陆面积雪在气候系统中的作用外文翻译资料

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陆面积雪在气候系统中的作用

摘要：雪盖对气候的变化有巨大的影响，因此量化积雪的作用是困难的。本研究通过一对GCM模型来探讨陆面积雪对全球的影响，这两个模型一个是预测后的陆面积雪模型另一个是消除陆面积雪模型。在这个实验中所有到达地表的降雪量相当于积雪转变成的液态水。与模拟实验相比，无积雪覆盖区的年平均气温上升达到了5K，超过了北美和亚欧大陆北部地区，且在冬季期间有可能高达8-10K。全球平均升温0.8k是2倍的二氧化碳强迫三分之一一样大的模型的反应。在整个对流层显著表面加热的传播，导致表面和高空环流模式的变化。尽管大规模大气在变暖，但在亚洲北部和加拿大地区积雪的无绝缘性导致无积雪覆盖区土壤温度下降，包括冬季温度冷却20k的极端寒冷的西伯利亚地区的冻土面积增加了70%。融雪水的缺乏也会影响温带表面水文条件，造成上层土壤明显干燥和径流的年周期变化。去除积雪也大大影响极端天气，极端冷空气爆发（槽）基本上是消失在无积雪覆盖区。槽的减弱几乎是由于中纬度地区陆面积雪消除的局部影响和北极源区的远程效应，在那里-40℃气团都不再能够形成。

1 简介

冰冻圈最广泛的部分——陆面积雪成为冰冻圈最为迅速和季节性变化的变量（ACIA2005）。积雪强烈影响上方的空气、底层地面和大气层下游。科恩和林德（1991）发现了这些一阶效应，他强调的是积雪覆盖的热力学影响：高反照率、高辐射系数、低热导率和潜在冷源。积雪对大气环流的影响已被用于季节性预测（科恩，Entekhabi 1999，2001）。此外，雪覆盖对环境和水资源影响是非常重要的（Campbell . 2005; Mote 2005）。此外，由于温室效应而使积雪减少是全球变化界的一个重要课题（2001年IPCC）。现有的许多研究都探讨了关于气候积雪效应的物理基础。早期的观察研究，发现积雪可以在几天到几个月时间内可以使对流层局部温度降低（Namias 1962; Wagner1973; Dewey 1977）。由Walsh等人的模拟研究（1982年）并由Walsh和Ross（1988）证明，积雪与对流层低层（可达500百帕）近地表冷却5-10K相关，涉及到大规模的大气环流模式，如太平洋 - 北美模式（PNA），以及在欧亚大陆比在北美更有影响力的行星环流。由Barnett等（1988年）的理想化模拟证实了Blanford的猜测 （1884），先前的大陆积雪会影响亚洲夏季风，也表明欧亚大陆的积雪导致了北美下游的变化。仿照欧亚积雪异常的动态影响，Watanabe and Nitta (1998) and Clark and Serreze (2000)发现，最大的高空高度反应发生在北太平洋下游。

在积雪异常的基础上预测季节性气候时，积雪和大气环流之间的联系有积极的意义。Cohen和Entekhabi（1999）说，过度的夏秋季积雪覆盖会导致西欧和美国东部地区冬季异常寒冷，这是由于北极涛动（AO）负相的强迫。Cohen 和Entekhabi (2001), Saito (2001), Gong 等的后续研究精确了这种关系的物理基础：早期的积雪异常触发垂直传播的行星波迅速改变平流层极涡，其反常的力量再向下传播影响冬季期间的环形模式。

除了其作为气候预测可能的作用，积雪对生态和社会的影响也是相当大的，因为冬季积雪会影响基础土壤的温度，河流径流量以及草食动物的生活。雨飘落在积雪上时，由于表面结冰而动物无法穿透可能会导致有蹄类动物的死亡，而这些雨水雪事件预计将在未来气候变暖的情况下更为常见（Putkonen 和Roe 2003）。大雪期间鹿的死亡率也往往会增加，因为大雪使鹿的觅食变得困难(Tatatsuki 等.1994)。雪的低热导性使它成为地面上的一个好的绝缘体，使积雪下面的土壤温度高达15K。Stieglitz 等人 (2003)的研究证明有陆面积雪时会影响雪覆盖区的空气温度，从19世纪70年代在巴罗和美国阿拉斯加地区积雪逐渐增加以来，近地面20米以下的土壤温度可以保持足够高，这样可以使有些生物活性升高一半。冬季积雪的绝缘能力允许惊人数量的生态活动发生,其中大部分发生在土壤中（ Campbell等2005），暖冬实际上可能导致土壤积雪减少。实地研究中的积雪手动从试验田中去除，这样的实验已经在新英格兰地区通过Groffman(2001) 和Decker (2003)等人进行研究，他观察到在积雪覆盖时有较低的土壤温度和土壤冻结的增加。据报道，相关的后果是更大的根的死亡率，更多的营养损失，以及某些树种的生产力降低。在冰雪覆盖的气候条件下，水资源的存在和时间都直接受到影响。Mote等 (2005)报告说在1950年以来北美洲西部山区的积雪在下降，并说今后积雪的减少将会对水的利用产生深远的影响。同样Barnett等(2005)认为，未来的供水可能由于气候变暖产生更少的降水和积雪，积雪的季节性更早融化而受到阻碍。这些变化都会阻碍雨水，大多数早融水将超过水库的蓄水能力但在高需求时段的夏秋季节将不可再用。

与温室效应相呼应，地面积雪的面积将会减少，而且有迹象表明这种趋势已经开始。Groisman 等人(1994)指出，在过去几十年中与变暖有关的是北美春季积雪的减少，与随后观察到的从二十世纪初的北美西部春季积雪融化(Stewart等 2005)和北半球的积雪覆盖程度较长期比较有所下降(Brown 2000)相一致。北方春季和夏季的积雪程度比过去的100年内的任何时间中较低（2001年IPCC）。本世纪气候模型项目持续减少。

本文的目的是估计地面积雪在全球范围内的气候影响。这方面的成果体现了积雪在目前气候的作用并为可能会影响未来气候提供依据。因此，这里所描述的除雪实验不仅是打算作为“如果有什么”的追求，而是作为一种手段来量化气候系统的重要组成部分的影响。这种方法是类似于大量的海冰清除模拟评估冰覆盖对气候的影响（Fletcher 等 1973; Royer 等. 1990; Simmonds 和 Budd 1991; Bromwich 等. 1998）和森林去除实验量化树对气候的影响（Renssen 等. 2003）。积雪此前的研究也试图用经验和上述建模方法，通过统计方法量化它的作用（Klein 1983, 1985; Klein 和 Walsh 1983; Walsh 等. 1985），在阐明积雪的作用时,之前一直是在有限的空间和时间范围内研究。模型规定的较短时间内（月季节性）积雪的增强或降低根据观察到的波动已经完成（ Walsh 和Ross 1988; Barnett 等. 1988; Cohen 和Rind 1991;Walland 和 Simmonds 1997; Watanabe 和 Nitta 1998; Gong 等. 2004）。本研究的独特之处在于所有地点和时间这种方法可以压制地面积雪,这样可以评价积雪的气候影响。虽然这种方法明显的理想化，但在评估全球和时间平均的影响时这种方法是有用的，而不是像以前的研究中一样在规模较小和更短时期检查积雪异常的影响。这项研究还提供了积雪减少的上限是由人为变暖而发生的，其中正雪反照率反馈已确定为放大变暖信号的关键过程（ACIA 2005; Hall 2004）。

模型和实验设计的描述在下一节中描述。第三节包含模拟积雪的控制运行和在清除积雪后的实验中的主要气候变化。第四节是对结果的解释以及随着气候变化而产生的问题。第五节是结论，总结了在现今气候系统中的雪覆盖的作用。

2模型描述和模拟

NCAR气候系统模式，CCSM3是一个完全耦合的全球气候模型，它代表了大气，海洋动力和海冰和陆地表面（Collins等2005）的组件。这里使用的配置采用T42大气和陆地网格(大约2.8·2.8),大约1°的海洋和海冰的方法。混合坐标系中的大气成分包含26个层次，包含10个分型面的土层与大气的能量、质量和动量的交换，但不包括在植被组成的土地模型[虽然全球植被模型确实存在（Bonan and Levis 2005）]。根据近期（1990年）的温室气体浓度，本文介绍了两个平行的模拟，以评估地面积雪对全球的影响。实验中去除了的冰川和冰盖（无积雪覆盖）地面的积雪。由于本研究的重点是地面积雪的作用，海冰区域不会受到积雪影响。因为在冰雪覆盖的冰面上积雪反照率和日照的热力影响，在海冰上积雪对气候影响是完全不同的，要比陆地上更复杂（Maykut和Untersteiner1971）。

在无积雪覆盖区，大气模型中产生的降雪并没有改变，到达地表的积雪冷冻沉淀立即转换成等值的液态水。用转换成降雪降雨到达地面之前的替代方法相比，此过程避免了人工大气潜热效应，并确保节约用水。液体水相当于降雪降落到地表后会滤入土壤，或在表面上形成积水（被Oleson等人发现的模型的陆面水文细节2004）。模型不跟踪融化的水的温度,而是跟踪周围土壤层的土壤水的温度,因此,融水可以渗透到地上,再冰冻,释放潜热，这个过程土壤变暖。在无积雪覆盖区引入人工加热，但在表面升温至降雪熔点的替代方法也未能以节省能源。但是这种人为的潜热的影响要小，它会显示土壤在没有雪覆盖时急剧冷却（第3.2）。在无积雪覆盖区唯一的编码的变化是覆盖模型的树冠辐射模块，它假定任何积水积雪时，冠层温度低于冰点。在这个实验中，这样静止的冠层温度的水被假定为是液体。无积雪覆盖区假定运行35年,第一个15年是过渡到一个新的平衡,最后20年被用于计算新的气候状态。大气和上层海洋的快速调整时间是在一个相对较小的部分中的一年的某一时间，具有低的热容量。从长时间（1,000年）控制模拟结束对应的20年的间隔被用于量化由积雪的缺失造成的差异进行比较。

3结果

3.1 CCSM3积雪覆盖控制模拟

冬季（一月）和过渡月份（四月和十月）模拟和观察到的积雪覆盖在在图1中显示。因为除了沿南极海岸带几乎所有的季节性积雪都在在这个半球时，所以只有显示北半球。模型低估了两大洲的积雪集中程度，特别是在欧洲，亚洲西南部和美国西部。量化这低估的总面积是困难的，部分原因是由于模型分配的土地覆盖是观察到的（特别是在加拿大群岛），也因为选择一个雪覆盖阈值是随意的。前者的问题是Frei等人讨论（2003）Frei（2005），评估模拟积雪作为土地面积等于一个特定的GCM分数。按照这个标准,CCSM3模式中在隆冬时节北半球陆地雪覆盖明显小于观察到的0.55（2000年Brown ）,并且是Frei 和Gong（2005）分析了的11个环流模型中最少的。这种偏差的确切原因是超出了本文的范围，但它可能来自温带陆地模型中暖冬的偏差（Collins等2005），这将有利于中纬度地区相对过多的降水甚至降雪。相比之下，在高纬度地区模拟的积雪深度过大降水过多的原因,也可能是由于冬季温暖的偏差（Dickinson 等2006）。假设积雪面积比积雪深度对大气相互作用更重要，这项研究的意义是地面CCSM3积雪模式对气候影响可能与其他模型相比是一个保守的估计。

图1 模拟(左)和观察(右)在10月(a、b)1月(c,d)和4月(e,f)的积雪分数。该模型每月在北半球产生较少的积雪（ Rutgers Snow Lab实验室观察到的）

3.2 无积雪覆盖模拟结果

加拿大北部以及西伯利亚和北部5个地区的积覆盖导致近地表大气温度升高，全年近地表大气温度升高（图2），全球变暖（0.84 K），该模型中的2.47 K 是CO₂倍增的响应（Kiehl 等 2006）

图2 在无积雪区变化的年地表空气温度（K）

积雪。阴影区域是在95％的置信区间统计学显著的基础上的Student t检验

正如预期的那样，北半球加热增强，在温带的无积雪覆盖区土壤温度增加了1.3 K(表1)

表1 无积雪模拟全球和半球的统计数据。槽的天数相对于控制试验的气候学定义

消除大部分显著（95%置信区间，基于t检验）变暖以外区域的积雪，即便是在内海和热带地区。世界上约75％地区经历温度的显著上升，包括北半球的87％，和北温带的98％。不像以前规定的积雪模拟（Walsh 和 Ross 1988； Walland 和 Simmonds 1997；Kumar 和 Yang 2003），全球变暖是不局限于对流层低层而是扩展到整个对流层顶（图3）。

图3 由于消除地面积雪而改变空气温度（K）的垂直截面。阴影区域是在95％的置信区间统计学显著

由于增强的加热直接影响北冰洋海冰减少，最强的加热发生在北极的较低地区。值得注意的是，由喜马拉雅和青藏高原地形的升高引起的在30°N明显的垂直加热。正如预期的那样，在整个北半球发生由冬季变化为主的在地表变暖的所有季节显著升温，包括夏季（图4；表2）

表2北半球无积雪覆盖区每月平均表面温度的变化

图4 在冬季，a图为表面空气温度和无积雪覆盖区，b为上层土壤温度底部的变化

在夏季，c图表面空气温度，d图为上层土壤温度。

阴影区域是在95％的置信区间统计学显著

欧亚大陆和北美国内部冬季的温度上升到8–10 K，而在西伯利亚北部和加拿大地区夏季温度上升高达3–5 K。积雪覆盖的降温作用源于其表面反照率、发射率和隔热（Cohen 和 Rind1991），在无积雪覆盖区这些变量大幅减少，例如：在以前被积雪覆盖的土地上冬春季地表反照率下降到0.5。在冬季积雪覆盖的情况下尽管中高纬度地区大气变暖，但消除了由于积雪隔热存在而导致地面极端降温。在加拿大北部上层土壤温度下降到14 K，在西伯利亚上层土壤温度下降到22K，显著的冬季冷却蔓延到大陆中纬度地区。地下冷却延伸到所有十个整个模型的土壤层（约3米），但最明显的下降发生在表面层。

超过2 k夏季的最高气温上升发生在六月积雪覆盖区，但变暖的原因是由

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