祁连山中段摆浪河21号冰川区微气象特征及降水的环流驱动研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0367

祁连山中段摆浪河21号冰川区微气象特征及降水的环流驱动研究

孙雯璇^,¹^,⁵, 杜文涛¹^,⁵, 陈记祖^,¹, 蒋友严²^,¹, 徐志龙³, 刘鹏枭³, 王金牛⁴, 贺建桥¹, 罗立辉¹, 康世昌¹^,⁵

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000

2.兰州区域气候中心，甘肃兰州 730020

3.甘肃省张掖市气象局，甘肃张掖 734000

4.中国科学院成都生物研究所，成都 610041

5.中国科学院大学，北京 100049

Meteorological characteristics and precipitation circulation driving of the Bailanghe Glacier No.21 in the middle part of Qilian Mountains

SUN Wenxuan^,¹^,⁵, DU Wentao¹^,⁵, CHEN Jizu^,¹, JIANG Youyan²^,¹, XU Zhilong³, LIU Pengxiao³, WANG Jinniu⁴, HE Jianqiao¹, LUO Lihui¹, KANG Shichang¹^,⁵

1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Lanzhou Regional Climate Center，Lanzhou 730020，China

3.Zhangye Meteorological Bureau of Gansu Province，Zhangye 734000，Gansu，China

4.Chengdu Institute of Biology，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China

5.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 陈记祖，助理研究员，主要从事冰川微气候与消融模拟研究. E-mail： chenjizu@lzb.ac.cn

收稿日期: 2022-07-15 修回日期: 2022-09-17

基金资助:

国家重点研发计划. 2022YFF0711704
中国气象局气候变化专题项目. QBZ202308

中国科学院西部之光青年学者项目

甘肃省自然科学基金项目. 20JR10RA453
冰冻圈科学国家重点实验室开放课题. SKLCS-OP-2021-06

Received: 2022-07-15 Revised: 2022-09-17

作者简介 About authors

孙雯璇，硕士研究生，主要从事极端天气/气候研究.E-mail：sunwenxuan@nieer.ac.cn , E-mail：sunwenxuan@nieer.ac.cn

摘要

山地冰川因具有高反照率、冰川风、逆温层及高值降水等特征而形成了独有的局地微气候，尤其是作为高值降水中心，对径流变化具有重要影响。本文基于祁连山中段北坡摆浪河21号冰川末端（海拔4 350 m）2020年9月2日—2021年8月28日的气象观测资料，开展了微气象特征分析，与临近不同海拔、下垫面的同期降水以及祁连山典型冰川区降水进行了比较，并对最大降水事件过程开展环流成因分析。研究发现：摆浪河21号冰川区气温超过0 ℃的天数有84 d，集中在5—9月；冰川风盛行，不同于其他冰川区的山谷风循环；天气主要以多云为主；入射与反射短波辐射月最大值分别出现在5月和4月。摆浪河21号冰川降水主要集中在4—8月，降水频次和强度均随着云量的增加而增加。观测年最大降水事件（2021年7月25—27日）属于局地对流降水，中高纬西北-东南向水汽输送为降水区提供了大量水汽；低层辐合和高层辐散、层结不稳定造成了强烈的暖空气上升，加之降水区位于槽后脊前不断有冷空气输入，冷暖交汇促使降水发生。

关键词： 冰川微气象 ; 降水 ; 云量 ; 环流机制 ; 摆浪河21号冰川

Abstract

Alpine glacier areas have unique glacial microclimates due to the characteristics of high albedo， glacier wind， inversion layer and high-value precipitation， especially high-value precipitation is an important factor influencing the change of runoff. Based on the in-situ meteorological observations on the Bailanghe Glacier No. 21 from 2nd September 2020 to 28th August 2021， the micrometeorological characteristic analysis was carried out， and the similarities and differences were compared with the simultaneous precipitation observations at different elevations and underlying surfaces in the vicinity and the precipitation observations in typical glacier areas of Qilian Mountains. Furthermore， the circulation mechanism of different types of precipitation events was analyzed. The study shows that the number of days that the daily mean temperature exceeded 0 ℃ is 84 days， only occurring from May to September. Bailanghe Glacier No. 21 is dominated by glacier wind all year round， unlike the valley wind cycle in other glacier areas； the weather is mainly cloudy； the monthly maxima of incident and reflected shortwave radiation are in May and April， respectively. Precipitation in this region is mainly concentrated in April-August， and both the frequency and intensity of precipitation increase with the increase of cloudiness. A typical precipitation process （July 25-27， 2021） was selected to analyze the circulation drive. It was found that this precipitation process belongs to local convective precipitation in mountainous areas. The northwest-southeast-oriented water vapor transport belt from high latitude to mid-latitude provides water vapor. Moreover， low-level convergence and high-level dispersion， stratification instability and strong upward motion induce the warm air rising and the precipitation area is located in front of the ridge behind the trough with constant cold air input， and then the cold and warm convergence prompt precipitation to occur.

Keywords： glacier micrometeorology ; precipitation ; cloudiness ; circulation mechanism ; Bailanghe Glacier No.12

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本文引用格式

孙雯璇, 杜文涛, 陈记祖, 蒋友严, 徐志龙, 刘鹏枭, 王金牛, 贺建桥, 罗立辉, 康世昌. 祁连山中段摆浪河21号冰川区微气象特征及降水的环流驱动研究[J]. 冰川冻土, 2023, 45(3): 1128-1141 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0367

SUN Wenxuan, DU Wentao, CHEN Jizu, JIANG Youyan, XU Zhilong, LIU Pengxiao, WANG Jinniu, HE Jianqiao, LUO Lihui, KANG Shichang. Meteorological characteristics and precipitation circulation driving of the Bailanghe Glacier No.21 in the middle part of Qilian Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(3): 1128-1141 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0367

0 引言

山区地形复杂，其气候具有多样性，尤其是冰川发育的高寒山区，因具有高反照率、冰川风、逆温层及高值降水等特征，形成了独有的冰川微气候^［1-3］。受到海拔和冰川“冷湿岛效应”影响，冰川区降水远高于山区其他下垫面和平原区^［4］，是影响上游径流变化的重要因素，因而备受关注。海拔增温效应^［5］、降水的海拔效应^［6］是大气研究的热点问题，受观测制约在高山区的表征和作用机理仍不明确；冰冻圈加速萎缩对变暖的正反馈机制是冰川区气候独特的重要原因^［7］，但仍需加强观测，量化认识，明确作用机理。由于山区地形复杂、海拔较高且环境恶劣，气象观测站分布稀疏且不均匀，在资料连续性和观测时长方面都有不足，因此，亟待加强高山区特别是冰川区气象观测研究。中国是中低纬度冰川最为发育的国家，早在20世纪50年代便在祁连山开展了气象监测研究^［1］，此后陆续拓展至天山、珠穆朗玛峰和唐古拉山等地^［2-3］，取得了大量监测资料和研究成果，对冰川微气候形成了一定的认识。祁连山老虎沟12号冰川是中国最早开展定位监测研究的冰川，其消融区和积累区降水均集中在5—9月，存在明显的海拔效应；消融区冰川风和谷风循环显著，积累区冰川风占主导；此外，积累区感热通量要大于潜热通量，大气与冰川表面的湍流交换中，以大气向冰面输入热量为主^［8-9］。珠穆朗玛峰地区高山气象也是我国较早开展科学考察的关键地区，北坡东绒布冰川的冰川风发育，且冰川风和谷风与山区山谷风日变化具有明显差异^［10］；该冰川区短波辐射要大于其他冰川区，尤其是5—6月正午前后短波辐射发生超太阳常数的现象比较频繁^［11］。天山乌鲁木齐河源1号冰川是中亚干旱区冰川的典型代表，其制冷效应导致的温跃现象、逆温及冰川风等可能对局地对流性降水产生一定影响，但具体的机制未深入研究^［12］。相反，天山科其喀尔巴契冰川的降水虽也多为对流性降水，但冷却效应的影响不明显^［13］。尽管对冰川微气候已形成一些认识，但仍有待深入、丰富地研究。

祁连山冰川融水和山区降水是河西走廊用水的重要补给，对于生态安全具有重大意义。因此，在祁连山特别是高山冰川区开展微气象观测研究尤为重要，不仅能丰富高山气象监测研究，同时也是探讨冰川变化机理的重要前提，可为西北生态安全保障提供科学支撑。

摆浪河21号冰川位于祁连山中段北坡的黑河上游，2020年9月在其末端架设全要素气象站，参数包括气温、相对湿度、空气水汽压、风速风向、气压、降水和辐射等。本文基于2020年9月—2021年8月的观测资料，分析了冰川微气象特征并重点关注降水，与祁连山不同冰川以及不同海拔和下垫面的降水进行异同性比较；选取了最大降水事件，从位势高度、水汽通量及散度、层结稳定度、散度和垂直速度方面对其过程开展了环流机制分析。本研究可为高寒山区降水提供数据积累和科学认识，有益于助力祁连山生态环境保护。

1 研究区域概况

祁连山地处甘肃、青海两省，南接青藏高原，北临河西走廊和阿拉善高原，西起当今山口与阿拉金山脉相接，东至黄河谷地，与秦岭、六盘山相连，分布在35°50΄~39°19΄ N，94°10΄~103°04΄ E之间，地势西北高、东南低；海拔介于1 743~5 799 m之间（图1），4 100 m以上的山区终年积雪，发育着现代冰川，有“固体水库”之称，供给着甘肃河西石羊河、黑河、疏勒河三大水系。祁连山地处青藏高原、西北干旱区、东部季风的交汇地带，中西段受西风环流控制，东段受东南季风和西南季风影响^［14］，同时与青藏高原环流系统交汇，具有典型的大陆性气候和高原气候特征。该地区年降水量约为301.9 mm，降水主要集中在5—9月，由东向西递减^［15］。摆浪河21号冰川（顶端坐标38°56΄41.13" N，99°17΄10.19" E）位于祁连山中段的北坡，受东南季风与西风带交汇影响，属于大陆型冰斗山谷冰川，面积1.45 km²，长度约2.5 km，冰川高差达713 m（4 390~5 103 m）。

图1

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图1 研究区

Fig. 1 Study region： Qilian Mountains and location of weather stations （a）， Bailanghe Basin and the location of Bailanghe Glacier No.21 （b）

2 数据来源与方法

2.1　数据来源

2.1.1　摆浪河21号冰川气象观测

自动气象站（automatic weather station，AWS）架设在摆浪河21号冰川末端（99.3° E，38.9° N），海拔4 350 m。气象传感器技术参数及安装高度见表1，观测的气象要素包括气温、相对湿度、气压、风速风向、降水以及辐射四分量等。所有的传感器均与数据采集器（CR1000）连接，每10 s采集一次数据，半小时输出一次平均值。本文选取2020年9月2日—2021年8月28日的气象资料。

表1 自动气象站传感器型号和安装高度

Table 1 Technical parameters and installation height of the sensors

气象要素	传感器型号	精度	架设高度
气温	Vaisala41382	±0.2 ℃	1.5 m，3 m
相对湿度	Vaisala41382	±2%	1.5 m，3 m
气压	PTB210	±0.5 hPa	1.5 m
风速	Young05103	±0.3 m·s^-1	1.5 m，3 m
风向	Young05103	±3°	1.5 m，3 m
降水	Geonor T200B	±0.1 mm	1.5 m
长波辐射	CNR1	±10%日总量	1.5 m
短波辐射	CNR1	±10%日总量	1.5 m

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本文所使用的气象要素已进行质量控制，气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射无异常值存在，风速不存在负值，风向范围均在0°~360°之间。降水的具体修正过程见研究方法部分。计算得到的降水平均捕捉率为87.7%，与唐古拉山区^［16-17］得到的T-200B的捕捉率总体一致。

2.1.2　国家气象台站降水数据

为了对比分析不同海拔梯度的降水异同性，本文搜集了临近摆浪河21号冰川不同海拔高度和下垫面的3个省级地面气象观测站观测资料［图1（a）］，分别为高台暖泉气象观测站（99.21° E，39.11° N，海拔1 928 m）、肃南皂矾沟气象站（99.8° E，38.95° N，海拔2 096 m）、肃南康乐草原气象观测站（99.84° E，38.76° N，海拔3 210 m）。由于观测条件限制，气象观测站的翻斗式雨量传感器无法记录固体降水量，因此选取了2020年9月和2021年5—8月降水数据，该数据源自张掖市气象局。

2.1.3　祁连山冰川区降水数据

为了对比祁连山不同区域冰川区降水差异，本文收集了祁连山东段宁缠河1号冰川、中段南坡八一冰川及西段老虎沟12号冰川的降水观测资料，具体信息见表2。观测仪器的型号与本文一致。

表2 祁连山不同冰川区降水量数据信息

Table 2 Precipitation data of glaciers in the Qilian Mountains

冰川区	海拔/m	时间段	数据来源
宁缠河1号冰川	4 450	2010—2017年	［18］
八一冰川	4 650	2018年7月—2019年6月	［19］
老虎沟12号冰川	4 550	2012年1月—2012年12月	［20］
摆浪河21号冰川	4 350	2020年9月—2021年8月	本文

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2.1.4　再分析资料

怀保娟等^［21］在祁连山开展了再分析资料的对比研究，认为欧洲气象中心ERA5再分析资料在祁连山的适用性较好，故而本文使用ERA5逐小时再分析资料（https：//www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5）。ERA5再分析资料包括位势高度、风、气温、比湿、垂直速度、散度等要素，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°，高度层为13层。由于ERA5再分析资料是世界标准时间（UTC），因此需在此基础上换算为北京时间（UTC+8）。

2.2　研究方法

2.2.1　降水类型判定

不同降水类型受到风场的影响不同，因此不同降水类型的观测误差具有差异。在进行降水观测误差修正时，一般将降水分成固、液及混合态降水三种类型。丁宝弘等^［22］利用湿球温度、相对湿度、海拔高度确定了区分降水类型的新型参数化方案，具体如下：

t y p e = \{\begin{array}{l} s n o w, & T_{w} \leq T_{m i n} \\ s l e e t, & T_{m i n} < T_{w} < T_{m a x} \\ r a i n, & T_{w} \geq T_{m a x} \end{array}

（1）

式中：T_w为湿球温度（℃）；T_min为固态降水发生的最高温度（℃）；T_max为液态降水发生时的最低温度（℃）；T_w、T_min和T_max分别按如下公式计算：

T_{w} = T_{d} - \frac{e_{s a t} (T_{d}) (1 - R H)}{0.000643 p_{s} + \frac{\partial e_{s a t}}{\partial T_{d}}}

（2）

式中：T_d为日平均温度（℃）；RH表示相对湿度（范围0~1）；p_s为气压（hPa）；e_sat（T_d）为日平均气温下的标准水汽压（hPa），其计算公式^［23］如下：

e_{s a t} (T_{d}) = 6.1078 e^{\frac{17.27 T_{d}}{T_{d} + 237.3}}

（3）

式中：T_d为日平均温度（℃）。

T_{m i n} = \{\begin{array}{l} T_{0} - ∆ S \times l n [e^{\frac{∆ T}{∆ S}} - 2 \times e^{- \frac{∆ T}{∆ S}}], & \frac{∆ T}{∆ S} > l n 2 \\ T_{0}, & \frac{∆ T}{∆ S} \leq l n 2 \end{array}

（4）

T_{m a x} = \{\begin{array}{l} 2 T_{0} - T_{m i n}, & \frac{∆ T}{∆ S} > l n 2 \\ T_{0}, & \frac{∆ T}{∆ S} \leq l n 2 \end{array}

（6）

式中：ΔT、ΔS、T₀三个参数分别按以下公式计算：

∆ T = 0.215 - 0.099 \times R H + 1.018 \times R H^{2}

（6）

∆ S = 2.374 - 1.634 \times R H

（7）

\begin{array}{l} T_{0} = - 5.87 - 0.1042 \times Z + 0.0885 \times Z^{2} + \\ 16.06 \times R H - 9.614 \times R H^{2} \end{array}

（8）

式中：RH表示相对湿度（范围0~1）；Z表示站点海拔高度（km）。

2.2.2　降水观测误差修正

由于雨雪量计在降水观测中受到多种因素的影响，降水实际值与观测值存在一定误差。降水观测误差的修正主要是微量降水、蒸发损失、湿润损失和动力损失四部分。Geonor T-200B自动雨雪量计采用振弦式称重原理，每10 s称重采集一次数据，基本可以忽略降水湿润损失；其储集器中添加了机油和防冻液，从而可以有效抑制蒸发，减少蒸发损失，因此也可忽略蒸发损失。因此，其降水观测误差主要从动力损失方面进行，修正方程为

P = P_{o b s} / C R

（9）

式中：P为实际的日降水量；P_obs为Geonor T-200B观测的日降水量；CR为降水捕捉率（%），计算方法采用杨大庆^［24］的方案，具体公式如下：

C R_{s n o w} = e^{- 0.056 W_{s}} \times 100 (0 < W_{s} < 6.2)

（10）

C R_{r a i n} = e^{- 0.041 W_{s}} \times 100 (0 < W_{s} < 7.3)

（11）

C R_{m i x e d} = C R_{s n o w} - (C R_{s n o w} - C R_{r a i n}) \times (T_{d} - T_{m i n}) / (T_{m a x} - T_{m i n})

（12）

T_{d} = \{\begin{array}{l} T_{m i n} & (T_{d} < T_{m i n}) \\ T_{m a x} & (T_{d} > T_{m a x}) \\ T_{d} & (T_{m i n} \leq T_{d} \leq T_{m a x}) \end{array}

（13）

式中：CR_snow、 $C R_{r a i n}$ 、 $C R_{m i x e d}$ 分别为固态、液态及混合降水时的降水捕捉率（%）；W_s为标准的10 m高度处风速（m·s^-1）；T_d为日平均温度（℃）；T_min为固态降水发生的最高温度（℃）；T_max为液态降水发生时的最低温度（℃）。其中W_s的计算公式如下：

W_{s} = [l g (z \cdot {z_{0}}^{- 1}) \cdot l g^{- 1} (h \cdot {z_{0}}^{- 1})] \times W_{h}

（14）

式中：z为离地高度（m）；h为测量风速的高度（m）；W_h为观测高度的风速（m·s^-1）；z₀为粗糙长度（夏季z₀=0.03 m，冬季z₀=0.01 m）。

2.2.3　云量

本文采用长波辐射方案计算云量因子，具体计算过程如下：

向下长波辐射遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律：

L_{↓} = ε_{e f f} σ T_{a}^{4}

（15）

式中：T_a为近地表气温（K）；ε_eff为大气实际发射率。

长波辐射由天空辐射和周围山体发射的辐射两部分组成^［25］。周围斜坡的长波辐射受到自身温度以及天空开阔度的影响。天空开阔度（F）根据Lindberg等^［26］的阴影算法计算而得，在气象站处其值为0.73。在这里，我们采用一个简单的方案，用T_a 来表示周围地形的有效温度。向下的长波辐射的最终计算公式为：

L_{↓} = F ε_{e f f} σ T_{a}^{4} + (1 - F) ε_{e f f_r o c k} σ T_{a}^{4}

（16）

式中：ε_{eff_rock}为岩石的发射率（0.9）。

在晴天时，发射率ε_eff受到气温和水汽压的影响。因此，晴空发射率ε_cs遵循Konzelmann等^［27］的参数化方案：

ε_{c s} = ε_{a d} + p^{1} {(e_{a} / T_{a})}^{(1 / p^{2})}

（17）

式中：ε_ad为干燥晴朗大气的发射率（0.22）^［28］；p¹和p²为常数，其中p²=0.125，p¹则通过实际测得的晴空时向下的长波辐射率定。根据Conway等^［29］的方法选择无云日，即入射短波辐射在日出至日落间呈匀称的抛物线状。在一些阴天入射短波辐射也遵循上述规律，但通过目测鉴别，将这些天重新分类为多云。最终选取43个无云日对晴空模型进行优化。

长波等效云量（longwave equivalent cloudiness，N_L）具体公式^［30］如下：

N_{L} = (ε_{e f f} - ε_{c s}) / (ε_{o v} - ε_{c s})

（18）

式中：ε_ov=1为阴天时的发射率。当 $N_{L}$ 结果大于1时，其值为1，而当 $N_{L}$ 结果小于0时，其值为0。

2.2.4　比湿

比湿定义为水汽与湿空气的质量比，与相对湿度相比较，比湿更能直观地反映出空气中水汽的变化状况。其计算公式如下：

q = \frac{0.622 e}{p_{s} - 0.378 e}

（19）

式中：q为比湿（g·g^-1）；p_s为气压（hPa）；e为水汽压（hPa）。

3 结果分析

3.1　摆浪河21号冰川微气象特征

摆浪河21号冰川的气温、降水、比湿、云量以及辐射四分量均呈现夏高冬低的季节差异（图2）。该区域年均温为-7.4 ℃，月均温呈现单峰型变化特征，7月最高，1月最低。气温月较差最大值出现在11月（25.2 ℃）；最小值在12月（14 ℃）；月均温、月平均最高气温和月平均最低气温变化趋势基本一致，月均温变化中升温幅度最大发生在4—5月，降温幅度最大发生在9—10月。日均温介于-30.0~12.2 ℃，超过0 ℃的天数集中在5—9月，共有84 d，占全年总天数的23.3%。摆浪河21号冰川区年降水量为568.7 mm，年内共有169 d发生降水，主要集中在4—8月，占全年降水的80.6%，月降水量最高值发生在7月，可达110.5 mm，日最大降水也在7月，为22.2 mm。降水类型一般用临界温度来进行区分，但不同地区的临界温度值并不唯一，需要针对不同气候状况进行判定，此外海拔对降水类型也存在一定影响^［22］。因此本文充分考虑湿球温度、相对湿度、海拔高度对降水形态的影响，提高了判定精度，结果表明：该区域固态降水达到了467.7 mm，占到全年降水量的82.2%，有152 d（89.9%）；液态降水和混合态降水分别达到了87.8 mm（13 d）和13.3 mm（4 d），主要集中在7月和8月。充足的水汽是降水的必要条件，比湿能直观地反映出空气中水汽的年内变化情况。观测显示，比湿年平均值为2.6 g·kg^-1，介于0.3 g·kg^-1（2月2日）~8.8 g·kg^-1（7月23日），1月最低，7月最高。

图2

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图2 2020年9月2日—2021年8月28日摆浪河21号冰川微气象特征

Fig. 2 Micrometeorological characteristics of Bailanghe Glacier No.21 from 2nd September 2020 to 28th August 2021： monthly mean air temperature， monthly maximum and minimum temperature and monthly temperature range； precipitation， and specific humidity（a）； wind direction and speed （b）； cloud factor and monthly occurrence of clear-sky， partly cloudy， and overcast conditions （c）； upward radiation （UR）， downward radiation （DR）， upward longwave radiation （ULR） and downward longwave radiation （DLR）（d）

风在水汽输送、云的形成、降水以及冰川融化中起着关键作用。该区域年平均风速2.6 m·s^-1，介于0.6 m·s^-1（6月15日）~6.9 m·s^-1（1月15日）。春、夏、秋风速较小且波动平缓，约为2.4 m·s^-1，冬季明显升高，约为3.8 m·s^-1。受地形和下垫面影响，全年盛行西南风，山谷风循环不明显，山风（冰川风）占绝对主导（88%）［图2（b）］。

云是大气垂直运动和湿度状况的综合体现，直接影响地气系统的水分循环，此外，云量影响冰川表面的辐射收支，进一步影响冰川消融^［20］。摆浪河21号冰川区云量年均值为0.38，与祁连山老虎沟12号冰川（0.35）^［20］相当。本文按日均云量区间0≤N_L<0.2、0.2≤N_L<0.8、0.8≤N_L^［20］划分为晴天、多云及阴天。结果显示：摆浪河21号冰川主要以多云为主，约占全年44%；4—9月阴天明显增多且云量波动较大，10月至次年3月以晴天为主，云量波动平缓，其中11月—次年1月无阴天出现。云与降水具有相似的形成机制。降水日数随着云量增加而增加，说明降水频次随着云量增加而增加［图3（a）］。此外，日降水量随着云量增加而增加，其中有两次降水量大（降水量>20 mm）的事件发生在阴天，说明降水强度随云量增加而增强［图3（b）］。

图3

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图3 2020年9月2日—2021年8月28日摆浪河21号冰川云量与降水关系

Fig. 3 The relationship between cloud factor and the number of precipitation and precipitation ratio （a） and between cloud factor and daily precipitation amount （b） of Bailanghe Glacier No. 21 from 2nd September 2020 to 28th August 2021

辐射是冰川消融过程中最重要的能量来源。摆浪河21号冰川区入射和反射短波辐射年平均值分别为183.7 W·m^-2和60.7 W·m^-2，二者均小于老虎沟12号冰川区（4 550 m）^［31］，可能与老虎沟12号冰川AWS所处的海拔与下垫面有关。海拔高，晴空穿过率高且云量水汽低^［20］，入射短波辐射高；AWS常年处于雪冰下垫面，反照率高，反射短波辐射高。入射短波辐射随太阳高度角变化，由于该区域6月云量高于5月，入射短波辐射月最大值出现在5月。反射短波辐射与入射短波辐射变化相似，但在4月反射短波辐射骤然升高，与连续降雪造成的表面反照率升高有关（月平均反照率0.68）。向下的长波辐射月均值最小值出现在1月（151.4 W·m^-2），之后随着气温升高以及空气比湿和云量不断增大，向下长波辐射逐渐增大，在7月达到峰值，为284.1 W·m^-2。受下垫面温度的影响，向上的长波辐射在7月出现最大值，12月出现最小值，分别为347.6 W·m^-2与230.8 W·m^-2。

3.2　祁连山冰川区降水特征比较

本文对祁连山东段的宁缠河1号冰川、中段南坡的八一冰川、西段的老虎沟12号冰川与摆浪河21号冰川的降水结果进行比较。其中宁缠河1号冰川、摆浪河21号冰川以及老虎沟12号冰川均位于北坡上，自东向西，三条冰川总降水量逐渐减少，分别为713.17 mm、568.7 mm、和389.3 mm（图4），尽管降水资料来自不同年代和不同海拔，但仍能显示出祁连山降水自东南向西北递减的整体空间格局^［32-34］。祁连山水汽自东向西传输，东段是夏季风主要影响区域^［15］，因此在夏季风影响下，北坡三条冰川中宁缠河1号冰川年降水量最大尤其是在夏季。而与北坡相比，南坡更易受到夏季风影响，且八一冰川AWS海拔高于北坡的三条冰川，因此位于走廊南山的八一冰川年降水量（754 mm）高于北坡三条冰川年降水量。此外，相比同样位于祁连山中段的摆浪河21号冰川，八一冰川山谷风循环，在日间阶段，水汽受到谷风影响上升到山坡上，在夜间阶段，水汽冷却可形成降水^［19］，而摆浪河21号冰川山谷风循环不显著。

图4

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图4 祁连山不同冰川的月降水量

Fig. 4 Monthly precipitation of four glaciers in the Qilian Mountains

四条冰川降水均具有明显的夏高冬低的季节特征，最小降水量均发生在冬季，最大降水量除了宁缠河1号冰川发生在8月（140.9 mm），其余三条冰川最大降水量均在7月，分别为110.5 mm（摆浪河21号冰川）、153.1 mm（八一冰川）、115.9 mm（老虎沟12号冰川）。此外，除宁缠河1号冰川外，其余三条冰川9月降水量均比8月降水量大幅递减。

3.3　不同海拔梯度降水比较

由于国家气象台站的翻斗式雨量传感器无法记录固态降水，仅能记录5—9月降水数据；祁连山降水主要集中在5—9月（占全年降水的85%以上）^［33-34］，本研究选取5—9月降水进行对比分析。2020年9月以及2021年5—8月，海拔1 928 m、2 096 m、3 210 m和4 350 m处的降水总量依次为96.6 mm、108.4 mm、196.4 mm、435.2 mm，表现出随海拔升高降水增大的海拔效应［图5（a）］。6—8月各月降水量随海拔升高而增大，而5月和9月降水量随海拔增加呈现出先减少后增加的变化特征。7月和8月最大降水量也表现出随海拔升高降水增加的海拔效应，5月（先减后增）和6月（先增后减）最大降水量随海拔升高呈现出反相的变化特征。

图5

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图5 2020年9月及2021年5—8月祁连山不同海拔高度降水量和日数比较

Fig. 5 From September 2020 and May to August 2021， comparison of precipitation at different altitudes in Qilian Mountains： Monthly precipitation （a） and precipitation days （b）

降水日数也随着海拔升高而增加，海拔1 928 m、2 096 m、3 210 m和4 350 m处的降水日数依次为32 d、43 d、63 d、99 d［图5（b）］，海拔每升高100 m，降水日数约增加2~3 d。5—7月和9月各月降水日数随着海拔升高而增加，其中5月海拔每升高100 m，降水日数增加不足1 d，6月和9月海拔每升高100 m，降水日数约增加3 d，而8月呈现出先减后增的变化特征。结合降水量变化，8月海拔1 928 m处月降水量大于海拔2 096 m，而降水日数则相反，表明海拔2 096 m处降水强度大于海拔1 928 m。

不同海拔高度间月降水梯度变化如表3所示，5—9月海拔1 928~2 096 m间月降水梯度在5月和9月为负，6—8月为正，海拔2 096~3 210 m和3 210~4 350 m间月降水梯度均为正，表现出随海拔升高降水增大的海拔效应。各月降水梯度值差异较大：海拔1 928~2 096 m间月降水梯度在6月最大；海拔2 096~3 210 m间月降水梯度在5月最大；海拔3 210~4 350 m间月降水梯度在7月最大。

表3 祁连山不同海拔高度间月降水梯度

Table 3 Monthly precipitation gradient between different altitudes in Qilian Mountains

月份	不同海拔带的月降水梯度/［mm⋅（100m）^-1］
月份	1 928~2 096 m	2 096~3 210 m	3 210~4 350 m
5	-6.55	2.58	3.85
6	12.08	0.77	5.32
7	3.87	1.98	6.22
8	4.29	0.46	5.06
9	-6.85	2.11	0.50

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摆浪河21号冰川区5—9月降水量明显大于其他三个台站降水量，除海拔效应外，也可能受到冰川的冷却效应影响^［12］。水汽在山地爬升到一定海拔高度后会形成降水，当剩余水汽继续爬升，由于冰川的冷却效应，会凝结形成第二次局地降水^［19］。此外，冰川的冷却作用还使冰层和其他土地覆盖类型之间表面温度的差异显著，造成了两者之间活跃的水平湍流交换^［35］，一可把沙漠和绿洲中再循环水汽输送到山区^［36］，二可加强冰川内部湍流发展，使局地环流加强^［4］。未来还需要持续的监测结合模拟进一步深入研究。

3.4　典型降水事件的环流驱动

在西北干旱区，极端降水在年降水总量中占比较大^［37］，且常伴随着如洪水等一系列自然灾害。本文选取了观测年降水量最大一次降水过程（2021年7月25—27日），从位势高度、水汽通量、层结稳定度、散度和垂直速度来分析此次降水过程的环流特征、水汽条件和动力条件。

3.4.1　降水基本概况及环流背景

7月25—27日，祁连山大部分区域有降水发生（图6），随着时间推移，降水范围逐渐由西向东扩散。7月25日，降水主要出现在祁连山西段和中段，在大柴旦附近降水量大于20 mm。7月26日，降水范围整体向东移动，主要在祁连山中段和东段，且降水量大于前一天的降水量。7月27日降水逐渐减弱，仅在祁连山东段有少量降水，祁连山大范围降水趋于结束。

图6

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图6 2021年7月25—27日祁连山地区的再分析资料（ERA5）降水量图（填色图，单位：mm）以及实测站点降水量（空心圆，单位：mm）

Fig. 6 Precipitation of reanalysis data （ERA5）（filled color map， unit： mm） and observation data （hollow circle， unit： mm） for the Qilian Mountains from 25th to 27th July 2021： 25th July， 2021 （a）； 26th July， 2021 （b）； 27th July， 2021 （c）

500 hPa位势高度场（图7）显示，在7月25—27日降水区（38.7°~39.2° N，99°~99.8° E）一直处于槽后脊前，蒙古高原南部有一低压槽，并在此过程中该低压槽不断加深；在巴尔喀什湖附近有一弱脊，并在此过程中该高压脊不断向东移动，不断有冷空气由西北气流输送至降水区。此外，伊朗高压前部盛行偏北风，同样不断有冷空气南下，且降水区正处于伊朗高压的高压脊底部，受高压脊控制。以上表明此次降水过程可能受到局地环流影响^［12］。

图7

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图7 500 hPa位势高度场（单位：gpm）

Fig. 7 Geopotential height at 500 hPa （unit： gpm）： 25th July， 2021 （a）； 26th July， 2021 （b）； 27th July， 2021 （c）

3.4.2　水汽条件

从7月25—27日平均比湿的经度/纬度-气压垂直剖面图（图8）可以看到，500 hPa以上水汽含量较少，水汽多集中在对流层中下层。进一步对水汽通量从地面到500 hPa进行整层积分（图9），发现7月25日降水区位于水汽输送量高值区的西南边缘地带，水汽通量强度可达150~200 kg·m^-1·s^-1。7月26日有所减小，在100~150 kg·m^-1·s^-1之间；7月27日进一步减小到100 kg·m^-1·s^-1以下，且降水区远离水汽通量高值区。水汽通量的流线追踪显示，在7月25—27日，高纬度到中纬度有一条西北-东南向水汽输送通道，西北气流可将沿途水汽输送到研究区域，未发现来自西南部和东部的水汽输送，表明此次降水水汽主要受到西风影响。

图8

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图8 2021年7月25—27日平均比湿的经纬度-气压垂直剖面（单位：g·kg^-1）

Fig. 8 From 25th to 27th July 2021， Pressure-longitude cross-section of the specific humidity （unit： g·kg^-1） along 39° N averaged （a） and pressure-latitude cross-section of the specific humidity （unit： g·kg^-1） along 99° N averaged （b）

图9

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图9 整层（地面到500 hPa）水汽通量［单位：kg⋅（m⋅s）^-1］

Fig. 9 The vertically integrated water vapor flux （surface to 500 hPa）［unit： kg⋅（m⋅s）^-1］： 25th July， 2021 （a）； 26th July， 2021 （b）； 27th July， 2021 （c）

上述分析仅有助于此次降水过程的水汽输送方向及大小认识，而水汽在何处集中则进一步通过水汽通量散度定量描述。从图10（a）中可以看到，7月25日降水区上空500 hPa以下的水汽通量散度为负值区，表明水汽辐合，500 hPa以上为水汽通量散度的正值区，表现为水汽辐散，这种高层辐散、低层辐合的抽吸机制有利于水汽的上升运动^［38］。7月26—27日降水区水汽通量散度条件［图10（b）、（c）］与7月25日相一致。

图10

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图10 水汽通量散度的经度-气压垂直剖面（沿39° N）［单位：10^-7 kg⋅（m²⋅s⋅hPa）^-1］

Fig. 10 Pressure-longitude cross-section of the water vapor flux divergence along 39°N ［unit： 10^-7 kg⋅（m²⋅s⋅hPa）^-1］： 25th July， 2021 （a）； 26th July， 2021 （b）； 27th July， 2021 （c）

综上可知，高纬度到中纬度的西北-东南向水汽输送带为此次降水过程提供了充足的水汽。此外，降水区上空水汽汇集且高层辐散和低层辐合的抽吸机制有利于水汽的上升运动，为此次降水提供了有利的水汽条件。

3.4.3　层结条件分析

假相当位温θ_se可以用来判定气层的稳定性，当上下层θ_se的差值（Δθ_se）小于0，为对流性不稳定，反之亦然。从图11（a）中可以看出，7月25日降水区从地面到400 hPa的Δθ_se小于0，且Δθ_se可达-10 K，说明气层为对流性不稳定。7月26日［图11（b）］降水区从地面到400 hPa的Δθ_se小于0，但Δθ_se减小到 -5 K，层结不稳定性减弱。7月27日［图11（c）］从地面到400 hPa的假相当位温基本维持在335 K左右，气层为中性。以上分析表明，7月25—27日气层积聚的能量不断释放，大气层结逐渐由不稳定转为中性，对流活动逐渐减弱。

图11

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图11 假相当位温的经度-气压垂直剖面（沿39° N，单位：K）

Fig. 11 Pressure-longitude cross-section of potential pseudo-equivalent temperature （unit： K） along 39° N： 25th July， 2021 （a）； 26th July， 2021 （b）； 27th July， 2021 （c）

3.4.4　动力条件分析

7月25日，降水区从地面到500 hPa均为辐合区，中心值约为-4×10^-5 s^-1，由此向上至200 hPa是辐散区，辐散强度小于2×10^-5 s^-1，辐合强度较强［图12（a）］。7月26日，降水区上空700~500 hPa是辐合区，辐合中心在600 hPa左右，中心值约为-6×10^-5 s^-1，再往上到200 hPa是辐散区［图12（b）］。7月27日，降水区从地面到550 hPa均为辐合区，辐合范围较7月25日缩小，但有两个强度中心，中心值均大于 -4×10^-5 s^-1，在600~200 hPa之间是辐散区，辐散强度小于2×10^-5 s^-1［图12（c）］。这种低层辐合，高层辐散对降水的形成十分有利，不但有利于空气上升运动，更有利于湿空气抬升凝结^［38］。

图12

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图12 散度的经度-气压垂直剖面（沿39° N，单位：s^-1）［（a）~（c）］和垂直速度的经度-气压垂直剖面（沿39° N，单位：Pa·s^-1）［（d）~（f）］

Fig. 12 Pressure-longitude cross-section of the divergence （unit： s^-1） and vertical velocity （unit： Pa·s^-1） along 39° N： 25th July， 2021 （a） and （d）， 26th July， 2021 （b） and （e）， 27th July， 2021 （c） and （f）

7月25日［图12（d）］，降水区上空整层垂直速度小于0，表示为空气的垂直向上运动，出现了两个上升运动中心，最强上升运动中心在600~550 hPa之间，中心值为-0.6 Pa·s^-1，这种整层大气都为强烈的上升运动不仅使得暖湿空气辐合抬升，而且在上升过程中释放潜热，加热大气，从而使得垂直运动增强，又使辐合上升增强^［39］。7月26日［图12（e）］，降水区山顶上空550 hPa以下为较弱的上升气流，垂直速度小于-0.2 Pa·s^-1，而550~200 hPa之间为较弱的下沉气流，这层下沉气流对近地层的上升气流起到了抑制作用。7月27日［图12（f）］的情况与26日相一致。

综上，低层辐合和高层辐散以及强烈的上升运动不但有利于空气上升运动，还有利于湿空气抬升凝结，为此次降水过程提供有利的动力条件。

4 结语

本文通过对祁连山中段摆浪河21号冰川2020年9月2日—2021年8月28日气象数据进行分析，得出以下主要结论：

（1）摆浪河21号冰川区的气温、降水、比湿、云量以及辐射四分量均具有夏高冬低的季节特征。年均温为-7.4 ℃，月均温呈现单峰型变化特征，超过0 ℃的天数仅出现在5—9月；年总降水量为568.7 mm，发生时间主要集中在4—8月，占全年降水的80.6%，与云量对比发现降水频次和强度均随着云量的增加而增加；天气主要以多云为主；春、夏、秋风速较小且波动平缓，冬季最大；风向受到冰川风和地形的影响，冰川风在局地环流中占绝对主导，山谷风环流不明显。

（2）2020年9月及2021年5—8月份总降水量和降水日数均随着海拔升高而增加。不同海拔高度间月降水梯度为正，进一步表明了降水的海拔效应。此外，从非冰川区过渡到冰川区降水量又有所增加。

（3）2021年7月25—27日这一降水过程属于局地对流降水。中高纬的西北-东南向水汽输送为此次降水过程提供了充足的水汽，水汽在降水区上空汇集且高层辐散和低层辐合的抽吸机制，为此次降水提供了有利的水汽条件。降水区位于槽后脊前，不断有冷空气输入，低层辐合和高层辐散、强烈的上升运动以及大气层结不稳定有利于低层暖空气上升，冷暖空气交汇，造成此次降水过程的产生。

本研究对祁连山不同冰川进行了比较，但由于不同冰川降水资料年代不同，其差异性原因分析存在着不确定。此外，在分析不同海拔梯度降水异同性时发现在海拔1 928 m、2 096 m和3 210 m的三个台站降水量在7月都有所下降，是偶然发生还是长期变化也需更持续的监测来进一步证实。山区地形复杂，局地小地形的阻挡、辐合和抬升等作用是影响山区降水的重要影响因素，未来还需要通过WRF模拟和降水同位素分析进一步深化认识。

参考文献

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文中引用次数倒序

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