基于能量平衡的分析模型在青海湖湖冰模拟中的应用_赵仪欣.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023赵仪欣，文莉娟，王梦晓，等，2023.基于能量平衡的分析模型在青海湖湖冰模拟中的应用 J.高原气象，42（3）：590-602.ZHAO Yixin，WEN Lijuan，WANG Mengxiao，et al，2023.Application of the Analytic Model Based on Energy Balance into the Lake Ice Simulation of Qinghai Lake J.Plateau Meteorology，42（3）：590-602.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00042.基于能量平衡的分析模型在青海湖湖冰模拟中的应用赵仪欣1，2，文莉娟1，王梦晓1，2，曾礼1，2，牛瑞佳1，2（1.中国科学院西北生态环境资源研究院/中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）摘要：湖冰对气候变化响应敏感，在全球变暖的背景下，湖冰总体呈现衰退趋势，甚至北半球部分湖泊未来有可能不再冻结。青藏高原湖泊分布广泛，但目前对于湖冰的模拟研究开展较少，对青藏高原湖冰特征及冻结系数的认识还较为有限。本文利用飞航式雷达湖冰测厚数据、青海湖气象观测数据、ERA5-Land再分析数据、MODIS地表温度数据以及Aqua/MODIS卫星遥感图像，通过度日法湖冰生长模型确定了青海湖冻结系数A0，研究结果显示A0在青海湖具有空间异质性和时间异质性，且前者比后者更为明显。进一步利用度日法和基于能量平衡的分析模型模拟了青海湖的湖冰演变，结果表明：相较于度日法，基于能量平衡的分析模型模拟的青海湖2018-2019年冰期的开始结冰时间、融化结束时间与湖冰厚度同实际观测更为符合。分析模型是一种优于度日法、适用于青海湖湖冰模拟研究的方法，该方法能够综合考虑辐射、能量交换、气象要素、湖泊深度等因素的影响，其物理过程更为完善，同时也弥补了度日法模拟精度依赖于冻结初日的确定且无法表现融化过程的缺陷。关键词：青海湖；湖冰生消；冰厚；度日法；分析模型文章编号：1000-0534（2023）03-0590-13 中图分类号：P461+.5 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000421 引言 全世界 1.17亿个湖泊中，一半以上都不同程度地被冰层所覆盖。湖冰为人类提供了一系列的生产、生活、生态系统服务功能，包括鱼类捕捞、交通运输、娱乐项目和水循环调节等（Sharma et al，2019）。湖冰是气候变化敏感指示器，同时也显著地影响局地和区域气候。一方面，湖冰对气候变化响应敏感，湖冰特征变化可以作为气候随时间变化 的 指 标（Vavrus et al，1996；Hodgkins et al，2002；Imrit and Sharma，2021）；另一方面，冰层可以显著阻碍空气和湖水之间的热交换，并改变结冰期 和 冰 消 期 之 间 的 热 量 和 水 分 循 环（Li et al，2016），冰层冻结和破裂过程会导致表面反照率、表面粗糙度和温度等的突然变化（Guo et al，2018）。湖冰衰退现象极大程度受到气温影响（Imrit and Sharma，2021），由于气候变暖，全球湖冰总体上处于衰退状态（Sharma et al，2019），主要体现在开始结冰日期延后、融化结束日期提前、冰期缩短（Benson et al，2011；Grant et al，2021）。在过去的150年里，北半球湖泊封冻持续时间平均缩短了28天，而近几十年来湖冰衰退速率更高（Woolway et al，2020）。目前，北半球约有15000个湖泊存在间歇性冰层覆盖的情况，极端无冰事件发生频率也在增加，预计未来北半球将有4.6%的湖泊会经历间歇性的冬季冰盖，美国北部、挪威和瑞典部分湖泊面临冰盖永久消退的可能。湖冰消失不仅将对自收稿日期：20211230；定稿日期：20220415资助项目：国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作重点专项（2019YFE0197600）；中国科学院“西部之光”项目（E129030101，Y929641001）；国家自然科学基金项目（41930759，41975081）作者简介：赵仪欣（1997-），女，河南人，硕士研究生，主要从事湖冰分析模拟研究.E-mail：通信作者：文莉娟（1978-），女，山西人，研究员，主要从事陆面过程与区域气候变化研究.E-mail：赵仪欣等：基于能量平衡的分析模型在青海湖湖冰模拟中的应用3 期然生态系统产生影响，比如水温上升，水中藻类大量繁殖，湖内生态群落发生改变等；还将造成社会经济影响，例如冬季文化传统的丧失，冰上交通和冰钓、滑冰等娱乐活动无法实现（Sharma et al，2019；Filazzola et al，2020）。青藏高原是地球上海拔最高、面积最大的高原，被称为“第三极”，其天然湖泊分布广泛，高原内陆湖泊群湖泊面积占中国湖泊总面积的一半以上（马耀明等，2021）。青藏高原是全球气候变化最敏感的地区之一，可以作为全球变暖的早期预警信号（Kuang and Jiao，2016）。青藏高原在过去几十年呈现出显著的增温趋势，这一增温状态未来将继续保持（Kang et al，2010）。21世纪青藏高原气候变暖将较中国其他地区更为明显，且冬季变暖程度比夏季更为强烈（Kang et al，2010；杨耀先等，2022）。现阶段，青藏高原大部分湖泊湖冰也呈现出了开始结冰日期延后、融化结束日期提前、冰期缩短的衰退特征（Guo et al，2020；Cai et al，2017；Qi et al，2019），但青藏高原湖冰生消过程变化较为复杂，也存在小部分湖泊冰期延长的现象（Cai et al，2019；Wang et al，2021）。青藏高原地域辽阔，人口稀少，环境总体比较恶劣，野外观测不易。湖冰的直接观测具有空间覆盖率低和时间不连续性的缺陷，且观测对象仅限于少数大型湖泊（Zhang et al，2020）。因此，遥感观测数据被广泛使用，但卫星遥感会受到天气、地形的影响，时间精度和空间分辨率有限（马耀明等，2021）。现阶段研究中，观测、遥感数据结合各种湖泊模式的研究方法被广泛应用（Lv et al，2019；Stepanenko et al，2019；张群慧，2021），气候模拟领域中湖冰模拟愈发受到研究者关注。准确模拟湖泊冰情的能力将是改进全球环流模型、区域气候模型和数值天气预报的重要方向（Brown and Duguay，2010）。但由于湖泊模式受到多种参数影响，其物理过程复杂以及物理框架的不足等，目前对湖冰的模拟效果并不理想。其中，LAKE模式对鄂陵湖冰期和湖冰消融日的模拟存在偏差（Li et al，2020），Flake模式在模拟青藏高原湖泊时无法呈现冰封期浅层水温廓线（Lazhu et al，2016）。为避免湖泊模式中多参数和复杂物理过程对湖冰模拟的影响，更直接、方便地研究湖冰变化，一些简单的湖冰模型也得以发展，例如：基于表面温度或气温可直接计算的冰厚模型度日法湖冰生长模型（Stefan，1891）、Zubov 模型（Maykut，1986）等。上述模型虽计算简单，但未考虑到太阳辐射等因素的影响。青藏高原平均海拔4000 m以上（Kang et al，2010），强太阳辐射影响着湖冰生消过程（Kirillin et al，2021；Lazhu et al，2021；Cao et al，2021）。因此，为了更加全面地分析湖冰生消过程，本研究引入基于能量平衡的湖冰模拟分析模型（Leppranta，2015），该模型与度日法湖冰生长模型在计算中有一共同参数冻结系数 A0，其选取对开始结冰时间、融化结束时间和冰层厚度都有影响，但已有的研究在青海湖的取值为0.91.56 cm(d)-1/2（曹娟等，2021）或1.11.4 cm(d)-1/2（汪关信，2020），二者范围均远小于理论值 3.3 cm(d)-1/2（Leppranta，2015），需进一步研究。因此本文将以青藏高原最大湖泊青海湖为研究对象，首先通过观测数据和度日法确定A0，进而应用度日法和基于能量平衡的分析模型模拟青海湖2018-2019年冰期湖冰状况，通过与观测数据对比，评估分析模型在青海湖的适用性，分析模型的应用将有助于探究湖冰变化的影响机理和预测青藏高原湖冰变化状况。2 研究区域、数据和方法 2.1研究区域青海湖位于青藏高原东北部，在青海省刚察县、共和县及海晏县交界处，海拔3196 m，湖北面是大通山，东面是日月山，南面是青海南山，西面是橡皮山（图1）。湖区范围为99.60E-100.27E，36.53N-37.25N。湖水容积785.2108 m3，最长约 109 km，最宽约 65 km（汪关信等，2021），平均水深18.3 m，最大水深26.6 m（青海省水利厅和青图1青海湖及环湖15个雷达测飞区域（圆点）、湖中11个MODIS LST取值点（三角）和气象要素数据观测点（五角星）Fig.1Qinghai Lake and the 15 radar flying areas around the lake（dots），the 11 MODIS LST sampling points inside the lake（triangles）and the meteorological element data observation points（pentagram）591高原气象42 卷海统计局，2015），湖水呈弱碱性，pH 值为 9.23，含盐量为 10.4 g L-1。青海湖是中国最大的湖泊，也是中国最大的咸水湖、内流湖，截至2019年其面积达4486.1 km（孙永寿等，2021）。青海湖处于我国东部季风区、西北干旱区和西南高寒区的交汇地带，属于高原大陆性气候，日照强烈，太阳辐射强，少雨多风，暖季短暂，冷季漫长，冬寒夏凉，气温日差较大。青海湖流域 1958-2019年平均气温上升了2.2，上升速率为0.37 （10a）-1，冬季气温升高最为明显，上升速率为0.52 （10a）-1。1956-2019年间青海湖降水量总体呈上升趋势，且蒸发量呈显著下降趋势（孙永寿等，2021）。青海湖湖水补给来源是降水、地表径流和地下水（周丹等，2021），每年获得径流补给入湖的河流有40余条，主要补给来自西部的布哈河、西北部的乌哈阿兰河、北部的沙柳河和哈尔盖河，上述4条河年径流量占入湖径流量的86%，其中布哈河和沙柳河入湖径流量占青海湖总水量补给的60%左右（孙永寿等，2021），1956-2019年间布哈河口水文站和刚察水文站的径流量监测数据均呈显著上升趋势。青海湖的冻结消融过程完整且稳定，每年12月中下旬或来年1月上旬开始冻结，来年4月上旬或中旬完全融化，几乎不存在反复冻结的情况（李晓锋，2018）。2.2研究数据2.2.1飞航式雷达湖冰测厚数据青海湖冰厚观测数据较少，本文选取了 2019年1月30日至2月1日、2019年3月1-3日和2019年3月22-24日在青海湖主体边缘共15个点飞航式测冰雷达所观测的湖冰厚度作为研究2018-2019年青海湖冰期的观测数据（曹娟等，2021）。2.2.2气象观测站数据刚察站是距离青海湖最近的国家基准站，本文所用刚察站气象观测数据来自国家气象科学数据中心（http：/ 2000-2017 年冬季青海湖冻结初日气温，用以验证冻结初日气温阈值选择结果。2.2.3青海湖湖面气象要素观测数据集青海湖湖面气象要素观测数据集（李小雁，2020；Li et al，2016，2018a）来自于国家青藏高原科学数据中心。观测点位于青海湖鱼雷发射基地站（36.590N，100.475E），下垫