林楚娟，熊良時(shí)

(1.重慶市環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518055;2.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引言

中國(guó)西部高山帶廣泛分布的現(xiàn)代冰川，而冰川以下地區(qū)在冬季會(huì)積累大量季節(jié)性積雪。季節(jié)性積雪是普通降水的延遲，其融雪徑流是干旱內(nèi)陸河流域十分寶貴的淡水資源，在不同時(shí)間尺度上的變化對(duì)該地區(qū)河川徑流的影響非常顯著［1］。對(duì)于積雪的物質(zhì)循環(huán)主要基于融雪水的估算和模擬［2］，而針對(duì)風(fēng)對(duì)積雪的升華損耗鮮有研究。風(fēng)速是影響雪面能量交換的重要參數(shù)，感熱和潛熱的收支狀況都與風(fēng)速大小有直接的關(guān)系。風(fēng)速過大時(shí)造成風(fēng)吹雪的發(fā)生，使得雪物質(zhì)向地勢(shì)低洼處搬運(yùn)［3，4］。風(fēng)吹過雪面時(shí)，風(fēng)速隨之降低，損耗的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能輸入雪層，加速雪面升華，積雪以水汽升華的相變形式而釋放能量［5］。

西天山地區(qū)是我國(guó)西北干旱區(qū)多降水中心之一，積雪和冰川分布廣泛。對(duì)于融雪期能量輸入輸出對(duì)積雪消融量估算研究頗多［6］。本文以地處西天山的天山積雪雪崩研究站為研究區(qū)，通過對(duì)雪面進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，從升華潛熱的角度估算雪面升華量，將估算的升華量與實(shí)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，探討估算值與實(shí)際值誤差產(chǎn)生的原因。

2 雪面水汽升華潛熱估算方法

風(fēng)吹雪面，雪面獲得能量而升華，是一個(gè)由固相向氣相轉(zhuǎn)化的相變過程。雪面向大氣中輸送水汽而發(fā)生潛熱交換，其水汽升華量△m取決于潛熱變化量，其估算方法如下［7］:

式中:QE為潛熱(kJ)，其估算方法如式(2)所示，hv為升華潛熱(2.834kJ/g)，△m雪面的水汽升華量(g)。

式中:λv為蒸發(fā)潛熱(2.5 ×103kJ/kg)，ρs為雪表面水汽密度(kg/m3)，視為飽和水汽密度，ρa(bǔ)為大氣中水汽密度(kg/m3)，rv為水汽熱交換阻抗(day/m)，本論文假定rv的估算方法如下［7］:

式中:zu為風(fēng)速測(cè)量高度(2m)，zm為動(dòng)力粗糙度參量(0.001m)，zT為氣溫測(cè)量高度(1m)，d為零水平面的替代高度(0m)，zh為熱蒸發(fā)粗糙度參量(0.0002m)，k為 karman 常數(shù)(0.41)，u 為風(fēng)速(m/s)。

利用水汽壓和理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算水汽密度，本論文采用冰面飽和水汽壓替代雪面飽和水汽壓，冰面飽和水汽壓的估算最常用的是馬格努爾(Magnus)經(jīng)驗(yàn)公式:

E0=6.11hPa(t=0℃時(shí)，純水平面上的飽和水汽壓);t為氣溫(℃)。

3 實(shí)驗(yàn)方法

選擇中國(guó)科學(xué)院天山積雪雪崩研究站(以下稱積雪站)為研究區(qū)域，位于新疆伊犁地區(qū)新源縣鞏乃斯鄉(xiāng)境內(nèi)，積雪觀測(cè)場(chǎng)海拔1776m，是新疆乃至整個(gè)中國(guó)西北干旱區(qū)的最大降水中心之一，冬季積雪深厚，有數(shù)十年的積雪研究歷史和資料，是理想的研究試驗(yàn)區(qū)。1968～2009年，平均年降水量836.3mm，冬半年降水量約250mm，平均最大積雪深度87.2cm，而融雪集中于3月，積雪日數(shù)長(zhǎng)的年份里融雪期能延長(zhǎng)至4月中旬。

本實(shí)驗(yàn)于2010年1月在積雪站進(jìn)行，此時(shí)為研究區(qū)的積雪期。以風(fēng)速為6.4m/s的鼓風(fēng)機(jī)作為人工控制風(fēng)源，在積雪尚未開始時(shí)將6個(gè)孔徑為0.1 mm雪篩放置于實(shí)驗(yàn)區(qū)，雪篩的直徑為20 cm，降雪自然積于雪篩中，保持積雪的自然特性。每天實(shí)驗(yàn)時(shí)間為12:00～20:00，雪篩架設(shè)于鼓風(fēng)機(jī)上方，對(duì)雪進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，記錄風(fēng)吹前后積雪的質(zhì)量變化。對(duì)積雪分別吹風(fēng)5 min(重復(fù)實(shí)驗(yàn)25次，平均氣溫為 －8.9℃)、10 min(15 次，平均氣溫為 －8.2℃)、15 min(15 次，平均氣溫為 －7.8℃)、20 min(5次，平均氣溫為 －6.8℃)、30 min(5 次，平均氣溫為 －7.9℃)和 60 min(5次，平均氣溫為 －9.6℃)。

4 結(jié)果與討論

4.1 潛熱的變化特征

潛熱交換發(fā)生于雪面和大氣之間，水汽密度差與風(fēng)的作用使得雪面和水汽之間發(fā)生湍流交換。實(shí)驗(yàn)期間，利用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)估算潛熱變化如圖1所示，隨著吹風(fēng)時(shí)間的增加，潛熱值也在不斷上升，平均增長(zhǎng)率為0.506 kJ/min。潛熱交換不僅取決于吹風(fēng)時(shí)間和風(fēng)速，而且受水汽密度梯度影響，吹風(fēng)30 min的實(shí)驗(yàn)中，潛熱值在降低，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中氣溫在不斷下降，而60 min實(shí)驗(yàn)時(shí)潛熱值卻在不斷上升，而此實(shí)驗(yàn)過程中氣溫在不斷上升。氣溫的變化，造成水汽密度梯度的變化，所以估算的潛熱也在不斷變化之中。

圖1 風(fēng)吹雪面不同時(shí)間的潛熱變化

4.2 水汽升華量的估計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

采用了兩個(gè)常用的精度分析指標(biāo)來評(píng)價(jià)模擬結(jié)果，無量綱的擬合優(yōu)度系數(shù)Nash－Sutcliffe系數(shù)(R2)和質(zhì)量差(Dm［%］):

式中:Δm為實(shí)測(cè)雪面升華量(g)，Δm'為相對(duì)應(yīng)的估算所得雪面升華量(g)。

由式(1)估算的水汽升華量與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖2。水汽升華量(Δm')的估算僅在變化趨勢(shì)相對(duì)實(shí)際值(Δm)得到了較好的把握(R2=0.949)，而對(duì)于水汽升華量的總量估算卻偏差較大，估計(jì)值總是低于實(shí)際值(Dm=27.1%)。

圖2 水汽損耗的估計(jì)值與實(shí)際值對(duì)比

誤差產(chǎn)生的原因有兩點(diǎn):一是水汽密度的估算采用了克拉伯龍方程，此方法將水汽假設(shè)為單一的理想氣體，而且雪面水汽視為飽和水汽壓，理想狀態(tài)下的假設(shè)，使得水汽密度梯度的估算產(chǎn)生誤差;二是升華潛熱hv=2834J/g，此參數(shù)為常量，文獻(xiàn)能量平衡融雪模型(UEB)中所公布參數(shù)來源于其他地區(qū)的研究結(jié)果［7］，所以在本研究區(qū)進(jìn)行試用時(shí)，需要對(duì)參數(shù)hv進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于天山區(qū)風(fēng)吹干寒型積雪的升華熱研究，需要針對(duì)性較強(qiáng)的干寒型積雪升華熱研究實(shí)驗(yàn)，有待后續(xù)更多的努力。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)雪面水汽升華量，估算了潛熱的變化狀況，并利用潛熱估算雪面升華量(Δm')與實(shí)際值(Δm)進(jìn)行比較，主要結(jié)論為:風(fēng)過雪面，隨著風(fēng)吹時(shí)間的增加，潛熱值也在不斷上升，但增長(zhǎng)率較為穩(wěn)定，平均增長(zhǎng)率為0.506kJ/min。估算雪面升華量偏低于實(shí)際值(Dm=27.1%)，而對(duì)于升華量的變化趨勢(shì)卻得到了較好的把握(R2=0.949)。對(duì)于常量升華潛熱hv的應(yīng)用需要進(jìn)一步校準(zhǔn)和針對(duì)干寒型積雪的實(shí)驗(yàn)研究，估算出可適用于天山區(qū)干寒型積雪特性的升華熱。

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