湖冰物理对水文、气象环境条件变化的响应研究

Ice cover is the key element of water bodies in cold regions. The inner structure controls other physical properties of ice cover.Based on a great number of accumulated data on lake ice growth and decay processess, ice physics, and atmospheric and hydological conditions, the relation of lake ice physics to local meteorology and hydrology will be studied thoroughly. Firstly, based on the deep analysis of ice physical data, the common and peculiar points of ice physics will be summarized in northern China. Secondly, the validation of typical existing lake ice models will be conducted using the measuring datasets of ice thickness, meteorological and hydrological indices, and a new lake ice model of high accuracy will be proposed to simulate numerically the lake ice processes. Thirdly, ice growth rate will be chosen to represent the growth and decay features, and ice crystalline and gas bubble content and size to represent the ice physics. The physical model for gas bubble formation will be constructed, and figure out the quantitative relation of ice crystalline and gas structure with the ice growth rate. Therefore, with the combination of the present ice model, the influencing mechanism of localmeteorology and hydrology upon the ice physics will be definitely evaluated and determined. From the respect of natural process, the present program will reveal the affecting mechanism of meteorological and hydrological conditions on lake ice physics. The findings will have many good theoretical and engineering implications.

冰层是寒区水体的关键组成，冰层微观结构控制着冰层其他性质。通过对前期积累的大量湖冰生消、冰物理和水文、气象数据的分析，开展气象、水文条件同湖冰物理性质之间的关系的探讨。首先，深入分析湖冰基本物理数据，总结出我国不同地区湖冰物理的一般性和特殊性，以及其年内、年际变化特征；其次，基于湖冰生消和气象、水文数据检验现有经典湖冰模型的有效性和精度，提出考虑冰面升华过程的湖冰高精度模型，解决利用气象、水文参数对湖冰生消过程的精确预测；再次，选择湖冰生长速率表征湖冰生消过程、选择湖冰晶体类型和尺寸、冰内气泡含量和尺寸表征湖冰物理特征，建立冰内气泡形成的物理模型，并找出湖冰生长速率同冰晶体、气泡的定量关系；这样，结合新建湖冰模型，查明和评价气象、水文条件对湖冰物理的影响规律。本项目从物理机制上揭示气候变化对湖冰物理的影响和规律，具有重要的理论和工程意义。

为探明气候变化对冰区水环境与水利工程设施的影响，本项目从物理机制上将其细分为“气候、气象、水文条件-冰生消-冰微结构、冰物理-冰力学、热、光学性质等-水环境与工程”的逐级递进影响过程，针对其关键环节“气象、水文条件-冰生消-冰微结构、冰物理”开展研究。通过大量内陆湖冰、极地海冰的微结构、温盐密数据和气象、水文历史资料分析，归纳了不同区域气候、地质地貌和水文气象条件下湖冰微结构物理的一般性与特殊性，查明了湖泊冰物理的季节和多年变化特征；通过检验现有湖冰模型的适用性，改进冰底热通量参数化方案，建立了考虑冰面升华的湖冰生消模型，确立了“水文、气象条件同冰生消过程（生消速率）之间的关系”； 以冰基础物理指标—晶体类型与尺寸、气泡结构、含量与尺寸和冰密度作为表征湖冰物理的基本参数，以湖冰生长速率来表征生长过程，通过数理统计、理论分析等手段，建立了“冰物理参数同生消过程之间的关系”； 以冰生长速率作为纽带，基于“气象、水文要素同湖冰生长过程（可计算出冰生长速率）之间的关系”和“冰生长速率同冰物理特征参数之间的关系”，建立了气候变化对湖冰物理影响的评价体系，从物理过程上揭示了气候、气象变化对湖冰物理的影响；作为项目纵向延伸，确定了冰晶体结构、气泡含量、密度、冰温等物理参数，对冰抗弯强度、弹性模量、单轴抗压强度、冻结附着强度等工程力学行为的影响，查明了“冰微结构、冰物理对冰力学性质的影响”这一环节。上述研究成果作为冰科学与工程的基础，取得了良好成绩，发表科学论文10篇，其中被SCI检索6篇次、被EI检索5篇次，获批国家专利3项。上述成果科学、客观地认识到冰自身性质的演变，明确了未来冰工程中冰物理及力学性质的变化趋势，为阐明气候变化形势下冰区工程与环境的响应及采取应对措施夯实了理论基础。