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积雪、冻土作为冰冻圈的重要组成部分,在气候系统的不同时间尺度上均有重要作用。积雪能够改变地表能量平衡及水循环过程,进而影响区域乃至全球气候;冻土不仅可以改变地气间水热交换过程,而且还会通过改变冻土碳库影响碳循环从而导致气候变化。中国积雪区和冻土区面积分别占国土面积的85%和73%以上,可见在中国有相当一部分地区既是积雪区又是冻土区。在积雪冻土区,积雪和冻土相互作用使得它们对气候的影响更加复杂,但对目前对其机制的认识还欠缺,因此有必要开展积雪对土壤冻融过程及地表水热交换影响的研究。 黄河源区位于青藏高原东北部,是季节冻土和多年冻土区,同时也是重要的积雪区。本文利用黄河源区鄂陵湖流域的观测资料首先分析了积雪对土壤不同冻融阶段温湿变化的影响,其次对比分析了黄河源区多雪年和少雪年土壤冻融时间及水热分布的差异,然后利用CLM4.5模式对多雪年和少雪年土壤冻融过程中地表土壤热通量和土壤温湿变化进行了模拟,检验了CLM4.5模式在不同积雪覆盖条件下对土壤冻融过程的模拟能力,最后通过敏感性试验,分析了积雪的开始、持续时间对冻土温湿变化的影响。结果表明: (1)积雪在土壤不同冻融阶段影响不同:在黄河源区土壤冻结(消融)阶段,土壤为热源(热汇),积雪的存在使得土壤向大气(大气向土壤)输送的热量明显减少,导致浅层土壤日最低温度升高(日最高温度降低),积雪对土壤起到保温(降温)作用,从而减缓土壤温度变率,影响土壤冻融时间。在土壤冻结阶段的降雪过程中,积雪的存在导致20 cm土壤冻结过程延长,而在土壤消融阶段的降雪过程中,导致5 cm和10 cm土壤消融过程延长。 (2)在土壤冻结和消融阶段的降雪过程中,积雪不仅可通过自身的消融直接影响浅层土壤含水量,也可通过影响土壤温度来间接影响土壤含水量,不同的是,在土壤冻结阶段降雪过程中,5 cm和10 cm土壤含水量增加,而在土壤消融阶段降雪过程中,5 cm和10 cm土壤含水量减小。在土壤完全冻结阶段的降雪过程中,积雪对浅层土壤含水量的直接和间接影响都较小。 (3)多雪年地气间热交换程度明显弱于少雪年,且地气间热交换方向的转变时间即土壤由热“源”转为热“汇”的时间晚于少雪年。多雪年3月中旬土壤由热“源”转为热“汇”,而少雪年在2月底土壤就发生了由热“源”向热“汇”的转变,使得多雪年1-3月土壤回温过程慢于少雪年,从而导致多雪年土壤消融较晚,5、10、20和40 cm土壤消融时间分别少雪年晚24、23、11和12天,土壤含水量开始增加时间较晚。 (4) CLM4.5模式能较好地模拟出多雪年和少雪年土壤温度变化及5 cm和40cm土壤含水量在冻结和消融过程中的突减和突增变化,突减和突增时间与观测较为一致。对于地表土壤热通量的模拟,少雪年模拟结果明显优于多雪年。 (5)积雪的开始和持续时间不同,其影响不同:积雪在1月对各层土壤起保温作用,而在2-3月,对各层土壤起降温作用,佐证了积雪是造成多、少雪年1-3月土壤温度差异的原因之一。另外,由于3月积雪持续时间较短,其对土壤的降温作用较弱。多雪年1-2月积雪对土壤含水量和含冰量的影响均较小,但在3月积雪消融下渗,发生冻结,使得5 cm土壤含冰量增加。