雪是地球上最為活躍的自然要素之一,是組成極地冰蓋和高山冰川的重要物質(zhì)來(lái)源,同時(shí)也是地表徑流的主要補(bǔ)給。積雪的時(shí)空分布和演變深刻影響著全球的水文循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、氣候演化以及其他自然過(guò)程,在高寒山區(qū)水文過(guò)程中扮演著重要的角色。高山積雪與冰川融水是黃河源頭水源補(bǔ)給的主要形式,因此亟需開展黃河源區(qū)積雪水資源綜合科學(xué)研究,在準(zhǔn)確評(píng)估黃河源區(qū)水資源現(xiàn)狀及其變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上提出科學(xué)合理的保護(hù)和開發(fā)黃河水資源的策略。積雪分布研究涉及大氣湍流與顆粒相互作用等具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)前沿及熱點(diǎn)問(wèn)題,以及多場(chǎng)耦合、多尺度等科學(xué)共性問(wèn)題,還涉及力學(xué)學(xué)科與地理學(xué)、大氣物理、氣候變化等相關(guān)學(xué)科的交叉問(wèn)題。目前對(duì)積雪分布的研究手段包括野外觀測(cè)、遙感反演和基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的模式研究。鑒于前兩種手段的局限性,開展多物理過(guò)程、多尺度、多場(chǎng)耦合的積雪分布時(shí)空演化模擬已成為積雪水資源研究的重要手段之一。介紹了積雪分布研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,指出了面臨的挑戰(zhàn)以及下一步研究方向。 

【文章來(lái)源】：科技導(dǎo)報(bào). 2020,38(17)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

風(fēng)雪流條帶

積雪是冰凍圈最為活躍的元素，每年約有1/4的地球表面會(huì)被積雪覆蓋（圖1）。積雪由于其高反照率、熱輻射能力、不良熱導(dǎo)率以及相變時(shí)消耗大量潛熱的特性，成為全球熱量平衡的關(guān)鍵氣候因子[1]。在中高緯度山區(qū)，積雪主宰著輻射平衡、能量交換和水文循環(huán)，對(duì)區(qū)域大氣-陸面過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)具有深刻的影響[2]。在中國(guó)西北干旱地區(qū)，積雪是重要的淡水資源，同時(shí)也是西北諸多內(nèi)陸河和中國(guó)主要河流的重要水源補(bǔ)給[3]。據(jù)估計(jì)，全球1/6的人口使用的水資源來(lái)自融雪水。積雪不但在地球上分布廣泛，還具有空間分布不均勻和時(shí)空演變迅速的特點(diǎn)，尤其是地形復(fù)雜的山區(qū)[4]。而對(duì)于局部區(qū)域而言，山區(qū)的不均勻積雪層容易引發(fā)并加重雪崩、洪水、滑坡、泥石流及其他自然災(zāi)害[5]，不僅造成重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失，而且可能威脅人類的生命安全。黃河起源于中國(guó)西部，地處世界屋脊——青藏高原的腹地、青海省曲瑪萊縣境內(nèi)巴顏喀拉山的北麓，源區(qū)干流河道長(zhǎng)約300 km，面積為2.28萬(wàn)km2，海拔在4200 m以上，域內(nèi)的卡里恩卡著瑪、瑪尼特、日吉、勒那冬則等14座海撥5000 m以上的高山所蘊(yùn)含的以終年積雪形式存在的固態(tài)水儲(chǔ)量約有1.4億m3[6]。該區(qū)域年平均徑流量占整個(gè)黃河流域水資源總量的49%，對(duì)黃河流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有決定性影響。同時(shí)，該區(qū)域也是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)和重要啟動(dòng)區(qū)之一。隨著氣候變暖，融雪徑流得到越來(lái)越多的關(guān)注，人們發(fā)現(xiàn)氣候變化對(duì)融雪徑流的時(shí)空分布具有重要的作用，包括降雪/降雨比例變化、融雪期提前、多年積雪融化等，對(duì)人類的生活生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響[7]。研究表明未來(lái)黃河流域氣溫會(huì)升高，使得融雪徑流增加、徑流過(guò)程發(fā)生季節(jié)性遷移，導(dǎo)致更早和更大的春季徑流，并加劇了流域夏季的水資源短缺[8]。同時(shí)，受全球氣候變暖和人為因素影響，這些地區(qū)冰川退縮、積雪消融、凍土退化等現(xiàn)象十分明顯，對(duì)區(qū)域水源涵養(yǎng)功能構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前黃河源區(qū)生態(tài)保護(hù)工程主要集中于林草地建設(shè)與保護(hù)、濕地保護(hù)和沙漠化防治方面，而這些工程的有效實(shí)施均依賴于水資源。在水資源短缺、生態(tài)環(huán)境極度脆弱的黃河源區(qū)，如果不全面摸清水資源現(xiàn)狀，在科學(xué)、合理地分配和利用水資源的基礎(chǔ)上開展生態(tài)保護(hù)工程，就會(huì)顧此失彼，即使短期內(nèi)改善了個(gè)別區(qū)域的生態(tài)狀況，也會(huì)由于用水短缺給其他區(qū)域的生態(tài)環(huán)境留下隱患并影響其工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，最終加劇生態(tài)環(huán)境狀況的整體惡化，使得正在實(shí)施的各項(xiàng)生態(tài)保護(hù)工程難以做到可持續(xù)發(fā)展。因此，準(zhǔn)確評(píng)估積雪分布的時(shí)空變化是有效開展生態(tài)保護(hù)工程的前提。

基于拉格朗日粒子追蹤方法的風(fēng)吹雪模型相對(duì)較少，并且主要基于穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)方程建立的一維或二維模型。Doorschot等[33]基于顆粒的運(yùn)動(dòng)方程研究了顆粒特性對(duì)躍移層的影響，獲得了穩(wěn)態(tài)的水平輸運(yùn)通量，并且發(fā)現(xiàn)空氣夾帶在風(fēng)吹雪過(guò)程中發(fā)揮的作用比現(xiàn)有假設(shè)要大；Nemoto等[34]基于一維的水平風(fēng)場(chǎng)疊加垂直方向的湍流脈動(dòng)，建立了單獨(dú)追蹤每顆雪粒的湍流邊界層風(fēng)吹雪模型，過(guò)程考慮了空氣動(dòng)力學(xué)夾帶、粒-床碰撞、顆粒軌跡以及顆粒對(duì)風(fēng)場(chǎng)的修正等過(guò)程，獲得了風(fēng)雪流發(fā)展過(guò)程及穩(wěn)態(tài)輸雪率。近幾年來(lái)基于顆粒追蹤的三維風(fēng)吹雪模型逐步建立起來(lái)，Groot等[24]基于大渦模擬與拉格朗日粒子追蹤方法，模擬了湍流邊界層內(nèi)的風(fēng)吹雪過(guò)程，分析了風(fēng)雪流的間歇特性，但是其模型中顆粒對(duì)風(fēng)場(chǎng)的修正作用并未精確考慮，而是采用粗糙度修正表征顆粒對(duì)風(fēng)場(chǎng)的反作用力，因此還未能定量再現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境中的風(fēng)雪流發(fā)展過(guò)程。蘭州大學(xué)黃寧團(tuán)隊(duì)[35]通過(guò)大渦模擬獲得充分發(fā)展的湍流邊界層，并采用拉格朗日粒子追蹤方法計(jì)算雪粒的三維運(yùn)動(dòng)軌跡、采用雪的擊濺函數(shù)描述雪粒的粒-床相互作用，在此過(guò)程中，同時(shí)考慮雪粒的升華效應(yīng)與空中碰撞機(jī)制，從而再現(xiàn)了湍流大氣邊界層內(nèi)風(fēng)吹雪的整個(gè)發(fā)展過(guò)程，形成了與自然現(xiàn)象一致的具有條帶結(jié)構(gòu)的風(fēng)吹雪（圖3），并發(fā)現(xiàn)相間分布的風(fēng)雪流條帶是空中躍移雪粒在高速旋轉(zhuǎn)的氣流漩渦的吸入效應(yīng)作用下形成的一種局部顆粒濃度匯集的自組織現(xiàn)象，隨機(jī)的雪粒-地表相互作用過(guò)程很大程度上決定了風(fēng)雪流條帶的最終形狀。圖3 風(fēng)雪流條帶

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]來(lái)自高原的恩賜 三江之源[J]. 趙娜.  青�？萍�. 2015(02)
[2]未來(lái)氣候變化對(duì)黃河流域水文過(guò)程的影響[J]. 曹麗娟,董文杰,張勇,馮錦明.  氣候與環(huán)境研究. 2013(06)
[3]高山凍土區(qū)水量平衡及地表徑流特征[J]. 楊針娘,胡鳴高,夏兆君,王強(qiáng),劉新仁,王積強(qiáng).  中國(guó)科學(xué)（D輯:地球科學(xué)）. 1996(06)



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