在结冰的河流中流动的水的温度是多少?

Question

问题的边界:

• 这个问题是关于地球寒冷地区的河流。可能是因为冬天的原因，也可能是因为一年到头都很冷。通常情况下，河流的顶层结冰，下面的水继续自由流动。
• 这个问题只是关于液态水的温度。所以固态水的温度与问题无关。
• 这个问题只涉及淡水河流。所以咸水不是问题的一部分。

问题本身:

在结冰的河流中流动的水的温度是多少?
更准确地说，水的温度会下降到0°C以下吗?
如果是，这种情况普遍吗?如果不是，它会接近它吗?

试图寻找答案的研究:

我以为水流可以让水保持液态，但这可能是错误的，因为没有证据证明这一点。然而,这个答案说:

流动的水要结冰，温度必须非常低。

这似乎与电流一致能降低冰点吗．

我找到了一份关于湖水温度的很棒的文献，但没有找到任何关于河流温度的可靠答案。

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编辑
我开始相信温度通常不会低于0°C，基于汇总以下信息…

• 一旦流失的热量超过水的补充速度，河流就会完全冻结．

• 大多数湖泊和河流不会冻结成固体，因为水、冰和雪是良好的绝缘体和热的不良导体。暴露在冬季寒冷空气中的部分湖泊或河流会结冰，这些冰使下面的水免于进一步快速冻结。

• 地球正在从下面使水变暖。

利用这一点，我们可能会得出这样的结论:水在流向下游的过程中冷却得不够。因此，水必须在旅程开始时就已经很冷了。我们知道起点是一个湖水平静。所以，这种情况不太可能发生，因为湖水会完全冻结，不再流入河流。

Answer 1

这是一个复杂的问题。

为了能够正确地回答这个问题，我将假设以下几点:

1. 我们以一般寒冷地区为基线，比如北极高纬度或70°+ N纬度;
2. 本例的参考可以是池入口在巴芬岛，一个有长期记录的例子(72°N)。以下数据假设将基于法线本站提供。但所讨论的内容很可能适用于北极高纬度的大片地区——比如70°+ N纬度;
3. 在该地区，正常(1981-2010年)年平均气温为-14.6°C是很有代表性的
4. 此外，在这一地区，正常的年度日数达到解冻(TDD-日平均气温在0°C以上的总和)为473度。
5. TDD总和的大部分(473度)发生在6月、7月和8月;5月只有2度，9月31度，10月1度，所以在这三个月之外，融化很可能是最小的。因此有两个相当明显的季节:解冻季节(夏季，持续3个月)和冻结季节(冬季，持续9个月)。
6. 不考虑前冰川河流(河流源自冰川，不同的故事)
7. 湖泊没有被考虑在内(另一个故事)

这一切都意味着寒冷地区的河流并不是随着时间的推移而保持热静态的。即使在北极高纬度地区，在漫长的冬季的大部分时间里，结冰的河流也会在垂直和水平两侧冻结，并在短暂的夏季完全解冻。但还有其他考虑。

让我们来看看在六月的某个时候冰雪融化会发生什么。北极地区河流的流量特征是多雪的，由于大量融雪水的输入，在初夏出现流量峰值，而少量雨水的响应则较弱。它看起来是这样的:

来源:Woo(2012)冻土水文，图10.14;来自北纬74°的麦克马斯特河

这里到底发生了什么?

1. 高峰在六月。
2. 之后，一旦雪完全融化，流量就会急剧下降。
3. 到8月下旬，这条河几乎没有水了，它可能会完全消失。
4. 然后冬天来了。

在接下来的几个月里，雪将在大地上堆积。在景观中有雪源和雪汇(波默罗伊等人，1997）;来源可能是较高的土地，露头，高原，或暴露的地区，和下沉较低的地区，如洼地或水道。在这种情况下，我们典型的尼瓦尔河将是一个水槽。

正因为如此，在河道中不仅会发现一块块的冰，而且在底部厚层时(或薄层时松散)紧密堆积的雪。在任何情况下，由于冬季地表融化和融雪入渗->雪渗->再冰事件，雪极有可能发生结构上的变质。

更详细地说，六月发生了什么?
让我们用一个更详细的(尽管是原始的和未经处理的)图来进一步分析这个问题，图来自池塘入口附近的一条小溪，分辨率可达最近的一天:

来源:距离池塘入口85公里的Bylot岛溪谷的溪流温度和水压;来自我博士研究的部分原始数据。蓝色表示温度，右边是刻度，黑色表示压力，左边是刻度。日期在x轴上。

通过观察压力线(黑色)，可以解释为直到6月16日压力急剧上升时才有水。直到17日，气温(蓝色区域)一直维持在零下2度。此时，水已经渗入雪中，导致压力缓慢上升，但直到17日温度开始上升，水才到达传感器。在18日，气温上升到-0.5°C，然后在这种负温度下徘徊近24小时。这种过冷的水温是由多种因素造成的，例如水对雪的压力增加，由于变质的雪融化而释放的潜热，以及水的温度接近零，与雪保持平衡。

当一个临界质量的水积聚在记录器的位置附近的河道，大量的雪融化和水然后转移到正温度，仍然接近零度，昼夜变化(蓝线变成波浪状)。

注意:这条小溪流受地热通量(从地下向上流动的热量)的影响最小。

总结，就下列问题:

1. 气温大多在零度以上;但当水在河道中与冰雪混合时，可能会在短时间内低于或接近零度;
2. 是的，如图2所示，水在-0.5°C的温度下持续了大约24小时;
3. 我认为这是很常见的，因为融化温度确实达到了沃德亨特岛(83°N)这样的高纬度地区，因此这个过程可能涉及到一大片地区，包括可能包括整个加拿大群岛(至少是低地)。但这种过渡过程在任何地方都不会持续太久。此外，值得注意的是，北极高地的河流很难获得、监测和研究，因此很难有信心地概括这一点;可能存在其他因素或背景，导致结论可能不同。