Energy Exchange During River Icing Formation in a Subarctic Environment, Yukon Territory
Xiaogang Hu
Wayne H. Pollard
John E. Lewis
Résumé
La formation de nappes de glace stratifiée est un phénomène hydrologique cou- rant en milieu subarctique. Il résulte de l'accumulation d'écoulements successifs pendant l'hiver. La taille et l'épaisseur des couches de glace sont déterminées par l'interaction entre les systèmes microclimatologique et hydrologique de l'eau de surface. On étudie ici les échanges d'énergie suivant différentes épaisseurs de nappes de glace. Dans le cas d'épaisses nappes d'écoulement, les couches de glace prennent plus de temps à geler entièrement en raison de la plus grande quantité de chaleur latente emmagasinée dans les volumes d'eau. Des températures de l'air plus douces vont davantage ralentir le processus. Dans de telles conditions, l'eau circulant entre le couvert de glace supérieur et la glace sous-jacente procure des quantités d'énergie appréciables. De 60 à 87 % de l'énergie est fournie par l'eau libre. Avec des températures progressivement plus froides, l'englaciation accélérée réduit le temps d'écoulement de l'eau, diminuant ainsi la quantité relative d'énergie fournie par l'eau. Dans ce cas, l'énergie est livrée par la chaleur latente libérée par le gel de l'eau contenue dans la couche de débordement. Dans certaines conditions, l'absortion du rayonnement solaire produit aussi une quantité considérable d'entrée d'énergie dans le régime thermique. Cette énergie est libérée par l'entremise de pertes appréciables de chaleur irradiante. Pendant la formation d'une nappe de glace, la chaleur latente est la moins importante, ne comptant que pour 6 à 17 % de la perte totale de chaleur.
Abstract
Icings are common hydrologic phenomena in cold subarctic environments. They are formed by the accumulation of repeated overflow layers during winter. The size and thickness of the icing layers, however, are determined by the interaction of surface water hydrologic and microclimatologic systems. This paper examines the energy exchanges associated with icing layers with different thicknesses. In the case of thick layers of overflow, ice layers require a longer time to freeze completely due to greater latent heat stored in larger water volumes. Milder air temperatures will slow growth even further. Under such conditions, flowing water between the top ice cover and the underlying ice body provides significant amounts of energy. As much as 60-87 % of the energy may be supplied by running water. Under progressively colder temperature conditions, faster growth rates reduce the time of water flow and, therefore, reducing the relative amount of energy supplied by flowing water. In this case energy is provided mainly by the latent heat released by the freezing of water contained in the overflow layer. Under certain conditions, the absorption of solar radiation also generates a considerable amount of energy input to the regime. This energy is released mostly through sensible and radiative heat losses. During icing layer formation, latent heat is the least important, accounting for only 6-17 % of the total heat loss.
Zusammenfassung
Energie-Austausch während der Bildung von Flusseis in subarktischem Milieu, Yukon Territorium
Die Bildung von Eisschichten ist ein verbreitetes hydrologisches Phänomen in kaltem subarktischem Milieu. Sie entstehen durch Akkumulation sukzessiver Überlaufschichten während des Winters. Die Größe und Dicke der Eisschichten wird durch die Interaktion der hydro- logischen und mikroklimatologischen Systeme des Oberflächenwassers bestimmt. In diesem Beitrag wird der Energieaustausch in Verbindung mit Eissschichten unterschiedlicher Dicke untersucht. Im Falle dicker Überlaufschichten brauchen die Eisschichten mehr Zeit, um komplett zuzufrieren, wegen der größeren latenten Wärme, die in größeren Waservolumen gespeichert ist. Mildere Lufttemperaturen verlangsamen den Prozess sogar noch mehr. Unter solchen Bedingungen liefert das zwischen der Oberflächeneisschicht und dem darunter liegenden Eiskörper fließende Wasser beträchtliche Mengen an Energie. 60 bis 87 % der Energie kann durch fließendes Wasser geliefert werden. Unter progressiv kälteren Bedingungen wird die Geschwindigkeit des Wasserflusses durch die beschleunigte Vereisung reduziert, und infolgedessen auch die durch das fließende Wasser gelieferte relative Energiemenge. In diesem Fall wird die Energie hauptsächlich durch die latente Wärme geliefert, die durch das Einfrieren des in der Überlaufschicht enthaltenen Wassers freigesetzt wird. Unter gewissen Umständen produziert auch die Absorption von Sonnenstrahlen eine beträchtliche Menge von Energie-Eingabe in das System. Diese Energie wird vor allem durch beträchtliche ausstrahlende Wärmeverluste befreit.Während der Bil- dung der Eisschicht ist die latente Wärme am wenigsten wichtig und betrifft nur 6-17 % des totalen Wärmeverlusts.
Bibliographie
Akerman, J. H. 1980. Studies on periglacial geomorphology in West Spitsbergen. Meddelanden Fran Lunds Universitets Geografiska Institution, Avhandlingar, vol. LXXXIX, 297 p.
Carey, K. 1973. Icings developed from surface and ground water. CRREL Monograph III-D3, U. S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, 67 p.
Environment Canada, 1950-1990. Canadian weather review. Atmospheric Environment Service, Downsview, Ontario, Canada.
Froehlich, W. and Slupik, J. 1982. River icings and fluvial activity in extreme continental climate: Khangai Mountains, Mongolia. Proceedings, Fourth Canadian Permafrost Conference. National Research Council of Canada, Ottawa, Ontario, p. 203-211.
Gavrilova, M. K. 1972. Radiation and heat balances, thermal regime of an icing. The role of snow and ice in hydrology. Proceedings of Banff Symposia, Sept. 1972. Vol. 1, Unesco, WHO-IAHS, p. 496-504.
Greene, G. M. and Outcalt, S. I. 1985. A simulation model of river ice cover thermodynamics. Cold Regions Science and Technology, 10, 251-262.
Grenfell, T. C. and Maykut, A. 1977. The optical properties of ice and snow in the Arctic basin. Journal of Glaciology, 18(80), 445-462.
Hay, J. E. and Fitzharris, B. B. 1988. A comparison of the energy-balance and Bulk-aerodynamic approaches for estimating glacier melt. Journal of Glaciology, 34(117), 145-153.
Hu, X. and Pollard, W. H. 1997. Ground icing formation: experimental and statistical analyses of the overflow processes. Permafrost and Periglacial Processes. 8, 217-235.
Kane, D. L. 1981. Physical mechanics of aufeis growth. Canadian Journal of Civil Engineering, 8, 186-195.
Kane, D. L. and Slaughter, C. W. 1972. Seasonal regime and hydrological significance of stream icings in central Alaska. Proceedings of Banff Symposia, Sept. 1972. Vol. 1, Unesco, WHO-IAHS, p. 528-540.
Kuhn, M. 1979. On the computation of heat transfer coefficients from energy balance gradients on a glacier. Journal of Glaciology, 22(87), 263-272.
Maykut, G. A. and Untersteiner, N. 1971. Some results from a time-dependent thermodynamic model of sea ice. Journal Geophysical Research, 76, 1550-1575.
Moore, R. D. 1983. On the use of bulk aerodynamic formulae over melting snow. Nordic Hydrology, 14(4), 193-206.
Munro, D. S. and Davis, J. A. 1978. On fitting the log-linear model to wind speed and temperature profiles over a melting glacier. Boundary Layer Meteorology, 15, 423-437.
Nakawa, M. 1980. Heat exchange at surface of built-up ice platform during construction. Cold Regions Science and Technology, 3, 323-333.
Perovich, D. K. and Grenfell, T. C. 1982. A theoretical model of radiative transfer in young sea ice. Journal of Glaciology, 28(99), 341-356.
Pollard, W. H. 1983. A study of seasonal frost mounds, North Fork Pass, Northern Interior Yukon Territory. PhD Thesis. University of Ottawa, Ottawa.
Pollard, W. H. and van Everdingen, R. O. 1992. Formation of seasonal ice bodies. In J. C. Dixon, and A. D. Abrahams Periglacial Geomorphology, p. 281-304. John Wiley and Sons.
Price, A. G. and Dunne, T. 1976. Energy balance computations of snowmelt in a subarctic area. Water Resources Research, 12(4), 686-694.
Shen, H. T. and Chiang, L. A. 1984. Simulation Of Growth And Decay Of River Ice Cover. Journal of Hydraulic Engineering, 110(7), 958-971.
Slaughter, C. W. 1990. Aufeis formation and prevention. In W. I. Ryan, and R. D. Crissman, Cold Regions Hydrology and Hydraulics, p. 433-458. American Society of Civil Engineers.
Sokolov, B. L. 1978. Regime of naleds. Proceedings, Permafrost, Second International Conference, USSR Contribution, National Academy of Science, Washington, D.C. , p. 408-411.
Sokolov, B. L., Alekseyev, V. P., Markov , M. L. and Kiolotayev, V. I. 1989. Research into icings and icing processes in the USSR: Major results and prospects. Polar Geography and Geology, 13(4), 233-251.
van Everdingen, R. O. 1982. Management of ground water discharge for the solution of icing problems in the Yukon. Proceedings, Fourth Canadian Permafrost Conference. National Research Council of Canada, Ottawa, Ontario. P. 212-226.
| Auteurs : | Xiaogang Hu, Wayne H. Pollard et John E. Lewis |
|---|---|
| Titre : | Energy Exchange During River Icing Formation in a Subarctic Environment, Yukon Territory |
| Revue : | Géographie physique et Quaternaire, Volume 53, numéro 2, 1999, p. 223-234 |
| URI : | http://id.erudit.org/iderudit/004880ar |
Tous droits réservés © Les Presses de l'Université de Montréal, 1999