融水渗入粒雪的统一运动波理论

受粒雪中融水再冻结的启发，我们重新审视了液态水和非反应性气体在多孔冰中的一维渗透。我们在没有毛细管力和热传导的情况下分析渗透动力学，以理解粒雪中对流热和质量传输的耦合。在这个极限下，我们制定了一个运动波理论，该理论产生了一个对应于组成和焓守恒的2X2双曲型偏微分方程组。对于简单的初始条件（黎曼问题），该系统允许自相似解，这些解揭示了融化/再冻结锋面的结构，并为文献中遇到的12个基本物理相关情况提供了解析解。此外，我们发展了一个扩展的运动理论，涵盖了粒雪完全饱和形成由椭圆型偏微分方程控制的悬挂水位的情况，因此模型不再是完全双曲的（局部的）。这些解为融水渗入粒雪的数值模型提供了基准。它们还提供了对重要物理过程的洞察，例如冻结边缘的形成、融水在预先存在的低孔隙度层上的悬挂以及形成不透水冰层的条件。最后，这些解析解可用于改进和比较粒雪水文、冰盖和地球系统模型的性能。我们的分析提供了一个理论框架来理解粒雪中的这些重要过程，这些过程影响融水渗透和地表径流之间的分配，从而决定冰盖的表面质量损失及其对海平面上升的贡献。