冰雪覆盖与气候

冰雪覆盖（冰雪圈）是气候系统组成部分之一，它包括季节性雪被、高山冰川、大陆冰盖、永冻土和海冰等。由于它们的物理性质与无冰雪覆盖的陆地和海洋不同，形成了一种特殊性质的下垫面。它们不仅影响其所在地的气候，而且还能对另一洲，甚至另一半球的大气环流、气温和降水产生显著的影响，并能影响全球海平面的高低。在气候形成和变化中冰雪覆盖是一个不可忽视的因子。

一、世界冰雪覆盖概况

冰雪覆盖既需要冰点以下的低温，还必须有充足的固态降水，以维持雪和冰的供应。图3-13给出全球平均气温、平均降水量和雪线高度随纬度的变化。雪线是指某一高度以上，周围视线以内有一半以上为积雪覆盖且终年不化时的高度（snow line）。雪线高度因纬度而异。由图3-13可见，全球最大雪线高度并不出现在赤道，而出现在南北半球的热带和副热带，特别是在其干旱气候区。这些干旱气候区降水供应少，晴天多，又多下沉气流，积雪比较容易融化，而赤道地区降水量大，云量多，日照百分率不如热带、副热带干旱区大，因而最大雪线高度不出现在赤道。随着纬度的继续增高，气温也越降低，在总降水量中雪量的比例逐渐增大，冬长夏短，雪线就逐渐降低。在高纬度地区冬长无夏，地面积雪终年不化，雪线也就降到地平面上。

图3-13　气温、降水量和雪线高度随纬度的变化

在同纬度的山地，雪线高度可因种种条件各不相同。例如在冬季，降雪多的地区雪线比较低，在降水集中于夏季的地区，雪线就比较高；向阳坡的积雪比背阳坡易于融化，向风坡的积雪易被吹散，背风坡积雪易于积存；向海洋的湿润坡降雪量大于向内陆的干旱坡。这些都会导致不同坡向雪线高低不同。例如喜马拉雅山南坡雪线高度平均位于3900m，北坡平均位于4200m，个别地区雪线高达6000m。

地球上各种形式的总水量估计为1384×106km3，其中约有2.15%是冻结的。就淡水而言，几乎有80%～85%是以冰和雪的形式存在的。自1966年秋季开始，人造卫星提供了连续的、大范围的冰雪覆盖资料。从平均值来看，全地球约有10%的面积为冰雪所覆盖，现代地球冰雪圈各组成部分所占面积的年平均值如表3-12所示。

表3-12　现代地球冰雪圈

大陆雪盖以季节性积雪为主，夏季也有积雪，但面积大为缩小，有时有的地区积雪可维持数年之久，但不稳定。如果积雪长期维持则会转变为大陆冰盖，即大陆冰原。南极冰原是世界上最大的冰原，面积达13.6×106km2，格陵兰冰原面积约为1.8×106km2，山岳冰川的面积合计约为0.5×106km2，三者冰体的体积之比约为90∶9∶1。永冻土分布在高纬地区，欧亚大陆和北美大陆的高纬地区，其最大深度在西伯利亚为1400m，在北美为600m。雪盖主要分布在北半球欧亚大陆和北美大陆。虽然在南半球澳大利亚、新西兰、南美西岸和南非等处的部分高地也有雪盖，但面积较小。

海冰主要指在北冰洋及环绕南极大陆的海洋中漂浮在海上的冰。海冰覆盖在海面并不结成一个整体，而是分裂成块，冰块之间为水体。越接近极区水体越少，越到低纬冰块所占比例越小。

根据人造卫星探测资料，全球冰雪覆盖面积有明显的季节变化和年际变化。表3-13列出了南北半球及全球海冰和大陆积雪各月平均值。北半球海冰和雪盖面积均以2月为最大，8月为最小。2月海冰面积相当于8月的2倍，雪盖面积相当于8月的10倍多。南半球海冰面积以9月为最大，2月最小，其9月海冰面积约相当于2月的4倍多。由此可见，南半球海冰面积的季节变化比北半球更大。

表3-13　南北半球及全球海冰与大陆积雪覆盖面积（单位：106km2）

海冰还有明显的年际变化。从20世纪70年代初到80年代初，南半球海冰面积平均减少了2.4×106km2，即大约减少了20%，变化相当激烈。但80年代初又有所回升，此后一直到90年代初，年际变化都不明显。从近几年资料来看，南半球海冰面积的变化远大于北半球。

大陆雪盖面积的年变化也很显著。在1967—1979年中，北美和欧亚大陆雪盖面积分别增加了2.0×106km2和4.0×106km2。但从70年代末至90年代期间，北半球大陆雪盖面积则减少了大约4.0×106km2。

冰雪的另一种特征是新陈代谢率，即固态降水在冰体上的停留时间。由表3-12可见，大陆冰盖（冰原）存留的时间最长（1000～100 000年），山岳冰川和永冻土其次（10～1000年），以大陆雪盖和海冰存留时间较短（0.01～10年）。后两者对气候的异常影响特别显著。

二、冰雪覆盖与气温

冰雪覆盖是大气的冷源，它不仅使冰雪覆盖地区的气温降低，而且通过大气环流的作用，可使远方的气温下降。冰雪覆盖面积的季节变化，使全球的平均气温发生相应的季变。图3-14为1月、4月、7月、10月全球及两个半球平均气温。如果不考虑一年中日地距离的变化，作为全球平均，一年四季接受到的太阳辐射应该是一个常数，全球平均气温也应该接近为一个常数，没有显著的季节变化。但事实却不然。图3-14中全球平均的1月气温远低于7月。根据近年日地距离的情况来看，1月接近近日点，1月的天文辐射量比7月约高7%。全球平均气温出现上述情况，显然与冰雪覆盖面积有关。在图3-14中还可发现，北半球和南半球各自的月平均气温均与冰雪覆盖面积呈反相关关系，冰雪面积大，平均气温低。

北半球大陆雪盖面积的年际变化与大陆平均气温的对应关系也很明显。出现雪盖面积正距平的年份，大陆气温即为负距平。而雪盖面积为负距平时，大陆气温即呈现出正距平。

图3-14　北半球、南半球和全球月平均气温与冰地覆盖面积对应值的分布

冰雪表面的致冷效应是由于冰雪表面的辐射性质、冰雪与大气的能量交换和水分交换性质而造成的。

（一）冰雪表面的辐射性质

冰雪表面对太阳辐射的反射率很大，一般新雪或紧密而干洁的雪面反射率可达86%～95%；而有孔隙、带灰色的湿雪反射率可降至45%左右。大陆冰原的反射率与雪面相类似。海冰表面反射率在40%～65%左右。由于地面有大范围的冰雪覆盖，导致地球上损失大量的太阳辐射能。这是冰雪致冷的一个重要因素。

地面对长波辐射多为灰体，而雪盖则几乎与黑体相似，其长波辐射能力很强，这就使得雪盖表面由于反射率加大而产生的净辐射亏损进一步加大，增强反射率造成的正反馈效应，使雪面也越变冷。

（二）冰雪-大气间的能量交换和水分交换特性

冰雪表面与大气间的能量交换能力很微弱。冰雪对太阳辐射的透射率和导热率都很小。当冰雪厚度达到50cm时，地表与大气之间的热量交换基本上被切断。在北极，海冰的厚度平均为3m，在南极，海冰的厚度为1m，大陆冰原的厚度更大。因此，大气就得不到地表的热量输送。特别是由于海冰的隔离效应，有效地削弱海洋向大气的显热和潜热输送，这又是一个致冷因素。

冰雪表面的饱和水汽压比同温度的水面低，冰雪供给空气的水分很少。相反地，冰雪表面常出现逆温现象，水汽压的铅直梯度往往是冰雪表面比低空空气层还低，于是空气反而要向冰雪表面输送热量和水分（水汽在冰雪表面凝华）。所以，冰雪覆盖不仅有使空气致冷的作用，还有致干的作用。冰雪表面上形成的气团冷而干，其长波辐射能因空气中缺乏水汽而大量逸散至宇宙空间，大气逆辐射微弱，冰雪表面上辐射失热就更难以得到补偿。

此外，当太阳高度角增大、太阳辐射增强时，融冰化雪还需消耗大量热能。在春季无风的天气下，融雪地区的气温往往比附近无积雪覆盖区的气温低数十度。

综合上述诸多因素，冰雪表面使气温降低的效应是十分显著的。而气温降低又有利于冰面积的扩大和持久。冰雪和气温之间有明显的正反馈关系。

三、冰雪覆盖与大气环流和降水

冰雪覆盖使气温降低，在冰雪未全部融化之前，附近下垫面和气温都不可能显著高于冰点温度。因此，冰雪又在一定程度上起到使寒冷气候在春夏继续维持稳定的作用。它往往成为冷源影响大气环流和降水。

亚洲东海岸外的鄂霍茨克海在初夏期间是同纬度地带中最寒冷的地区，比亚洲内地寒极附近的雅库次克还要寒冷（表3-14），其差值在6、7两月最显著，而这两月正是我国长江流域的梅雨期。梅雨实质上是从南方来的暖湿空气与从北方来的寒冷空气在长江流域一带持续冲突影响的结果。鄂霍茨克海表面的寒冷使得该海区成为向南移动的主要冷空气源地之一，在梅雨的形成中起了主要的作用。

表3-14　鄂霍茨克海东南角表层水温与雅库次克气温（℃）

鄂霍茨克海冰的形成与西伯利亚内陆冬季寒冷的气候有关，整个冬半年寒冷的空气顺着西风气流到达鄂霍茨克海区，使这里温度降低，并逐渐冰冻。这一寒冷效应一直贮存到初夏才发挥它的冷源作用。因此在对梅雨的长期预报时，就必须考虑鄂霍茨克海年初的冰雪覆盖面积。

再如青藏高原冬春的积雪与我国华南5～6月的降水有很好的相关性。大量统计资料表明：若冬春高原多雪，则华南夏季降水偏多，冬春积雪日数与华南6月降水为正相关（图3-15）。

图3-15　青藏高原冬春积雪与华南5～6月降水的关系

冰雪覆盖面积对降水的影响还可涉及到遥远的地区。据研究，南极冰雪状况与我国梅雨也有密切关系。从大气环流形势来看，在南极海冰面积扩展的年份，其后期南极大陆极地反气旋加强，绕极低压带向低纬扩展，整个行星风带向北推进，从而使赤道辐合带北移，并导致北半球的副热带高压亦相应地北移。又由于南极冰况分布有明显的偏心现象，最冷中心偏在东半球（70°～90°E），由此向北呈螺旋状扩展至澳大利亚，由澳大利亚向北推进的冷空气势力更强，因此对北太平洋西部环流的影响更大。

此外，冰雪覆盖面积和厚度的变化还影响海水水平面的高低。在寒冷时期，降雪多而融化少，这样大陆就把水分以冰雪形式留在大陆上，不能通过河川径流等水分外循环形式如数（海洋表面蒸发数量）还给海洋，导致海洋支出的水分多，收入的水分少，海水就会变少，海平面就会下降。相反，在温暖时期，大陆上的积雪就会融化，这时海洋收入的水分又会多于支出的水分，引起海水增多和海平面上升。据估算，如果目前南极大陆冰原全部融化，则世界海洋的海平面要抬升70～80m。