Page 30 - 2022年第53卷第5期

水 利 学 报

2022年5月 SHUILI XUEBAO 第 53卷 第5期

文章编号：0559-9350（2022）05-0530-10

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

杨开林，郭新蕾，王 涛，付 辉，潘佳佳
（流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化，加剧冰盖底部的融解和冲蚀，使得冰
盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果，建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸
收规律的数学模型；利用观测数据回归分析的方法，提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型；然
后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实，冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升
高，随雪厚和冰厚的增加而下降，并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外，太阳辐射的透射可能使得开河
期冰盖糙率不是减小，而是增大。
关键词：冰盖；水温；太阳辐射；消光系数；地温
中图分类号：TV875 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20211009

1 研究背景

太阳辐射到达地表（水面、冰面和雪面）后，一部分被地表反射回到大气，一部分透射穿过地表，
其它部分被地表吸收。对雪盖（snow cover）、冰盖和水体而言，太阳辐射是一种热能补充。雪盖是指
冰盖表面上由各种形式的积雪组成的大范围雪面。在太阳辐射透射穿过雪盖和冰盖进入水体被吸收
［1］
的过程中，冰温和水温都会增加。由于冰盖力学强度是随冰温的增加而减小的 ，所以太阳辐射的
透射将使冰盖力学强度降低，特别是在开河期，随着气温升高和太阳辐射强度的增加，冰温和水温
的增加必然加剧冰盖底部的融解和冲蚀，加速冰厚的热衰减 ，使得冰盖在风力和水流的作用下更
［2］
易于崩溃，形成开河。因此，正确地描述太阳辐射在水、冰和雪中的反射、透射和吸收规律，是准
确预报河、渠和水库等冰情发展变化的基础。
目前在水库和湖泊水温分层研究中，一般认为太阳辐射净辐射 ϕ sn 的50%～60%在水面就被吸收，
［5］
另外 40%～50% 穿过水面向下传播 ［3-4］ 。Perovich 等 的观测研究表明：在 0℃以下冷雪覆盖的情况
下，太阳净辐射 ϕ sn 几乎全部被雪盖吸收；对于裸露冰盖，只有可见光能够透射穿过冰盖进入下面水
体，而红外线在冰盖表面就被完全吸收。这是因为冰的盐度、密度、气泡含量和晶体结构等物理性
质存在着垂直的变异性，在结构上，冰盖上表面有 10 cm左右是由粒状冰组成，其中含有气泡、液体
和杂质，下部主要由柱状冰组成，这导致了表面附近透射辐射大量被吸收。随着雪盖的消失，冰温
［6］
逐渐上升，在冰盖解冻前，冰盖内部几乎是等温的，温度在-2 ℃到 0 ℃之间。Henneman 等 归纳分
=ϕ snvis/ϕ sn=0.443 ~ 0.483，与天气状
析前人的研究，给出了可见光辐射能 ϕ snvis 与总辐射能 ϕ sn 的比率 c par
［7］
况有关，晴天取较小值，阴天取较大值。Briegleb 等 在模拟北极气候系统模式 CCSM3中，认为 30%
可见光区和 100%近红外线区净辐射在雪盖表面很薄一层就完全被吸收；其余 70%可见光区透射穿过

收稿日期：2021-11-13；网络首发时间：2022-02-26
网络首发地址：https：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220224.0939.001.html
/
基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （U2243221， 51979291， 52009144）； 中 国 水 科 院 科 研 专 项 （HY0145B032021,
HY110145B0012021）；流域水循环模拟与调控国家重点实验室自由探索课题 （SKL2022TS04）
作者简介：杨开林（1955-），教授级高级工程师，主要从事冰水力学研究。E-mail：yklciwhr@sohu.com
—530 —