中國東北地區季節性積雪導熱系數及溫度變化特征分析

汪恩良 富 翔 韓紅衛 解 飛 莊 峰

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；2.黑龍江省寒區水資源與水利工程重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室， 大連 116024)

0 引言

積雪是冰凍圈重要組成之一，是地理環境變化的重要參與成分，不僅影響全球氣候變化，而且能夠對氣候監測起到指示作用[1-2]。全球約98%的季節性積雪位于北半球，歐亞大陸是北半球積雪的主要分布區域，多年平均積雪面積約為2.87×107km2[3-4]。我國是積雪資源豐富的國家，穩定積雪區面積達4.2×106km2，主要分布在青藏高原、東北、內蒙及新疆地區[5]。積雪是一種重要且特殊的地面覆蓋介質，對周邊的生態環境產生重要影響[6]。積雪的低導熱性減少了土壤與周邊環境的能量交換，有效地保持冬季土壤的溫度[7-9]，積雪密度、深度以及覆蓋時間對土壤溫度影響較大[10]。積雪的覆蓋同時阻礙了土壤水分的散失，融雪入滲也影響土壤水分的變化規律[11-12]。因此積雪影響土壤的水熱狀況和土壤養分分布，有利于農作物(冬小麥等)的生長發育，對農業生產活動具有重要意義[13-14]。

目前，大多數研究集中在積雪覆蓋下的土壤變化方面，而對積雪本身的熱狀況研究較少。積雪的導熱性質是積雪熱特性的具體表現之一，不僅影響外部環境，而且還影響積雪本身的能量交換和熱狀態[15]。積雪的導熱系數定義為單位時間內通過單位面積的熱量與溫度梯度的比例系數，即傅里葉定律[16]。因此，積雪的導熱系數變化會影響溫度梯度，從而影響積雪的變質過程，改變積雪的內部結構和物理性質，進而影響外部環境[17]。關于積雪導熱系數，國外已有學者進行了相關研究。STURM等[18]根據大量的試驗數據，分析了積雪導熱系數與密度、溫度之間的關系。MORIN等[17]分析了積雪導熱系數隨時間的變化，在試驗期間發現，積雪導熱系數在0.04～0.35 W/(m·K)之間，且時間變化率在0～0.05 W/(m·K·d)范圍內。DOMINE等[19]研究發現，地面植被的覆蓋也會影響積雪導熱系數的變化。RICHE等[20]比較了積雪導熱系數的不同測量方式，認為在短時間測量時要避免使用針狀探針。FICHEFET等[21]、STURM等[22]對海冰上的積雪導熱系數進行研究，發現冰上覆雪會顯著影響冰的生消過程。我國學者也對積雪溫度變化進行了一些研究，胡汝驥等[23]對天山雪溫進行了觀測，并繪制了3種不同時期的雪溫剖面曲線。高培等[24]、卓越等[25]對雪溫的日變化特征進行了詳細的觀測。國內學者對天山積雪的溫度狀況及輻射特征進行了研究，發現天氣的變化會使雪面能量交換過程發生顯著變化，太陽短波輻射是引起雪溫變化的主要因素[26-30]。

黑龍江省是我國重要的糧食產區，也是冬季積雪的穩定分布區。我國西北和東北地區的氣候環境不同，導致積雪性質具有明顯差異[31]。我國的積雪研究主要集中在西北地區，研究東北地區的積雪熱特征對分析模擬積雪覆蓋下土壤水熱變化、保障區域內的糧食安全及水資源安全具有積極的意義。本文基于前人研究基礎，觀測4種不同密度的積雪試樣溫度，同時制作6種不同密度的積雪試樣，于實驗室內進行5組不同溫度下的導熱系數測量，探究不同密度積雪在野外環境下的溫度變化，以及不同密度、溫度下的雪導熱系數變化規律，為分析東北地區積雪覆蓋對周圍環境的影響提供一定理論依據。

1 試驗方案與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年1月28日—2月15日在黑龍江省哈爾濱市東北農業大學水利與土木工程學院水利綜合試驗場內進行，地理位置為北緯45°44′N，東經126°43′E，海拔約136 m，地處中溫帶季風氣候，具有明顯的季節性變化，冬季漫長，寒冷干燥，夏季短暫，炎熱多雨，春、秋兩季晝夜溫差較大，時間短促，屬于過度性季節，年平均氣溫4.2℃，冬季1月平均氣溫約-19℃，夏季7月平均氣溫約23℃，全年平均降水量524.5 mm，降水主要集中在6—9月，夏季占全年降水量的60%，集中降雪期為每年11月至次年1月，歷年冬季年平均降水(雪)量為23.6 mm，最大雪深約41 cm。

1.2 試驗方案

隨著積雪不斷積累，受溫度等因素的影響，雪顆粒逐漸鏈接融合，孔隙減小，同時受自身重力的影響，不斷沉降使雪密度不斷增加。自然積雪的密度為0.05～0.55 g/cm3[32]，付強等[8]通過測量得到東北地區積雪穩定期內雪層密度為0.10～0.40 g/cm3。收集新鮮天然降雪，依據前人結論，設置4種不同密度(0.30、0.35、0.40、0.45 g/cm3)的積雪進行現場溫度觀測，探究積雪層內熱力學變化特征。根據設計密度將不同質量的積雪分層放入試驗木箱(長×寬×高為30 cm×30 cm×60 cm)，采用分層壓實的方法，將雪夯實至40 cm厚，分層壓實能夠盡可能保證雪試樣內部密度均勻。在試驗箱壁鉆孔放置溫度傳感器，溫度傳感器布置見圖1，分層監測積雪垂直方向上溫度變化，同時架設2根溫度傳感器對氣溫進行持續監測，雪溫/氣溫采樣頻率為6次/h。試樣上邊界直接接觸大氣與太陽輻射，下邊界有木板與土壤相隔。同時將收集的天然降雪中的一部分使用擊實儀分層壓實，制備密度為0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60 g/cm3的圓柱形試樣(直徑10 cm，高20 cm)，在實驗室條件下選取-25、-20、-15、-10、-5℃共5組試驗溫度，探究不同溫度及密度下雪導熱系數變化規律。

積雪溫度現場觀測中所應用的溫度傳感器為熱敏電阻溫度傳感器(精度為±0.02℃)，并利用數據采集儀(Campbell CR1000型)采集數據，采用太陽能為試驗儀器供電。在試驗箱體四周堆積大量積雪，以減少積雪水平方向上的溫度梯度變化對試驗結果的影響。采用ISOMET2114型便攜式熱特性分析儀測量雪導熱系數。在測量開始前需將試樣放入恒溫冰箱中恒溫24 h，保證試樣內部溫度均勻。

2 結果與分析

2.1 雪導熱系數變化規律

2.1.1密度對雪導熱系數的影響

雪層中的熱量傳遞主要有3種方式：①通過冰顆粒(骨架)的傳導。②通過孔隙間的空氣進行傳導。③蒸氣的冷凝和升華通過孔隙空間的潛熱傳導，同時雪中對流及輻射也會傳遞熱量，但相比于其他的方式傳遞的熱量極少，也不常見。因此通常在雪導熱系數的測量中將3種主要的傳熱方式結合成一個有效的數值，即有效導熱系數[14]。本文所得到的導熱系數均為有效導熱系數。

雪作為一種低導熱系數材料，具有良好的隔熱保溫性能。野外環境下，在降雪結束后，測得新雪密度在0.07～0.19 g/cm3之間，導熱系數在0.060～0.200 W/(m·K)之間，變化幅度較大。測量時的雪層深度較淺，在2～5 cm，降雪前地面無雪，沒有雪層堆積，變質作用不明顯，密度較低，導熱系數與密度相關性較弱，外部環境變化成為此時主導雪導熱系數變化的主要因素，這與文獻[18]中的結論相似。

在實驗室條件下測量得到的雪導熱系數與密度相關性較高，雪導熱系數隨著密度的增大而增大(圖2)。以-25℃的測量結果為例，密度在0.35 g/cm3下的雪導熱系數在0.156～0.220 W/(m·K)之內，平均導熱系數為0.202 W/(m·K)，0.60 g/cm3下的導熱系數在0.737～0.923 W/(m·K)之內，平均導熱系數為0.808 W/(m·K)，較0.35 g/cm3下的導熱系數增加了約300%。隨著密度的增加，雪導熱系數增加，同樣條件下傳導的熱量更多，保溫性能變差。

圖2f中的兩條曲線是STURM等[18]對大量試驗數據進行擬合分析得到的雪導熱系數與密度的關系曲線，公式為

k=0.138-1.01ρ+3.233ρ2(0.156≤ρ≤0.6)

(1)

k=102.650ρ-1.652(ρ≤0.6)

(2)

式中k——導熱系數，W/(m·K)

ρ——密度，g/cm3

二者對相應密度范圍內的雪導熱系數擬合結果相近，式(1)也可以用來推算雪密度超過區間限制(ρ>0.6 g/cm3)的雪導熱系數，而式(2)對低密度雪導熱系數擬合效果優于式(1)。對試驗數據結果進行擬合分析，發現在本試驗條件下，利用指數擬合雪導熱系數與密度的關系，效果更佳，擬合公式為

k=aebρ

(3)

式中a、b——擬合系數

擬合結果如表1所示。不同溫度條件下的決定系數R2均不小于0.914，因此試驗條件下的雪導熱系數與密度符合指數關系是合理有效的。

表1 雪導熱系數與密度的指數擬合結果Tab.1 Exponential curve fitting of snow thermal conductivity and density

2.1.2溫度對雪導熱系數的影響

溫度是影響雪導熱系數變化的因素之一，試驗結果表明，密度在0.40～0.45 g/cm3范圍下，雪導熱系數隨著溫度的升高而增大。密度為0.40 g/cm3時，-25℃下雪導熱系數為0.226～0.303 W/(m·K)，平均導熱系數為0.260 W/(m·K)；-5℃下導熱系數范圍為0.281～0.326 W/(m·K)，平均導熱系數為0.302 W/(m·K)，較-25℃增加約16%。雪密度為0.45 g/cm3時，-25℃下雪導熱系數范圍為0.265～0.308 W/(m·K)，平均導熱系數為0.300 W/(m·K)，-5℃下導熱系數范圍為0.438～0.465 W/(m·K)，平均導熱系數為0.448 W/(m·K)，較-25℃增加約49%，大于雪密度為0.40 g/cm3時的增加幅度。雪密度在0.50～0.60 g/cm3區間，雪導熱系數與溫度的關系則呈現出不同的情況，各溫度下的變化趨勢相同，相對平穩，且變化幅度均不超過0.150 W/(m·K)，以密度0.55 g/cm3為例進行分析，在接近0℃時的導熱系數相對較大，-5℃與-10℃下的平均導熱系數分別為0.628、0.638 W/(m·K)。而在-15～-25℃下，-15、-20、-25℃的平均導熱系數分別為0.564、0.577、0.649 W/(m·K)，呈現出隨著溫度的降低，導熱系數逐漸升高的趨勢。從圖3可以發現，隨著密度降低，平均導熱系數的標準偏差逐漸減小，表明在試驗條件下雪密度越小，導熱系數的離散性越小。

2.2 雪溫特征分析

2.2.1雪溫變化特征

積雪內部溫度變化是其重要的物理特征，積雪上邊界的溫度變化主要取決于雪面接收的太陽輻射及雪與大氣接觸面上熱交換過程，而積雪下邊界的溫度變化主要依賴下覆土地中的熱流影響[24]。試驗期間各個密度試樣的雪層溫度變化趨勢大致相同，以密度為0.30 g/cm3的結果為例(圖4a)來說明雪溫的變化情況。從圖4a可以看到，積雪各層溫度均小于0℃，溫度隨著積雪深度的增加逐漸升高，雪溫的變化幅度也隨積雪深度的增加而逐漸減少。同時雪溫與氣溫變化趨勢相同，1月28日—2月3日，氣溫較高，積雪整體溫度較高，2月3—7日，雪溫隨氣溫急劇下降，2月7—15日，雪溫隨氣溫緩慢回升。0～20 cm深度的雪溫受氣溫影響顯著，2 cm處的雪溫變化最為劇烈，在-20.71～-6.29℃之間呈準周期性變化；深度在20 cm以下的雪層中，溫度變化相對穩定，40 cm處的雪溫在-9.40～-6.09℃范圍內變化。雪導熱系數較低，熱容量較大，在熱量傳遞過程中，熱量不斷被積雪吸收，使得繼續傳遞的熱量逐漸減少，而積雪存在一定的厚度，熱量的傳遞需要一定的時間，如1月31日，2 cm處的雪溫在07:30出現最低溫(-15.63℃)，而40 cm處的雪溫則在11:20出現最低溫(-7.10℃)，相差約4 h。雪溫對氣溫的響應隨雪深的增加存在一定的滯后性。積雪垂直剖面上的溫度差異，底部溫度較高，且大于表面雪層，說明積雪具有保溫的作用。

圖5為4種密度試樣的溫度特征圖，能夠更加直觀地表現不同深度雪溫的變化情況，各個密度下各層雪溫變化趨勢大致相同，雪溫具有明顯的分層現象，深層雪溫高于淺層雪溫。從圖中可以看出1月28日—2月6日的積雪總體溫度高于2月6—15日的溫度。比較不同密度的積雪在相同深度上的溫度變化，發現高密度的雪溫要略低于低密度的雪溫。其由于雪導熱系數會隨積雪密度的增大而增大，在相同條件下，密度大的雪傳遞的熱量更多，溫度更低，但由于積雪內部結構及氣溫的影響，會引起導熱系數的不規律變化，因此不同密度下的雪層溫度變化差異不明顯。

2.2.2雪溫日變化特征

根據圖4b試驗期間的日平均氣溫變化曲線，選擇2月7日后氣溫緩慢回升，初次到達波峰值的2月10日，作為分析雪溫日變化的典型日期。圖6為4種密度的積雪試樣在2月10日的溫度變化，以0.30 g/cm3的試樣分析雪溫的日變化特征。上下雪層的溫度日振幅為9.58℃，0～20 cm的淺層雪溫變化劇烈，20 cm之下的深層雪溫變化穩定。淺層雪溫隨時間的增加變化明顯且規律，下午的雪溫高于上午，從00:00開始，夜間氣溫較低，表面雪層溫度高于氣溫，熱量向空氣散失，表層雪溫逐漸下降，在07:30左右出現冷中心，為-17.97℃，隨后太陽輻射出現并逐漸增強，氣溫升高，表面雪層吸熱，致雪溫逐漸升高，在12:30左右，雪面的溫度出現暖中心，為-9.03℃，之后，太陽輻射開始減弱，氣溫降低，表面積雪重新出現散熱現象，雪溫降低至后一天冷峰值，一天之中的溫度變化幅度為8.94℃。不同密度下的2 cm雪溫，均在7:00左右到達冷峰值，在12:00左右到達暖峰值。而底部30～40 cm的雪溫基本穩定在-10℃左右，變化幅度不超過1℃。在積雪垂直剖面上的變化特征表現出：00:00—10:00，雪溫從雪面由上至下，逐漸升高；在17:00之后，雪溫自雪面向下逐漸升高，而在11:00—16:00，雪溫從雪面由上至下，先減小再增大，雪溫的轉折點在距雪面20 cm左右處，而不同試樣的密度不同，該轉折點隨密度的增加有逐漸下移的趨勢。在20 cm處出現轉折點，大致因為在11:00—16:00，表面雪層吸收太陽輻射，熱量自雪面向下傳遞，但由于雪導熱系數較低，不能將大量的熱量導入下層積雪，而積雪底部因地中熱流，產生自下而上的熱量傳遞，最終在20 cm處產生熱交匯面，這與文獻[24，33]中的研究結果相近。雪導熱系數與密度間具有極高的相關性，導熱系數隨密度的增加而增大，相同條件下傳導的熱量增多，致使雪層中的熱交匯面向更深處發展。在0.45 g/cm3試樣中，轉折點較高，在距雪面12 cm左右，可能是因為在該雪層密度相對較小，影響了雪面熱量的向下傳遞，地中熱流向更淺的雪層發展，導致熱匯面在積雪淺層出現。同時也發現，在相同深度的雪層中，高密度試樣的雪溫低于低密度試樣的雪溫，密度越高的試樣，熱交匯面下移，但均不超過雪下30 cm。

2.2.3雪溫振幅變化特征

氣溫對雪溫的變化有顯著的影響，圖7為試驗期間氣溫振幅與雪深2 cm處的雪溫振幅變化曲線。氣溫振幅的變化趨勢與雪溫振幅的變化趨勢一致，但氣溫振幅遠大于雪溫振幅，氣溫的變化相對于雪內部更加劇烈。積雪的存在阻礙了氣溫向下傳遞。在0.35 g/cm3試樣下，2 cm處雪溫的變化明顯小于其他密度，可能是因為溫度傳感器周圍存在大的冰顆粒聚集體，影響了太陽輻射，促使溫度更低，變化幅度較小。

圖8為2月10日4個不同密度試樣的雪溫振幅隨深度的變化情況，雪溫振幅隨深度的增加逐漸減少，在0～20 cm雪層中，溫度變化較大，雪溫振幅較大，在20 cm之下雪層中，溫度變化穩定，雪溫振幅較小，呈負指數分布。各密度下的雪溫變化結果相近，以0.30 g/cm3試樣為例，表面雪層2 cm處的雪溫振幅為8.94℃，20 cm處為1.16℃，到最底層40 cm處，雪溫振幅僅為0.60℃，2月10日當日氣溫變化幅度為15.67℃，氣溫振幅大于雪溫振幅。

對數據進行指數擬合，擬合公式為

ΔT=αe-βz

(4)

式中 ΔT——雪溫振幅，℃α、β——擬合系數

z——積雪深度，cm

擬合結果顯示(表2)，在相同條件下，不同密度試樣的擬合方程的決定系數R2均不小于0.977，因此在試驗條件下雪溫振幅與積雪深度符合負指數關系是合理有效的。

表2 2月10日雪溫振幅與積雪深度的擬合結果Tab.2 Exponential curve fitting of amplitude of snow temperature and snow depth on February 10

3 討論

雪是由空氣、冰、水蒸氣等組成的復雜多孔結構，冰顆粒間通過鍵鏈接形成冰骨架，空氣、水蒸氣充滿孔隙[34]，因此冰、空氣、水蒸氣的導熱性質對雪的導熱性質影響巨大。冰的導熱系數遠大于空氣，約為空氣導熱系數的100倍[15]，冰骨架所傳遞的熱量占55%～60%，而水蒸氣則傳遞了10%～40%的熱量[18，35]。雪導熱系數隨著密度的增加，表現出逐漸增大的趨勢，是由于密度的增加，更多的冰顆粒被擠壓堆積形成大的團聚體，更多的冰顆粒相互接觸，顆粒間接觸面積增大，鏈接更加緊密，為熱量的傳遞增加了更多的途徑，導致雪的導熱系數增大。通過試驗結果發現，在同一密度下，雪導熱系數表現出一定的離散性，主要是由于雪微觀結構的差異引起的，雪的顆粒尺寸、顆粒類型以及鏈接鍵的變化，均會引起導熱系數的變化。本文所用的導熱系數測量試樣均為3組相同密度試樣，并經過多次測量的實測值，因此導熱系數會存在一定的差異。文獻[18]中，同樣提到了這種情況，在給定密度下，測量的導熱系數均會存在一個數量級的變化范圍，這種離散性是真實存在的，并不是測量誤差引起的。雪導熱系數的這種現象表明了雪密度只是控制導熱系數的表面因素，雪的微觀結構才是控制導熱系數的根本因素。

本文關于雪導熱系數與密度所提出的經驗公式(式(3))與文獻[18]中提出的式(1)、(2)存在一定的差異。式(1)、(2)都是基于以往研究中的數據，將大量的數據整合進行擬合，這些數據的來源樣本的密度是確定的，但樣本的結構、體積以及測試時的條件各不相同，存在較大的分散性，因此擬合的結果有一定的局限性，式(1)的擬合R2僅為0.79，式(2)的擬合R2僅為0.76。這2種公式對于本研究數據集的擬合均有一定的偏差，因此在0.35～0.60 g/cm3密度范圍內，提出利用指數相關關系來描述雪密度與導熱系數的關系，能夠獲得更好的擬合結果，不同溫度條件下R2均不小于0.914。同時本文測量了新鮮積雪的密度和導熱系數，測量時溫度在-5℃左右，雪平均密度和平均導熱系數分別為0.12 g/cm3、0.118 W/(m·K)，利用-5℃下的擬合公式和擬合系數，可得密度0.12 g/cm3下的導熱系數為0.098 W/(m·K)，相對于其他2種擬合的經驗公式更加接近實測值。因此在0.10～0.60 g/cm3密度范圍內，利用本文的擬合公式擬合能夠得到更加符合本區域的雪導熱系數。

溫度對雪導熱系數的影響在不同密度下表現出明顯差異，大致與雪內部的冰及水蒸氣有關，而溫度對冰和空氣導熱系數的影響呈現相反的趨勢，冰導熱系數隨溫度的降低而增大，空氣導熱系數則反之，隨溫度的升高而增大[36-37]，冰骨架提供了比孔隙空間更佳的傳熱途徑，因此孔隙中的溫度梯度大于冰骨架中的溫度梯度，從而促進蒸氣的傳輸，通過蒸氣的熱量傳遞也隨之增加，但同時冰骨架的存在會阻礙蒸氣的傳輸[35]，因此這種矛盾作用的相互平衡過程，引起了雪導熱系數對溫度變化的不同響應。在低密度雪中，冰顆粒間的粘合度較低，孔隙較大，孔隙之間水蒸氣的冷凝升華成為熱量傳輸的重要方式，由水蒸氣傳遞的熱量增加，在外表現出對溫度的依賴性，導熱系數隨著溫度的升高而增大；在高密度雪中，雪中的冰顆粒之間鏈接更加緊密，冰顆粒間的粘合度極高，通過水蒸氣的熱量傳輸減少，冰骨架成為控制導熱變化的主要因素。在試驗中發現-5、-10℃下的導熱系數略高于其他溫度，這種現象產生的原因可能是因為在接近0℃的溫度下，雪中冰顆粒的升華現象更加明顯，促使蒸氣傳輸的熱量大幅增加，引起導熱系數的增大，但隨著溫度的繼續降低，冰骨架成為熱量傳輸的主要方式，因此在-15～-25℃下呈現出導熱系數隨溫度的降低而增大的現象。從而在外表現出導熱系數與溫度的相關性較弱。STURM等[18]在試驗中發現了類似的現象，在密度0.49 g/cm3下的積雪，在-40℃以上，溫度對導熱系數的影響極小，但在-40℃以下，冰成為控制導熱系數的主要因素，呈現隨著溫度降低，導熱系數增大的趨勢。而在密度為0.41 g/cm3的雪中，導熱系數隨溫度的升高而增大。因此雪中的熱量通過蒸氣傳輸的方式是導熱系數對溫度依賴的關鍵因素。

因此可以發現雪內部微觀結構，如：冰顆粒自身特性以及鏈接程度，決定著雪導熱性質的基本屬性，是影響雪導熱系數的關鍵因素。因此只有確定雪內部微觀結構的變化情況，才能更加準確地描述雪的導熱性能。

雪溫的變化還與積雪表面的太陽輻射相關。在有太陽輻射時，積雪吸收太陽輻射引起雪溫升高，在無太陽輻射時，積雪表層發出長波輻射，向空氣中散失熱量，溫度降低。當太陽輻射投射到積雪表面時，一部分被雪面反射，一部分以短波輻射的形式穿透雪層，并逐步減少，逐漸被雪層吸收，在深度z處殘余的輻射稱為穿透輻射，其在雪層中呈負指數形式分布，隨深度的增加逐漸減少[38]，遵循Lambert定律，其數學表達式為

Iz=I0e-Kz

(5)

式中Iz——雪層深度z處的穿透輻射，J/(cm2·min)

I0——雪面的入射輻射，J/(cm2·min)

K——吸收系數，cm-1

文獻[27]提出雪密度在0.15～0.30 g/cm3范圍內的吸收系數K為0.13 cm-1，據此計算雪層內的穿透輻射，如圖9所示。隨著深度的加深，雪層內的穿透輻射逐漸減小，在2 cm雪層處的穿透輻射為入射輻射的77.11%，而在20 cm雪層，穿透輻射僅為入射輻射的7.43%，92.57%的輻射量被20 cm厚的雪層吸收，引起淺層雪溫的劇烈變化，在底部40 cm雪層處的穿透輻射僅為入射輻射的0.55%，而積雪底部溫度較高，是由于地中熱流為雪層提供能量，維持積雪底部溫度穩定。太陽輻射主要影響淺層20 cm厚的積雪，而隨著密度的增加，吸收系數會逐漸減小，同等深度雪層所吸收的輻射量更少，穿透深度更大，所以在更高密度的試樣中，太陽輻射更夠影響的雪層也越深，也是在同樣深度的雪層中，高密度試樣雪溫低于低密度試樣雪溫的原因之一。

積雪表面直接接觸大氣，受氣溫、太陽輻射等因素的影響顯著，因此表層溫度變化劇烈，且與氣溫的變化趨勢一致。而在雪層底部，雪溫主要受到地中熱流的影響，雪溫變化穩定。雪導熱系數較小，在熱量的傳輸過程中，積雪吸收了大量的熱量，導致雪溫呈現明顯的分層現象。雪溫的日變化隨時間的變化具有不同的特征，具有明顯的時段性，在有太陽輻射的時段，表面雪層吸收太陽輻射，溫度升高，而在無太陽輻射階段，雪層放熱，溫度降低。太陽輻射主要引起上層20 cm雪溫的劇烈變化，深層雪溫受土壤的地中熱流影響，變化幅度小，溫度穩定。夜間，太陽輻射消失，熱量自下向上傳遞，白天，雪層吸收太陽輻射，熱量自上向下傳遞，而地中熱流始終保持向雪層上方傳遞，所以在20 cm左右處交匯，形成一個熱匯面。而隨著積雪密度的增加，雪導熱系數也會增加，雪能夠傳遞的熱量也隨之增加，導致不同密度樣本中相同深度的雪層溫度會隨著密度的增加略有降低，熱量交匯面也會相對下移。

本文基于不同的特征試樣，對雪導熱系數，雪溫變化進行測量，并分析影響變化的因素，得到在一定條件下的變化規律。表明積雪并不是密度越大，對土壤的保溫效果越好，為保證足夠的保溫能力需要一定厚度的雪層，這在農業生產中應當注意；同時為雪層覆蓋的傳熱模擬提供了一定的基礎參數，也為探究影響冬季積雪覆蓋下土壤熱狀況，提供了上覆介質的基本屬性特征，為冬季農田的管理提供了一定的理論依據。積雪內部微觀結構的變化是決定積雪基本屬性的關鍵，基于試驗條件等，并未明確探究，在今后的研究中應當改進，進一步研究分析。本文也并未進行較長時間尺度及不同積雪深度的積雪溫度特性分析，應在未來的研究中進一步探討。

4 結論

(1)雪導熱系數與積雪密度、溫度相關。密度與雪導熱系數之間呈現指數相關關系，在不同溫度下，擬合決定系數均不小于0.914。溫度與導熱系數的關系會受到密度的影響，在0.40～0.45 g/cm3低密度范圍內，導熱系數隨溫度的升高而增大；在0.50～0.60 g/cm3高密度區間內，導熱系數與溫度的相關性較弱，在-5～-10℃，導熱系數較高，而在-15～-25℃，導熱系數隨溫度的降低而增大。且在0.50～0.60 g/cm3高密度區間內，各溫度間的導熱系數變化平穩，變化幅度不超過0.150 W/(m·K)。在相同條件下，雪導熱系數越高，傳導的熱量越多，保溫性能降低。

(2)試驗期間，野外的積雪試樣溫度均低于0℃，且與氣溫變化趨勢一致。積雪表面溫度變化明顯，隨著積雪深度的增加，溫度變化逐漸平緩，積雪層底部溫度相對穩定。底層積雪溫度達到極值的時間滯后于積雪表層約4 h。在相同深度的雪層中，積雪溫度會隨密度的增加略有降低。

(3)積雪表層2 cm處，每日7:00左右出現冷中心，在12:00左右出現暖中心。在積雪垂直剖面上的變化特征表現為：在00:00—10:00與17:00至次日，隨積雪深度的增加，雪溫逐漸升高；而在11:00—16:00，隨積雪深度的增加，雪溫先減小再增大，其轉折點即雪層上下熱流交匯面，位于雪面下20 cm左右處，該熱交匯面會隨積雪密度的增加逐漸下移，但不超過30 cm。

(4)積雪層的雪溫振幅隨著積雪深度的增加而逐漸減小，在0～20 cm雪層中雪溫振幅較大，在20～40 cm雪溫振幅極小，呈負指數形式衰減，以指數關系對雪溫振幅與積雪深度進行擬合，不同密度下的決定系數均不小于0.977。