北疆积雪中吸光性物质时空分布及其对积雪消融的影响

Light absorbing impurities (LAIs, e.g., black carbon, organic carbon, and mineral dust) deposited on snow and glaciers reduce the albedo and accelerate their melting. Northern Xinjiang is a typical arid and semi-arid inland, the accelerated snow melt lead to frequent snowmelt flood which is a serious threat to the local socio-economic development and ecological security in recent years. In this project, based on 3 reference stations, 10 fixed observation stations and 1 test area we have established in northern Xinjiang, the spatiotemporal variations and the transformation of the LAIs will be investigated by the field observation and laboratory analysis. The SNow ICe Aerosol Radiative (SNICAR) model is used to simulate the effects of LAIs on snow albedo reduction. Based on the Snow Runoff Model (SRM), the effects of LAIs on snowmelt runoff will be quantified in the test area. Overall, the research results are expected to provide valuable and fundamental scientific basis for promoting the research in hydrological cycle in cold regions of northern Xinjiang.

沉降在雪冰表面的吸光性物质（如黑碳、有机碳、粉尘等）是降低雪冰反照率和加速雪冰消融不可忽视的重要因素。北疆是典型的内陆干旱半干旱地区，近年来该区域积雪加速消融导致融雪性洪水频发，对当地社会经济发展及生态安全造成严重威胁。本项目依托北疆3个基准观测站、10个固定观测点和1个试验区，通过实地观测和实验室分析，获取北疆积雪中吸光性物质含量的时空分布特征及迁移、富集过程，利用SNow ICe Aerosol Radiative（SNICAR）模型量化积雪中吸光性物质对积雪反照率降低的影响，结合融雪径流模型，在试验区定量评估北疆积雪中吸光性物质含量变化对积雪消融量和消融时间的影响。该项目不仅有助于理解吸光性物质对积雪消融影响的潜在机理，而且可以为促进北疆寒区水文循环与过程研究提供重要科学依据。

北疆是典型的内陆干旱半干旱地区，近年来该区域积雪范围显著缩小，雪深呈增加趋势，积雪的加速消融导致融雪性洪水频发，对当地经济社会发展及生态安全造成严重威胁。除受气候因素影响外，积雪的快速变化还与吸光性杂质（LAIs）（黑碳（BC）、有机碳（OC）、矿物粉尘（MD）等）密切相关。沉降在雪冰表面的LAIs是降低雪冰反照率和加速雪冰消融的重要因素。但在北疆仍缺乏对积雪中LAIs的连续观测及其对积雪消融影响的量化研究。基于此，本项目通过实地观测和实验室分析，获取北疆积雪中LAIs含量的时空分布特征及迁移、富集过程；利用SNICAR模型模拟了LAIs对积雪反照率降低的影响；结合积雪消融模型，定量评估了消融期LAIs对积雪消融日数的影响；同时，利用WRF-Chem模式模拟了北疆积雪中LAIs的潜在来源，为该地区节能减排提供了数据支撑。研究得到以下主要结论：（1）北疆积雪中LAIs含量呈现西多东少、南多北少的空间分布差异，BC、OC、MD含量范围分别为32-8841 ng g-1，77-8568 ng g-1，0.5-236 µg g-1。（2）定点连续观测的结果显示，从积雪累积期至消融期，雪坑剖面LAIs含量最大值出现雪表，消融期LAIs强烈富集于雪表，向下迁移和后沉积量相对较少。（3）与MD相比，BC对积雪反照率、辐射强迫和积雪消融日数的影响占主导地位。MD、BC以及BC+MD对积雪反照率降低的贡献率分别为3%、17%、18%，引起的辐射强迫分别为0.7±1.3 W m-2、5.5±7.0 W m-2、5.7±7.1 W m-2，BC和MD共同作用导致消融期积雪日数缩短3-6天。（4）WRF-Chem模式模拟北疆积雪中BC和OC潜在来源结果显示，本地释放源是北疆积雪中LAIs的主要来源。其中，居民源对BC和OC含量的贡献最大，尤其对OC的贡献更为显著。这些结论为理解北疆融雪水文过程提供了重要科学依据。