袁順琦，賈 磊，盧 鵬，李志軍

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

1 試驗裝置與方案

本實驗在大連理工大學(xué)國家重點實驗室低溫實驗室內(nèi)的自制水槽(80 cm×60 cm×60 cm)中進(jìn)行。該水槽所用材料為纖維強(qiáng)化塑料，上方開敞，四周及底面均包裹了聚苯乙烯泡沫的保溫棉(10 cm)。為觀測氣-水-冰間在試驗過程中的敏感變化關(guān)系，試驗儀器依據(jù)觀測用途主要分為溫度(氣、水和冰)、鹽度(水)和厚度(冰)變化三類。試驗過程分為結(jié)冰期與融冰期兩個階段，儀器布置如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備3D示意圖

溫度由15個鉑電阻溫度傳感器PT1000(測量范圍-50～200 ℃，精度±0.03 ℃，探頭長度1.5 cm，直徑0.3 cm)組合成的冰溫鏈(T1)進(jìn)行觀測。根據(jù)試驗設(shè)計，觀測冰厚預(yù)計生長至20 cm，所以預(yù)裝水/冰下深度0～20 cm，間隔2cm的11個探頭為觀測水-冰溫度，而22 cm、24 cm、30 cm、40 cm處的則為了冰下水溫。與冰溫鏈類似，由14個鉑電阻溫度傳感器PT1000組成的水溫鏈(T2)對開敞水域水體的溫度變化進(jìn)行觀測，方便與冰溫進(jìn)行對比。區(qū)別為20 cm以下僅在25 cm、30 cm、40 cm處安裝了溫度傳感器。同時，在距離冰面上方10 cm處加裝非接觸式紅外溫度傳感器SI-411(精度±0.2 ℃)，以此來對冰樣相態(tài)變化時的表面溫度進(jìn)行觀測。在木架橫梁上固定一個溫度探頭測量氣溫。水的鹽度通過由5個鹽度計(測量范圍0～70 ppt，分辨率0.1 ppt，精度0.1 ppt)組合成的鹽度鏈(S1)，對融冰過程中可能出現(xiàn)的不同深度水體鹽度分層現(xiàn)象進(jìn)行觀測，其觀測點位布置在水下5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm處。冰體尺寸的變化由兩臺超聲測距傳感器進(jìn)行觀測。其中，水槽底部的Tritech ISA500(測量范圍10～12 000 cm，分辨率0.1 cm，精度0.1 cm) 從下方獲取冰厚的變化數(shù)據(jù)，輔以用于觀察冰體的表面消融(融化或升華)情況的直尺得到豎向整體變化。冰-水界面的側(cè)向變化由Tritech PA500(測量范圍10～1000 cm，分辨率0.1 cm，精度0.2 cm)連接固定滑臺沿水深縱向周期移動來獲得不同時刻的側(cè)向剖面變化。其中，滑臺設(shè)置為水下量程0～20 cm，以2 cm為間隔，單次停留時間為5 min的觀測。當(dāng)水下20 cm處觀測完成后，自動上升返回0 cm初始位置，重新開始下一輪觀測。為了對滑臺-超聲運動組件的觀測時點進(jìn)行校正，安裝攝像機(jī)對其詳細(xì)的運動軌跡全程記錄[1-8]。

試驗前先將冰溫鏈在水槽中安裝固定好后，將水槽注滿50 cm深的水，添加海鹽提高鹽度至35 ppt。靜置待水體穩(wěn)定12 h后，低溫實驗室開始降溫并保持在-15 ℃左右，直至冰厚生長至2 cm時停止。當(dāng)冰厚生長至20 cm時，將冰樣開鑿出一個30 cm×40 cm的開敞區(qū)域(注入環(huán)境等溫淡水以恢復(fù)水體鹽度)，并將上述儀器裝置固定在開敞水域中(如圖1)。同時將低溫實驗室的溫度設(shè)置為5 ℃，冰樣會開始融化直至因形狀尺寸變化過大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真時，該組次試驗結(jié)束。此次試驗過程共計19 d，其中除了1月9日當(dāng)天因其他不可抗因素對實驗室產(chǎn)生了影響外，整體氣溫保持狀況良好(如圖2)。采集數(shù)據(jù)包括了冰底部生消、冰-水界面?zhèn)认蛉诨?、氣溫、冰溫、水溫以及鹽度，采樣間隔均為1分鐘。整組試驗過程同樣用于實施32 ppt和25 ppt的試驗組中，并在后兩組次的結(jié)冰期中添加鹽度鏈S2以觀測凍結(jié)過程中的排鹽現(xiàn)象，并測量了開槽取出的冰樣不同深度的鹽度。

圖2 試驗期間的氣溫變化

2 試驗結(jié)果

2.1 冰試樣尺寸變化

鹽度為35 ppt情況下各部分融化量的變化曲線見圖3。由圖3可知，在融化期的前兩天各部分的融化量基本無變化。而自第二天后，可以看到側(cè)向融化量的明顯多于豎向(表面和底面)的融化。至融冰期第六天后，各部分融化速率均有明顯的提升。融化總量按序為側(cè)面>表面>底面[9-10]。

圖3 各部分(側(cè)、表和底面的)融化量對比

圖4給出了不同深度的側(cè)面剖面隨時間變化的關(guān)系。融冰前期冰樣側(cè)向冰水界面的消融較為緩慢，平整均勻。融化后期，上表部分(水深0～4 cm)和下部分(水深14～20 cm)的融化速率快于中層。直至試驗結(jié)束時，側(cè)向剖面呈現(xiàn)為典型的“C”形(實線圓形)。其中，水下12～16 cm處的側(cè)向融化因豎向融化情況的影響，其融化速率變化最快。相對來看，6～8 cm處的側(cè)向融化速率增長最慢，至試驗結(jié)束前約0.6 mm/h。

圖4 融化期間的冰樣側(cè)向剖面變化

2.2 溫度場的變化

海水的凍結(jié)溫度主要受鹽度與壓力的影響，隨鹽度的增加凍結(jié)溫度降低。鹽度為35 ppt時冰點溫度為Tf=-1.92 ℃，圖5中可以看出結(jié)冰初期各深度處幾乎同時達(dá)到此溫度，融冰期初期冰樣的不同深度溫度也同時升高并維持在冰點溫度附近，無明顯滯后性。

圖5 不同深度處的冰溫變化

融化期冰樣的表面溫度如圖6所示，在融化開始的10 h內(nèi)，該處溫度就從冰點的-2 ℃上升，并在1.5 d的時候達(dá)到0～0.5 ℃的區(qū)間并保持在這個溫度區(qū)間內(nèi)直至試驗結(jié)束。

圖6 融化期間冰樣的表面溫度

與結(jié)冰期的冰溫受氣溫影響情況類似，相同深度間隔的水溫差隨著深度增加而減小(如圖7)，隨著逐漸遠(yuǎn)離氣-水界面，氣溫對水溫的影響逐漸減少。但隨著冰樣的逐漸融化，不同深度處的水溫差值有著明顯增大的趨勢。在試驗結(jié)束時，溫差達(dá)到最大，表層(0～10 cm)處水溫為4 ℃，接近氣溫，而底層(40 cm～)水溫僅0.5 ℃。

圖7 融化期不同深度處的水溫變化

在冰樣基本保持在-2 ℃情況下，各層(水下0～20 cm)水溫由深到淺呈-2～5 ℃的梯度變化，因此上部分冰-水溫度差最大，相應(yīng)融化速度也較快。而中層(5～10 cm處)水溫直至融化5 d后才上升至1～2 ℃左右。整體上平均水溫(每10 h取值)與融化天數(shù)接近線性增長關(guān)系(如圖8)呈均勻態(tài)勢。融化前中期的溫度增長速率稍慢，為0.29 ℃/d，融化后期融化速率達(dá)到0.75 ℃/d。

圖8 平均水溫隨時間的變化

2.3 鹽度變化

在融化期間，開敞水域中鹽度隨深度梯度有顯著的分層現(xiàn)象。如圖9，融化開始后，0～15 cm水體的鹽度快速下降，20 cm以下的鹽度變化并不明顯，且30～35 cm處的總鹽度下降值在2 ppt之內(nèi)。隨著水深增加，鹽度梯度逐漸下降(如圖10)。從整體來看，水體平均鹽度從36 ppt減少至26.5 ppt，以1 ppt/d勻速降低。

圖9 融化期不同深度處的鹽度變化

圖10 融化期間鹽度變化

融化過程中，溫度更高的水也會通過鹵水通道等孔隙不斷流入冰中，此類孔隙本身也會在升溫過程中擴(kuò)大，形成一定程度的正反饋。從不同深度鹽度變化的現(xiàn)象可以看出，隨著冰樣融化，較低鹽度的水從冰底(水深20 cm處)釋放出，并快速上升混合形成對流，將該部分水體逐漸稀釋，0～5 cm處的鹽度情況尤為明顯。

2.4 平均融化速率與鹽度的關(guān)系

由表1可以看出，35 ppt的側(cè)向融化在純熱力學(xué)試驗條件下的融化體積總占比為15%～25%。根據(jù)現(xiàn)有的夏季觀測[11-15]，側(cè)面融化體積占比為5%～20%。除了冰-水界面的周長比增加了之外，因低溫實驗室中沒有太陽輻射和風(fēng)能等其他因素引起的變化，致使側(cè)向融化量較實際占比量高，而這一高出的占比部分也應(yīng)同樣適用于另外兩組鹽度試驗。

表1 不同試驗條件下的冰樣融化過程

由圖11可得出，不同試驗條件下的平均側(cè)向融化速率隨著鹽度的增加呈指數(shù)型增加，擬合關(guān)系為Mr=0.0849e0.0353s。其中s為鹽度，單位為ppt。

圖11 平均融化速率隨鹽度的變化

3 結(jié)論與展望

本研究通過在低溫實驗室中觀測鹽度變化對冰水側(cè)向融化的影響，得出如下結(jié)論：

(1)由含鹽水體凍結(jié)而成的冰體在融化過程中會釋放出比原有水體鹽度低的融水，并使與厚度相同的等深水體環(huán)境出現(xiàn)明顯的鹽度分層現(xiàn)象。各層鹽度隨深度降低而減少，冰底等深處以下水體鹽度幾乎不受融化影響。鹽度越高，凍結(jié)的冰體的孔隙率也隨之增高，在融化中與溫度更高的水的接觸混合等作用增加，相應(yīng)融化速率也隨之增快。

(2)氣溫對冰體表面及側(cè)向上部影響較大，而冰體的底面和側(cè)向中下部受水溫影響更為明顯。在氣溫恒定的條件下，含鹽水體的溫度逐層下降并導(dǎo)致冰體側(cè)向的融化速率逐漸加快。

(3)以往的融化參數(shù)化方案多將冰間水道內(nèi)的水溫假設(shè)為恒定值，而試驗表明，水體溫度呈梯度，參數(shù)化方案的假設(shè)不符。而水溫作為融化的直接影響因素，也致使冰樣側(cè)面由垂直逐漸變?yōu)榍?，且因鹽度的存在而變得不平整。

在今后海冰側(cè)融的相關(guān)試驗工作中，可根據(jù)不同深度情況下的冰-水橫向溫度差進(jìn)行熱量傳遞的關(guān)系擬合，并結(jié)合鹽度等變量構(gòu)建多元變量關(guān)系，經(jīng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)加以驗證。同時，在無風(fēng)無輻射的恒溫試驗基礎(chǔ)上，通過添加其他影響因素對側(cè)向融化試驗進(jìn)行拓展，如冰下暖(循環(huán))流、仿太陽輻射氙燈等。本研究模擬情形較適用于北極，對于南極大型冰川冰架的適配情形仍需要比例尺度上的探索。未來也可增配可拆卸側(cè)壁并結(jié)合PIV等觀測方式使融化的相關(guān)過程更為明顯直觀。