冰层温度场及冰盖厚度演变分析

摘 要：研究冰厚的演变过程是分析冰凌演变过程的基础。本文通过连续观测到的冰温及冰厚实验数据，探讨了冰层温度场及冰厚的演变过程及影响因素，并与一种冰厚计算方法进行了对比。

关键词：冰厚；演变过程；温度场；影响因素

1 引言

冰的生消演变与其运动是一个非常复杂的物理过程，涉及到水动力、机械力和热力等因素[1]。输水渠道冰生消过程主要由其热力要素控制，并可通过冰热力模式进行模拟。本文主要研究冰盖内温度场和冰厚度随着气温等因素的变化情况，并在深入分析冰盖生长、消融机理的基础上，以观测数据验证实用的冰厚计算方法。

2 冰情观测试验

2.1 试验布置及测量

为了准确把握天然冰在冰期生长情况及冰的热力学因素对其影响，研究各相关因素之间的关系，采用加气砂浆砌筑了长度为2.5m，宽度为1.5m，高度为1m的室外防冻裂水池，以便于密切观测冰的动态。

从2012年12月开始，开展了冰厚及不同位置温度观测试验。自2012年12月22日起，试验池水面开始封冻。共选定三个观测点，连续进行了定点位置的冰厚、冰温、气温和水温的观测。为了更加准确地掌握冰盖厚度、冰温、水温在一天中的变化和日平均冰厚的发展，每日进行六次观测。观测时间分别为：上午8：00、10：00、12：00、14：00、16：00和18：00。

2.2 测量方法

冰厚测量选取三个测点，平均布置在池边距离池中心三个位置，当水面开始结冰之日起，每次测量时将测量杆轻轻向上提起，直至测量杆下部横板抵触冰面下表面，读取测量杆上刻度，即可确定冰厚。

将测量架固定在试验池中心位置，根据以往经验预估最大冰厚，在水面及以下间隔60mm共设置6个温度传感器，同时又分别在水底放置一个温度传感器测量水温，冰面上200mm处放置一个温度传感器测量气温。

2.3 观测结果分析

由于观测数据较多，全部用来生成图表会导致图表显示混乱，难以进行分析。此处选取1月11日至18日所测得的数据，因此时水面已彻底封冻，该数据具有一定代表性。

从上图中不同时刻冰层内温度及水温随着气温变化曲线，可以看出，冰层内温度场随着气温变化明显，越接近冰上表面的测点冰温随气温变化越明显。同时分析可知，当气温持续降低，冰表面温度最低，冰下下表面温度最高，形成上冷下热的渐次增高的分布；当气温持续升高时，冰表面温度最高，冰下下表面温度最低，形成下冷上热的渐次变化分布。当气温在变化幅度较小的区域内反复升降，冰层内温度场就出现上下表面热，中间冰层温度低的“外热内冷”分布。

水温变化曲线随着气温的变化并没有太大的浮动，十分趋近于0℃，可以假定冰层下表面和水温是一样的，都是0℃。

2.4 气温对冰厚影响分析

通过对比各测点冰厚变化过程和天气状况之间的关系发现，持续低温作用是影响冰盖厚度的主要因素。同时，降雪之类的天气变化对冰盖厚度的变化也有重要影响。

3 冰盖厚度计算方法

练继建[3]忽略了水、冰热传导对冰厚的影响，提出了静水冰厚预测的辐射冰冻度-日法。该计算方法不需要经验参数，各参数物理定义明确，具有广泛的适用范围。

（1）

式中：；；； 。

4 冰厚计算算例

对2012.12～2013.1期间试验池冰厚观测数据，采用公式（1）的冰厚计算方法计算，并将计算结果与实测值进行对比，见图2。

根据对比图可以看出，公式（1）对静水冰厚演变的计算是相当合理的。

5 结语

（1）气温对冰层内温度场形成有重要作用。当气温持续升或降，冰层内温度场都呈线性分布，当气温在较小范围内反复升降变化，引起冰层出现“冷中间层”和“热中间层”的分布；

（2）持续低温作用是影响冰盖厚度的主要因素。同时，降雪之类的天气变化对冰盖厚度的变化也有重要影响；

（3）在充分的实验数据基础上，验证了简易的冰厚计算方法，用以描述冰厚生长、消融的全过程。

参考文献：

[1]茅泽育，吴剑疆， 佘云童. 河冰生消演变及其运动规律的研究进展[J].水力发电学报， 2002（01）：153-160.

[2]StefanJ.ber die Theorien des Eisbildunginsbesondereüber die Eisbildung in Polarmure[Z].Wien Sitzunsber. Akad. Wiss.，Ser.A，pt.1889.

[3]练继建，赵新.静动水冰厚生长消融全过程的辐射冰冻度-日法预测研究[J]. 水力学报，2011，42（11）：1261-1267.