盐度对冰-水侧向融化过程影响的试验研究

袁顺琦，贾 磊，卢 鹏，李志军

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

1 试验装置与方案

本实验在大连理工大学国家重点实验室低温实验室内的自制水槽(80 cm×60 cm×60 cm)中进行。该水槽所用材料为纤维强化塑料，上方开敞，四周及底面均包裹了聚苯乙烯泡沫的保温棉(10 cm)。为观测气-水-冰间在试验过程中的敏感变化关系，试验仪器依据观测用途主要分为温度(气、水和冰)、盐度(水)和厚度(冰)变化三类。试验过程分为结冰期与融冰期两个阶段，仪器布置如图1所示。

图1 试验设备3D示意图

温度由15个铂电阻温度传感器PT1000(测量范围-50～200 ℃，精度±0.03 ℃，探头长度1.5 cm，直径0.3 cm)组合成的冰温链(T1)进行观测。根据试验设计，观测冰厚预计生长至20 cm，所以预装水/冰下深度0～20 cm，间隔2cm的11个探头为观测水-冰温度，而22 cm、24 cm、30 cm、40 cm处的则为了冰下水温。与冰温链类似，由14个铂电阻温度传感器PT1000组成的水温链(T2)对开敞水域水体的温度变化进行观测，方便与冰温进行对比。区别为20 cm以下仅在25 cm、30 cm、40 cm处安装了温度传感器。同时，在距离冰面上方10 cm处加装非接触式红外温度传感器SI-411(精度±0.2 ℃)，以此来对冰样相态变化时的表面温度进行观测。在木架横梁上固定一个温度探头测量气温。水的盐度通过由5个盐度计(测量范围0～70 ppt，分辨率0.1 ppt，精度0.1 ppt)组合成的盐度链(S1)，对融冰过程中可能出现的不同深度水体盐度分层现象进行观测，其观测点位布置在水下5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm处。冰体尺寸的变化由两台超声测距传感器进行观测。其中，水槽底部的Tritech ISA500(测量范围10～12 000 cm，分辨率0.1 cm，精度0.1 cm) 从下方获取冰厚的变化数据，辅以用于观察冰体的表面消融(融化或升华)情况的直尺得到竖向整体变化。冰-水界面的侧向变化由Tritech PA500(测量范围10～1000 cm，分辨率0.1 cm，精度0.2 cm)连接固定滑台沿水深纵向周期移动来获得不同时刻的侧向剖面变化。其中，滑台设置为水下量程0～20 cm，以2 cm为间隔，单次停留时间为5 min的观测。当水下20 cm处观测完成后，自动上升返回0 cm初始位置，重新开始下一轮观测。为了对滑台-超声运动组件的观测时点进行校正，安装摄像机对其详细的运动轨迹全程记录[1-8]。

试验前先将冰温链在水槽中安装固定好后，将水槽注满50 cm深的水，添加海盐提高盐度至35 ppt。静置待水体稳定12 h后，低温实验室开始降温并保持在-15 ℃左右，直至冰厚生长至2 cm时停止。当冰厚生长至20 cm时，将冰样开凿出一个30 cm×40 cm的开敞区域(注入环境等温淡水以恢复水体盐度)，并将上述仪器装置固定在开敞水域中(如图1)。同时将低温实验室的温度设置为5 ℃，冰样会开始融化直至因形状尺寸变化过大而导致数据失真时，该组次试验结束。此次试验过程共计19 d，其中除了1月9日当天因其他不可抗因素对实验室产生了影响外，整体气温保持状况良好(如图2)。采集数据包括了冰底部生消、冰-水界面侧向融化、气温、冰温、水温以及盐度，采样间隔均为1分钟。整组试验过程同样用于实施32 ppt和25 ppt的试验组中，并在后两组次的结冰期中添加盐度链S2以观测冻结过程中的排盐现象，并测量了开槽取出的冰样不同深度的盐度。

图2 试验期间的气温变化

2 试验结果

2.1 冰试样尺寸变化

盐度为35 ppt情况下各部分融化量的变化曲线见图3。由图3可知，在融化期的前两天各部分的融化量基本无变化。而自第二天后，可以看到侧向融化量的明显多于竖向(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显的提升。融化总量按序为侧面>表面>底面[9-10]。

图3 各部分(侧、表和底面的)融化量对比

图4给出了不同深度的侧面剖面随时间变化的关系。融冰前期冰样侧向冰水界面的消融较为缓慢，平整均匀。融化后期，上表部分(水深0～4 cm)和下部分(水深14～20 cm)的融化速率快于中层。直至试验结束时，侧向剖面呈现为典型的“C”形(实线圆形)。其中，水下12～16 cm处的侧向融化因竖向融化情况的影响，其融化速率变化最快。相对来看，6～8 cm处的侧向融化速率增长最慢，至试验结束前约0.6 mm/h。

图4 融化期间的冰样侧向剖面变化

2.2 温度场的变化

海水的冻结温度主要受盐度与压力的影响，随盐度的增加冻结温度降低。盐度为35 ppt时冰点温度为Tf=-1.92 ℃，图5中可以看出结冰初期各深度处几乎同时达到此温度，融冰期初期冰样的不同深度温度也同时升高并维持在冰点温度附近，无明显滞后性。

图5 不同深度处的冰温变化

融化期冰样的表面温度如图6所示，在融化开始的10 h内，该处温度就从冰点的-2 ℃上升，并在1.5 d的时候达到0～0.5 ℃的区间并保持在这个温度区间内直至试验结束。

图6 融化期间冰样的表面温度

与结冰期的冰温受气温影响情况类似，相同深度间隔的水温差随着深度增加而减小(如图7)，随着逐渐远离气-水界面，气温对水温的影响逐渐减少。但随着冰样的逐渐融化，不同深度处的水温差值有着明显增大的趋势。在试验结束时，温差达到最大，表层(0～10 cm)处水温为4 ℃，接近气温，而底层(40 cm～)水温仅0.5 ℃。

图7 融化期不同深度处的水温变化

在冰样基本保持在-2 ℃情况下，各层(水下0～20 cm)水温由深到浅呈-2～5 ℃的梯度变化，因此上部分冰-水温度差最大，相应融化速度也较快。而中层(5～10 cm处)水温直至融化5 d后才上升至1～2 ℃左右。整体上平均水温(每10 h取值)与融化天数接近线性增长关系(如图8)呈均匀态势。融化前中期的温度增长速率稍慢，为0.29 ℃/d，融化后期融化速率达到0.75 ℃/d。

图8 平均水温随时间的变化

2.3 盐度变化

在融化期间，开敞水域中盐度随深度梯度有显著的分层现象。如图9，融化开始后，0～15 cm水体的盐度快速下降，20 cm以下的盐度变化并不明显，且30～35 cm处的总盐度下降值在2 ppt之内。随着水深增加，盐度梯度逐渐下降(如图10)。从整体来看，水体平均盐度从36 ppt减少至26.5 ppt，以1 ppt/d匀速降低。

图9 融化期不同深度处的盐度变化

图10 融化期间盐度变化

融化过程中，温度更高的水也会通过卤水通道等孔隙不断流入冰中，此类孔隙本身也会在升温过程中扩大，形成一定程度的正反馈。从不同深度盐度变化的现象可以看出，随着冰样融化，较低盐度的水从冰底(水深20 cm处)释放出，并快速上升混合形成对流，将该部分水体逐渐稀释，0～5 cm处的盐度情况尤为明显。

2.4 平均融化速率与盐度的关系

由表1可以看出，35 ppt的侧向融化在纯热力学试验条件下的融化体积总占比为15%～25%。根据现有的夏季观测[11-15]，侧面融化体积占比为5%～20%。除了冰-水界面的周长比增加了之外，因低温实验室中没有太阳辐射和风能等其他因素引起的变化，致使侧向融化量较实际占比量高，而这一高出的占比部分也应同样适用于另外两组盐度试验。

表1 不同试验条件下的冰样融化过程

由图11可得出，不同试验条件下的平均侧向融化速率随着盐度的增加呈指数型增加，拟合关系为Mr=0.0849e0.0353s。其中s为盐度，单位为ppt。

图11 平均融化速率随盐度的变化

3 结论与展望

本研究通过在低温实验室中观测盐度变化对冰水侧向融化的影响，得出如下结论：

(1)由含盐水体冻结而成的冰体在融化过程中会释放出比原有水体盐度低的融水，并使与厚度相同的等深水体环境出现明显的盐度分层现象。各层盐度随深度降低而减少，冰底等深处以下水体盐度几乎不受融化影响。盐度越高，冻结的冰体的孔隙率也随之增高，在融化中与温度更高的水的接触混合等作用增加，相应融化速率也随之增快。

(2)气温对冰体表面及侧向上部影响较大，而冰体的底面和侧向中下部受水温影响更为明显。在气温恒定的条件下，含盐水体的温度逐层下降并导致冰体侧向的融化速率逐渐加快。

(3)以往的融化参数化方案多将冰间水道内的水温假设为恒定值，而试验表明，水体温度呈梯度，参数化方案的假设不符。而水温作为融化的直接影响因素，也致使冰样侧面由垂直逐渐变为曲面，且因盐度的存在而变得不平整。

在今后海冰侧融的相关试验工作中，可根据不同深度情况下的冰-水横向温度差进行热量传递的关系拟合，并结合盐度等变量构建多元变量关系，经由现场数据加以验证。同时，在无风无辐射的恒温试验基础上，通过添加其他影响因素对侧向融化试验进行拓展，如冰下暖(循环)流、仿太阳辐射氙灯等。本研究模拟情形较适用于北极，对于南极大型冰川冰架的适配情形仍需要比例尺度上的探索。未来也可增配可拆卸侧壁并结合PIV等观测方式使融化的相关过程更为明显直观。