雪层密实成冰速度及其影响因素

为使本研究适用于更大范围并对不同季节成冰特点进行具体分析，对密实成冰速度进行了讨论。由于竹板位置始终代表其所在雪层，竹板下移速度即雪层密实化快慢的表征。

1.密实成冰速度的季节变化

竹板在雪坑中的移动是一个由时间、深度和速度构成的三维轨迹。将竹板到冰面的距离与观测时间间隔做一个简单的速度运算，得出竹板下移的速度值，加上深度维和时间维便得到一幅竹板移动的三维图（见图4.23）。根据研究对成冰期的划分，将图所示的时段划分为冬季稳定期（wi，11月中旬—次年3月下旬）、春季波动期（sp，4月初—5月底）、夏季剧变期（su，6月初—9月底）、秋季波动期（au，10月初—11月中旬）。

图4.23　竹板下移速度-深度-时间图

注：图中0刻度即指冰面。圆圈大小表示速度，单位mm/d，表示每天下移的毫米数。为了便于分析，图中灰色填充的部分放大为原值的4倍。左上方图例显示了圆的直径与速度的比例关系。虚线之间的区域代表不同的成冰期。

据此，我们可以对不同成冰期内雪层密实成冰特点进行如下总结：

（1）冬季稳定期

这段时期竹板下移速度极为缓慢，有时连续几次观测到冰面距离均没有变化。速度随深度变化趋势不明显。原因是冬季风力较大，降雪少，表面或形成密度较大的风板，或细粒直接出露表层。冬季粒雪成冰速度有以下特点：雪层处于稳定状态，成冰速度缓慢。成冰作用以冷型为主；随深度增加，不同性质粒雪成冰速度没有明显变化。

（2）春季波动期

在雪坑上部接近表面位置竹板下移速度出现明显的峰值，且随深度增加，速度递减显著。这是由于本时期内雪坑表面温度昼夜变化剧烈，融化再冻结作用频繁。且由于降水较多，密度较低的新雪开始在表面积累。这段时期成冰特征是：雪层密实成冰速度开始增大，有随深度递减的趋势；融水作用使得局部雪层成冰加速。

（3）夏季剧变期

6、7月，表层竹板下移剧烈，但仍可以看到随深度递减的规律。到了8、9月，竹板出现剧烈波动。2003年8月23日和2004年8月18日的两次观测中发现，随着到冰面距离的增加，竹板下移速度起初增大，接着开始变小，继而又增大，两种趋势交替进行，表现出无规律性。速度极大值不是出现在表层新雪而是以中部或中上部居多。这种现象与该时段内融水强烈渗浸有关。本期温度较高，消融量大，融水可以渗透几个年层的粒雪。由此得出：夏季，雪层在雪坑中的位置变化剧烈，成冰速度快。以融水的渗浸冻结成冰为主；夏季初期成冰速度随深度减缓的趋势到末期变得无规律；8、9月是主要成冰期。(www.xing528.com)

（4）秋季波动期

秋季波动期是夏季成冰期向冬季过渡的时期。竹板下移速度转入低值，随深度的衰减趋势又开始明显起来。少量的降雪使得雪层表面竹板下移速度出现极大值。本阶段雪层密实成冰速度减小，开始趋于稳定。

2.速度随深度变化

研究中，我们利用叠加的方法得到一套完整的新雪转化为粒雪冰的竹板速度图，基本反映了竹板下移速度随深度变化的趋势。将其与不同粒雪平均密度变化进行比较分析，发现两者具有相反的变化趋势（图4.24）。

如图所示，实线代表竹板下移速度随深度的变化，虚线表示不同雪层（新雪、细粒雪、粗粒雪）的平均密度。总的说来，随竹板到冰面距离的减小，其下移速度呈波动状减小，密度则出现增大的趋势。由此可见，雪层的密度是影响竹板移动速度的一个重要原因。这是由于成冰过程其实就是雪密度不断趋于冰密度的过程。

对速度-深度曲线分析发现，在新雪中速度随深度增加而减小，但细粒雪上部出现一个急剧的速度回升。结合剖面分析发现，该处是一个类似深霜的松散层，孔隙度大，硬度低，一般位于粗粒雪上部。其形成是由于深霜在融水作用下体积减小，空隙增大所致。当细粒雪与粗粒雪发生临界变化时，速度开始急剧回落。竹板在粗粒雪中的变化相对平稳，这也是本研究利用竹板叠加的方法探讨粗粒成冰的重要依据。分析表明，雪层密实成冰速度在新雪和细粒雪阶段比较快、波动大，粗粒雪中则较为平缓，细粒雪与粗粒雪边界层的转化是重要转折。

图4.24　竹板下移速度及密度随深度变化曲线

3.融水对成冰速度的影响

分析表明，融水是影响1号冰川成冰年限的重要原因，表现在三个方面：

首先，融水是雪层逐渐下移的原因之一。对于以暖型成冰作用为主的1号冰川来说，融水一方面通过加速雪的密实化过程使得雪层下移，另一方面由于造成物质损失而使雪层向下运动。融水主要以两种方式在某层位消失：一是下渗。融水下渗是雪层中物质重新分配的重要方式，对冰川内补给量的影响巨大。二是冰面径流。融水下渗至冰面一部分冻结成冰，而另一部分以冰面径流的形式消失。不同的是，冰面径流造成了冰川物质的直接损失，而融水渗浸冻结只是物质的再分配。

其次，融水通过密度影响成冰速度。融水的渗浸再冻结对粒雪形态、密度、硬度等物理特性的改造是显著的。姚檀栋（1998）等对祁连山冰帽顶部的冰芯进行研究得出：融水是导致粒雪层密度加大的重要原因。对1号冰川而言，融水造成雪层密度的增加主要表现在两个方面：一是融水对晶粒的包裹导致粒雪在沉陷过程中变紧密，从而使容重增加，孔隙率减少；二是融水通过下渗再冻结作用填充于孔隙，使得发生冻结的层位（冰片层）密度值明显较大。有研究表明，融水区内的晶粒密实化所能得到的最大密度，要比干雪带内的高。

最后，融水造成雪层成冰速度的季节变化。由于融水出现主要以温度较高的夏季为主，使得粒雪的密实化速度具有显著的季节变化。