极地冰盖粒雪密实化过程的研究进展

粒雪密实化过程在冰川物质平衡监测和冰芯古气候记录分析等冰川学研究中具有重要作用,近年来国内外学者在极地冰盖开展了大量工作并建立出一系列粒雪密实化模型。本文将典型的极地冰盖粒雪密实化模型分为经验模型(包括半经验模型)和物理模型两大类,综合分析和讨论了两类模型的建模机理、发展现状及不足之处。经验模型关注粒雪柱在密实化过程中的宏观演变,利用实测的粒雪深度-密度数据建立密实化速率方程。目前,该类模型主要研究了温度、积累率、融水渗透和再冻结过程对密实化速率的影响。物理模型聚焦于粒雪晶粒在密实化过程中的微观结构变化,利用晶界滑移、幂律蠕变和晶格扩散等物理机制解释晶粒的生长变形过程。目前,新雪-粒雪转化过程的研究主要基于晶界滑移理论,粒雪-冰川冰转化过程的研究主要基于球形粉末的压力烧结理论。总体而言,极地冰盖粒雪密实化过程的研究在过去几十年取得了长足的发展,但由于粒雪微观结构及其与宏观演变联系的认知匮乏,经验模型缺乏完善的湿粒雪密实化理论,且将稳态假设直接推广到瞬态情景存在一定问题;物理模型由于粒雪密实化的物理机制尚不明确,难以精确刻画粒雪演变的整个物理过程。

南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析

冰盖糙率是确定渠道冰期输水水位和流量关系的基础参数,一直是明渠冰工程研究的重点之一。鉴于当前大型混凝土渠道冰盖糙率研究成果相当匮乏,以南水北调中线总干渠石家庄以北唯一无输水建筑物的唐河节制闸—放水河节制闸渠段为研究区域,依据全线通水以来唯一生成全渠段封冻冰盖的2016年1—2月逐日水位和流量实测数据,采用伯努利能量方程和谢才-曼宁公式推求渠道糙率,定性定量分析封冻前后渠道糙率变化特征。结果表明:①研究渠段畅流期渠道糙率n b为0.0167,封冻期冰盖综合糙率n c为0.0146,冰盖下表面糙率n i为0.0118。②由于水力磨蚀作用,封冻期冰盖糙率随时间呈波动减小的趋势。③渠道一旦生成封冻冰盖,输水能力大幅降低,仅占渠道设计流量的66.7%。该研究给出了大型混凝土渠道封冻冰盖糙率和输水能力降低的确切数值,以期为冰期输水调度和类似工程设计提供科学依据。

冰盖下组合桥墩的局部冲刷特性及水力特性

为研究冰盖对组合桥墩局部冲刷及其周围流场分布的影响,基于动床冲刷试验,在不同覆盖条件下,分析了不同水流条件和桥墩尺寸对组合桥墩局部冲刷的影响,建立了预测明渠水流与冰盖流条件下组合桥墩最大冲刷深度的经验方程,并通过ADV测量了墩前的流场。结果表明:组合桥墩的冲刷模式与串列桥墩相似,最大冲刷深度始终出现在墩正前方;经验方程中来流水深、来流流速、桥墩尺寸、冰盖糙率均与最大冲刷深度呈正相关关系;在粗糙冰冰盖流条件下,墩前的垂向流速最大,导致其最大冲刷深度总是大于同等条件下的明渠水流和光滑冰盖流。

格陵兰冰盖表面消融研究进展

冰盖表面消融是格陵兰冰盖物质平衡的重要组成部分,已成为近年来格陵兰冰盖研究的热点.格陵兰冰盖表面消融研究的关键在于理解冰盖融水的产生、运移和释放等水文过程,需要解决如下关键科学问题:1)冰盖表面产生了多少融水;2)冰盖表面水文系统具有什么特征;3)冰盖表面融水如何影响冰盖运动;围绕这些科学问题,总结了格陵兰冰盖表面消融的研究进展.冰盖表面消融建模、冰盖表面湖的信息提取与面积特征变化、深度反演与体积量算等是目前研究冰盖表面融水量的主要途径,冰盖表面湖、冰盖表面径流、锅穴与冰裂隙等表面水文要素的空间分布规律研究则可用于揭示冰盖表面水文系统特征,冰盖表面融水与冰盖运动速率的关系、表面融水进入冰盖内部与底部的水文过程是目前揭示表面融水如何影响冰盖运动的主要手段.

冰盖下桥墩局部冲刷新型防冲组合结构试验研究

河流冰盖的形成改变了桥墩周围的水力特性,导致桥墩局部冲刷加剧。基于动床冲刷,在冰盖及明流条件下进行了螺纹式减冲索与钩环式护圈组合的新型防冲结构室内模型试验,探究其对桥墩局部冲刷的防冲效果。试验结果表明:新型防冲组合结构改变了桥墩的局部冲刷模式,延缓了冲刷过程;通过极差分析与方差分析可知,螺纹直径为6.0 mm、螺纹角为15°、螺纹排数为3的新型防冲组合结构的防护效果最优;与无防护工况相比,在粗糙冰盖条件下新型防冲组合结构桥墩最大冲刷深度减小了59.03%;螺纹式减冲索增大了桥墩表面的粗糙度,可以更好地削弱下潜流和分离墩前迎面水流,从而达到有效防冲的目的。

全格陵兰冰盖表面融水卫星遥感观测

每年夏季,格陵兰冰盖表面消融产生大量融水。冰面融水由冰面河输送,存储在冰面湖或注水冰裂隙中,形成了规模庞大、结构复杂的水文系统。然而,目前研究对全格陵兰冰面融水空间分布的理解十分有限。文章利用134景10 m空间分辨率的Sentinel-2遥感影像,提取了2019年消融旺盛期格陵兰冰面融水遥感信息;进一步,对比分析了遥感观测的冰面融水分布与区域大气气候模型(regional atmospheric climate model,RACMO)模拟的冰面融水径流量。结果表明:①2019年消融旺盛期,格陵兰冰面融水面积为9900.9 km^(2),融水体积为6.8 km^(3);②格陵兰冰面融水的空间分布差异较大,呈现明显的“西多东少”“北多南少”的态势;③格陵兰冰面融水主要由冰面河组成,冰面河占冰面融水总体积的57.1%,其次是注水冰裂隙(25.6%)和冰面湖(17.3%);④RACMO在多数流域准确模拟了冰面融水径流区域。研究反映了高分辨率遥感在格陵兰冰面水文研究中的应用潜力,提升了对冰面融水输送与存储等关键水文过程的理解。

晚更新世冰期旋回成因的南大洋机制及其对北极冰盖形成的启示

目前,学术界普遍认为南大洋对调节晚更新世冰期/间冰期大气二氧化碳分压(pCO_(2))变化发挥了重要作用。在晚更新世,冰期大气pCO_(2)比间冰期大气pCO_(2)下降约90×10^(−6)。而在约2.7 Ma,随着北极冰盖快速扩张(intensification of Northern Hemisphere Glaciation,iNHG),冰期旋回振幅增大,大气pCO_(2)也骤降。探究晚更新世冰期及iNHG时期大气pCO_(2)下降的原因,对构建完整的冰期旋回理论意义重大。本文综合晚更新世冰期南大洋北部的亚南极区(Subantarctic Antarctic Zone,SAZ)和南部的南极区(Antarctic Zone,AZ)的洋流、海冰、生产力等记录,分析了两个区域在晚更新世冰期可能的储碳机制,并结合iNHG时期各项地质记录,讨论南大洋洋流、碳储库在iNHG期间所发生的变化。结果认为,SAZ和AZ使冰期大气pCO_(2)下降的机制不完全相同,铁肥输入增强导致SAZ生物泵效率增强,增加了海洋固碳,而在AZ,深水通风减弱、海冰扩张、深海分层增强是加强深海碳封存的关键机制。同时,iNHG时期洋流、碳储库等记录表明,南源水向北大西洋、北太平洋深部显著扩张,南大洋海冰扩张,铁肥输入增强,太平洋碳储库增大,暗示iNHG时期南大洋机制可能是大气pCO_(2)下降的原因,直接造成了晚上新世北极冰盖的最终形成。

冰盖底部的奥秘:格陵兰的深层探索之路

格陵兰冰盖底部蕴藏着气候变化的关键信息,对理解未来地球气候系统演化有着重要的科学意义。本文回顾了中国团队参加格陵兰深冰芯考察计划的过程和历史,讨论了深冰芯、冰盖和气候变化之间的联系,并展望了未来在冰盖和气候不稳定性领域的研究方向。

大气河对南极冰盖及海冰的影响

南极冰盖与海冰对全球气候具有重要影响。大气河作为高纬度地区经向水汽输送的重要途径,其对南极冰盖与海冰的影响在近年来愈发受到重视。南极大气河通常形成于高压脊(阻塞高压)与温带气旋之间的强向极经向输送带内。低频的大气河活动为南极带来强降雪,有利于冰盖质量增加。然而,强暖湿水汽侵入同时会导致表面融化、冰架崩解和极端高温,对冰盖质量存在潜在负贡献。大气河携带极端暖湿水汽与强风通过热力与动力过程导致海冰密集度下降。目前,大气河的识别算法仍不完善,其对液态降水的直接影响、与南大洋的相互作用等仍不清楚,需要进一步明晰大气河对南极冰盖与海冰的影响机制,以准确预估未来大气河对南极冰盖物质平衡与海冰变化的作用。

基于卫星重力和测高数据的格陵兰冰盖质量变化分析

格陵兰冰盖全部融化将导致全球海平面上升7m,因此准确估计格陵兰冰盖质量变化过程对理解其对全球气候变化响应和反馈作用具有重要意义。基于Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE)卫星及后继卫星GRACE-FollowOn(GRACE-FO)提供的近20年的月时变重力场数据,以及EuropeanRemote Sensing(ERS-2)、Envisat和CryoSat-2等卫星测高数据,本文对比分析了2002年4月-2020年12月格陵兰冰盖质量变化特征。研究结果表明:(1)卫星重力点质量模型与卫星测高产品估计的质量变化趋势空间分布较为一致,均表明格陵兰冰盖边缘低海拔区域质量亏损严重而内部高原存在质量累积。(2) 2002-2020年格陵兰质量损失对全球平均海平面变化贡献为0.73±0.01mm·a^(-1)。(3)格陵兰冰盖西南部和西北部对海平面变化的贡献占格陵兰总贡献量的43.69%,为主要的海平面上升贡献区。(4)格陵兰冰盖流域尺度的分析表明,Goddard Space Flight Center(GSFC)点质量模型与卫星测高估计的结果更为一致。

近期国际冰盖模式比较计划回顾及启示

南极冰盖和格陵兰冰盖是当代仅存的两大冰盖,其冰量分别约为58 m和7 m海平面当量。极地冰盖的质量变化对全球海平面上升和气候变化有着直接和间接的重要影响。建立可靠的大陆冰盖数值模式是定量研究冰盖动力过程的唯一有效手段。过去数十年来,极地冰盖模式发展已经取得了长足的进步,但其内在的数值系统偏差是影响模式推广的重要限制因素。

渠道热量交换与冰盖表面温度的计算分析

为了精确计算预测南水北调中线工程冬季输水的冰情,进而确保冬季干渠安全定时定量输水,对热量交换计算和冰盖表面温度两个方面进行了分析,提出了通过强迫边界条件法求冰盖的表面温度.通过模拟表明,准确的气象资料、准确的冰盖表面温度的计算对渠道冰盖厚度的变化过程极其重要,将对渠道冰期输水的控制运行研究有重要意义.

南极冰盖数值模拟研究进展与展望

数值模拟南极冰盖是提升人们认识南极冰盖演化行为的重要手段。通过数值模拟研究可以揭示某些观测数据包含的冰盖物理机理以及在缺乏观测数据的情形下预测冰盖的演化行为。本文在综述南极冰盖数值研究国际进展的基础上,分析了南极冰盖数值模拟方面几个主要模型的特点,特别针对南极冰盖的三维数值模拟展开讨论,分析并探讨了冰盖数值模拟可能会遇到的潜在不稳定源以及在拓展模型研究范围时会遇到的障碍。对目前三维冰盖数值模拟存在的几个问题进行了讨论,并对未来发展进行了展望。

基于Elmer/Ice对玛丽伯德地西部区域的冰盖数值模拟

西南极冰盖对全球气候变化和海平面升高有着重要的影响,其动力学和热力学过程是极地研究的重点之一。冰盖数值模式的模拟可以在缺乏观测数据的情况下获得研究区域的动力学和热力学过程,已经成为研究南极的一种重要手段。西南极玛丽伯德地靠近福特山脉和罗斯冰架,本文使用Elmer/Ice模拟了玛丽伯德地西部区域的冰流速场、温度场和应力场。研究发现,该区域冰盖底部温度场变化较小,大部分都达到了压力融点,只有小部分区域的冰盖底部仍处于压力融点以下。使用三个不同的地热通量(80 mW·m^(-2),100mW·m^(-2),120 mW·m^(-2))模拟得到的底部温度场无明显差异。冰盖表面流速较快,冰盖表面的冰总体上从地势较高的区域流向地势较低的区域,垂直方向对表面冰流速影响最大;冰盖底部应力场的大小大致和冰厚的变化相反。通过高程剖面图简要分析了冰流速和冰盖应力场的变化原因,认为冰下深谷的存在可能对冰盖流速场和应力场有很大的影响。

南水北调中线工程2014—2022年冬季水温与冰盖观测分析

南水北调中线工程自2014年12月全线通水以来已运行8个冬季,为防止冰塞冬季输水流量控制为设计流量的30%~50%,严重制约了工程输水效益的发挥。因此,渠道水温和冰盖特性一直是冬季输水关注的重点问题之一。实测数据表明:①冬季输水流量总体逐年增大,最末段保持相对稳定,岗头闸流量约为50 m^(3)s,北拒马河闸约为25 m^(3)s;②冬季气温总体以暖冬居多。保定站最低气温-22.0℃,3日滑动气温极值-10.7℃,短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子;③冬季水温沿程逐渐降低,渠首陶岔闸最低水温6.7℃,渠末北拒马河闸多数年份降至0℃附近。北拒马河闸水温最大降幅10日内由3.5℃降至0℃,期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69℃100 km。④2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸),次之为2015年冬季的73 km和2021年冬季的38 km,有两个冬季未生成冰盖。岗头闸-北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段,应引起关注。基于冰盖生成前实测数据,以初始水温和区间气温为输水条件,拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简化水温模型和冰盖生成临界阈值。初步分析认为:冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子,流量越小气温越低越易生成冰盖,1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果,2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发,而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。

极地冰盖物质平衡的最新进展与未来挑战

准确地探明冰盖物质平衡状况,对于研究全球变暖背景下海平面变化具有重要的意义,自IPCC AR4(政府间气候变化专门委员会第四次报告)以来,极地冰盖物质平衡的研究取得了很大进展。本文总结并对比了用卫星测高(雷达测高和激光测高)、物质收支测量和重力测量等方法得到的冰盖物质平衡评估结果,综述了冰盖数值模拟研究在预测冰盖未来的变化趋势以及由此对海平面造成的影响等方面取得的进展,并立足于中国当前的极地冰盖物质平衡研究现状,提出了该研究所面临的挑战。

负积温推求冰盖厚度的方法研究

本文通过低温模拟渠道结冰试验数据,对两种计算冰盖厚度的斯蒂芬模型和朱波夫模型分别进行了拟合,通过分析发现,拟合出的朱波夫模型计算冰盖厚度与实测冰厚数值更为接近,因此,对于南水北调工程冬季渠道的冰盖厚度,可使用朱波夫模型经验公式进行预测,以进一步计算冰盖膨胀力,防止膨胀力过大对渠道边坡稳定性造成威胁。

寒冷地区水电站结冰盖运行渠道设计

寒冷地区水电站引水渠道在低温冰冻的影响下,会丧失输水功能,造成水电站无法正常发电,文章提出寒冷地区水电站结冰盖运行渠道设计。依托上游水库新建渠道工程,根据引水渠道结冰盖的设计条件,采取土渠梯形断面雷诺护垫护坡型式设计寒冷地区水电站结冰盖运行渠道结构。渠道运行结果表明,设计结冰盖运行渠道与输排冰运行渠道在来水条件相差不大的情况下,设计渠道每年在运行中可以发挥较好的发电效益。

南极冰盖消融对全球大地水准面变化与海面的影响

根据世界气象组织预测,到2030年左右,大气中CO2的浓度将是上世纪工业发达前的2倍,全球气温将因此上升1.5～4.5℃。这可能对南极冰融产生一些影响,但目前还没有确实资料予以证实。本文基于这样的假定,即在今后50年左右的时间内,若南极冰盖将平均融化10m,冰融成水将使全球相对海平面普遍上升,平均约为30cm。由于地表负荷重新分布,地球的形状将会调整,因此研究该事件对全球大地水准面变化、特别是相对海平面变化的影响具有很重要的意义。