山地冰川表面能量-物质平衡及边界层特征的数值模拟研究

Based on the previous project "Study on the distributed surface energy and mass balance model for mountain glaciers", we should continue to carry out the comprehensive field observations, further test and verify the preliminary established glacier mass balance model, and try to use the regional atmospheric modeling system (RAMS 6.0) to study the surface energy and mass balance characteristics of a mountain glacier. The Large Eddy Simulation model (LES) in RAMS will be utilized to analyze the turbulent structure and airflow as well as the related exchange /transmission of energy/masses for the glacier surface boundary layer and the atmospheric boundary layer over the mountain. From the perspective of the climate‐cryosphere interaction, the response of glacier mass balance to climate change, and the process of glacier melt runoff will be discussed. From a methodological point of view, the possibility of coupling surface energy-mass balance model for mountain glacier with mesoscale meteorological model will be explored. On this basis, it is significant to the further studies on climate-glacier-meltwater runoff in China in the future. And also it will greatly enrich the interdisciplinary researches in the cryospheric and atmospheric sciences.

山地冰川和自由大气（气候变化）之间的相互作用，包括多尺度系统之间的相互联系，冰川边界层为其中一重要桥梁。本项目以前期基金项目"山地冰川表面分布式能量-物质平衡模型研究"为基础，除进一步加强野外观测，完善和验证初步建立起来的模型外，尝试将中尺度气象模式引入到山地冰川表面能量-物质平衡的研究中来，分析冰川边界层特征以及与之密切相关的能量-物质交换和输送特征及其变化规律，研究山地冰川区局地环流特征及冰面与自由大气的物质、能量输送机制。从冰-气相互作用的角度出发，从机理上探讨冰川物质平衡对气候变化的响应以及冰川融水径流过程，从方法上探索山地冰川能量-物质平衡模型与中尺度气象模式耦合的可能性。这为进一步开展气候-冰川-融水径流系统研究具有重要意义，也将极大丰富我国冰冻圈与大气科学相关领域的研究内容。

本项目立足于我国西部青藏高原山地冰川，以冰川流域气象水文、能量/物质平衡、冰川局地环流/边界层特征野外综合观测及遥感反演等为基础，开展青藏高原山地冰川能量-物质平衡及冰川局地环流/边界层特征的观测与模拟研究，揭示冰-气相互作用的规律。通过研究，获得以下研究成果：1)七一冰川表现出明显的冰川风特征,同时叠加有一般概念的山谷风环流。白天，冰川上行风（谷风）和下行风（冰川风）的辐合有利于将冰面以及谷底上升气流带来的水汽进一步抬升凝结，从而成云致雨/雪，增加物质收入且消弱冰川上部入射短波辐射量。夜间时段，风向转向，风向相背使得低层辐散，有下沉气流，冰川上晴空少云，有利于辐射降温增加冷储。这种冰川局地环流/边界层特征，使得冰川具有自我维护机制。2）冰川区气温递减率具有明显的日变化和季节变化特征，冰川区气温插值和资料插补需要考虑这种因素。3）冰川表面温度因局地地形、冰面状况（污化）而存在较大差异。总体来说，反照率偏低的污化冰面表面温度比非污化冰面表面温度略低。表面温度有随海拔高度升高而降低的趋势，但最低温度并不一定出现在海拔最高处。4）得到了能量平衡各分量特点，暖季净辐射为冰川表面主要能量收入源，并以冰雪消融方式耗热为主，其次为潜热耗热。而在冷季（秋、冬），净辐射为负，潜热也为负，感热为主要能量收入，消融停止，能量平衡项主要为冷储的方式使冰川表面温度降低。春季，有少量的能量供于消融耗热。净辐射量随着海拔高度升高而降低，收入能量感热的比重随海拔高度增加而增加。总体来说，湍流热通量的数值，冬季最大，夏季最小。5)评估了气象模式水平分辨率差异在青藏高原复杂地形条件下模拟结果的差异，分辨率提高，并不一定会使所有要素模拟效果得到提高。6）降水同位素分析及遥感反演了冰川雪线高度及高原地区边界层高度的分布特征，为后续研究彼此之间的相互联系提供参考。