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冰封期乌梁素海光热特性及多介质体系温度模拟

冰封期乌梁素海光热特性及多介质体系温度模拟

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作者：霍静博内蒙古农业大学

学位级别：硕士

季节性覆冰湖泊其冰下的物理环境与无冰时情况迥异。目前针对湖泊冬季生态的研究相对较少,而对于淡水冰的了解更是匮乏,全球气候变暖使得冰封期湖泊生态等环境特征成为国内外研究焦点。本文选取乌梁素海为研究对象,2021～2022年冬季搭建... 详细信息

季节性覆冰湖泊其冰下的物理环境与无冰时情况迥异。目前针对湖泊冬季生态的研究相对较少,而对于淡水冰的了解更是匮乏,全球气候变暖使得冰封期湖泊生态等环境特征成为国内外研究焦点。本文选取乌梁素海为研究对象,2021～2022年冬季搭建气-冰-水-泥环境浮台,利用实时高频监测数据,开展冰封期乌梁素海气象观测、冰厚监测及环境监测,分析冰体厚度及光学特性,重点分析湖泊冰体生长不同阶段气-冰-水-泥多介质热学特性,利用模型模拟冰体厚度、冰下水温及沉积物温度变化规律。主要研究成果如下:冰封期乌梁素海冰-水介质的光学特性分析。在监测期内,2月下旬达最大冰厚,约0.5 m左右。冰封期冰面的总光合有效辐射呈上升趋势。反射量受冰厚影响较小,而受积雪影响较大。冰体表面在有积雪覆盖期间,冰面反射量峰值高达342 W·m,无积雪覆盖期间,冰面反射量在40～85 W·m之间。有积雪覆盖期间,开阔区冰面反射量占比36.25%,近岸区占比14.16%,开阔水域冰面反射量占比远高于近岸带。冰封期乌梁素海冰-水-泥多介质的逐日温度、逐时温度及温度垂向变化特征解析。冰温、水温及泥温在冰体生长和消融过程中都呈现出由上层到下层明显的升高趋势,有明显分层现象和昼夜变化模式。典型日冰、水和泥的变化趋势及范围能代表冰体某一阶段内大部分时间段的变化规律。冰-水-泥多介质温度日变化幅度差异极显著,表层冰内温差分别是水温差和泥温差的5倍和45倍。冰体稳定生长期不同深度泥温变化幅度远大于冰体消融期,稳定生长期不同泥温的变化范围为4～7℃,消融期泥温维持在7.5～8.5℃。冰封期乌梁素海冰体表面热量平衡及冰体厚度、底泥温度模拟。净长波辐射(占比55%)和吸收太阳辐射(35%)是乌梁素海冰体表面热通量的主导因素,其次是湍流热通量(占比10%)。通过增加冰内太阳辐射,考虑冰底热通量和冰体内部辐射的影响,改进湖冰生长消融Stefen模型,模拟了湖冰厚度变化特征。利用MINLake模型模拟冰覆盖水温和泥温随结冰和融冰的变化过程,模拟结果表明,上层水温主要取决于穿透冰雪后进入水体的太阳辐射,以及从沉积物表面向下传播的年周期温度波穿透深度为一个固定深度面,在该深度以下,温度保持恒定,大致等于长年平均水温。

关键词：乌梁素海冰封期热学冰-水-泥多介质温度模拟

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