内部能量平衡在雪和冰
内部温度演化在积雪或冰的厚度(例如,一块海冰或冻土的室内部分或冰川)是由能量守恒。这是热力学第一定律所描述的,平衡的变化率内部能量通量和积雪的能源。导电传热是主要的过程,管理的变化率在近地表层内部能量。此外,短波辐射可以穿透地下,还有内部的源/汇能源联系在一起潜热交换(内部融化和重新冻结)。那里也可以热平流的渗滤或雨水的冰雪融化。
考虑一个单位面积内的雪或冰层,与d和厚度密度和温度不同的深度。纵向热传导通过k的热导率是描述雪或冰。水平温度梯度很小而垂直梯度通常被忽视。热扩散的散度是导电通量,V•qc,
现在考虑一个无穷小的雪或冰层厚度dz, p,密度和比热容c。定义内部能量单位体积,E (J m3),与太阳能加热和局部能量来源潜在的能量交换层,J (W m3)。的变化率内部能量层是由能量平衡
这个公式忽略了平流的能量损耗和机械(应变加热),两项的能量平衡是非常重要的冰川冰,,
和冰原。这些是5和6章中讨论。(3.5)的内部能量来源可以分为两个方面。太阳辐射可以穿透深度z和吸收层dz,给热源中的(z)分布在雪或冰层。对于内部rni或重新冻结融化率,(m星河的s - 1),潜在的能量交换(3.2 b)的形式,但能源可以被认为是分布在层dz。因此短波辐射通量穿透表面传播的近地表层比尔-朗伯定律后,在cs是辐射传输的消光系数在雪或冰,路径长度。灭绝的发生通过辐射能量吸收和散射% s的系数不同波长的函数和参数影响光谱反射率(颗粒、杂质、太阳光束角)。路径长度,称为大气科学的光学质量,包括的影响雪密度和入射角;这是一个衡量辐射穿过的材料数量。典型传输距离在冰河学研究报告仅几毫米的雪,冰几厘米,20厘米的蓝色冰。方程(3.7)可以用于计算短波能量在吸收
中的(,)Qs * (1) exp (x«),
层dz。与入射角b辐射测量垂直的路径长度在这一层,= dz / cos (b)。
温度演化在雪或冰可以从(3.5)除以数值模拟卷成几层,解决每一层的能量平衡,受边界条件由表面能量平衡,Eq。(3.1),和热通量的雪或冰体积从地面,湖泊,河流,海洋。这样一个模型可以用来模拟每日或季节性温度波在冰雪和预测内部温度演化。
图3.2展示了这些方程的应用热扩散的雪和冰。两个简单但重要的例子介绍:(i)白天的温度周期季节性积雪(图3.2)和(2)的年度冻土温度周期(图3.2 b)。后者的例子也说明了世纪的时间表为传播表面温度的变化在地上。
雪的昼夜温度演化图3.2是基于一个理想化的正弦波昼夜大气温度,中午和午夜最小和最大。在这个例子中,平均每日温度是8°C,每日温度循环的振幅16°C。这种大气信号穿透深度几个分米,但强烈阻尼,几个小时的时间间隔。插入深度对雪的导热系数是敏感,主要是雪密度的函数(第二章)。
第三章
第三章
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- 雪温度(°C)
图3.2。(一)建模渗透的一个理想化的昼夜温度循环季节性积雪。上所显示的温度是45厘米1公尺的积雪,策划为24小时内每隔两个小时。黑色线表示从0200年到1200年变暖(左到右),和灰色线与冷却阶段从1400年到0000年(从右到左)。(b)温度响应表面变暖上35 m 100 - m -深度剖面的冻土。这表明表面温度变暖的扩散深度的跨50年气温上升2°C。温度剖面绘制每10年(50,60。100年,从左到右)在文本中描述的数值实验。插图提供进一步的观点上5米。
冻土的物理同样适用于图3.2 b,但本例的时间和空间尺度上的更大。图3.2 b情节情商的解决方案。(3.5)的上部100 - m -深段冻土。这个例子包括“平衡”和瞬态表面温度边界条件来说明一个表面的扩散变暖趋势在永久冻土。仿真是基于一个理想化的正弦年度温度循环,重复在1000年。深冻土平衡的1000年的“向上”模拟。这个初始化的年平均表面温度为-11°C,地热热流密度为0.05 W m - 2规定的底部。在深度、冻土温度达到稳态后几个世纪。地面的上10 - 15米感觉每年的温度循环,如初始温度剖面(粗线标注在图3.2 b t = 50)。
后向上,参考年度温度循环保持固定的前50年模型实验中,紧随其后的是实行2°C的线性变暖的趋势在未来50年。温度概要图3.2 b是绘制每十年100年的模拟。这些概要文件快照从10月1日的每一个新的十年。冬季的寒潮之前是在约8米深度,和温暖的波从最近的夏季是可见的在1米深度。温度在40米的地面表面温度的增加而增加下半年的仿真,与第3章衰减变暖的信号
与深度。低于35 - 40米深,表面温度变化尚未检测到。
这表明温度的时间尺度在冻土对气候变化的反应,尽管详细的响应取决于热导率、热容、密度、和土壤或岩石的孔隙度矩阵。raybet雷竞技最新温度扩散在纯冰也有类似的时间表的冻土。
辐射通量大气界面的数以百计的瓦特每平方米。geother-mal热流从地面进入基地积雪或陆地冰的身体(冰川、冰盖和冻土)相比可以忽略不计,典型值为0.04 -0.06 W m - 2。尽管这是一个小的组件整体能源预算,地面热通量季节性积雪的基础仍然有助于温暖的冬天,特别是在深积雪在基底雪从大气中绝缘。同样,地热热流不断提供热量的陆地冰质量,成千上万的米厚。这最终限制了冻土深度,对于世界上的许多冰川和冰原,这种供应热量的驱动器基底融化在每年的几毫米。
基底边界是更为复杂和重要的海冰和冰川和冰盖在接触海洋,海洋热通量通常几瓦特每平方米,大大超过地热。然而,即使在海冰建模的主要关心的雪/冰热演化和能量通量的融化是量化surface-atmosphere接口。下一节更详细地描述这些通量。
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