解冻状态下雪的密度变化经验值及其与热性质的关系

积雪是覆盖在陆地和海冰表面的雪层，又称雪被或雪盖。中国气象部门规定，雪掩盖的面积达到该地可见面积一半以上的称积雪，按积雪保持的时间分为长年存在的永久积雪和冬季形成夏季消融的季节积雪。

12.3.1.1　积雪的形成及空间分布

空中的水分在水汽张力小于4.58mm水银柱高时，可以形成雪、霰等固态降水。但是，只有在低层空气很冷，雪花通过此层不致全部融化的情况下，才能降落至地面。降至地面的雪花也并非各处、更非经常都能形成积雪。热带和亚热带除高山外，皆属不形成积雪地区；在中纬度地带，只有较长时期保持0℃以下气温的地区才能形成积雪，而且属于每年寒季积雪、暖季融化的暂时性积雪。在这些地区，积雪的基本特征值，如积雪时间、积雪厚度、密实度、雪的含水量等，在不同地区和不同年份都是不相同的；在两极地带和某些高山地区，则是常年积雪，这些地区在暖季来不及融化全部积雪，剩余部分留下来逐渐聚积成永久不融化的积雪。

在观测地点向四周眺望时，如视野内大半被雪覆盖，此时可作为积雪形成日期。形成积雪需要相当长的时间。观测表明，有时很厚的一层雪，也会很快消失；时融时积可能重复发生数次才能形成积雪。但积雪一旦形成，即使气温暂时高于0℃仍能继续存在，因为融雪需要大量的热量，故融化是一个过程。

积雪在流域上的空间分布往往极不均匀，这主要是由于各处风速、风向、地势起伏和植被条件不同。

在无风或微风时，降雪可堆积成均匀平坦的一层，但不稳定。当风速大于2m／s时，雪就被吹走，当风速很大时，除了地面上层新雪被吹走外，还会掀走下层较紧密的积雪，造成有的地方雪堆很大，有的地方无积雪的现象。下垫面条件影响风的强度、吹程等，从而影响积雪的分布。如风向正对直立的墙壁、篱笆及山谷或壕沟的斜壁，则在此障碍物前会出现一条雪堤。风在障碍物边缘可产生旋涡，把雪卷走，形成雪沟。

地形切割程度对积雪分布也有一定影响。切割越剧烈，积雪分布就越不均匀。山区的积雪分布最不均匀。在山顶及地形突出处受风的影响几乎无积雪；山谷洼地及其他凹陷地区则都有雪堆积。在丘陵起伏和高山耸立地区，风从向风面把雪吹向背风面，故较厚的积雪出现在背风面。在平原地区，积雪分布一般也是不均匀的。

森林使风速减弱，即使在暴风雪时，也能形成平整的积雪。在森林边缘处的灌木丛林地区积雪较厚，越向森林中心厚度越薄，这是由于大量积雪被风从田野吹到森林边缘所致。所以这些地区的积雪厚度较邻近田野为大，而在没有草的空旷地区则可能无雪。

大量的观测资料证明，在一定的气候条件下，大区域的积雪分布与微地形无关，积雪厚度大体相近。由于这个重要发现，使得在推求区域平均积雪厚度时不需定位测量积雪，而只要采用分布均匀的测点，然后取其平均值即可。

在中等强度的降雪情况下，每昼夜的积雪厚度一般不大于2～4cm；极强烈的降雪，每昼夜达到10～15cm；在特殊情况下，可达25cm。在障碍物附近如森林边缘、灌木林、背风坡、山谷、路堤、篱笆、围墙等处，每昼夜的积雪厚度可能还要大些。

12.3.1.2　积雪的物理性质

1.积雪的结构

由于降雪类型有鹅毛状、碎片状、针状、粒状之区别，降落到地面以后又受外界环境的影响，所以雪的结构是比较复杂的。不管积雪表面的起伏程度如何，在积雪存在的全部时间内，由于太阳辐射、风及积雪层上下温度差异等原因，在积雪的表面可形成比较坚硬的薄层，称为冻雪外壳。另外由于雨滴的冲击作用，也可形成一种多孔的冰壳，如再降新雪，则冰壳保持在积雪内部。这种在积雪内部的冰壳，一个冬季可形成几层，使积雪层成为层状结构。积雪的结构将影响积雪的融化过程。

2.积雪的密度

密度是积雪最重要的物理特性，它不但影响到其他物理特性，而且关系到融雪出水量的大小。积雪的密度变化范围很大，介于0.01～0.70g／cm3之间，见表12.6。积雪密度的变化主要受以下因素的影响：由对流、凝结、辐射而引起的热量变化以及来自地面的热流，上面雪的压力，风，积雪内温度和水分的变化，融雪水的渗漏等。

表12.6　积雪的密度　单位：g／cm3

积雪层内密度各处不同，随着深度增大而增大，艾贝尔斯（Abels）曾提出如下积雪密度随深度变化的经验公式：

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式中：ρs为积雪的密度，g／cm3；z为积雪的深度（向上为正），cm。

但积雪表面因受解冻天气影响，密度可能较大。解冻时积雪密度随时间增长而增大，在稳定的天气情况下，每昼夜密度的增长主要与雪的初始密度有关。解冻时雪的密度变化可按表12.7经验值估算。

表12.7　解冻状态下雪的密度变化经验值

积雪表层因为与空气接触，密度及结构变化最快。以最不稳定的鹅毛状雪为例，如初始密度为0.05g／cm3，密度增长速度达到每小时0.01g／cm3；在风速较大的情况下，甚至经历若干小时后，就会从密度为0.05～0.12g／cm3的鹅毛状雪变成密度为0.20～0.25g／cm3的碎片状雪。强烈持续的风会形成表面的冰壳，此种冰壳很坚硬，能承受人体的重量。

在非解冻期，雪由于在蒸发或凝结过程中发生结构变化，故密度也会改变。因为较厚的积雪层内存在着温度梯度，在严寒时其方向总是从下向上，因此促使水汽分子不断地进入积雪内，当温度低于露点时，水汽凝结，此时放出的潜热引起粒雪晶体融化，使密度增大；蒸发时则相反。

由于降雪时断时续，积雪通常具有成层性，到冬季末表现得最为明显，各层密度往往是不相同的。

3.积雪的热性质

冰的融解潜热为常量334.94J／g，而雪的融化潜热将取决于液态水的含量，积雪的其他热性质还根据雪的结构、温度及液态水的含量而定。实验表明，可以用积雪的密度作为影响积雪比热和导热率的指标，表12.8列出了积雪的热性质与积雪密度的关系。雪的导热率较小，冻结的雪为0.00167J／（cm·s·℃），湿雪为0.00033J／（cm·s·℃）。这是积雪使其下面土壤免于冻结、植物免于冻死的主要原因。

表12.8　积雪的热性质

4.积雪的反射率和辐射

雪的反射和辐射性质与雪的蒸发和融化过程有很大的关系。反射率是被表面反射的太阳辐射量（或有时为可见光辐射）与入射太阳辐射量之比值，以百分数表示。积雪的反射率很大，超过裸土若干倍。积雪的反射率随积雪的表面情况和太阳高度不同而变，见表12.9。

表12.9　雪的反射性质

积雪对长波辐射的吸收与黑体相似，即吸入大部分（99.5%）入射的长波辐射，并服从Stefan辐射定律：

式中：R为全部波长的总辐射，J／s·m2或W／m2；T为温度，K；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W／m2·K4，K为绝对温度。

因为新雪的反射率高，陈雪的反射率低，所以，相同的辐射条件下，陈雪比新雪获得的能量多，更容易消融。