青藏高原被誉为世界上海拔最高的高原,常被称为“第三极”(邱,2008年)。该地区广泛分布着永久冻土和积雪覆盖区域(邹等,2017年;吴等,2018年)。位于青藏高原中部的纳木错盆地拥有高原上最大的内流湖——纳木错湖,其显著的湖泊效应驱动着中尺度环流模式,形成了独特的雪水文特征(Kropacek等,2010年;Haginoya等,2009年;You等,2007年)。在该地区,积雪覆盖率在积雪季节可达到20%至80%,远高于其他盆地地区。这一影响还体现在纳木错站记录的平均积雪深度和雪水当量显著高于周边地区(Wan等,2013年)。
高原苔原活跃层的冻融循环过程已成为环境科学研究的重点,因为它对水供应、能量交换以及大气边界层内的气候-冰冻圈相互作用具有重要影响(郭等,2011年;顾等,2015年;程等,2013年)。土壤冻融过程涉及土壤冰和水之间的频繁相变,导致潜热的吸收和释放。这些热条件的波动以及相应的冻融循环改变了地表土壤与大气之间的能量和水分交换(郭等,2011a;杨等,2007年)。冻融循环通过改变显热通量、潜热通量、辐射通量以及地表与大气之间的能量和动量传输,对气候变化产生深远影响。这些变化主要通过地表蒸发、蒸散作用、土壤渗透、径流和植被状况的变化来实现(陈等,2014年;郭等,2011b;姚等,2011年;马等,2013年)。天气和气候直接受到地球表面能量分布和转化的影响,气候变异性在很大程度上由这些过程决定(Bonan,1998年)。青藏高原不仅存在活跃的浅层土壤冻融循环,还伴有反复的积雪-消融过程,包括极端降雪事件。融雪是地表水分径流的重要来源,显著改变了土壤水分分布和地下水的连通性(崔等,2014年;李等,2018a)。降雪后的积雪通过其高反照率和隔热效应改变了冻融过程、地表能量平衡和热条件(何等,2015年)。积雪对区域气候的影响引起了广泛关注(丁等,2009年;傅等,2020年;李等,2018b;张等,2004年)。青藏高原上的积雪和永久冻土是夏季降水量和东亚雨季时间演变的关键调节因素(李等,2021年;林等,2021年)。目前关于土壤冻融过程与积雪覆盖之间相互作用的模拟研究还较为有限(姜等,2020年)。近期研究强调了积雪在永久冻土动态中的关键作用(王等,2021a;赵等,2020年)。不同冻融阶段下,极端降雪事件对土壤温度的影响既有增强也有减弱作用。其对浅层土壤温度和冻融速率的影响更为显著(王等,2021b)。积雪覆盖对浅层土壤温度有显著影响,而对深层土壤的影响较小,从而显著影响了浅层土壤冻融循环的进程。最近的一项研究考察了积雪对高山草甸不同时间尺度上地表水和热量传递的影响。观测发现,积雪减少阶段延长了每日冻融循环,加剧了土壤水分蒸发和相关的水文损失;相反,降雪丰富的阶段缩短了冻融周期,促进了更多融雪渗透到深层土壤中,导致显热通量与潜热通量之间的显著差异(李等,2021a)。值得注意的是,青藏高原上的积雪-永久冻土相互作用已成为研究重点,尤其是考虑到极端降雪事件频率的增加,这些事件导致雪水文状况的快速变化(刘等,2021a,刘等,2021b;沈等,2021年)。
在这项研究中,我们建立了一个气象观测站,记录了一次持续三个月的极端降雪事件,期间积雪深度接近60厘米。这一独特事件使我们能够系统地研究青藏高原上积雪-永久冻土相互作用在较长时间尺度上的变化。利用观测站获得的数据,我们分析了积雪对土壤冻融过程及相关水热传递机制的影响。此外,我们还量化了不同积雪深度和不同土壤冻融阶段下的能量预算分配。这些发现有助于我们更好地理解极端降雪事件如何影响高原上的地表过程。