降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响——以北麓河地区为例

张明礼， 王 斌， 王得楷， 叶伟林， 郭宗云， 高 樯， 岳国栋

（1.公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心（甘肃路桥建设集团有限公司），甘肃兰州730030；2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州730000；4.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州730000）

0 引言

太阳辐射是生态系统中动、植物生命活动的根本能源，是驱动天气、气候形成和演变的基本动力［1］。青藏高原因其特殊的动力和热力作用，其多年冻土典型下垫面对气候变化极其敏感［2］。地表辐射分量特征、反照率变化和能量平衡是全球气候变化研究中重点关注的方面，对整个高原区域气候环境产生显著影响［3］，分析多年冻土区地表辐射特征及其对气象因素的响应对青藏高原寒区工程建设和冻土生态环境保护有积极作用。

目前，典型下垫面的地表辐射特征分析已成为全球气候变化研究的焦点［4-5］。学者们在高原典型地区建立气象站获取了大量高精度气象资料，研究青藏高原多年冻土区的地表辐射特征和能量平衡过程［6-7］。周万福等［8］分析了高原地区两种不同下垫面辐射平衡及各分量的季节变化、日变化和年变化特征；蒋熹等［9］分析了多年冻土区地表各类辐射以及反照率的季节变化和日变化规律；次仁尼玛等［1］分析了地表辐射平衡月季变化特征和云对太阳总辐射的影响；马金玉［10］等研究了近50年全国太阳辐射的年际、季节的长期变化特征；张中琼等［11-12］分析了沥青路面和天然地表等不同地面类型在辐射特征方面的差异。此前在高原地区开展的地表辐射收支和能量平衡研究主要针对不同下垫面类型、季节或特殊时段，并没有很好地揭示高原寒区陆面辐射收支和能量平衡的气象影响规律，影响了对高原陆面过程地-气系统的深入了解。地表反照率表征地球表面对太阳辐射的反射能力，决定着地表与大气之间辐射能量的分配过程，也是影响地球气候系统的关键变量［13］，姚济敏等［14］对比分析了多年冻土区与季节性冻土区地表反照率的差异；杨成等［15］分析了多年冻土区单点地表反照率的季节变化、日变化和区域地表反照率夏、冬季节的空间分布；张乐乐［16］等讨论了高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响。这些研究主要集中在冻土类型、季节变化特征、土壤含水量等因素影响下地表反照率的变化特征。已有研究均不能反映气象因素实时变化尤其是降雨变化对多年冻土区地表辐射及反照率变化特征的影响。近年来，高原气候趋向暖湿化［17-18］，青藏高原多年冻土区大部分地区降水变化趋势在波动中上升［19］，文献［20］表明，降雨通过改变地表辐射影响冻土温度和活动层厚度。开展降雨作用下多年冻土区地表辐射变化研究，对分析暖湿化背景下冻土环境变化和修正寒区热工计算的边界条件等具有重要的科学意义和现实意义。

以青藏高原北麓河气象站地表稀疏植被多年冻土天然场地2003—2014年的基本气象资料为基础，分析了多年冻土地区降雨影响下辐射分量、净辐射以及地表反照率的日间变化、年际长期变化特征，为暖湿化气候背景下多年冻土区地表辐射研究及热工计算中热边界的确定提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 试验场地概况与监测内容

试验区北麓河气象站位于青藏高原可可西里与风火山之间、北麓河盆地南部，属冲、洪积高平原地貌。试验场地地势开阔，地面高程4 620 m，年平均气温为-3.8℃，年平均降雨量290.9 mm，年平均蒸发量1 316.9 mm［21］。试验场地多年冻土上限为2.5～3.0 m，天然地表下0～1.0 m为砂黏土，1.0～2.5 m为亚黏土，上限以下存在0.5 m厚含土冰层，含土冰层以下以全风化棕红色泥岩为主。天然场地和气象站观测场地平坦开阔，地表由稀疏短草覆盖，下垫面水平均匀，监测点植被覆盖率10%～20%（图1）。

图1 观测场地概况Fig.1 General situation of observation site

气象站观测数据包括空气温度、降水量、地表辐射四分量（大气短波辐射、地面反射短波辐射、大气长波辐射、地面长波辐射值）；土壤浅层热通量（HFP01热流板，地表下5、15 cm）及温度（STP01土壤温度，地表下2、5、10、20、50 cm）；降水采用T200B雨量计采集。采用一台CR10X数采仪采集数据，数据采集每0.5 h记录一次。监测时间区段为2003年9月27日—2014年1月5日。

1.2 试验场地降雨特征与数据处理

假设日平均气温小于0℃时的降水为降雪，由于较高的地温使降雪短时间融化，监测场地基本不存在长时间积雪覆盖，降雪对北麓河地区影响较小［20］，2013年全年总降水量318 mm，其中降雪量10 mm，降雨量308 mm，年降雪量占总降水量3.1%，降水主要以降雨为主。图2给出了监测场地2013年0.5 h降水变化和年降水累积状况以及地表以上2 m处气温变化图，受夏季东南季风的影响，大部分的降雨和所有的较大降雨事件发生在6—9月。根据国家气象局颁布的降水强度等级划分标准，把天气状况按照12 h累积降雨量分为四类：大雨（15～29.9 mm）、中雨（5～14.9 mm）、小雨（＜5 mm）、晴天，表1给出了2013年7月北麓河地区降雨频次统计表，其中7月份降雨54次，日平均降雨次数1.8次，降雨量小于5 mm的为47次，且降雨持时普遍较短。可见，降雨频率高、单次降雨量少是北麓河地区降雨的主要特点。

表1 2013年7月北麓河地区降雨频次统计表Table 1 Statistical table of rainfall frequency in Beiluhe area in July 2013

图2 2013年降水与气温变化Fig.2 Precipitation and temperature change in 2013

地表净辐射Rn为地表吸收的太阳总辐射和大气逆辐射与地表辐射之差，即可由实测辐射四分量求得［22］：

式中：Rsd、Rsu、Rld、Rlu分别为太阳短波辐射、地面反射短波辐射、太阳长波辐射、地面长波辐射值。

地表反射率为地面反射辐射量与入射辐射量之比［23］，可以表示为：

式中：RS↓和RS↑分别为总辐射和反射辐射。

2 结果与分析

2.1 降雨对辐射四分量的影响

图3 （a）～3（d）给出了2013年7月12日—2013年7月19日青藏高原北麓河地区地表辐射四分量随降雨变化的关系。可以看出，太阳短波辐射、地面反射短波辐射、地面长波辐射短期内日间变化特征均呈现倒“V”字型波动，而太阳长波辐射则呈现不规则波动特征。在此阶段，共有5次明显的持续降雨活动，7月12日16时30分—7月13日9时累积降雨6.7 mm（北京时间，下同），降雨后太阳短波辐射日峰值较降雨前减小了101.5 W·m-2，地面反射短波辐射减小104.1 W·m-2，地面长波辐射减小45.6 W·m-2，太阳长波辐射增大29.9 W·m-2；这是因为阴雨天有云的情况下，到达地表的太阳辐射通量主要取决于太阳天顶角和云的光学厚度（后者是云水含量和粒子尺度分布的函数），太阳短波辐射受云的遮挡被严重削弱，太阳长波辐射却随天空云量的增多而增强，但增幅不大，体现了云在地气系统中的保温作用；地表反射辐射取决于太阳高度角、地表覆盖类型、土壤含水量等决定反照率的因素，阴雨天，土壤含水量增加，且地表接收的太阳短波辐射能量减少，地表辐射长波的能力减弱，导致地表反射辐射通量均减少；7月13日17时—14日11时降雨7.3 mm，7月15日18时—16日3时降雨16.8 mm，降雨前后地表辐射四分量平均值的日峰值变化呈现出与前一次强降雨相同的规律，即太阳短波辐射、地面反射短波辐射、地面长波辐射日峰值减小，太阳长波辐射值增大，且变化值较大；7月16日15时30分—17日1时30分降雨2.5 mm，太阳短波辐射、地面反射短波辐射、地面长波辐射日峰值有所回升，但仍然低于晴天的辐射日峰值，太阳长波辐射值基本维持在330 W·m-2，说明较小降雨量对辐射四分量的影响较小；17日17时—18日2时累积降雨4.5 mm，太阳短波辐射日峰值较降雨前减小了31.2 W·m-2，地面反射短波辐射增大12.5 W·m-2，但仍然低于晴天反射短波辐射日峰值，地面长波辐射减小9.5 W·m-2，太阳长波辐射减小16.5 W·m-2，但仍然高于晴天太阳长波辐射日峰值，此次少量、短期降雨作用下辐射四分量日峰值变化仍然较小。可见，降雨影响辐射四分量，影响程度与降雨强度有关，短期、少量降雨对辐射影响较小，而连续、较强降雨对辐射分量的影响较明显；降雨作用会降低太阳短波辐射、地面反射短波辐射和地面长波辐射，而降雨对太阳长波辐射的影响规律则相反，降雨作用后，太阳长波辐射较大，而在晴朗天气里较小。此外，辐射分量日峰值出现的时间相对于降雨时间有滞后现象，这是因为北麓河地区降雨多发生于夜间，而夜间太阳辐射通量为0，日出后各辐射分量达到峰值有一个相对滞后的过程；地表辐射通量与地表温度和含水量密切相关，而降雨入渗和地表吸收辐射增温也相对滞后，这导致辐射分量与降雨量变化不同步。

图3 降雨与辐射四分量的日变化关系Fig.3 Diurnal variation of rainfall and radiation components

为了进一步分析降雨量对地表辐射特征的影响，分别计算受四类天气影响时各辐射分量的日积分值（表2），从表中可以看出，四类天气状况下的辐射分量具有明显的日变化特征。从各辐射分量的日积分值来看，受降雨影响，短波辐射被严重削弱，地面长波辐射削弱程度较浅，而太阳长波辐射增强。与晴天相比，小雨（7月14日晚）作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少24.6%、37.9%、4.2%，太阳长波增加了4.3%；中雨（7月12日晚）作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少32.2%、43.4%、1.7%，太阳长波增加了11.6%；大雨（7月15日晚）作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少56.3%、65.5%、4.4%，太阳长波增加了10.7%，这也说明降雨对辐射分量的影响程度与降雨强度相关。为进一步明确降雨对多年冻土区地表辐射的长期效应，图4给出了2008—2013年地表辐射四分量随降雨年际变化关系。可以看出，太阳短波辐射、地面反射短波辐射、地面长波辐射随降水量增加呈减小趋势，而大气长波辐射随降雨量变化呈现出不规则变化规律，其主要原因是大气长波辐射受气候系统周期活动和天空云量影响较大。降雨与辐射四分量之间的年际变化关系中，有个别年份降雨与辐射四分量之间的变化规律出现了反常情况，如：2012年，年降水量较上一年降低了58 mm，而太阳短波辐射减少了1 W·m-2，地面长波辐射与上一年持平，但是从图4（a）、4（d）可以看出，太阳短波辐射和地面长波辐射却有随年降水量减少而增加的趋势，并且在下一年降水量持续降低的情况下太阳短波辐射和地面长波在不断增加。这种反常现象的主要原因是2011年年降水量相对2010年增幅较大，达141 mm，而阴雨天随着天空云量的增多，地表接收的太阳短波辐射能量减少，地表辐射长波的能力减弱。由于2011年降水量增幅较大，导致降雨对太阳短波辐射和地面长波辐射的削弱作用持续时间较长，因此出现了2012年的年降水量较上一年降低，而太阳短波辐射减少、地面长波辐射与上一年持平的反常现象。

图4 降水与辐射四分量之间的年际变化关系Fig.4 Annual variation of rainfall and radiation components

表2 辐射分量的日积分值（单位：MJ·m-2·d-1）Table 2 Daily integral values of each radiation components（unit：MJ·m-2·d-1）

2.2 降雨对地表净辐射的影响

图5 给出7月12日—16日地表净辐射随降雨变化关系。可以看出，净辐射短期内日变化特征呈现出“早晚低，中午高”的变化趋势，主要是由于早晚太阳高度角较小，到达地面的太阳总辐射值较小，导致地面吸收的净辐射很少，中午则相反。在此阶段，共有2次明显的持续降雨活动，表3给出了此时间段内两次降雨活动前后的地表净辐射日峰值对比结果，7月12日16时30分—7月13日9时累积降雨6.7 mm，降雨后地表净辐射日峰值较降雨前增大47.3 W·m-2；7月14日2时—14日11时降雨6.6 mm，降雨后地表净辐射日峰值较降雨前增大33.8 W·m-2；随后天气转晴，地表净辐射平均值有所回落。从表2中不同天气状况下地表净辐射日积分量也可以看出，降雨对地表净辐射有增强作用。与晴天相比，小雨、中雨、大雨状况下净辐射日积分量分别增大12.6%、12.5%、25.2%。这里小雨天气导致的净辐射日积分量增大值大于中雨天气状况下净辐射日积分量增大值，其主要原因是选取的中雨天气状况为2013年7月12日晚—7月13日早上，小雨天气选取为2013年7月14日，监测数据显示13日一整天伴随有零星小雨发生，因此，12日的中雨和13日的零星小雨持续作用导致14日小雨发生后对净辐射的增强作用明显增大；并且12日中雨发生时的累积降雨量为6.7 mm，这与小雨和中雨降雨量的临界值5 mm相差不大，那么此次中雨对净辐射的增强作用也不大，此双重作用导致小雨天气下的净辐射日积分量增大值大于中雨状况下净辐射日积分量增大值。而大雨作用下的日积分量增大值远大于小雨和中雨状况。可见，短时间范围内连续降雨对净辐射影响较明显，降雨会增大地表净辐射平均值，其影响程度与降雨强度呈正相关。但2009—2013年该地区地表净辐射值波动较小，在长期时间范围内净辐射年平均值并未随年降水量变化而发生明显变化（图6）。主要原因是监测地区多为高频、少量型降雨，且降雨持续时间较短，因此在长期时间尺度上对地表净辐射的影响较小。

图5 降雨-地表净辐射日间变化Fig.5 Diurnal variation of rainfall and net radiation

表3 降雨前后净辐射日峰值对比Table 3 Daily peak value of net radiation before and after rainfall

图6 降水-净辐射的年际变化Fig.6 Annual variation of rainfall and net radiation

2.3 降雨引起的地表反照率变化特征

地表反照率代表了地表对太阳辐射的反射能力，它是温度场数值模拟和地面能量平衡方程中的一个重要参数。准确地测定地表反照率是地表辐射平衡和气候研究中的一项重要工作。图7给出2013年7月12日—15日反照率随降雨变化的关系。可以看出，降雨影响下的地表反照率变化特征仍然呈现出一般的“U”型分布规律，但是形状不规则。7月12日16时30分—13日9时降雨6.7 mm，随着雨水下渗，浅层土壤含水量增大，13日下午时段反照率较晴日明显偏低，主要原因是土壤含水量增加，大大削弱了太阳高度角对反照率的增大作用（图8）；但随着13日白天天气转晴，入射辐射增多，地表温度回升，土壤体积含水量逐步减小，14日上午反照率迅速恢复；7月14日白天小型降雨作用下，导致14日下午地表反照率低于正常值，但变化范围较小；从图中可以看出，多年冻土区降雨活动会对地表反照率的“U”型分布产生影响，降雨期间反照率变化不大，降雨后地表反照率减小，并且高强度降雨对反照率变化特征的作用效果较明显，而小型降雨对反照率的影响则较小。

图7 降雨对地表反照率的影响Fig.7 Effects of rainfall on land surface albedo

图8 含水量对地表反照率的影响Fig.8 Effects of water content on land surface albedo

Dickinson等［24］给出地表反照率与土壤含水量的经验关系：

式中：α为地表实时反照率；αs为饱和土壤地表反照率；Δαg为由于土壤脱湿干燥引起的反照率增加；θl为土壤含水率。由于水的反射率非常小，并且包裹在土壤粒子外围的水分增加了对太阳光的吸收路径，所以土壤湿度越大反照率越小［24］，这也解释了本文降雨后地表反照率减小的现象。

3 讨论

在降雨作用下的冻土水热稳定分析中，会涉及到一个随大气条件而改变的水热边界条件确定的问题［25］。降雨引起净辐射的变化必然改变地表能量分配，进而影响降雨伴随的蒸发、入渗过程。因此，确定冻土-大气相互作用的边界条件，考虑降雨过程对地表反照率的影响，对多年冻土水分和能量收支平衡至关重要。目前，多年冻土区热工计算中温度场边界多采用第一类边界条件，这需要对研究地区冻土温度状况进行长期的监测，并根据“附面层原理”［26］拟合数据得到经验公式，进而确定温度场边界条件。然而，随着所处地区的不同，边界处的温度必然随之改变，第一类边界条件在实际工程中存在较大误差。本文监测结果表明：受降雨影响，地表辐射各分量被不同程度的削弱或增强；降雨作用通过增大地表土壤含水量减小地表反照率、增加地表净辐射。净辐射的改变必然影响地表温度边界，而决定冻土地区地表温度的真实因素是地气之间的能量交换。为了反映冻土与大气之间的能量交换，需要将野外条件下降雨、蒸发、辐射变化引起的水分和热通量边界作为温度场边界条件。即以实测的地表微气象数据计算地表的能量，以获得地表热通量，并以此地表热通量作为数值模拟的温度场第二类边界条件（Neumann边界条件）。通常用地表能量平衡方程表示地气能量交换［27-28］：

式中：Rn为地表净辐射；Hs为感热通量；LwE为潜热通量；E为地表水分蒸发速率；G地表热通量。通过计算Rn、Hs和LwE并将其代入式（5）即可获得地表土壤热通量边界，进一步得到数值模拟的温度场边界条件。

实质上降雨通过改变地表能量分配和土壤水热运移过程影响多年冻土［29］。从地表能量平衡的角度分析，降雨作为能量冷脉冲作用于地表，使得地表热通量整体减少［30-31］，对冻土有降温效果，有利于冻土稳定性。本文监测结果表明，降雨后由于地表含水量较高，地表反照率降低，净辐射增大，不利于冻土的热稳定；但降雨导致地表净辐射增大的同时，增大地表蒸发量，减小地表热通量（图9），有利于冻土的热稳定。可见，降雨对多年冻土的热效应存在分歧。

图9 降雨对土壤热通量的影响Fig.9 Effects of rainfall on soil heat flux

因此，对于缺乏土壤热通量监测的实际热工问题，要明确进入土壤内部的土壤热通量究竟是增大还是减少，就必须结合式（5）确定。净辐射除了受降雨的影响，还与云、季节变化、地表植被类型以及土壤湿度等因素有关，感热通量主要受净辐射的驱动，潜热通量的变化除了受净辐射的影响，还与下垫面土壤湿度密切相关［32］，仍需要结合地表能量平衡理论解决地表热边界问题，以及建立降雨入渗-蒸发和水汽运移耦合理论模型解决土壤内部能量定量传输问题。此外，由于监测场地降雨多为高频、少量降雨，降雨持时较短，年际降雨波动极大，导致监测时段内降雨对地表净辐射长期时间尺度上的影响不明显。而在青藏高原暖湿化背景下［17-18］，冰川积雪消融引起了冻土下垫层含水量增加以及年降水量总体呈现增大趋势，势必对长期时间尺度上的地表辐射产生影响。今后的研究将重点关注降雨季节变化、积雪消融和地表覆盖等因素对冻土区地表辐射特征产生的影响，寻求反照率和含水率的内在关系，确定地表反照率的计算方法；结合长期降水（雨、雪）变化与辐射的关系对冻土热工计算模型中输入的边界条件进行修正，为寒区工程建设提供依据和参考。

4 结论

以青藏高原多年冻土区北麓河气象站2003—2014年地表辐射四分量、降雨资料和浅地表含水量、反照率、热通量为基础，分析了降雨作用下地表辐射特征变化，得出以下结论：

（1）受降雨影响，辐射分量具有明显的日变化变化特征，小雨作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少24.6%、37.9%、4.2%，太阳长波增加了4.3%；中雨作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少32.2%、43.4%、1.7%，太阳长波增加了11.6%；大雨作用后，太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少56.3%、65.5%、4.4%，太阳长波增加了10.7%，辐射分量日峰值的出现时间滞后于降雨时间，降雨对辐射分量的影响程度与降雨强度呈正相关；降雨影响下辐射各分量年际变化特征呈现出相同的规律。

（2）与晴天相比，降雨会增大地表净辐射平均值，小雨、中雨、大雨状况下净辐射日积分量分别增大12.6%、12.5%、25.2%，其影响程度与降雨强度呈正相关，但是受降雨持时的影响会出现反常现象；净辐射对降雨变化的响应有滞后效应，短时间连续降雨对净辐射影响较明显，长期时间尺度上降雨对地表净辐射的影响不明显。

（3）降雨通过改变土壤含水量影响地表反照率，且影响程度与降雨强度呈正相关，降雨作用后地表反照率减小，呈现出不对称的“U”形日变化特征，早晚大，中午小；地表反照率对降雨变化的响应有滞后效应。

（4）对于缺乏土壤热通量监测的实际热工问题，特别是气候暖湿化背景下的热工计算，为反映冻土与大气之间的物质和能量交换，需要将降雨变化引起的水分和辐射热通量边界作为数值模拟的温度场边界条件。即以实测的地表微气象数据获得地表热通量，并以此为数值模拟的温度场第二类边界条件。