GlaDS缘起

​

 题目：Modeling channelized and distributed subglacial drainage in two dimensions

近年来，冰盖表面融化与冰盖动态之间的联系及其对海平面上升的影响引起了广泛关注。特别是格陵兰冰盖的研究显示，表面融水显著影响冰川移动速度，而冰下排水系统对冰川动力学及冰川水文学其他方面具有关键控制作用。目前，对于这一复杂系统，尤其是快速通道化排水与慢速分布式排水模式之间的转换机制理解尚不充分。

了解冰下排水系统对预测未来冰川变化、评估冰川侵蚀、流域水文、冰下生物圈以及冰湖溃决洪水等灾害风险至关重要。本研究有助于提高我们对冰川系统响应气候变化的理解，并为全球海平面上升的预测提供基础数据。

作者开发了一种二维冰川排水系统模型（GlaDS），该模型结合了分布式（通过连续水膜表示）和通道化（通过Röthlisberger通道模拟）排水方式，利用非结构化网格以减少方向性偏见，更真实地反映自然系统。模型还考虑了冰内蓄水层和通过竖井输送至冰床的点源输入，实现了与冰流动态的双向耦合。研究中，使用合成地形模拟冰盖边缘环境，并应用温度指数模型计算融水量来驱动模型在山地冰川上的应用。

主要结论：

• 通道系统的演化过程：初期，靠近冰缘（x=0）处，因那里排放量最大，沿水流方向在网状结构边缘形成了初步的通道。这些通道随后通过合并较小通道并逐渐消失，形成主要通道，并最终影响整个排水系统的结构和水压分布。
• 水压和流向的变化：通道化导致大尺度的冰下水压降低，例如8兆帕的水压等值线向上游移动约4公里，而未通道化的区域则几乎无压力下降。通道的存在通过在水势（hydraulic potential）上“雕刻”出“谷”，改变水流方向，使片流（sheet flow）转向并趋向于这些通道。

• 排水量对比：图中还展示了不同区域的排水情况，包括片流（sheet discharge，qw）的蓝色线，总排水量（黑色线），以及通过累积输入流量（dashed线）与总流量叠加显示的对比。这有助于理解各部分对整体排水贡献的比例和分布。

• 有效压力分布：Figure 3c展示了节点上的有效压力N，红色十字代表片流节点，较小的蓝色和较大的黑色圆点分别标记通过小通道和大通道的节点位置。这揭示了通道化如何导致局部水压变化，尤其是通道周围的有效压力通常会下降。

• 排水系统结构：在稳态下，模型"SHEET"中有四个主要通道延伸到约32公里，之后转为片流。在冰川终端附近，存在11个通道，它们之间的距离大约为2公里。这表明通道系统在接近冰缘处较为密集，而向内陆逐渐稀疏。

• 片流与通道化关系：图中数据指出，在主要通道起始处，片流的峰值流量约为60立方米每秒，随后大部分水流被转移到通道中。接近冰川末端，由于冰层变薄减少了闭合蠕变，片流的承载力增加，导致通道中的部分水分又回流到片流中。

• 通道系统发展：这些图示例说明了从无通道初始状态到稳定状态的通道系统演变过程，通道在靠近冰缘（x=0）的地方因高排放量而开始形成，并通过网络边缘对齐水流方向发展。随着时间推移，大通道通过合并小通道形成，降低了大规模的冰下水压，同时影响着周围水位的分布。

• 水文潜能和片流影响：图中可见，通道像“山谷”一样雕刻在水文潜能中，改变了片流的方向，使之从垂直于潜能等值线转向通道。这表明通道的存在和分布对片流路径有显著影响，从而也影响了整个排水系统的结构和效率。

• moulin输入影响：在“MOULINS”运行中，融水通过50个moulin直接输入，模拟了实际情况中冰面和冰内水流的路由过程。每个moulin的输入量基于其Voronoi单元的表面融化总量，这一设置使得模型能够更贴近实际冰川表面的复杂流动模式。

下图展示了一天中有效压力变化的振幅（最大值与最小值之差），即有效压力的周期性波动。图中通过颜色编码显示了距离通道和竖井（moulin）不同距离处的有效压力变化幅度。它特别突出了压力波动的最大区域位于moulin和通道附近，而在距离这些特征超过约2公里的地方，压力振幅的变化就非常有限。这种现象反映了冰下水体存储对日间压力变化扩散范围的限制作用，即较大的englacial存储容量会减少具有明显日变化压力信号的区域。

下图通过一系列的时间序列数据，提供了沿横向（T1-T2-T3）和纵向（L1-L2-L3）截面的有效压力和通道流量的细节。这些数据帮助理解了压力和流量随时间和空间的具体变化规律。例如，沿横向截面（T1-T2-T3）的压力变化幅度随着远离通道的距离增加而减小，并且存在一个逐步增大的相位滞后，最高可达6小时。而沿纵向截面（L1-L2-L3）的数据显示，位于moulin附近的两点（L2和L3）的有效压力近乎同步变化，但上方位置（L1）相比滞后4小时。此外，通道流量在moulin位置与输入同步，但在上下游则呈现反相位，体现了日间融水输入变化导致的复杂时空动力学。

https://doi.org/10.1002/jgrf.20146

​