静水生长的淡水湖冰微结构的季节变化及其受生长过程的影响

冰物理微结构特征控制着冰层基本物理性质。基于多年冬季对东北平原区水库和湖泊冰层生消过程、气象条件,以及冰层晶体、冰内气泡和密度特征的现场观测,分析了淡水湖冰微结构的季节演化和年变化规律及其影响因素。湖冰晶体结构、气泡含量与分布、冰密度具有明显的分层结构,且在冰厚增长期和稳定期内基本维持不变;进入融化期,冰内微结构变化迅速,表现为晶体边界融化、气泡体积扩展和融水迁移。不同年份、不同湖泊冰晶体类型和气泡形态类似,但各类晶体层厚度比例、气泡含量与尺寸存在差异。统计分析显示,晶体和气泡结构与湖冰生长速率关系密切,晶体粒径与生长速率呈正比,水内气体的产生和溶解过程、水体扰动程度的差异影响着气泡含量同生长速率之间的关系。     

季节性冰封热融浅湖水温原位观测及其分层特征

为探究季节性冰封浅湖热力学特征,于2010年10月至2013年7月对高原腹地一典型热融湖塘冰层生消、水/冰温及气象条件开展原位观测,分析了水温分布时间变化、温跃层以及冰生消对水温结构的影响。结果发现:冰面升华显著,贯穿整个冰期;水温日变化、季节变化和垂直结构受气温、大气辐射、风速、冰生消和湖底沉积层热贡献影响显著;在"无冰期-结冰前-冰生长期-冰融化期-融化后-无冰期"年循环过程中水温垂直结构分别呈现出"分层-翻转-逆温分层-逆温与正温共存-翻转-分层"的循环过程。分层期水温结构仅由上部混合层和温跃层构成,且偶因强风搅动而全湖翻转混合。可见,相比大中型湖泊,季节性冰封浅湖热力学结构差异显著。     

冰层厚度传感器及其检测方法

水结冰和冰融化过程中的电阻、电容、温度物理参数与被检测冰表面以上的空气层或冰下水层的电阻、电容、温度有一定的差异,有些差异在数值上比较明显。基于这一特点,笔者提出了利用空气、冰与水的物理特性差异实现对冰层厚度及冰下水位接触式检测的新思路,对含有导电杂质的冰、冰-水混合物、水、空气的电阻、电容特性随温度的变化规律进行了初步分析,并得到冰的弱导电性质和冰与水的电容区间单调特性,据此提出了冰层厚度传感器结构及其冰厚检测原理,介绍了新型冰层厚度传感器在实践中的应用。     

冰层回转钻进钻头切削具温度理论计算分析

极地冰盖底部暖冰层冰的脆性小而粘弹性大,且温度和压力较高,可钻性差。回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑处于熔融或半融状态,致使冰屑相互聚结成团,甚至会在钻具局部位置再次冻结,导致孔内事故频发。为了解冰层回转钻进时切削具的温度变化规律,本文对切削具的受力特性和传热规律进行了理论研究,建立了钻井液循环条件下切削具温度计算理论模型,对切削具的温度变化及影响因素进行了深入分析。结果表明,回转速度、切削深度、冰与切削具间的摩擦系数、切削具刃前角及冰的抗剪强度等参数对切削温度均有重要影响,而低温钻井液虽有良好的冷却、降温效果,但仍可使切削具温度升温2～5 ℃,为暖冰层钻进带来不利影响,需深入优化钻进参数组合。     

青藏铁路北麓河地区典型热融湖变化特征及其对冻土热状况的影响

在全球气候变暖、青藏高原平均气温升高的大背景下,多年冻土区热融湖的发育及其对冻土热状况的影响日益显著.以北麓河地区的一典型热融湖为例,通过对湖岸坍塌及年地温变化等进行监测分析.结果表明:目前该热融湖湖岸逐年坍塌,坍塌主要发生在靠近铁路一侧厚层地下冰发育区域,年平均坍塌宽度大约为0.5m,湖心下原约83.0m多年冻土已全部融化.根据210Pb测年,估算该热融湖形成于约890aBP前.在热融湖的影响下,湖心至路基坡脚天然孔之间多年冻土上限深度及多年冻土厚度均发生了很大变化,湖近岸多年冻土上限深度比路基坡脚天然孔多年冻土上限深约0.65m,湖边多年冻土厚度也比路基坡脚天然孔多年冻土厚度薄约60m;湖心至路基坡脚天然孔之间土层在水平方向形成明显的地温差异,在相同深度,湖心下土层地温年平均值比天然孔地温年平均值高5.0℃左右.热融湖作为热量的载体,以二维热传导方式将热量向其周围传递,导致附近多年冻土温度升高,热稳定性降低.     

极地冰层回转钻进切削热量测试装置的研制

极地冰盖深部“暖冰”层钻进时,由于冰层的温度较高,接近甚至达到冰的压力熔点,回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑融化,导致机械钻速慢、取心率低、卡钻事故频发。钻压、转速、切削具结构等参数均对切削热量有一定的影响,有必要设计一套实验装置对切削热量进行测试,从而为设计切削具结构、优化钻进参数组合提供理论依据。以XY-1型岩心钻机钻进系统为平台,利用无线信号传输原理设计了冰层回转钻进切削热量测试实验台。初步测试结果表明,该实验装置能够准确测量钻压、扭矩、切削温度等参数,可用来进行相关的实验研究。     

冰厚变化的现场监测现状和研究进展

根据湖河海冰、冰川冰资源与环境中的自然科学问题及冬季冰区结构物安全运行管理中的工程科学问题对冰厚度时空变化资料的要求,总结了现行冰厚度变化过程监测方法的适用范围和优缺点。强调目前所获数据因连续监测时间短,精度达不到毫米级,对建立和检验冰物质平衡同环境条件的预报模式提供不了强有力的支持。为此发展了新的冰厚度变化过程监测方法,它们包括直接探测冰层界面位置的接触式和利用气、冰、水电导率差异的标尺式高精度冰、雪层生消过程自动监测设备。详细描述了它们的工作原理、研究进展、适用范围和在极地海冰以及国内河冰实践获得的初步结果。     

基于NPP-VIIRS数据的喜马拉雅山北坡典型湖泊湖冰提取分析

现阶段使用遥感数据监测湖冰物候特征已成为主要的技术手段。NPP-VIIRS是一个较新的卫星数据,它具有空间分辨率较高、波段数多、重访周期短等优点,使用该数据提取湖冰信息是对该领域的一个有益补充。基于NPP-VIIRS数据利用阈值法对拉昂错、玛旁雍错、佩枯错、普莫雍错等典型湖泊进行湖冰提取。获得四个湖泊逐日的冻结百分比,并分析了四个湖泊的冻融特征。结果表明：使用NPP-VIIRS能较好的提取湖冰信息;该地区湖泊冻融过程有风向蔓延和水流向加风向蔓延两种。气温（年负积温）是影响该地区湖冰面积最主要的因素,冻融过程主要受到风向、注入径流影响,地热资源也是影响因素之一。     

达里诺尔湖水体稳定氢、氧同位素组成变化对结冰过程的响应

利用自然界中广泛分布的环境同位素进行湖泊水体演化过程分析已经成为现代湖泊科学的重要研究方向.通过采集内蒙古达里诺尔湖(简称"达里湖") 2013年1月份的湖冰、湖水, 2012年夏季湖水与湖区大气降水等, 共分析了77个样品中稳定氢(H)、氧(O)同位素值的变化情况, 在此基础上对达里湖水体稳定H、O同位素组成变化及其对结冰过程的响应进行了详细分析, 结果显示: (1)伴随结冰过程的完成, 各站点深层冰体(厚度~65 cm)中δD、δ18O值比表层冰体(厚度~15 cm)中的值出现不同幅度的偏重.而冰下水体中δD、δ18O平均值则比冰体中的平均值分别偏轻约13.85‰、2.23‰.在冰层形成的快速与稳定阶段, δD、δ18O值的变化幅度也存在差异.同时, 冬季外源水体的输入对各站点间同位素值差异的影响比夏季更明显; (2)夏季湖水、冬季湖水与湖冰的同位素值均落在全球大气降水线与湖区大气降水线之外, 显示湖泊冰封之前, 蒸发对湖泊水体同位素偏移存在一定程度的影响; 而冬季湖水与湖冰的同位素值基本位于同一斜率区间, 且全部落在夏季湖水同位素值的右侧, 显示两者之间并不存在明显的蒸发分馏作用, 造成上述现象的因素只能归结于结冰过程.      

东天山庙儿沟平顶冰川钻孔温度分布特征

2005年8月在庙儿沟平顶冰川顶部海拔4 518 m处钻取了两根透底冰芯,对其中60 m的Core1冰芯钻孔利用热敏电阻温度计进行了温度测量,初步揭示了该处冰川的温度分布特征.结果显示,最低冰层温度-8.27℃出现在50 m深度处,这个深度在同类冰川中处于较低的位置;冰床底部的温度为-8.16℃,远低于压力融点.庙儿沟平顶冰川冰温的上述分布特征是在各种因素的影响下形成的,具有其独特性.这种温度分布特征,对冰芯记录过程较为有利,为恢复该地区气候与环境记录的准确性提供了保证.     

从第三极到北极： 湖冰研究进展

在全球气候变暖背景下, 第三极和北极地区的增温尤其明显, 冰冻圈对气候变化有着更为敏感的响应。湖冰作为冰冻圈的重要组成部分, 其变化不仅是气候的指示器, 同时也通过改变能量平衡、 大气环流、 辐射平衡等影响区域气候。通过对比不同观测手段及主要模型模拟方法在湖冰研究中的优缺点及适用性, 总结了第三极和北极湖冰变化的时空特征, 结果表明：第三极和北极地区湖冰均显示初冰日推迟、 消融日提前、 封冻期缩短的趋势; 第三极和北极地区湖冰厚度呈持续减少趋势; 未来湖冰的这些变化将更加显著。第三极和北极地区湖冰的变化主要受到气温的影响, 同时也受到风速、 湖泊理化性质的限制。在系统梳理第三极和北极地区湖冰变化的基础上, 总结了湖冰研究面临的问题和挑战, 为未来湖冰研究提供科学依据。     

Thermal regime of a supraglacial lake on the debris-covered Koxkar Glacier, southwest Tianshan, China

A supraglacial lake was surveyed on the Koxkar Glacier in southwest Tianshan from July to September 2007 and July to September 2008, and the temperature variation characteristics of the lake, debris and debris-free ice were analyzed at different depths to determine the thermal regimes. In addition, the discrepancies of temperature variation characteristics were investigated for different geomorphic units of the ablation zone of the Koxkar Glacier. It was found that daily temperature variation curves for deep water are V-shaped because meltwater from the glacier surface at temperatures of around 0°C feeds the lake and mixes with the relatively high-temperature surface water during the day. As the water temperature rises to approximately 4°C, the mixed water sinks and forms a low-temperature trough in the deep water of the lake in the middle of the day. The vertical lapse rate of the lake water temperature against depth (?0.33°C/m) has a magnitude lower than that of the debris (?4.29°C/m) and that of the debris-free ice (?0.38°C/m) in the Koxkar Glacier??s ablation zone. The temperature curve for the surface water largely varied between the temperature curves for the debris at depths of 0.2 and 0.5?m. The surface thermal condition of the ablation zone is significantly affected by the daily weather, and there is a limited influence in debris at a depth of 1?m and in the lake at a depth of 5?m.     

利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征

湖冰物候是气候变化的敏感因子,不仅能反映区域气候变化特征,还可以反映区域气候与湖泊相互作用。利用长时间序列（1978—2018年）被动微波遥感18 GHz和19 GHz亮度温度数据、MODIS数据（2000—2018年）、实测湖冰厚度数据（1983—2018年）和气温、风速、降水（雪）数据（1961—2018年）,分析青海湖湖冰变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：青海湖流域呈现显著的变暖趋势（1961—2018年）,气温上升2.85 ℃,在这种气候条件下,青海湖湖冰封冻日推迟（0.23 d·a^-1）,消融日呈现明显的提前趋势（0.33 d·a^-1）,湖冰封冻期天数明显减少,减少速率为0.57 d·a^-1;同时,湖冰厚度以0.29 cm·a^-1的速率减薄。此外,总结归纳了青海湖冻结-融化空间特征,青海湖主要由东部海晏湾地区开始冻结,从西部黑马河等地区开始消融,冻结和消融过程存在空间差异。通过分析湖冰冻融特征和气候因子关系发现,青海湖流域冬季气温是影响青海湖湖冰物候变化的主要因素,同时风速和降水（雪）也是影响湖冰发育和消融的重要因素。     

丰满水库水温的原型观测及分析

为探究寒区冰封水库热状况的时空演变规律,于2010年6月~2011年8月对丰满水库的水温和冰情进行了原型观测。基于现场观测资料,阐述了丰满库区不同季节热结构的变化规律,重点分析了汛期洪水过程对分层结构的影响,并发现解冻初期水库表层浮力流动现象。同时,典型水温分层期1月和6月的坝前75~800m范围4条水温观测垂线基本一致,且同期电站下泄水温与坝前取水口对应高程平均水温差异较小,说明该水域范围内无三维水温效应。由于深层取水影响,丰满电站下泄水温过程较为稳定,但与坝址天然水温相比,5~7月、10~12月分别表现出月平均高达10.8℃、7.9℃的春夏低温水和秋冬高温水现象。此外,冰情监测结果表明,丰满水库冬季基本全库封冻,坝前最大冰厚约0.7m,且库区冰厚沿程出现不均匀分布的规律。     

An insight into the surface velocity of Inylchek Glacier and its effect on Lake Merzbacher during 2006–2016 with Landsat time-series imagery

Mountain glacier is one of the extremely sensitive indicators for climate change, and its surface motion distribution and corresponding variation are valuable information for understanding ice mass exchange and glacier dynamics. This paper presents the long-term ice velocity distributions of Inylchek Glacier in the Tianshan region by pixel-tracking algorithm with time-series Landsat imagery acquired during 2006–2016. Then the monitored ice motion fields of Inylchek Glacier were carefully analyzed and revealed a generally similar spatial distribution characteristic. Most of the ice of the North Inylchek Glacier remains in a stagnant state except for the upstream part, but a relatively high velocity of 20–40 cm/day with an RMSE of 3 cm/day was observed on most part of the South Inylchek Glacier, except for the slow-moving glacier terminus. We also state the glacier dynamics around Lake Merzbacher and their possible effect on its glacier lake outburst flood (GLOF) risk. Besides, the surface velocity distribution on South Inylchek Glacier surface during the ablation period from 2014 to 2016 was also established and also compared with annual velocity. The corresponding difference yields that there is a positive relation between ice motion and temperature variation. Therefore, the time-series ice surface motion yielded by the Landsat imagery thus could provide us an efficient and low-cost way to analyze the current state and changes in glaciers, thanks to the continuous and regular spaceborne observations provided by the Landsat satellites.     

Oxygen isotope composition of water and snow-ice cover of isolated lakes at various stages of separation from the White Sea

This study aimed to analyze the oxygen isotope composition of water, ice, and snow in water bodies isolated from the White Sea and to identify the structural peculiarities of these pools during the winter period. The studies were performed during early spring in Kandalaksha Bay of the White Sea, in Velikaya Salma Strait and in Rugoserskaya Inlet. The studied water bodies differ in their degree of isolation from the sea. In particular, Ermolinskaya Inlet has normal water exchange with the sea; the Lake on Zelenyi Cape represents the first stage of isolation; i. e., it has permanent water exchange with the sea by the tide. Kislo-Sladkoe Lake receives sea water from time to time. Trekhtsvetnoe Lake is totally isolated from the sea and is a typical meromictic lake. Finally, Nizhnee Ershovskoe Lake exhibits some features of a saline water body. The oxygen isotope profile of the water column in Trekhtsvetnoe Lake allows defining three layers; this lake may be called typically meromictic. The oxygen isotope profile of the water column in Kislo-Sladkoe Lake is even from the surface to the bottom. The variability of δ¹⁸O is minor in Lake on Zelenyi Cape. A surface layer (0–1 m) exists in Nizhnee Ershovskoe Lake, and the oxygen isotope variability is well pronounced. Deeper, where the freshwater dominates, the values of ?18Îvary insignificantly disregarding the water depth and temperature. This fresh water lake is not affected by the seawater and is not stratified according to the isotope profile. It is found that applying the values of ?18Î and profiles of temperature and salinity may appear as an effective method in defining the water sources feeding the water bodies isolated from the sea environment.     

北方浅水湖泊冬季结冰对风生流的影响

为了研究北方浅水湖泊冬季结冰对风生流的影响,采用MIKE21构建山东省聊城市东昌湖水动力学模型,分析真实风场作用下6种风应力拖曳系数对应的模拟流速与实测数据的差异,进一步讨论了冰盖面积对模拟结果产生的影响。结果表明,风应力拖曳系数为随风速连续变化比设置为常数模拟精度提高20%左右,其中采用微风条件下的风应力拖曳系数表达式模拟效果最好。此外,冬季水体结冰对风生流数值模拟影响较大,尤其是在被冰盖所覆盖的水域,风应力对水体流动的作用减弱甚至被抵消。与传统的风生流模拟相比,在北方浅水湖泊冬季风生流模拟中,引入冰场或是对风应力拖曳系数进行相应调整是有必要的。     

青藏高原可可西里卓乃湖溃堤成因及其影响分析

受青藏高原暖湿化趋势的影响,近年来高原湖泊水位普遍上涨,湖泊溃堤时有发生.利用青藏高原可可西里卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖所在区域的TM（ETM+）等历史文献数据和环境减灾卫星（HJ1A/B） CCD数据,结合五道梁气象站气温、降水资料,分析了卓乃湖周边湖泊面积变化情况.结果表明：1961-2014年近54 a来,可可西里地区持续增加的降水是卓乃湖溃堤的基础,2011年8月22日之前的两次强降水过程和之后的持续降水是导致卓乃湖湖水大量外泄,并最终溃堤的主要原因;溃堤前的两次地震可能对卓乃湖的湖盆结构产生了一定的影响,从而加速了溃堤过程.溃堤导致湖岸线退缩,并产生大片的沙化土地,恶化了藏羚羊的产仔环境,对周边草地生态环境和重大工程设施产生了不利影响.