0 引言

小气候是指在局部地区内，因下垫面局部特性影响而形成的贴地层和土壤上层的气候［1］．理论上，地表是大气圈热能和水汽的直接来源，了解大气的近地层情况，对理解区域气候和能水转换过程有很大的帮助．目前，小气候的研究主要针对农业、森林、城市、山地、绿洲、高原等多个下垫面［2－4］，通过对这些不同下垫面上小气候变化规律及效应等的研究，为改善区域小气候变化及控制环境问题等提供了可靠的依据．

随着冰雪区测试技术和计算方法的不断完善和发展，对冰川区独特下垫面形成的小气候特征也做了相应调研［5－6］，这对研究冰川变化及物理过程分析有重要的参考价值［7］．山地冰川被公认为气候变化敏感的指示器，而处于中海拔地区的冰川更是由于对气候变化反应强烈而成为人们研究的重点目标［8－9］．天山托木尔峰地区是天山最大的现代冰川作用中心，总面积2 746．3 km2，约为珠穆朗玛峰地区冰川总面积的1．7倍［10］．托木尔型山谷冰川是该地区最为发育的一类大型冰川，其中，冰川消融区内表碛的发育是该类型冰川最突出的特征之一．表碛物根据其厚度和空间连续性的不同，一方面会减小地表反照率，增加太阳辐射的吸收，促进下面冰层的消融;另一方面由于其阻热作用，会抑制下部冰层的消融，这两种不同的结果必然影响到冰川的发育、冰川形态的演化以及冰川对于气候变暖的响应［11－12］．随着全球气候变暖，科其喀尔冰川呈现出强烈的融化和退缩趋势［13］，并将持续较长时间［14］．在这种情况下，有必要对表碛区小气候特征进行分析研究．韩海东等［10］对科其喀尔冰川气象特征做了研究，但其主要目的是对整个冰川区气候特征的分析，以及对冰川上不同海拔高度各特征量进行对比．本文利用2009年气象观测资料，对科其喀尔冰川表碛区的局地气候特征进行更为具体的分析研究，以期对该区各气候特征分量更加全面的了解，从而为进一步研究该区的环境状况、冰川消融特征、物质平衡与能量平衡等过程提供参考和理论依据．

1 观测站点及仪器介绍

科其喀尔冰川位于新疆温宿县北部，托木尔峰山汇南部，依据冰川的发育条件和物理性质，属亚大陆型冰川;依据冰川的地貌形态，属于托木尔型山谷冰川［10］．以往的研究表明［10］，就整个冰川来看，最冷月为1月，最热月为7月，主消融期为5－9月，9月末至10月初冰川消融结束．受地形和下垫面条件的影响，山谷风和冰川风非常发育．降水主要集中在冰川消融期的5－9月，约占全年总降水量的80．0%．

本文选取科其喀尔冰川3号观测点(41．7°N，80．1°E，海拔3 212 m)表碛区为试验场，表碛主要由灰色、深灰色花岗岩颗粒碎屑和岩块组成．根据观测人员现场观测评估，下垫面岩块的平均直径约为0．2 m，观测场地周围零星的分布着少许植被．试验场的地理位置和气象站状况如图1．

观测系统主要为一台自动气象观测站，观测传感器包括风速风向、温度、相对湿度、地温传感器，及总辐射、反射辐射、净辐射传感器等，具体情况见表1．数据采集器为CR1000，每1 h记录1次．气象站东侧3．0 m处布设一台自制总雨量桶进行雨雪量的观测．

研究时段为2009年全年，需要指出的是:各辐射通量、温度、风速风向等数据在9－12月有部分缺失，其中，9月一天内较为完整的数据有14 d，10月有19 d，11月和12月均仅有10 d．因此，在进行各分量的统计时没能给出9－12月月均值，仅给出了一年整体的变化趋势，本文所用时间均为北京时间．

2 结果分析

2．1 辐射通量

2．1．1 辐射通量的年变化

图2为2009年科其喀尔冰川3号观测站表碛上各辐射通量变化状况，包括总辐射、反射辐射和净辐射．其中，对总辐射和反射辐射的数据以太阳高度角进行订正，将太阳高度角小于0°的数据标记为0．

太阳总辐射是收入的能量部分，它对地表的能量平衡、地气能量交换以及各种天气气候的形成有决定意义［15］．通过总辐射的日均变化可以看出(图2)，总辐射夏秋季较大，冬春季较小．对现有数据(1－8月)统计结果(表2)显示，总辐射月均最高值为576．3 W·m－2，出现在 5月，最低值为400．7 W·m－2，出现在1月．与总辐射的日均变化相反，反射辐射的日均变化表现为夏秋季较小，冬春季较大，主要是受到下垫面状况变化的影响．冬春季下垫面有积雪覆盖，反射辐射较大;夏秋季积雪完全融化，下垫面为颜色较深的砂砾石覆盖，并且降水多，土壤体积含水量增加，使得由地面反射的辐射较小．相应的，地表反照率也表现出夏秋季较小，冬春季较大的特点．根据地表反照率的日均变化(图3)，可以判定1－4月初、9月初、10月中旬、11－12月有积雪覆盖．净辐射夏秋季比冬春季要大很多，月均最高值为104．7 W·m－2，出现在7月份;最低值为－19．9 W·m－2，出现在1月．结合表2和图2，净辐射强度在1、2、11、和12月均为负值，即该月份内总辐射月总量为负，说明冰川

表碛区总体放出能量，这在一定程度上抑制了表碛下冰川的消融，有利于冰川的发育．

2．1．2 辐射通量和地表反照率的日变化

该区典型晴天日下各辐射通量日变化均呈现出标准的抛物线形态，符合晴天日辐射通量日变化的一般规律［16］．日辐射通量瞬时值最大可达1 013．0 W·m－2．图4为该表碛区各月地表反照率日变化状况，其中，12月、1－3月为下垫面有积雪覆盖的晴天日内地表反照率日变化状况，4－11月为无积雪覆盖的典型晴天日内地表反照率的日变化．可以明显看出，无积雪覆盖的典型晴天日地表反照率日变化表现出倒U型，这与大部分地区表现出U型变化趋势［17－18］有所不同．这主要是由于夏秋季地表无积雪，下垫面为大小不等的砾石覆盖，早晨当太阳辐射入射到砾石表面时发生多次反射，使部分能量被地面吸收，仪器接收到的反射辐射较小，导致观测到地表反照率较小．随着太阳高度角的增大，入射光线和下垫面的夹角增大，由砾石二次反射到地面的短波辐射有所减小，仪器接收到的反射辐射增大，使反照率增大，最终导致该区地表反照率呈现倒U型日变化．这与其他沙漠、戈壁、农田等［19－20］下垫面上的反照率变化有所不同．

与夏秋季地表反照率日变化不同，冬春季有积雪覆盖的晴天日地表反照率日均值明显大于夏秋季，最大值可以达到0．95，即有新降雪时［21］．其日变化表现出清晨大，后逐渐减小的过程，主要是由于夜间温度较低，积雪的表面形成一个冻结层，该冻结层一直持续到上午的某个时刻，使清晨的反照率较强．随着太阳高度角的增大，温度增加，表面积雪发生融化，积雪颗粒不断增大，导致反照率减小［22－23］．与夏季典型晴天日相似，地形起伏的变化也是影响因素之一，只是较积雪物理性质的影响要小．对有积雪覆盖的连续晴天日地表反照率变化的分析发现，从新雪降落到转化为陈雪的过程，地表反照率日均值有一个明显的由大到小的变化过程，这主要是雪面物理性质变化引起的．

2．2 温度

表3和图5分别为2009年科其喀尔冰川3号观测站表碛上2．0 m处气温各月变化状况和气温每0．5 h的逐时变化状况．气温的年内变化呈抛物线趋势，冬春季气温较低，特别是1－4月受到北方冷空气的影响，月均气温均为负值．随着太阳高度角的进一步增大及蒙古冷高压的退缩［10］，从4月开始，气温开始回升，月均气温逐渐上升为正值，至5月气温与地温基本呈现正值，此时冰川进入主消融期;8月月均气温达到较高值，为9．4℃，此后气温开始降低．气温月均日较差冬季略大于夏季，根据现有的数据显示气温月均日较差最大值为7．3℃，出现在1月和3月，最小值为5．5℃，出现在4月．地温变化与气温一致，如表4和图6所示．

将气温和地温的变化状况图对比发现:9月中上旬，气温和地温都有一个明显的降低，特别是地温，表层地温由开始的高于深层地温突然转变为低于深层地温．分析该时间段内的气象观测数据，在9月1－10日有大量的降水，结合地表反照率(图3)，9月3－13日有降雪事件发生．由于9月气温较高，使到达地面的积雪很快融化，因此，该时间段内的积雪属于不稳定积雪［24］．不稳定积雪不能形成稳定的雪盖，融雪吸热;积雪到达地面以后，很快融化，使近地表层含水量增大，地表水分蒸发消耗大量的热，这两种结果共同导致地温降低［25］．所以，在该时段内，降雪对地温起了冷却作用，使地温降低．由于深层土壤受地表面状况的影响相对较小，所以，深层地温虽然也降低，但是相比浅层地温变化较小．

2．3 风速风向

表5为该区2009年2．0 m处各月平均风速变化状况，夏秋季月均风速要稍微大于冬春季，瞬时最大风速为11．2 m·s－1，出现在4月．就全年来看，风速的日变化表现为白天风速略大于夜间，这主要是由于白天大气处于不稳定层结，湍流作用较强，夜间近地层大气表现为逆温，湍流活动相对较弱．山谷风是由于白天和夜间山坡表面和同高度空气温度的热力差异不同形成的，而冰川风是由于冰川表面温度低于附近空气温度形成的［26－27］．由于特殊的地形地势作用，该区冰川风和山谷风并存，并且由于两者强弱程度的不同，使部分月份风速的日变化呈现出双峰型．以5月无降水日的平均风速日变化状况为例(图7)，在03:00－05:00和16:00左右达到一天中的相对较大值，风向也由西北风、西北偏西风转为偏南风，特别是夏季这种现象发生的频率较高．这是受到大面积冰雪区存在的结果，03:00－05:00时冰雪下垫面的冷却作用较强，冰川风较强，风速较大，白天随着太阳高度角的升高，冰雪区近地面的冷却作用减弱，谷风开始盛行，风向发生偏转，东南偏南风成为盛行风向．

图8为2009年全年的风向玫瑰图(9－12月采用现有数据)，可以看出观测点全年主要盛行西北风，西北偏西风出现的频率也较大．其中，对四季的统计发现，春、夏、冬季主导风向为西北风，秋季为西南偏西风．根据地形、地势等分析，该区春、夏、冬季受冰川风的影响较大，秋季受山谷风的影响较大．对风向日变化统计发现，该区全年都具有明显的日变化特征，即风向均以上午11:00左右为界发生变化，在春、夏、冬季11:00之前冰川风的影响占主导地位盛行西北风、西北偏西风，之后受到谷风、较弱冰川风、开阔地形等的共同影响，发展为多种风向;秋季11:00之前山风的影响占主导地位，盛行西南风、西南偏西风，之后与春、夏、冬季的情况类似．风速风向这种明显的日变化特征与西昆仑山崇侧冰帽区的风速风向日变化特征有部分相似之处[28]．

2．4 相对湿度与比湿

相对湿度反映的是空气中水汽接近饱和的程度，可以由观测仪器直接获得;比湿是指湿空气中水汽质量与湿空气质量的一个比值，反映了空气中水汽含量的变化状况．对比湿的计算利用以下公式求得［29］:

式中:q为比湿(g·kg－1);P为大气压;ε为0．622;e为实际水汽压，利用温度和相对湿度计算得到．

该区相对湿度季节变化不明显，年均相对湿度在50%左右，最高值在9月为64%(现有数据)，最低值在1月为42%，其中，2－3月相对湿度也呈现出较大值，如表6所示．比湿表现出明显的季节性变化，如表6和图9所示，夏秋季较大，冬春季较小．其中，月均最大值为5．69 g·kg－1，出现在8月，月均最小值为1．12 g·kg－1，出现在1月，这主要是受到降水和冰川消融的影响．据降水观测数据显示，该地区的降水主要集中在5－9月，该期间的总降水量为467 mm，其中，9月降水最多为141 mm，其次是7月为123 mm．由于降水量较多，地表的含水量较多，加上夏秋季节辐射作用强，地表蒸发强，近地层水汽含量多，使比湿较大．另外，5－9月为主消融期，表碛下冰川的消融也会使地表含水量增加，进一步导致比湿增大．

从一年的平均状况来看，无降水日比湿的日变化表现为从凌晨开始有一个缓慢变小的过程，(如图10)，8:00－10:00达到最小值，随后开始增大，15:00－19:00达到较大值，随后又缓慢减小．这主要是由于在凌晨至11:00出现逆温现象，湍流活动较弱，水汽在近地面处聚集不能向上传输，使2．0 m处比湿较小．日出以后随着太阳辐射增强，逆温现象消失，地表面温度升高，地表面水汽蒸发作用逐渐增强，水汽向上运输，使比湿增大．但是这种日变化状况在冬春季表现较为明显，夏秋季节不明显．

3 结论

利用科其喀尔冰川3号观测站上的气象数据，分析了冰川下部表碛上的小气候特征，包括地表各辐射通量、反照率、温度、风速风向、比湿等．得到如下结论:

(1)各辐射通量都呈现出明显的季节变化，总辐射和净辐射夏秋季较高、冬春季较低．受积雪及降水等的影响，反射辐射和地表反照率表现为夏秋季较低、冬春季较高．对于典型晴天日，冬季地表反照率的日变化表现为由大到小的变化过程，这主要是受积雪物理性质的影响;下垫面砾石的存在，使得夏季地表反照率日变化呈现倒U型．

(2)气温最高月出现为8月，最低月出现为1月，地温与气温的年变化趋势一致．9月中上旬受降雪事件的影响，气温和地温均发生明显的陡降现象，特别是浅层地温受不稳定积雪冷却作用的影响较大．

(3)该表碛区夏季风速略大于冬季，风速的瞬时最高值为11．2 m·s－1，发生在4月．受冰川风、山谷风及地势条件的影响，全年盛行西北风和西北偏西风．统计结果表明，该区四季风向均以11:00为界，存在明显的日变化特征．

(4)相对湿度年均值约为50%(现有数据)．受5－9月降水较多和冰川消融等的影响，比湿的年内变化表现出夏秋季大、冬春季小的特征，8月达到月均最大值5．69 g·kg－1，1月为月均最小值1．12 g·kg －1．

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