积雪会对我们周围的环境产生什么样的影响？一方面，积雪是重要的固体水库， 冷季储存的积雪在春季消融季集中释放；另一方面，积雪具有重要的隔热保温作用，将显著改变近地表的能量平衡过程。冬季，积雪会使土壤表面免受冷空气的影响，从而影响热量和水的传递，并影响冻融过程。积雪作为覆盖地表的一种具有低热导率、高反照率且在能量变化的情况下易发生相态转换并伴随大量潜热变化的特殊物质，具有显著的保温作用。一般认为，积雪深度是控制积雪热绝缘效果最直接的因素，随着积雪深度的增加，积雪的热绝缘作用有逐渐增强的趋势：当积雪的深度较小时，因积雪较高的反照率致使到达地表的能量显著减小且积雪的热绝缘作用较弱，积雪的出现不足以影响地气间的能量运移过程，从而有利于土壤的冻结过程；随着积雪深度的增加，积雪的热绝缘作用增强，逐渐抵消积雪高反照率引起的土壤冷却效应，此时的积雪主要表现为热绝缘作用，积雪的出现保证了土壤温度不至于过低，有利于植被等的 生长但不利于冻土的发育。然而，由于积雪特殊的物理性质，积雪隔热保温作用的定量评估一直是一个难题，目前仍缺少相对成熟的研究方法。
新疆阿尔泰山额尔齐斯河源库威积雪站观测场（沈永平摄）
为了实现积雪对冻土影响的定量评估，自 2011 年 8 月起，中国科学院西北生态 环境资源研究院库威积雪站在阿尔泰山南坡开展系统的气象、积雪和冻土水热过程研究。基于库威积雪站大桥积雪观测场 2011 年 9 月至 2018 年 8 月的日观测数据，结合 中国气象局 7 个国家基准站 1961-2015 年的积雪和冻土数据，系统、定量评估了阿尔泰山南坡积雪对季节冻土的影响。库威积雪站的观测结果表明：积雪是引起冻土冻融过程年际差异的首要控制因子（图 1）；积雪的保温效果呈现出随积雪深度先增加后 减小的变化趋势，当积雪的深度介于 50～70 cm 时，积雪的保温效果最佳（图 2）； 积雪覆盖期内不同的积雪深度导致地气间的热通量变化介于-5.86 W/m2（平均积雪深 度为 61.2cm）和-2.68 W/m2（平均积雪深度为 13.7cm）之间，继而导致季节冻土的 最大冻结深度从超过 250 cm 减小到 69 cm。评估积雪对地温的保暖作用显示，对于 50 厘米的积雪深度，可以对积雪下覆地面产生 12.8℃的减温，即有雪地面和无雪地 面，冬季的地面降温相差 12.8℃。基于中国气象局的长期观测数据，发展了“SCITDAS-MFD”（积雪指数-地气温差-最大冻结深度）经验分析方法，结果表明，1961- 2015 年间由于积雪的存在导致阿尔泰山地区季节冻土的最大冻结深度平均减少了 44.5 cm（图 3）。在有较长期观测资料地区，该方法可以直接用于定量评估积雪对冻土最 大冻结深度的影响；基于气温和积雪观测资料，也可以直接估算最大的冻土冻结深度。另外，基于统计分析方法还发现，在阿尔泰山地区，1961-2015 年间，尽管积雪 控制着季节冻土的年际变化过程，但是升高的气温（第一主导因子）和增加的积雪 （第二主导因素）共同作用导致该地区季节冻土呈退化趋势。该研究将为后续研究积雪的生态效应提供基础数据支撑，为其他地区评估积雪对冻土的影响提供基本方法依据，也为冻土模型和陆面过程模式中积雪的评估提供了新的方法。
图 1. 2011-2018 年积雪（a）、冻融过程（b）和土壤热通量（c）的变化（据张伟 等）
图 2. 积雪表层-底层温差与积雪深度的关系（据张伟等）
图 3. 观测和利用 SCI-TDAS-MFD 方法估算的忽略积雪存在情况下的季节冻土最大冻 结深度（据张伟等）
