北方森林

约翰W.波默罗伊和理查德J.哈丁

相关性和特点

冬季的北方森林是一个复杂的镶嵌地表类型，从封闭的针叶林，混交林落叶森林从植被稀疏的地区(空地、湿地、砍伐、烧伤)到冰雪覆盖的湖泊。北方森林约占地球陆地面积的20%，是陆地覆盖面积最大的陆地类型，并在北美、欧洲和亚洲的环极地带中延伸。加拿大、俄罗斯和斯堪的纳维亚国家主要是北方森林，尽管在大多数情况下它位于主雷竞技手机版app要人口中心的北部。北方森林的经济活动主要集中在森林采伐、旅游和采矿，但许多北方森林仍保留着土著居民，他们的生活方式仍是传统的狩猎、捕鱼和采集。大量的湖泊和河流(一些北方地区高达40%的面积被水覆盖)促进了渔业和水运，这对加拿大北部和西伯利亚的发展至关重要。最近的环境问题集中在加拿大和俄罗斯北方森林的大规模砍伐，人为污染造成的间歇性酸性降水(包括雪)，以及担心气候变暖将导致北方气候带的大规模北移和南方北方森林土地的损失。raybet雷竞技最新

与温带森林相比，北方森林的一个区别是它长时间的冰雪覆盖期寒冷的冬天温度(哈丁和波默罗伊，

1996)。积雪的深度、密度和持续时间对森林中的哺乳动物和各种微生物生命形式具有重要的生态意义;在某些情况下，积雪提供了一个热调节的栖息地，在另一些情况下，积雪是躲避捕食者的一种手段(Jones et al.， 2001)。北方森林生产力和碳循环受到有效氮和土壤水分供应的强烈影响。积雪在融化和渗透后，提供了每年大量的水和无机氮输入，从而影响生产力和碳循环(Pomeroy等人，1999a)。全球北方森林对气候施加了强有力的控制，因为它的冬季低反照率，它的移除和结果raybet雷竞技最新高反照率在春季可能会导致北半球变冷(Thomas andRowntree, 1992)。北方森林的融雪提供了每年40-60%的流量，当森林覆盖被去除时，融雪径流将增加24-75% (Hetherington, 1987)。

北方森林雪覆盖了的强烈影响森林的树冠它拦截积雪和辐射，抑制风速，并在积雪表面混合。Pomeroy等人(1998a)观察到，在北方森林覆盖类型的混合范围内，20-65%的累积降雪在初冬被拦截，10-45%的降雪在整个季节升华。叶面积强烈地控制着截伐效率(Hedstrom和Pomeroy, 1998)和针叶林的砍伐或转换落叶的物种将拦截降低到不重要的水平(Pomeroy和Granger, 1997)。Nakai等人(1993,1994,1999)、Lundberg和Halldin(1994)、Harding和Pomeroy(1996)、Pomeroy和Dion(1996)、Pomeroy等人(1998a)和Parviainen和Pomeroy(2000)研究了北方森林中截流雪的能量学。这些研究表明雪的反照率覆盖森林的树冠低(<0.2)，表明从积雪覆盖的冠层升华率可达3 kg m-2 d-1感潜热通量受到冠层中积雪的影响，因为它代表着比无雪冠层“更潮湿”、更凉爽的表面。Parviainen和Pomeroy(2000)认为升华是由局部尺度的感热平流驱动的，这些感热来自暴露的树枝，在阳光下被加热到被拦截的雪块，这种平流的效率与被拦截的雪块的分形几何有关(Pomeroy和Schmidt, 1993)。

雪的研究在树冠下已被用于积雪积累和融化预测。的变异系数相对较低雪水当量(0.04-0.14)，最大密度接近200 kg m-3 (Pomeroy et al.， 1998b)。在小尺度上，雪水当量一般随着距离针叶树茎的距离而减小(Woo和Steer, 1986;琼斯,1987;Sturm, 1992)，在林分尺度上，随着冠层密度的增加而降低(Kuz’min, 1960;波默罗伊和格雷，1995)。森林覆盖减弱了入射短波辐射而暖空气的大规模平流，降低了冠下积雪与大气的“连通性”。Ni et al.(1997)和Pomeroy and Dion(1996)测量并模拟了冬季亚冠层辐射，发现其强度大大低于上述冠层值，并强烈依赖于太阳天顶角、叶面积和针向。典型地，成熟针叶树林分的冠下净辐射为其十分之一在树冠之上在融雪的时候。Davis等人(1997)、Hardy等人(1997a, b)以及Metcalfe和Buttle(1995,1998)对北方森林冠层下的积雪消融进行了测量和模拟，并得出结论，尽管净辐射的大小在森林中显著降低，并随着冠层密度的增加而降低，但由于亚冠层的存在，它仍然构成了能量平衡的最大组成部分冰雪反照率在熔化过程中大量下降森林叶积雪中的垃圾和碎片暴露在外，因为亚冠层湍流通量极小的，极小的在大小上极小且通常方向相反的Faria等人(2000)认为，由于冠层下融雪能量和融雪前的雪水当量具有空间协方差，随着协方差的增加，积雪面积的耗竭会加速。Pomeroy和Granger(1997)比较了各种森林类型的融化速度，发现与成熟的北方森林冠层相比，砍伐森林的融化时间加快了3倍，因为砍伐森林的净融化能量高达4倍。

网站

Beartrap Creek(海拔550米)是一个研究盆地，位于加拿大萨斯喀彻温省阿尔伯特王子国家公园内的Waskesiu湖村附近，北纬54°，西经106°。该地点一直是麦肯齐全球能源和水循环实验(MAGS)、阿尔伯特王子模型森林水文研究和北方森林水文和气候的密集调查的主题raybet雷竞技最新北方生态系统-大气研究(BOREAS)。该地区有一个半湿润气候的大陆性气候，在寒冷干燥的raybet雷竞技最新冬季有六个月的积雪覆盖，在四月份之前几乎没有融化事件。年平均降水量为463毫米，其中33%为冬季降雪。地形起伏，局部地形起伏700米。森林覆盖是典型的成熟南方北方森林:高地上有松树和白杨和白色云杉的混交林，低地有云杉、落叶松和开阔的麝香树，大约15%被湖泊覆盖。

研究地为一株成熟、略开阔的banksiana插叶松(Pinus banksiana)林分，高16-22 m，冬叶和茎面积指数2.2 m2 -2，冠层盖度82%。在100米左右的时间内，取液水平均匀。实验于1994年3月和1996年3月进行，使用一个冠层访问塔(27米)。在塔顶安装了两个涡相关通量系统，一个水文研究所的“Hydra”系统用于感热和潜热，一个吉尔仪器公司的“Solent”3轴声波风速计(Harding和Pomeroy, 1996年)。冠层上方的净辐射和地面热通量采用辐射和能量平衡系统“REBS”净辐射计和热通量板测量，冠层下方的净辐射采用Delta“T”管净辐射计测量。冠层以上的风速用RM Young螺旋桨风速计测量，温度用维萨拉HMP35CF湿度计测量。截取的雪载荷是用一棵悬挂的全尺寸松树测量的，用一个内联力传感器对其称重(Hedstrom和Pomeroy, 1998)。树木上的积雪重量(kg)转换为面积质量(kg m-2)，使用的是一种经验转换，该转换是通过比较单棵树上基于事件的积雪截留量与根据冠层积雪测量结果确定的面积截留量以及在冰点以下条件下沿25个积雪测量点线的积雪积累变化得出的。

能量平衡

给出了两组能量平衡和相关的表面条件。图3.11显示了敏感和潜在热通量测量在1994年3月下旬，用Hydra测风仪和索伦特声波风速仪对冠层上方的净辐射进行了5天的测试。新鲜snowf所有这些都导致3月27日的初始拦截载荷约为4.5 kg m-2，然后在-13至0°C的温度下升华，直到3月29日结束，当高于冰点的温度(5°C)导致融化和卸载任何剩余的雪。

日最高气温随后急剧上升到3月31日的17°Con31，导致树冠下的一些早期融化。有四天净辐射输入很高，即负峰值为-450至-500瓦m-2，而3月28日是阴天，净辐射峰值仅为-100瓦m-2。当冠层积雪时(3月27日至29日)，白天潜热通量被引导离开地表，其强度约为净辐射强度的一半。在高日照日(3月27日和29日)，积雪覆盖的冠层上感热通量的大小和方向与潜在通量相似，但在3月28日可忽略不计，因为低日照导致冠层加热极小。当冠层雪负荷(3月30日)，白天感热通量的大小仍为净辐射的一半，但潜热在当天早些时候可以忽略不计，并在当天晚些时候向下。3月31日，感热行为没有变化，但潜热上升到感热的一半。这可能反映了蒸发融化的雪在树冠下，或者更有可能是由于异常温暖的温度引起的松树树冠的蒸腾作用。称量的树在这一时期确实显示出一些重量损失，反映了由于蒸散引起的干燥。

图3.12显示了1996年3月16日至18日同一地点的一致次冻结序列。用索伦特声速风速计测量了显热通量(不是潜在热通量)，并使用称重树测量了拦截雪的消融速率。消融速率转换为等效能量单位(通量)，就好像所有的能量都被相变为蒸汽所消耗(考虑到-15至-1°C的空气温度，这是一个合理的假设)。

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图3.11。1994年3月，加拿大raybet雷竞技最新萨斯喀彻温省南部北方森林的一棵杰克松上测量的通量和气候。(一)潜热，感热，净辐射通量在最初被积雪覆盖的冠层上方5米处测量，(b)气温和风速在冠层上方5米处测量。

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图3.11。1994年3月，加拿大raybet雷竞技最新萨斯喀彻温省南部北方森林的一棵杰克松上测量的通量和气候。(a)在最初被雪覆盖的树冠上方5米测量的潜热、感热和净辐射通量以及(b)在树冠上方5米测量的气温和风速。

图3.12。1996年3月，加拿大萨斯喀彻温省，北方杰克松树冠的通量。(a)截雪消融的感热、净辐射、次冠层净辐射、地热通量和估计潜热通量。冠层上方通量在冠层上方5 m处测量，冠层下方辐射在积雪上方1 m处测量，地热通量进入土壤5 cm处测量。截取的积雪消融用一棵称重的、悬挂的全尺寸杰克松树测量。(b)在松林冠层上方5米处测得的气温和风速。用一棵称量过的悬空松树测量截雪负荷。

图3.12。1996年3月，加拿大萨斯喀彻温省，北方杰克松树冠的通量。(a)截雪消融的感热、净辐射、次冠层净辐射、地热通量和估计潜热通量。冠层上方通量在冠层上方5 m处测量，冠层下方辐射在积雪上方1 m处测量，地热通量进入土壤5 cm处测量。截取的积雪消融用一棵称重的、悬挂的全尺寸杰克松树测量。(b)在松林冠层上方5米处测得的气温和风速。用一棵称量过的悬空松树测量截雪负荷。

还测量了林下净辐射和地热通量。最初4.2 kg m-2的雪负荷在3月16日(强风、低温和高日照)减弱到1.5 kg m-2，并在3月17日完全减弱。在这种情况下，感热通量表现出与图3.11中相似的行为，当冠层被雪覆盖时，感热通量约为净辐射的一半，当无雪时，感热通量增加到四分之三。消融估计的潜热通量等于第一天(积雪覆盖最多的一天)的感热强度，然后在第二天下降到感热强度的一半，在第三天(无雪冠层)变得可以忽略不计。冠层下净辐射从未超过冠层上值的十分之一，但在3月16日仍略为正，当时新雪覆盖了冠层，加上凉爽的气团，抑制了冠层温度，因此向下的长波辐射。地热通量在量级上非常小，在零附近缓慢波动。

建模方面

积雪覆盖的树冠代表了一个独立的雪层，它有自己的价值质量与能量平衡但在许多地表方案中并没有体现出来(Essery, 1997)。例如，欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模型最近使用了一种常规方法，在降雪后将北方森林冠层反照率设置为较高的值(0.8)。当修正到一个更低和适当的值时，北方地区的气温预测显著改善(Betts和Ball, 1997)。CLASS和SiB是例外，它们确实考虑了冠层积雪，但以与降雨类似的方式计算积雪拦截过程，因此对大降雪的拦截负荷低估了一个数量级(Pomeroy等人，1998b)。Calder(1990)和Hedstrom和Pomeroy(1998)的拦截模型为这些方案提供了可能的修正。可以使用阻力方案计算积雪覆盖冠层上方的湍流通量，阻力设置为雨水浸湿冠层的10倍(Lundberg等人，1998年)或通过改变体传递系数与雪载荷的比率(Nakai等人，1999年)。Parviainen和Pomeroy(2000)使用嵌套控制体积方法对Beartrap Creek松树场进行建模，其中对拦截雪控制体积进行能量和质量平衡，使用雷诺数计算拦截雪与大气之间的湍流转移。然后将CLASS地表方案与这个小规模计算相耦合，以计算冠层与大气之间的湍流转移。利用几何辐射传递模型(GORT)计算亚冠层辐射(Ni et al.， 1997)和SNTHERM计算积雪热通量，融雪模拟成功雪面反照率在融化过程中减少了湍流热通量给予小值(Hardy etal, 1997b)。

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继续阅读:大气环流模式中的雪参数化

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