袁順琦，賈 磊，盧 鵬，李志軍

(大連理工大學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國家重點實驗室低溫實驗室內的自制水槽(80 cm×60 cm×60 cm)中進行。該水槽所用材料為纖維強化塑料，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系，試驗儀器依據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。試驗過程分為結冰期與融冰期兩個階段，儀器布置如圖1所示。

圖1 試驗設備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)進行觀測。根據試驗設計，觀測冰厚預計生長至20 cm，所以預裝水/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行觀測，方便與冰溫進行對比。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據，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向剖面變化。其中，滑臺設置為水下量程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行校正，安裝攝像機對其詳細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置為5 ℃，冰樣會開始融化直至因形狀尺寸變化過大而導致數據失真時，該組次試驗結束。此次試驗過程共計19 d，其中除了1月9日當天因其他不可抗因素對實驗室產生了影響外，整體氣溫保持狀況良好(如圖2)。采集數據包括了冰底部生消、冰-水界面?zhèn)认蛉诨鉁?、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，并在后兩組次的結冰期中添加鹽度鏈S2以觀測凍結過程中的排鹽現(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。融化總量按序為側面>表面>底面[9-10]。

圖3 各部分(側、表和底面的)融化量對比

圖4給出了不同深度的側面剖面隨時間變化的關系。融冰前期冰樣側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。直至試驗結束時，側向剖面呈現(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處的側向融化速率增長最慢，至試驗結束前約0.6 mm/h。

圖4 融化期間的冰樣側向剖面變化

2.2 溫度場的變化

海水的凍結溫度主要受鹽度與壓力的影響，隨鹽度的增加凍結溫度降低。鹽度為35 ppt時冰點溫度為Tf=-1.92 ℃，圖5中可以看出結冰初期各深度處幾乎同時達到此溫度，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，該處溫度就從冰點的-2 ℃上升，并在1.5 d的時候達到0～0.5 ℃的區(qū)間并保持在這個溫度區(qū)間內直至試驗結束。

圖6 融化期間冰樣的表面溫度

與結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。在試驗結束時，溫差達到最大，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)與融化天數接近線性增長關系(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。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系

由表1可以看出，35 ppt的側向融化在純熱力學試驗條件下的融化體積總占比為15%～25%。根據現(xiàn)有的夏季觀測[11-15]，側面融化體積占比為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能等其他因素引起的變化，致使側向融化量較實際占比量高，而這一高出的占比部分也應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向融化速率隨著鹽度的增加呈指數型增加，擬合關系為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向融化的影響，得出如下結論：

(1)由含鹽水體凍結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，相應融化速率也隨之增快。

(2)氣溫對冰體表面及側向上部影響較大，而冰體的底面和側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致冰體側向的融化速率逐漸加快。

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

在今后海冰側融的相關試驗工作中，可根據不同深度情況下的冰-水橫向溫度差進行熱量傳遞的關系擬合，并結合鹽度等變量構建多元變量關系，經由現(xiàn)場數據加以驗證。同時，在無風無輻射的恒溫試驗基礎上，通過添加其他影響因素對側向融化試驗進行拓展，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壁并結合PIV等觀測方式使融化的相關過程更為明顯直觀。