理过程研究进展 1 2 1 地表积雪定义和分类 雪是大气中的水汽在低温下凝华而成。随着凝华时温度、水汽饱和程度、 气流扰动等条件的变化，雪花的形态干变万化。大气温度较高时，多形成板、 枝和星状雪晶，低温时多形成柱、针、杯状雪晶，许多雪晶联结起来或单个地 增长到足够大小，便形成雪花。1 9 5 1 年，国际冰雪委员会1 ( i n t e r n a t i o n a l c o m m i s s i o no ns n o wa n dl e e ) 根据形态首次提出了固态降水物的国际分类，将 雪晶分为板、星、柱、针、枝、杯状及不规则状7 种类型，与霰、冰粒和冰雹一 同构成1 0 种固态降水类型。随后n a k a y a 3 提出了共4 1 种形态的系统分类。1 9 6 6 年，m a g o n o 和l e e 8 1 对n a k a y a 分类进行了扩展，形成了目前最为复杂的固态降水 物分类方案，其中包括8 0 种雪晶类型。1 9 8 5 年，i c s i 成立了雪晶分类工作组， 从不同领域应用的需要出发，同时考虑物理过程和形态，将固态降水物划分为9 大类3 2 种，形成了新的地面雪晶国际分类体系阳3 。由于国际分类与n a k a y a 分类 和m a g o n o l e e 分类相比，具有相对简明的特点，故在很多科学和应用领域被广 泛采用n 伽。 雪，包括霰、米雪、冰粒等大气固态水凝物，降落到地表后，若地表温度 较低不能及时融化，则不断累积，形成积雪。根据分类依据和应用目的的不同， 对地表积雪已提出多种不同分类方法。早期的分类多以积雪厚度、持续时间、 植被生态状况、气候背景、积雪密度、雪粒特征等作为基本分类依据，s t u r m 等 n 对这些已有的1 4 种积雪分类进行详细综述，并提出了气候特征较明显的全球 积雪分类，包括冻土、针叶林、高山、海洋、草原和短时积雪6 大类。该分类对 积雪的热力学过程具有较好的表征，在积雪气候区划和气候模拟领域得到广泛 应用。从积雪细节特征出发，1 w a k a w a 等人n 2 3 考虑到已有分类过于侧重形态学特 征，物理性质表征不够，在对单位质量积雪的比表面积和空气渗透性两个重要 物理量开展了大量野外测量工作的基础上，新近提出种客观化的地表积雪分 类方法，将地表积雪分为新雪、轻度密实雪、密实雪、多面体雪粒、浓霜、冻 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 结雪粒6 类。李培基等n 3 1 在研究中国积雪分布时，根据积雪的时间将积雪分永久 积雪和季节积雪两大类。季节积雪一般划分为稳定积雪和不稳定积雪两类，能 够连续维持一个月以上的称为稳定积雪，不足一个月的称为不稳定积雪。谢自 楚等n 铂针对冰川研究将冰雪分为新雪、中雪、老雪、粒雪和冰五种类型；按颜 色和污染程度，分为洁白的、微污化的、重污化的三类；按雪的容重又分为新 雪、细雪、中雪、粗雪、深霜、密深霜、细粒雪及粗粒雪8 类。 1 2 2 沉积、变形与融化过程 积雪在地表的沉积过程与积雪的力学性质紧密联系在一起，包括积雪的结 构、密度、空隙率、压缩系数、粘性系数、内摩擦角等n 印，这些物理量决定了 积雪的应力和应变特性，通过变形过程，以及由变形过程和热力过程共同控制 的融化过程，最终决定了积雪的沉积过程。 首先，雪是一种粘性物质，雪的沉积过程受到粘性的影响，低的粘性导致 高速率的沉积，反之亦然。l a n d a u e r n 8 3 早在1 9 5 7 年就从金属的蠕动理论第一次 解释了雪的致密化( 沉积) 。随后，y e l l o r n 力指出在一个斜面上的积雪，当承受 的压力超出粘性应力的时候，雪就会沉积或者迅速致密化。在这个推理的基础 上，可认为雪在低压状态下的行为类似于牛顿流体，即在一定温度下和较宽的 剪切速率范围内，粘度值近似不变。 于是，早期季节性积雪模式中把雪看成牛顿流体。y o s h i d a n 8 3 和k o j i m a n 9 1 通过观测研究考虑密度对变形的影响后，得出粘度的简单经验方程。在此基础 上，许多学者归纳了雪的沉积方程。1 9 7 5 年n a v a r r e 但们利用平均粘性建立了雪的 沉积方程。到上世纪8 0 年代末，b r u n 口订仍在模式中采用此类方程来模拟积雪的 致密化过程。y a m a z a k i 等瞻2 1 在1 9 9 3 年提出了一个简单的湿雪的粘性系数，描述 了粘性系数随液水含量的增加而减小。 而实际上，雪被证明有着易碎固体、弹性橡胶、粘性液体的多种特征乜羽。 在低的压力状态下，应变速率和压力成线性的关系，在高的压力状态下，两者 变为非线性的关系，即粘度值不再为常数。这种由线性关系过渡为非线性关系 4 南京信息工程大学硕士学位论文 的过程取决于多种因素，如压力、应变速率等。因此，许多研究者指出，雪是 一种非线性的粘性物质，a g r a w a l 瞄町在此基础上尝试了利用雪的微观参数来描述 雪的这种非线性沉积行为。随后，l e h n i n g 等心5 2 6 3 通过比较不同的粘性方程，对 线性和非线性致密化过程进行了进一步的研究，在积雪沉积业务模式中逐步完 善了粘性率与雪的微观特征之间的关系。 积雪沉积过程中的变形问题与水的相态和雪的宏微观物理特征有关。积雪 体包含了水的三种相态：冰、水、水汽，每种相态的特性均随环境状况而变化。 由于温度、压力、温度梯度的变化，以及晶粒间水的迁移使雪密度和微观结构 发生改变，以适应新的环境，于是雪体发生变形。1 9 6 2 年o i d d i n g s 和l a c h a p c l l e 等瞳刀首先提出了较高的温度梯度易于雪颗粒的生长变形，即由于雪层中温度梯 度引起的水汽迁移造成的过剩水汽凝华在冰晶表面，发生了再结晶作用，不断 生成新晶体使原来的晶体变大的过程。之后，c o l b e 圮k 等啪棚1 发展了湿雪和干雪 的变形理论，描述了液水含量、毛细管压力、粒子的曲率半径和温度梯度对变 形的影响。同时，a k i t a y a 口，m a r b o u t y 口2 1 等，通过实验进行了验证。 随后的研究中，研究者将影响雪颗粒变形的因子扩展到更多的物理要素。 c h r i s t o n 等口3 1 用一个二维的温度梯度模式讨论了雪颗粒的几何形状对变形的影 响。s a t y w a l i 等m 发展了一个更加合理的方程来计算雪颗粒的大小变化，并且 首次注意到雪颗粒之间联结部分的大小对变形过程的影响。b r u n 曙嗣等在充分考 虑到雪颗粒几何结构( 如形状、大小) 的基础上，将完整的变形方程应用到积 雪的数值模式中，取得了较符合实际的模拟结果。 在较强的温度梯度作用下，雪体内的一些雪晶受升华和扩散作用，引起另 一些雪晶变化，生成一种更高级的雪晶形态一深霜3 。这种作用使积雪的力学 强度降低。1 9 9 8 年，f o h n 眵刀指出深霜等薄层的形成仍没有考虑到模式中。f i e r z 汹1 也表明薄层的演变，在雪崩预报中是最重要的物理过程之一，但在模式中体现 的并不令人满意，这是因为对雪变形( b a d e r 汹3 ，c o l b e c k 睁3 ) 和深霜发展 ( a k i t a y a h 们，m a r b o u t y h 妇) 的研究都是建立在单一雪颗粒的基础上，详细描述 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 深霜的形成和结构还没有实现。对此b r o w n n 2 1 和e d e n s 等h 3 1 提出了雪的微观结构 和变形中的一些问题，如在温度梯度大或小时的雪颗粒和结合物的生长问题等。 2 0 0 2 年，l e h n i n g 啪1 等加入了联结体的大小来描述雪的微观结构，并将雪的变形 分为平衡生长变形、动力学生长变形和融化变形。 液态水影响和改变着积雪体的演变过程。积雪的表面或近表面层首先开始 融化，a n d e r s o n 3 指出，8 0 的太阳辐射被积雪表面5 1 5 c m 厚的层次吸收。当 积雪温度上升到0 ，且液水含量超出持水力，融雪水就会流出积雪底部。当积 雪温度低于0 ，往下渗透的水会因温度的降低再次冻结而无法达到积雪底部。 对于融雪水浸透的研究可以追溯到1 9 1 5 年，h o r t o n h 朝比较了湿雪和其他多孔渗 水的物质。然而直到1 9 4 5 年g e r d e l 忡1 才发现雪和其他物质的不同，它的物理性 质会随温度和融雪水含量的变化而变化。随后，c o l b e c k h 刀提出了一个融雪水浸 透到未饱和的均匀积雪的理论，并迸一步分析了水压、冰层、颗粒大小等对于 融水径流的影响，并通过经验关系来表达了持水力和水的流动速率。但是积 雪中水的流动过程还受到温度和积雪不连续结构的影响h 钔，并且渗透的水可以 重新冻结，从而减小了积雪的渗透性。 1 2 3 能量收支与平衡 积雪是一种边界层现象，它的形成、发展和融化受到能量平衡过程制约， 包括入射辐射( 太阳辐射、大气长波辐射) 和积雪发射的长波辐射，以及雪盖 与大气、下垫面之间的潜热和感热交换等过程。同时，能量交换也影响着积雪 的温度廓线，许多研究者尝试了用能量变化来确定积雪的温度廓线。最初， r o c k w o o d 嘞1 用环境温度作为参数来确定积雪的温度廓线，后来的研究者则尝试 用精确的热传导率、扩散系数等来得到较真实的温度廓线。b a d e r 等1 1 提出并讨 论了积雪中能量的交换，建立了积雪的能量平衡方程，考虑了积雪对净短波辐 射的吸收、雪面和空气界面的净长波辐射、空气和雪面之间的感热和潜热交换、 地面的热通量、降雪或降雨带来的热量和风的抽吸带来的热量。 雪面反照率是影响积雪辐射平衡的重要因子之一。观测和数值模拟表明， 6 南京信息工程大学硕士学位论文 雪的粒径、密度、含水量、污化程度或杂质等物理、化学属性都会影响反照率 的大小池删。降雪后，新雪的反照率最高，随着时间的推移，新雪会颗粒化，晶 粒变形并不断密实，粒径增大、污化物增多，反照率就不断下降。1 9 5 5 年， h u b l e y 隋朝研究表明反照率的日变化主要是因为入射辐射角度的不同引起的，其 次才是雪面的物理结构和入射辐射光谱成分的改变。随后，c h o u d h u r y 隅1 也指出 雪面反照率随太阳高度角的变化而变化。晴空下，雪面反照率随太阳高度角的 降低而升高。而在有云时，入射的总辐射降低，此时的反照率往往增高晦刀。在 整个天空布满云时，低云下的雪面反照率往往比高云下的雪面反照率高嘲1 。 雪面通过感热和潜热的传输与大气进行相互作用，感热交换和潜热交换对 于积雪的演变有很大的作用，特别是决定着积雪的融化速率。感热通量取决于 温度梯度和湍流扩散，潜热通量包括冰的升华、水的蒸发和水汽的凝华，这些 相变过程都受水汽梯度和湍流扩散的影响。而湍流扩散受到表面粗糙度和风的 影响，同时湍流传输率也受大气稳定度的影响，b r u t s a e r t 和g r a y 等从感热 和潜热的角度讨论了雪的稳定和非稳定条件。l e h n i n g 等钉更进一步利用莫宁一 奥布霍夫相似理论来简单参数化感热和潜热。 1 2 4 风和下垫面状况的作用 风影响着雪的积累和分布，它带来的雪面空气的运动可以通过热量和水汽 的传输来改变积雪内部的热状况，进而影响积雪物理过程，如颗粒的增长和积 雪表面层的形成。风的存在还会产生飘雪，可使积雪深度达到自然积雪的3 8 倍。最初，b a g n o l d 2 1 和c h e p i l 砸蜥1 定义了雪粒子在风作用下的3 种运动状态： 滑移、跃移和悬移。k o s u g i 等嘲1 进一步研究了雪的跃移和飞溅，通过分析粒子 的碰撞轨迹，建立了飞溅的方程，来描述碰撞后的雪粒的重新分布。然而，该 工作只考虑了垂直方向的运动，不能准确模拟出飞溅的过程。2 0 0 2 年，l e h n i n g 等肺1 6 7 3 在积雪模式中进一步描述了跃移过程，并提出了一个飘雪指数。 植被覆盖会改变降雪的空间分布，影响积雪的能量收支，从而影响到雪的 累积。降落的雪一部分会被植被中途拦截而无法到达地面。s c h m i d t 等哺印发现， 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 雪的被拦截率随雪暴的增大而减小。最低的拦截率主要发生在风速大于2 m s 时 呻1 ，最高的拦截率发生在一3 c 0 c 之间n 叫。p o m e r o y 等m 1 指出，被拦截的降雪 量随着雪颗粒大小的增加、空气温度的降低、风速和雪密度的减小而增加。植 被覆盖不仅会影响雪的下落，也影响到达积雪表面的短波辐射和长波辐射量。 随着植被的增加，到达雪面的太阳短波辐射呈指数减小，而长波辐射增加盯2 ，7 3 3 。 地表状况也是影响积雪过程的一个重要因素，主要通过与积雪的能量交换， 影响到雪的累积和融化。p o m e r o y 等口帕认为相对于辐射、潜热和感热量，地面的 热通量一般很小，故在预报每天融化量的时候常忽略它。但是在计算季节性融 化时，地面的热量传输变得很重要。且不同的地表通过不同的热容量影响着热 通量。地形也会影响到雪的累积和融化，在一个给定的气候区域，一般随海拔 的升高雪的累积量增加。雪的累积也与坡面位置有关，当坡面与盛行风方向平 行时，积雪会明显减少；而在背风坡和低洼地区积雪量会明显增加。坡面的方 位影响着到达雪面的能量，从而影响着积聚过程中的融化和升华。 1 3 积雪的数值模拟与预报研究进展 在充分认识物理规律的基础之上，选取合适的参数化方案建立客观合理的 地面积雪数值模式，有助于准确预报积雪的累积过程及持续时间。1 9 7 6 年， a n d e r s o n 第一次尝试创建了能量和质量守恒的积雪模式，同时考虑了新雪的 加入、致密化、持水力和液水的传输。m o r r i s 等口6 1 等也建立了类似的积雪模式， 在积雪水文过程模拟方面得到广泛应用。 1 9 8 9 年，b r u n 等昭设计了一个基于能量和质量守恒的雪崩预报业务模式 c r o c u s ，取得了较好的预报效果。在这之后，世界各地的科学家们致力于积雪 模式( s n o w p a c k ) 的研究，以求进一步提高对雪崩的预报准确率。b a d e r 等聆妇 利用m o r l a n d 等口刀研究的积雪相变混合理论，模拟了积雪中的温度分布、能量 和质量变化，随后发展出很多版本。b r u n 口鄙等为了更有效地运用c r o c u s 模式， 在其中加入了变形方程。y a m a z a k i 盥等则在一维积雪模拟中利用某些基本变量， 尝试计算反照率、密度廓线等。从那以后，数值模拟中把重点放在了对于变形 8 南京信息工程大学硕士学位论文 的理解上，以便于真实地描述不同类型雪层的强度特征。 s l f ( 瑞士联邦雪与雪崩研究院) 2 0 0 2 年建立了积雪( l e h n i n g 等瞄儿2 6 儿6 ) 和吹雪( d o o r s c h o t 等口羽) 的数值模式，已部分用于瑞士雪灾预警业务。该系统 与能量平衡模式和气象预报模式耦合，可以预报复杂地形积雪的分布和覆盖的 发展。h e b b i n g h a u s 等口印将s n o w p a c k 模式和大气中尺度模式( l m ) 耦合，考虑 了雪的微物理发展过程，与简单的参数化相比能更真实再现吹雪过程。模拟得 到的吹雪被用来计算由吹雪导致的积雪量，及其对雪蒸发和升华的影响。 9 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 1 4 本文主要研究内容 本文在犹他州雪积聚和融化模式u e b ( u t a he n e r g yb a l a n c e s n c i w a c c u m u l a t i o na n dm e l tm o d e l ) 的基础上，改进了积雪密度方案，研究了水泥路 面的积雪过程。利用地面温、湿、风、降水、辐射等常规气象观测数据，分析 了湖北省恩施雷达站2 0 1 0 年1 月4 日7 日的一次降雪过程。主要内容如下： ( 1 ) 对此次降雪过程的空气温度、水泥温度、相对湿度及积雪过程的特征 进行了较为详细的分析。 ( 2 ) 利用原模式对此次过程进行了模拟，与观测结果进行了对比分析，检 验了模式的适用性，分别用原模式和改进密度后的两种方案对积雪厚度进行模 拟，并对各个物理量对积雪过程的影响作了深入地研究。 ( 3 ) 通过敏感性试验研究雪的反照率、雪盖持水力对积雪过程的影响。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章积雪物理过程的观测特征 2 1 观测及资料概况 在“南方冰雪灾害天气预测预警评估技术研究”国家科技支撑计划课题 ( 2 0 0 8 b a c 4 8 8 0 1 ) 的资助下，2 0 0 9 年1 2 月到2 0 1 0 年1 月课题组在湖北省恩 旆雷达站( 利川市石板蛉) ( n 3 0 。1 7 ，e 1 0 9 。1 67 ，海拔1 7 2 22 m ) 进行了南 方冰雪天气野外观测试验。观测地点地形图如下： 。 ： ， o ” m j 1 i “ 图2 1 湖北思麓地形圈 本次观测主要内容有温度、气压、湿度、降水、能见度、风向、风速、天 气现象、云状、云量、地表温度、雪深、雪压。观测仪器包括：全要素自动气 象站、雨量器、量雪尺、称雪器，以上仪器均在使用前检定。 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 在观测期间( 2 0 0 9 年1 2 月 - 2 0 1 0 年1 月) ，恩施雷达站共发生了两次降雪过 程。分别是2 0 0 9 年1 2 月2 6 日2 7 日的降雪过程和2 0 1 0 年1 月4 日7 目的降雪过 程。由于1 2 月的降雪过程中，积雪厚度的测量值采取了四舍五入的记录方法， 导致积雪厚度的测量值误差很大。而1 月的降雪过程，积雪厚度的取值保留到一 位小数，结果比较精确。因此，我们选取资料比较精确的1 月的降雪过程进行分 析。 降雪从2 0 1 0 年1 月4 日2 2 时开始到5 日2 0 时结束，过程总降水量为8 6 毫米。7 日0 1 时地面积雪完全融化。本文利用雷达站的观测资料和建始气象站 ( n 3 0 。3 67 ，e 1 0 9 。4 37 ) 每小时的太阳短波辐射数据( 由于思施站和建始 站之间的直线距离约为4 1 公里，近似认为两地的太阳短波辐射相同) ，分析了 此次降雪过程中的空气温度，水泥路面温度、相对湿度及积雪过程的演变特征， 然后在一个一维积雪模式u e b 的基础上，改进了积雪密度参数化方案，对积雪 过程进行了模拟，并分析了各个物理量对积雪过程的影响，最后进行了一系列 敏感性试验。 2 2 天气形势 4 日0 8 时，5 0 0 h p a 槽线位于安徽江西一线。7 0 0 h p a 上，在高纬度地 区，位于内蒙东部的低压中心东移南下抵达东北地区，从低中心往南经山东、 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 江苏一带延伸出一条槽线，槽后为西北气流，引导大量冷空气南下；而在低纬 度地区则有南支槽的出现，槽前为西南气流，输送暖湿空气。在陕西南部、山 西、湖北地区有风的切变，冷暖气流交汇，为产生大范围的降水提供了有利条 件。从温压场配置来看，温度槽落后于高度槽，系统进一步增强。从地面图上 可见，西伯利亚地区有一强大的高压中心，高压带控制了西伯利亚及我们北方 大部分地区；冷锋位于朝鲜半岛到浙江安徽湖北一线，本站位于锋线 附近。4 日2 0 时，5 0 0 h p a 高空图上高纬度地区，在辽宁、吉林、朝鲜半岛上空 有一低压中心，从低中心处经黄海，东海有一槽，湖北地区位于槽后，受西风 气流控制，附近有短波槽，在青藏高原到孟加拉湾地区上有南支槽，输送西南 暖湿气流。7 0 0 h p a 、8 0 0 h p a 陕西山西湖北一带有切变线，在切变线处有冷暖气 流的汇合，容易造成降水，低纬度地区也就是受南支槽的控制，输送洋面上的 暖湿空气。天气条件进一步向有利于降水的形势发展。 2 3 积雪发展的物理过程 这次降雪从2 0 1 0 年1 月4 日2 2 时开始到5 日2 0 时结束，过程总降水量为 8 6 m m 。积雪最大厚度为5 c m 。7 日0 1 时地面积雪完全融化。 2s 喜 蕤 _ 厂一 厂一 二广一 一空气温度l 门 亡匡 一积雪厚度1 一水泥温度i 一相对湿剧。 小 一 v v 磁 八一 ， 兮 一 枣痧枣窖 p ppp 令令 时间( b s t ) 图2 22 0 1 0 年1 月缸7 日积雪厚度、水泥路面温度及距地1 5 m 处气温、相对湿度的变化 1 3 零v髓嘣靛雩 坩 蛄 巧 阳 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 图2 2 为2 0 1 0 年1 月4 7 日积雪厚度、水泥路面温度及距地1 5m 处气温、 相对湿度随时间的变化。根据地表有无积雪情况将此次过程分为5 个过程。分 别为降雪前、降雪无积雪阶段、积雪阶段、融雪阶段、降雪后。 ( 1 ) 降雪前( 4 n 0 1 时 - - 2 2 时) ：4 日1 1 时温度为4 6 ，之后开始下降，下降 到4 日2 2 时0 3 ，1 2 个小时之内温度下降了4 9 c 。空气中水汽的积累和输送是 任何降水过程发生的必要条件。1 l 时测站的相对湿度只有7 4 。4 h 2 2 时观测站 的相对湿度升到了9 8 ，1 2 个小时之内相对湿度增加了3 2 。 ( 2 ) 降雪无积雪阶段( 4 日2 2 时- - , 5b 0 7 时) ：4 日2 2 时降雪开始，但一直n 5 日0 7 时地面上仍无积雪。这是因为从4 日2 2 时n 5 日0 7 时水泥路面温度一直维持 在l 以上，雪落地就融化了。这阶段由于雪融化吸收热量，空气温度依然下降。 此阶段相对湿度在9 9 到1 0 0 之间。 ( 3 ) 积雪阶段( 5 日0 7 时 2 0 时) ：由于上一阶段雪片的融化吸热作用，5 日 0 8 时水泥路面温度降到1 5 ，此时路面开始有积雪。5 日0 8 时 - 1 4 时，降水量 达到了6 3 m m 。积雪厚度的增加很迅速，从0 8 时的0 8 e m ，增加到1 4 时的4 5 e m 。 6 d , 时之内，积雪厚度增加t 3 7 e m ，雪压也从o 3 9 e r a 2 y + n l g e m 2 。1 5 时之后随 着降雪量的减小，积雪厚度增加缓慢，2 0 时降雪停止，积雪厚度达到最大值 5 0 e r a ，这5 个小时之内积雪厚度增加了0 2 c m 。雪压也基本维持不变，在 0 9 9 c m 2 - 1 9 e r a 2 之间。此阶段相对湿度一直维持在9 8 到9 9 之间。 ( 4 ) 融雪阶段( 5 日2 0 时7 日0 1 时) ：空气温度有所上升，这是由于夜间云 量基本为1 0 成，大气逆辐射较强。这段时间由于地表源源不断地提供热量，积 雪融化。6 日0 7 时日出后，随着太阳辐射的增强，空气温度开始回升，导致积雪 融化加速。积雪厚度从0 7 时的3 6 e m 降( 氐至u 1 5 时的1 8 e m 。另外，由于白天太阳 辐射的影响，使得从6 日1 2 时开始水泥温度大于0 ，从而也加速了积雪的融化。 此阶段雪压一直维持在o 8 9 c m 2 - 一l g c m 2 2 n ，相对湿度一直维持在9 9 至u 1 0 0 之间。 ( 5 ) 降雪后( 7 日0 l 时 - - 7 日2 0 时) ：积雪完全融化后，随着这次冷空气过程 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 的减弱，空气温度开始缓慢上升。相对湿度很高，在9 9 到1 0 0 之间。 表2 为雪深雪压测量值： 表2 雪深和雪压测量值 时闯( b s t ) 雪深( 锄) 雪压( 鲥锄2 ) 时阋( b s t )雪深f e r n ) 雪压( 咖n 2 ) 1 月5 日0 8 时0 81 月5 日2 0 时50 9 1 月5 日0 9 时 1 2o 3 1 月5 日2 1 时 0 9 1 月5 日1 0 时 2 2 0 41 月6b0 0 时4 2 0 8 1 月5 日l l 时 2 90 4 1 月6 日0 3 时 3 90 8 1 月5 日1 2 时3 70 51 月6 日0 7 对3 60 8 1 月5 日1 3 时4 20 91 月6 日0 9 时 1 月5 日1 4 时4 5 0 9 1 月6 日1 2 时3 3o 9 1 月5 日1 5 时4 80 91 月6 日1 5 时 1 8o 8 1 月5 日1 6 时4 70 91 月6 日1 8 时1 3o 8 1 月5 日1 7 时 4 81 3 1 月6 日2 1 时0 8 i 月5 日1 8 时4 80 91 月6 日2 4 时o 5 1 月5e l1 9 时4 4 1 1 月7 日0 l 时 0 注：“一表示缺测值 2 4 本章小结 本章主要分析了此次降雪过程中的空气温度、相对湿度、水泥路面温度及积 雪过程的演变特征。结论如下： 降雪开始后，由于水泥地面温度高，地面上并没有积雪，雪落地即化。随着 雪的融化吸热，当水泥路面温度降到0 以下，地面积雪开始形成，随着降水量 的增多，雪开始累积起来。融雪阶段积雪厚度的减小主要受太阳辐射和水泥地 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 面的影响。夜间热量主要来自地面，积雪融化缓慢；白天热量主要来自太阳辐 射，融化迅速。积雪和融化过程中相对湿度一直维持在9 8 到1 0 0 之间。 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章模式介绍及改进 3 1 模式的物理模型介绍 犹他州雪积聚和融化模式( u t a he n e r g yb a l a n c es n o wa c c u m u l a t i o na n d m e l tm o d e l ) 是1 9 9 6 年d a v i d 等研制的一个用来预报积雪快速融化速率的模式。 它是一个基于能量平衡和质量平衡的一维积雪模式。模式用了三个状态参量： 雪水当量、能量含量( 相对于0 c 的水) 、雪龄因子来描述积雪过程。能量含量 用来决定雪盖的平均温度和液水含量。雪龄因子用来计算雪面反照率。模式由 每小时的空气温度、降水、风速、相对湿度和短波辐射值来驱动。模式基于物 理规律计算了辐射、感热潜热等各个物理量，其中融化流出量利用d a r c y sl a w ( 达西定律) 来计算，这就解释了雪盖在能量为负的情况下仍然会有融雪水流 出的现象。 模式将雪盖和与之相互作用的有效深度的水泥下垫面作为一个研究整体。 考虑了( 积雪+ 有效深度水泥下垫面) 这个整体对净短波辐射的吸收、雪面和空 气界面的净长波辐射、空气和雪面之间的感热和潜热交换、降雪或降雨带来的 热量、地面的热通量、融化的水流出带走的热量。 能量平衡方程和质量平衡方程分别如下： 百d u = 级+ 绕+ 鳞+ q g 一瓯+ q + q 一级 ( 1 ) 警= e + 只一珥一e ( 2 ) ( 1 ) 式右项单位均为o l d m 之h r 1 ) ：q 小q i i 、q l 。分别为净短波辐射、 入射长波辐射及雪面发射的长波辐射，q h 、q 。分别为感热通量和潜热通量，q p 为降水带来的热量，q g 为地面热通量( 模式中忽略此项，认为其值为o ) ； 模式用能量含量和雪水当量来计算雪盖( 积雪和有效深度水泥下垫面) 的 温度： 1 7 一个积雪模式的改进及地面积雪数值模拟 雪盖为固相( u o ) t = 叫( 风鸭+ & 皿c g ) 雪盖为固液混合( o u pw 吼f )t ：望二坠l p g d 。c g + 风w c w ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 其中u ( k j m - 2 ) 为每单位水平面积的能量含量( 相对于0 的冰相) ，p5 h ， 为0 时融化整个雪盖的热量，风鸭( k j m - 2 ) 为雪盖的热容量，风为 水的密度1 0 0 0k g m - 3 ，h ，为融化