（环境科学专业论文）雷达海冰监测与数值预报技术在冰区采油及运输作业中的应用研究.pdf

a b s t r a c t i c ec o n d i t i o no c c u r st od i f f e r e n td e g r e ei nb o h a is e ae a c hy e a lw h i c hw i l ld i r e c t l y h a v ea ne f f e c to nt h eo p e r a t i o no fo i lp l a t f o r m ，n a v i g a t i o na n dp r o j e c t si np o r ta n dc o a s t a c c o r d i n gt o t h es i d ee f f e c t so fi c ec o n d i t i o n ，t h et h e s i s a d o p t sn a v i g a t i o nr a d a r , i n s t a l l e do nt h eo i lp l a to fi c ez o n ei nl i a o n i n gg u l f , t oc o n d u c tr e a l t i m eo b s e r v a t i o n o ns e ai c ef o rt a n k e r s o p e r a t i o n ，i tc a np r o v i d ei n f o r m a t i o nf o rs a f e t yo fo p e r a t i o ni ni c e z o n e r a d a rm o n i t o r i n gs y s t e mf o c u so ns e v e r a lf a c t o r so fs e ai c e ，s u c ha st y p e ， t h i c k n e s s ，i n t e n s i t y , s p e e da n dd i r e c t i o no ff l o a t i n gi c e ，a sw e l la sb o r d e r i n gl i n e t h e s y s t e mt h e nc l a s s i f i e sa n dv e r i f i e st h ed a t a ，b ym e a n so fs t a t i s t i c a l c l a s s i f i c a t i o n m e t h o d s ，w h i c hc a nb ea b o v e8 0 a c c u r a t e b e s i d e s ，t h es y s t e mc a nm o n i t o rr e a l t i m e s e ac o n d i t i o nb ym o n i t o r i n ga p p a r a t u sa n ds e n di m a g e st oc o n t r o l l i n gc e n t e ro nl a n d i n t h ew a y , t h et a n k e r s s a f eo p e r a t i o ni sg u a r a n t e e d t op r o v i d et h ep r e v a i lc o n d i t i o n so ft h et i d a lc u r r e n ta n dt h ew i n d ，t h et h e s i sm a k e u s eo ff i n i t ym e t h o dt os o l v et i d a lc u r r e n tb a s i cm o v e m e n te q u a t i o n ，s i m u l a t e st i d a l c u r r e n ts t a t u sb yj z 9 3s e aa r e a ，a n de s t a b l i s h e sw i n df i e l dn u m e r i c a lf o r e c a s tm o d u l e b ya n a l y z i n gt h et w or a d a rs e ai c ei m a g e sw i t ht h em e t h o do f c o r r e l a t i o na n a l y s i sa n d r a d a ri c e - m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , w ec a ng e tt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h es e ai c e m o v e m e n ti nal a r g e rs c o p e ，w h i c hi sa l s oc a l l e dt h ep l a n a rd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i n g i n t h i sw a y , w ec a nw o r ko u tt h ep l a n ed i s t r i b u t i n go fi c es e am o v e m e n ta n ds i m u l a t et h e f l o a t i n go f i c es e a t h et h e s i sa n a l y z e sa l ls o u r c eo fi n f o r m a t i o n ，a p p l i e st h em u l t i a n a l y s i sa n d p a r a m e t e rs e ai c er e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n gd a t a sa n da n a l y z i n gr e s u l tw i t ht h eh e l po f a s s i m i l a t i o nt e c h n o l o g yt os e ai c es i m u l a t i o na n df o r e c a s t ，c o n t r a p o s e so i le x t r a c t i o n a n dt r a n s p o r to p e r a t i o nn e e d ，c r e a t e sn e ws e ai c ef o r e c a s ts y s t e mc o m b i n i n gb o t h s t a t i s t i c a la n da n a l y t i c a lm e t h o d s t h et h e s i sp r e s e n t saf o l l o w u pf o r e c a s to nr e a l t i m e r a d a rs e ai c em o n i t o r i n gd a t a s oi tc a nb e i n f o r m e do fs e ai c ed e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt o t h ed a t ac o l l e c t e db yt h er a d a rm o n i t o r i n gs y s t e md u r i n gt a n k e r s o p e r a t i o n t h e f o r e c a s td i a g r a mi sp r o v e db yt h em o n i t o r i n gr e s u l tc o n d u c t e db ys a t e l l i t e s t ob e f e a s i b l ea n dp r a c t i c a l b e s i d e s ，i tc e r t i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo fm o n i t o r i n g s e ai c ew i t hr a d a ra nd a t af o r e c a s t k e y w o r d s ：s e ai c e ；s e ai c em o n i t o r i n gw i t hr a d a r ；t y p e so fs e ai c ei d e n t i f y ；i c ed r i f t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；n u m e r i c a lf o r e c a s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 重达连述鉴型皇麴值亟塑遮苤查拯匡丞迪盈运箍缝些史 数廑旦盟塞”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其 他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：张勐2 0 0 5 年3 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密d 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：张彩导师签名：亦幽 同期：川年弓月r 第1 章绪论 1 1 渤海海冰的影响与危害 我国渤海处于中纬度地带，受冬季西伯利亚南下冷空气的直接影响，每年都 发生不同程度的冰情，直接影响着海上石油平台、船舶航行、港口海岸工程正常 作业，危及人们的生命安全。 渤海每年都有不同程度的结冰现象，对捕鱼、航运都有很大的影响1 1 - 2 1 。1 9 6 9 年春，渤海发生特大冰封，除老铁山水道、堠矶水道外，整个渤海几乎封冻，造 成1 9 艘船被冰夹住不能动弹，7 艘船被冰推移搁浅，5 艘万吨轮被冰挤得船体变 形，舱内进水。此后若干年份中，渤海相继出现过不同程度的结冰，影响到船舶 的正常航行和进出港作业，如2 0 0 1 年1 3 月问，特别是1 月底至2 月中旬，发 生了自1 9 6 9 年以来3 0 年未遇的最大一次冰冻和流冰灾害，在这次流冰袭击中有 多艘中外籍大中小型各类船舶受困遇险，锦州港、营口港也都发生了多起同样险 情，海上井架和钻井平台都受到很大的威胁，近海没有来得及撤离的养殖网具被 冰冻结后，随冰飘散遍布港区和锚地，使多艘船舶螺旋桨缠绕不能作业，不得不 由潜水员在冰下割掉缠在螺旋桨上的网绳，不仅给船舶安全带来威胁，而且给水 产养殖造成巨大损失。 海冰同样严重的威胁着海上石油开采以及油轮外输作业的安全，带来石油泄 漏的隐患。一旦冰区发生溢油，不但污染海洋环境，使人类失去宝贵的石油资源， 而且冰区溢油 3 - 4 1 的清理比开阔高温水域更加困难，这些困难主要体现在低温和 结冰条件下溢油的监测监视、溢油的动态预报、溢油的清理技术和溢油的应急管 理技术等方面，而且冰区清理溢油的代价也是昂贵的。 1 2 渤海海冰的研究领域 近年来我国对渤海海冰的研究主要分为7 个领域 5 - 7 1 ，即海冰研究及冰情概 述：海冰及模型冰性质；冰情监测预报；海冰数值模拟；冰力计算基础；冰荷载 工程应用和冰区溢油，具体内容如下： 1 2 1 海冰研究及冰情概述 主要涉及目前国内外海冰研究的进展介绍，我国海冰的分相及其特点，近期 海冰研究的新动向。由统计数字来看，这类介绍性、总结性的文章占相当比例， 反映工程界对海冰领域的发展比较关注。 1 2 2 海冰及模型冰性质 涉及各种冰物理和力学性质的实验测试。主要是渤海海冰的弯曲强度、剪切 强度、压缩强度、弹性模量和海冰弹塑性、断裂性、蠕变等行为的丰富报道。随 着冰力学在工程应用研究中的不断深入，物理模拟技术已经展露头角，相关冻结 模型冰和非冻结模型冰的性质也开始报道。 1 2 3 冰情监测预报 该领域文献丰富，经过多年积累，相对成熟。主要集中在海冰卫星遥感测量、 历年冰情分析、冰情预报，随着卫星遥感技术的发展应用，在历年冰情分析的基 础上，实现了冰情预报业务化，为社会服务。 1 2 4 海冰数值模拟 包括冰的热力学和动力过程模拟，并与结构物相互作用的数值模拟。数值模 拟中需要选择的模型参量也列入在内，这些文献积累了一定量的模型及参数，为 冰区的环境问题研究，冰与结构物的相互作用奠定了基础。 1 2 5 冰力计算基础 内容包括冰对简单结构的作用模型：冰层破坏方式和抗冰结构设计原则及围 绕这些冰力计算公式开发的实验验证。 2 12 6 冰荷载工程应用 包括了具体工程中冰荷载计算，结构抗冰能力的验算和原型冰力测量。应用 目标主要集中在渤海海洋平台和渤海北部港口问题，北方内陆桥墩、坝体、沉箱、 冰库闸门的冰荷载计算等。 127 冰区溢油处理 这是国内冰研究的一个新课题，冰区溢油的处理有很大难度，一般海区溢油 处理方式不能直接用于冰区溢油。一般海区溢油处理方式在水温低于1 5 c 就开 始失效，在5 c 以下完全没有作用，而国外的一些机械处理方法，由于我国冰情 不同也无法大范围开展，随着我国石油工业的发展，冰区溢油的处理技术会日益 的突出。 13 本研究开展的背景 中海石油天津分公司j z 9 3 油田，位于辽东湾西北部接近湾顶，地理坐标 4 0 0 4 1 n 、1 2 1 。2 7 e ，目前是我国最北部重结冰海域内唯一的在敞海环境条件下， 进行冰区作业的海上油田，详见图1 - 1 。 圈卜1j z 9 3 平台地理位置平面图 每年冬季辽东湾j z 卜3 平台周围海域都有大量流冰生成，海面流冰在风、 潮流的作用下，对运输油轮航行的安全和平台稳定生产都带来直接的影响。流冰 漂移到靠船墩附近形成堆积冰( 见照片1 - 1 ) ，直接阻碍和影响油轮靠泊系缆，同 时流冰在漂移过程中不断撞击着g c p 输气平台，使g c p 平台的安全受到威胁( 见 照片1 2 ) ，更严重的是在油轮靠泊外输作业时段，海面流冰不停地向油轮漂移聚 集，油轮始终受到堆积冰挤、压、推的危害，使得外输作业油轮无法靠伯或被迫 中断原油外输，只得返回锚地待命( 见照片1 3 ) ，由此带来油田压产、甚至关井， 直接造成了约千万元以上的经济损失，同时也给油 1 1 安全生产带来了困难。每年 冬季流冰对j z 卜3 油田安全生产及外输油轮靠泊作业的严重影响，一直引起中 海石油天津分公司各级领导的高度重视和关注，同时成为许多专家、学者共同研 究的课题。 照片1 - 2g c p 平台受流冰冲撞，海管主管外护套断裂开 ( 2 0 0 4 年1 月2 8 日1 7 时1 4 分) 照片1 - 36 0 7 号油轮无法靠泊外输，被迫返航。 ( 2 0 0 4 年1 月2 8 日1 0 时3 2 分) 14 本研究的目的 随着结冰海域石油开采、港口工程建设、冬季海上运输、海冰预报业务等不 断友展的需要，我国海冰观测研究工作已经在海洋环境科学和国民经济建设中越 来越显示出特别重要的作用。 由于j z 9 3 油开 位于渤海重结冰区内，又是在敞海环境条件下，进行油轮靠 泊外输作业，缺乏比较完善的掩护条件和冰控制设施，并且根据j z 9 3 油田生 产能力、储油能力( 可储存4 天) ，必须在三天内完成两船原油外输作业，为了 保证油田稳定生产、原油外输作业顺利进行，必须对冰区油田生产和油轮外输作 业进行现场冰情监测和冰情预报，但是通过卫星海冰监测图像所得资料只是宏观 范围的，其数据不够精确，而人工监测所得资料要根据所观测人的经验而定，其 数据不够客观，精确度也不理想，利用船舶航海雷达进行海冰监测，受到冰期内 船舶航行的时间短、范围小等限制，观测数据不完整。本文则利用雷达 f u r u n o 一1 3 8 2 ，采用雷达图像记录仪，在冰区j z 9 3 采油平台上现场实时进行 海冰跟踪监测”。1 ，开展海冰数值预报业务，为油用稳定生产及油轮外输安全作 业提供保障。 15 本研究的主要工作 本研究的核心内容在于利用雷达监测海冰系统进行海冰现场资料的采集、通 过互相关分析方法获得海冰漂流场、模拟海冰漂移轨迹、建立海冰数值预报系统 并检验实际应用结果，主要内容包括咀下方面： 1 5 1 海冰现场资料的采集 本文利用航海雷达兀j r u n o 1 3 8 2 ，波段：x 波段，波长：3 c m ，频率：9 4 1 0 3 0 m h z ，天线架设高度2 4 m ，采用雷达图像记录仪，现场实时进行雷达海冰跟 踪监测，将采集到的p p i 海冰图像进行数值化分析处理，采用逐步判别对海冰进 行最终分类识别，得到海冰类型及冰厚度分布图、流冰漂移轨迹图、海冰雷达散 射系数与回波相对强度表，利用海冰数字图像监测仪实时输送海面冰情图像，为 冰区油f r 稳定生产及油轮外输安全作业提供参考。 1 5 2 风场与潮流场的研究 1 5 2 1 风场的研究 海冰数值预报系统对风场预报的准确性要求很高，而且还要求模式的运算速 度快，输入的初始化参数要尽量少，从而保证预报模式能够在尽可能短的时间里 启动运行。本文利用气象台的预报资料插值形成海面风场，用风廓线外推得到垂 f l l l 直各个高度的风场，再用诊断模式调整风场一。另外根据收集的j z 9 3 油田附 近区域以往的气象资料，对模式的某些气象要素作尽可能的参数化处理，减少模 式的输入参数，缩短启动时间。 1 5 2 2 流场的研究 海洋环境潮流问题归根结底就是海水潮流运动基本方程的求解，由于该方程 的复杂性、非线性等众多因素导致了该方程求解的困难。本文利用有限元n 2 】的 方法通过对海水潮流运动基本方程的求解，分步计算潮流场，模拟j z 9 3 油田附 近海域的潮流状况，再对各点计算结果数据进行调和分析，存储成图层或数据库 用以潮流快速预报。 1 5 3 海冰漂流场的模拟 影响海冰漂移的外界因素主要是风和潮流。本文将海冰动力模式和海洋模式 耦合并与大气模式联接( 或提供大气风场) ，模拟风和海洋潮流对冰漂移的强迫 作用，通过对海冰动量方程的求解，模拟海冰漂移的运动轨迹。利用互相关分析 6 方法 1 3 - 1 4 1 ，通过对两幅雷达海冰图像进行互相关分析，可以获得较大范围内的 海冰运动信息，即冰漂流场中的二维位移分布，进而计算获得雷达冰漂流场矢量 图，来验证海冰漂移模拟结果的准确性和适用性。 1 5 4 海冰数值预报系统的建立与集成 本文以海冰动力模式为核心，结合对雷达采集图像资料的客观分析、数值天 气预报模式、现场海冰资料采集、海冰资料的同化分析、风场的处理、流场的计 算以及预报结果的实际应用与客观检验，针对j z 9 3 油田海上安全生产和油轮外 输作业，建立海冰数值预报系统，给出预报海域的海冰范围、海冰类型、海冰厚 度、海冰速度、方向、海冰边缘线等特征值。海冰数值预报系统采用面向对象开 发环境( v i s u a lb a s i c ) ，将数值计算模型与数值预报系统进行了嵌入式紧密集成， 降低了系统的开发难度；数值计算采用v i s u a lf o r t r a n 编程语言，图形输出利用 v b 置图形函数库。 7 第2 章：一v a l ：t 一勿数据采集弟2 覃烈琚米票 2 1 现场气象资料采集 2 1 1 现场风资料的采集： 风对海冰的影响是十分重要的，一方面它引起海水的运动( 风海流) ，致使 海冰随海流一起运动，又能使海冰在风的作用下发生破碎、断裂。风特征的统计， 对于海冰的漂移研究及其预报具有很重要的作用，现场风资料的采集可以有以下 2 种方法： ( 1 ) 可以根据现场的风速仪读出风向和风速。 ( 2 ) 也可以根据现场的日本气象传真图读出风向和风速。 作者于2 0 0 3 年1 2 月- 2 0 0 4 年2 月间在j z 9 3 平台现场采集风资料如下： 强风向为n n e 向，次强风向为s s w 向，常风向为s s w 向。详见冬季j z 9 3 油田风玫瑰图2 1 。 n 图2 一l 风玫瑰图 频率比率：l c m = 7 3 1 3 级 w 1 5 级 l 级 圆内数字为静风频率 2 1 2 现场温度资料的采集 删 i 一2 n e 露夕 & s w 。s e ， s e 决定渤海海冰的生消，除海洋物理因素外，最主要的是气象因素，从气象角 度来看，主要是气温，而决定气温的高低则与同期大气环流的演变有关。大气活 动中心的强弱及其他们的相互配置，环流经向度的大小以及锋区的位置都对气温 变化存在着直接的影响。另外气温的月际差异也对冰情的发展有较大的影响，分 析表明如果持续低温的时段出现在l 、2 月份，也就是海冰的发展期和消融期， 那么极易出现较重的冰情，例如1 9 6 9 年的渤海大冰封，低温时段就出现在1 月 底、2 月初。温度的采集主要是根据现场的温度仪读出数据，通过对历年的温度 值分析比较，可以得出历年初冰同、终冰期、冰期长短、冰厚度的变化。图2 2 是辽东湾j z 9 3 平台连续3 年冬季同气温变化曲线图，图2 3 即为对应的同冰厚 度变化图，图2 4 为最大冰厚度变化图，表2 1 为连续3 年的冰期表。 图2 2j z 9 3 平台连续3 年冬季结冰期日平均气温变化曲线图 图2 - 3j z 9 - 3 平台连续三年冬季日平均冰厚度变化曲线图 图2 - 4j z 9 - 3 平台连续三年冬季最大冰厚度变化曲线图 表2 - 1j z 9 _ 弓平台连续三年冬季冰期表 日期初冰日终冰日冰期( 大)无冰日实际结冰大数 2 0 0 1 年1 2 月一2 0 0 2 年2 月1 2 月1 5 日2 月2 0 日 6 87 6 1 2 0 0 2 年1 2 月2 0 0 3 年2 月1 2 月1 1 日2 月1 7 日 6 926 7 2 0 0 3 年1 2 月一2 0 0 4 年2 月1 2 月1 l 目2 月1 7 日 6 946 5 9 2 2 海冰观测要素简介 2 2 1 海冰特点 辽东湾海冰冰量、类别、厚度、密集度、流冰的分布等，不仅有显著的逐年 变化，还有逐月变化及逐同变化。由于顺时针回转流和偏西风的作用，辽东湾东 部浮冰重于西部，北部在盛冰期前多以初生冰和冰皮为主，在盛冰期内，多以冰 皮、薄冰和厚冰为主；西岸南部的浮冰边缘线大致沿1 5 m 等深线分布；南部西 侧海区，在重冰期内多以初生冰、冰皮为主；南部东侧海区，盛冰期内多以厚冰 和堆积冰为主，且大部分是由北部海区漂移而来的。结合辽东湾海上海冰现场调 查成果，现将辽东湾观测海冰的特点归纳为 1 5 , 2 2 - 2 3 ： ( 1 ) 冰的生消。海上平整冰是海上断裂冰块之间的水道在低气温冻结成的平整 冰。由于持续低气温的时间短，当海冰厚度增长到一定时，与潮流周期一致的海 水温度波动抑制冰的生长速率，使每一次潮流在冰层底部都可能有一层薄冰冻 结。 ( 2 ) 海冰的破碎。潮流在一天之内和一月之内都有变化，潮流不但可以推动海 冰水平移动，更重要的是造成海冰垂直运动，正是这种垂直运动，使固定冰边缘 线的海冰断裂破碎，而风浪则使海冰断裂。 ( 3 ) 海冰的重叠。辽东湾重叠冰在海上到处可见，一般来讲，随着平整冰厚度 的增加，重叠的层次减少，因而海上很少见到厚度2 0 c m 的平整冰多层重叠。 ( 4 ) 海冰的堆积、搁浅。辽东湾浅滩和近岸堆积冰主要是潮差和风的贡献，在 堆积区内各种冰型杂乱堆积，有时形成直立的冰壁，高达2 m 左右。 ( 5 ) 冰脊。辽东湾冰脊一般是非固结压力冰脊，多次调查的结论是只有在常年 以上冰情的冬季在辽东湾近岸的厚冰堆积区出现未固结冰脊，并随周围的浮冰一 起漂移。 ( 6 ) 海冰的漂流。辽东湾有潮流和海流，一般潮差在2 - 4 r r t 左右；海流速度可 达1 0 2 c m s 。由于流的作用，海冰具有流动的动力，破冰船跟踪、海上石油平台 的观测均证实海冰漂流运动主要受潮流和风应力影响。 ( 7 ) 海冰中的泥沙。辽东湾海冰中含有大量的泥沙，当阳光照射时，冰表面泥 1 0 沙吸热使周围冰融化，形成蜂窝状表面，深度达数厘米，另外，冰层底部的泥沙 在海中运动时易于被海水冲掉，使冰层底面也形成蜂窝状底面。 2 2 2 海冰类型 海冰类型的观测是根据海冰的生成原因和发展过程而划分的海冰类别 i s , 1 6 - 1 9 l ，可以分为初生冰、冰皮、尼罗冰、莲叶冰、灰冰、灰白冰和白冰。 ( 1 ) 初生冰( n ) 。初生冰是海冰初始阶段的总称。由海水直接冻结或雪降至低 温海面未被融化而生成的，多呈针状、薄片状、油脂状或海绵状。初生冰比较松 散，只有当它聚集漂浮在海面，附在礁石及其他物体上时才具有一定的形状。有 初生冰存在时，海面反光微弱，无光泽，遇风不起波纹。 ( 2 ) 冰皮( r ) 。由初生冰冻结或在平静海面上直接冻结而成的冰壳层，表面光 滑、湿润而有光泽，厚度5 c m 左右，能随风起伏，易被风浪折碎。 ( 3 ) 尼罗冰( n i ) 。厚度小于1 0 c m 的有弹性的薄冰壳层，表面无光泽，在波浪 和外力作用下易于弯曲和破碎，并能产生“指状”重叠现象。 ( 4 ) 莲叶冰( p ) 。直径3 0 3 0 0 c m ，厚度1 0 c m 以内的圆形冰块，由于彼此互相 碰撞而具有隆起的边缘，它可由初生冰冻结而成，也可由冰皮或尼罗冰破碎而成。 ( 5 ) 灰冰( g ) 。厚度为1 0 1 5 c m 的冰盖层，由尼罗冰发展而成，表面平坦湿润， 多呈灰色，比尼罗冰弹性小，易被涌浪折断，受到挤压时发生重叠。 ( 6 ) 灰白冰( g w ) 。厚度为1 5 3 0 c m 的冰层，由灰冰发展而成，表面比较卡h 糙， 呈灰白色，受到挤压时大多形成冰脊。 ( 7 ) 白冰( w ) 。厚度大于3 0 c m 的冰层，由灰白冰发展而成，表面粗糙，多呈 白色。 2 2 3 海冰表面特征、冰量、密集度 冰表面特征是指海冰在动力或热力作用下所呈现的外貌 8 , 1 6 - 1 9 1 ，可分为5 种 表面特征： ( 1 ) 平整冰( l ) 。未受变形作用影响的海冰，冰面平整或冰块边缘仅有少量冰 溜及其他挤压冻结的痕迹。 ( 2 ) 重叠冰( r a ) 。在动力作用下，一层冰重叠到另一层冰上，有时甚至三、 四层冰相互重叠而成，但其重叠面的倾斜角度不大，冰面仍比较平坦。 ( 3 ) 冰脊( r i ) 。碎冰块在压力作用下所形成的一排排具有一定长度的山脊状堆 积冰。 ( 4 ) 冰丘( h ) 。在动力作用下，冰块杂乱无章的堆积在一起，形成山丘状。 ( 5 ) 覆雪冰( s ) 。表面有积雪的冰。 另外，在现场还应该对海冰的冰量、和密集度进行观测。冰量是指海冰覆盖 面积占整个能见海面的成数。在进行冰量观测时，将整个能见海面分为1 0 等份， 分别估计全部海冰、浮冰的覆盖面积所占的成数。浮冰密集度是指浮冰覆盖面积 占浮冰分布海面的成数。 2 3 雷达监测海冰系统 2 3 1 雷达仪器及设备 2 3 1 1 雷达性能如下： 天线 ( 1 ) 型式：5 4 c m 裂缝波导天线，装在罩内 ( 2 ) 转速：2 4 r m i n ( 3 ) 波束宽度：水平3 。，垂直2 5 。 ( 4 ) 抗风力：相对风速1 0 0 k m ( 5 ) 架设高度：2 4 m 收发机 ( 1 ) 波段：x 波段 ( 2 ) 波长：3 c m ( 3 ) 频率：9 4 1 0 3 0 m h z ( 4 ) 脉冲宽度和重复频率、作用距离 0 0 8l a s 2 1 0 0 h z 0 2 5 - - 一0 7 5 海里 0 3l a s 12 0 0 h z1 5 3 海里 0 8l a s 6 0 0 h z6 2 4 海罩 1 2 精度 ( 1 ) 距离：08 m ( 2 ) 方位：1 。 照片2 - 1 航海雷达f u r u n d 一1 8 3 0 ( 天线、收发机) 照片2 - 3 雷达图像采集主机 i3 3 计算机终端配置：包括扣印机、显示器、传输接【= i 4 控制方式：由系统程序通过计算机全自动采集或任选设定。包括图像数据获取 显示、存储、打印、传输实况。详见图2 - 5 雷达测冰图像终端显示图。 图2 - 5 雷达测冰终端显示图 5 海冰数字图像监测仪 ( 1 ) 图像分辨率：c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) q c i f ( 1 7 6 x 1 4 4 ) ( 2 ) 帧率：1 帧( c i f ) s带宽1 92 k b p s 1 5 帧( c i f ) s带宽2 5 6k b p s 2 5 帧( c n b s 带宽3 8 4k b p s ( 3 ) 资料接口：r 2 - 4 5 ( 支持i e e e 8 0 21 1 6 协议) ( 4 ) 工作频点：2 0 0 m h z 一2 4 g h z ( 5 ) 图像编码压缩：m p e g 一4 标准，支持软件解压 ( 6 ) 图像质量：全实时动态高清晰画面 ( 7 ) 全交互、图像、语音、资料三网合 ( 8 ) 数字图像保时性好、支持网络传送( 远程) 照片2 - 4 海冰数字图像监测仪主机 i 、 ： 5 照片2 - 5 海冰数字图像监测仪探头 照片2 _ 6 海冰数字图像监捌仪操作画面 232 雷达监测海冰系统简介 雷达监测海冰系统针对海冰类型识别”2 “、流冰分布状态、流冰密集度、海 冰表面状态、流冰运动速度、方向、流冰厚度、冰间水域等要素进行现场实时监 测，对海冰类型识别率较高，并且对采集的海冰图像作数字化处理。现场监测的 实时录像画面通过卫星直接传递给陆地监测中心，及时、准确的提供现场海面的 冰情，为冰区油田安全生产及油轮外输作业提供了有利的保障。本系统的配置及 图2 _ 6 雷达监测海冰系统框架 用雷达对海面海冰进行观测，通过a d 变换接口电路，将海面流冰的雷达 回波信号转换成数字信号并输入计算机在计算机上对海面流冰各种冰型数据进 行分析处理和分类，最终得出议别分类结果。 在监测系统中，雷达主要性能是：发射频率93 7 5 g h z ，波长3 c m ，波速宽 度水平0 8 。、垂苴2 5 。，发射功率5 0 k w ，脉冲宽度和重复频率00 8 u “4 0 0 0 p p s 、 0 2 5 u s 2 0 0 0 p p s 和12 u s ，5 0 0 p p s ，雷达天线海拔高度1 2 0 m 。观测范围可监视2 4 海里( 4 4 公里) 半径的海面流冰。为了能使观测海冰目标和数据采集灵活，本 系统采用了海冰雷达信号记录器进行采集过程的控制，海冰雷达回波信号已录器 将雷达回波信号经a d 转换以数据形式存入记录器中，通信系统把海冰雷达回 波信号记录器中海冰回波的量化值输入到数据终端处理机中，数据处理终端将海 冰目标的回波数据进行分析、处理，提取海冰目标的统计特征，加以分类并输出 各种统计参数，作为海冰类型 = 别的依据，最后再通过h u b 输送到计算机中作 晟后的图像处理，处理结束后发送到海冰管理网上，这样就可以提供任意时刻的 现场海冰图像。海冰数字图像监测仪通过终端的摄像头( 可以旋转3 6 0 。) 可以 捕捉到任意时刻的海面冰情状况，通过卫星把任意时刻的现场海冰录像直接传送 到陆地监测中心及时、准确的提供现场海面的冰情，图2 7 即为雷达现场采集 的冰情图像。 雷达采集图像r 0 0 0 6 5 5 8 ( 无冰) ( 2 0 0 4 年1 月0 4 日1 6 时5 1 分5 0 秒) 雷达采集图像r 0 0 0 7 3 3 0 ( 冰中期) ( 2 0 0 4 年1 月1 7 日1 1 时0 5 分2 2 秒) 雷达采集图像r 0 0 0 8 0 8 1 ( 冰重期) ( 2 0 0 4 年1 月2 8 日1 6 时2 5 分3 4 秒) l 雷达采集图像r 0 0 0 8 0 8 3 ( 冰重期) ( 2 0 0 4 年1 月2 8 日1 6 时5 7 分2 0 秒1 i 雷达采集图像r 0 0 0 8 6 1 9 ( 破冰)雷达采集图像r 0 帅9 4 7 5 ( 融冰期) ( 2 0 0 4 年2 月0 3 日1 6 时1 0 分s 8 秒)( 2 0 0 4 年2 月1 2 日1 4 时5 1 分5 4 秒) 图2 - 7 雷达现场采集的冰情图像 233 海冰类型识别结果 经过对海区7 种流冰类型和3 种冰形状态以及海浪所进行的测量，初步建立 了数据库，一般来说，冰表面粗糙程度增加，散射也增加，平均散射系数( o - ) 也增大。表2 2 是利用雷达对流冰类型进行散射测量，得到的流冰雷达散射系数， 为定量识别海冰提供了客观依据。以海冰雷达散射系数为基础，由计算机分别计 算方差函数、相关函数、功率普”2 ”等统计参数，统计处理分析的结果作为分类 依据，最后通过逐步判别对海冰进行最终分类识别，准确率达到8 89 ，通过表 2 - 2 可看出，不同的海冰类型和冰表面特征，其雷达的散射系数和散射强度是不 同的，冰的厚度越厚，表面特征越粗糙，雷达的散射系数越大，散射强度等级越 大。 表2 - 2 海冰雷达散射系教与回波相对强度表 海冰类型冰厚度( c m )雷达散射系数散射强度( 级) 海水 0oo 初生冰( n e wi c e ) 3 02 9 6 2 32 0 3 2 5 5 2 3 4 海冰类型及冰厚度识别验证 雷达观测海冰类型及冰厚度识别与现场观测( 冰厚度实测) 同步进行抽样验 证，其结果是客观的、可靠的，详见表2 3 、2 4 。 表2 3j z 9 0 3 平台实测海冰厚度、类型与雷达监测结果对比验证 实测冰雷达散射 时间实测冰型雷达监测冰型 厚度( c m ) 强度等级 2 0 0 4 一l 1 75 、1 2 尼罗冰、灰冰 7 0 1 3 5 尼罗冰、灰冰 2 0 0 4 一l 一2 61 5 、2 0 灰冰、灰白冰 1 4 0 1 8 0 灰冰、灰白冰 2 0 0 4 1 2 81 8 、2 2灰冰、灰白冰1 4 5 1 8 5灰冰、灰白冰 2 0 0 4 1 3 01 0 、1 2 、2 5 尼罗冰、灰冰、灰白冰 9 0 1 9 0 尼罗冰、灰冰、灰白冰 2 0 0 4 一1 3 l1 5 、2 5 灰冰、灰白冰 1 0 0 1 9 0灰冰、灰白冰 2 0 0 4 2 0l1 5 、2 8 灰冰、灰白冰 1 0 0 1 9 5 灰冰、灰白冰 2 0 0 4 2 0 98 、1 5 、2 2 尼罗冰、灰冰、灰白冰 7 6 一1 8 5 尼罗冰、灰冰、灰白冰 表2 - 4j z 9 - 3 平台海域海冰类型及厚度雷达观测与现场观测验证 海冰类型冰厚度海冰强度等级 雷达观测现场观测差准确率 ( c m )( 次)( 次)( 次)( ) 初生冰( n ) 3 02 0 3 2 5 53219 8 0 2 4 现场海冰监测结果 2 4 1 冰期 辽东湾j z 旷3 油f 只海域是我国渤海冬季结冰比较严重的海区之一，但是每 年冬季渤海的冰情差异也比较大。2 0 0 3 年1 2 月一2 0 0 4 年2 月冬季现场观测j z 9 3 油田海域，初冰日2 0 0 3 年1 2 月1 l 同，终冰同2 0 0 4 年2 月17 同，结冰期 6 9 天，实际结冰期6 5 天 242 海冰类型 2 0 0 3 年1 2 月一2 0 0 4 年2 月现场观测j z 9 3 油旧海域流冰类型分粕如下： 1 2 月流冰类型以初生冰和莲叶冰为多。 1 月流冰类型| 三i 灰冰和尼罗冰为主，其次是冰皮和初生冰，1 月术出现少量 的灰白冰。 2 月流冰类型以尼罗冰和狄冰为多，其次是冰皮和初7 e 冰，还有少量灰白冰。 243 流冰密集度 1 2 月流冰密集度以7 级和9 级为多。 1 月流冰密集度以1 0 一级为多，其次是9 级。 2 月流冰密集度1 0 一级为多，少量出现8 级和9 级。 244 流冰厚度 1 2 月流冰厚度一般5 一1 0 厘米。 1 月流冰厚度一般8 1 5 厘米，最大2 5 厘米。 2 月流冰厚度一般5 一1 2 厘米，晟大2 2 厘米。 2 0 0 3 年1 2 月一2 0 0 4 年2 月冬季现场采集冰样照片如下 照片一8 现场采样实测冰厚度( 3 层) 1 5 c n l ( 2 0 0 4 年1 月1 7 日) 照片一9 现场采样实铡冰厚度1 5 c m ( 2 0 0 4 年2 月9 日) 25 流冰漂流方向和速度的监测 2 51 监测方法 流冰漂流方向是指流冰漂流的去向，漂流速度为单位时间内流冰移动的距离 方向和速度，用光学测波仪进行观测，即选择能够代表海面大多数流冰移动方向 的冰块，确定某一特征点，测定其方位和水平距离( 起点位置) ，同时启动秒表 计时，当所测冰块移动距离标尺读数大于或等于l o o m 或方位改变大于2 0 。时， 立即停止秒表，同时测定其方位和水平距离，并读取时间间隔。如果冰块移动缓 慢，1 0 分钟仍未达到上述任一要求时，也测定其终点位置，停止观测，并用矢 量圆盘或其他方法求得流冰的漂流方向和移动距离，再用移动距离除以时i 自j l n 隔 求得漂流速度，图2 - 8 即利用计算机程序计算流冰速度、方向的方法。 口露堕笪皇舅曹量曹寞舅舅 “41测点2 广1 百f 面才面国 d i 陌了面t | 瓜丁蕊百l 划堕! i ! ! l 恫f 日r le i fs ( # ) 丑2翟20 2 0 60 9 7 6谴自：lb 3 e rs i 4 自女3 重翻 # 图f镕* i 图2 - 8 计算流冰漂流方向和速度操作界面 2 5 2 流冰漂移轨迹的获得 利用雷达对某个冰块进行连续跟踪，再通过m a t l a b 软件做出相应的流冰 漂移轨迹图，这样可以直观的看出辽东湾冰区石油平台附近海域的流冰在结冰期 内漂移的方向、漂流速度的大小以及冰漂移的距离等主要特征，如图2 - 9 即为根 据雷达连续监测得出的海冰漂移轨迹图。 a 落潮一涨潮 c 落潮 b 涨潮 d 落潮 图2 - 9 流冰漂移轨迹图 根据2 0 0 3 年1 2 月到2 0 0 4 年2 月间的数据统计分析后得出，流冰主要是在 风和潮流的作用下，基本上沿着n _ n e 方向( 1 0 。川5 。) 和s w s w 方向( 1 8 5 。一2 4 0 。) 之间作往复的运动，在大潮期间，流速较大，流向比较集中；小潮 期间，流速较小，流向也相对分散，其中落潮的速度一般要大于涨潮的速度。 第3 章风场与流场计算方法的研究 3 1 风场诊断模式 海冰数值预报系统对风场预报的准确性要求很高，而且还要求模式的运算速 度快，输入的初始化参数要尽量少，从而保证预报模式能够在尽可能短的时问里 启动运行。对于小尺度的风场预报，由于网格尺度的缩小，预报模式的积分步长 也要缩短，这必将延长模式的运行时间，而且也容易产生计算溢出 2 4 - 2 6 1 。因此 我们对已有测量站的风速进行插值，形成地面初始风场，最后用诊断模式对风场 进行调整，从而可迅速得出小尺度预报风场，大大减少了计算量，能够在短时间 内为海冰数值预报系统提供风场预报。 3 1 1 初始地面风场的插值方式 模式采用加权插值法将地面各测站的风速实测值按其分量分别插值到模式 的地面网格点上，得到地面初始风场，即： u “，。= u ，彬( ，) 形( ，) _ _ 。= ( ，) 彬( 厂) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 其中u 训和l _ ，分别为( i ，) 结点的水平风速，u 。和吃分别为第l 个观 燃的删脯或者跚风速，哪，= k ，r r r e ，为该网格结掣第三 个观测点的距离，如为预定距离，可以根据设定的距离分别进行插值，模型默认 最近三点插值。 有部分学者探讨在复杂地形下的插值方式，并取得了定的成功阱】，本研究 主要针对j z 9 3 油田附近海面及近海大气扩散，不考虑地形的影响。 3 1 2 上层风场的插值形成 3 1 2 1 不考虑层结性影响 对于上层风场，地面至2 0 0 米的近地层风速可以用幂指数外推，满足下两式： u ：= u i o ( z 1 0 ) p ( 3 - 3 ) 圪= k o ( z 1 0 ) ， ( 3 - 4 ) 其中，u ：、屹分别为地面z 米处的风速，u 。、_ 。分别为地面1 0 米处的风 速，p 由大气粗糙度和大气稳定度计算1 ，对于2 0 0 米以上风速则由实测的风速 廓线或者用上层地转风速与地面外推2 0 0 米层风速插值获得。对于行星边界层 ( p b l ) 内可采用幂指数( 3 5 ) 或e k m a n 风廓线关系( 3 6 ) ： m = a o z ( 3 5 ) m = c o m l o 【卜e x p ( 一a z 6 ) c o s ( a z 6 ) 】 ( 3 6 ) 其中m 为z 米高度风速，m 。为1 0 米风速。其余各参量系和大气稳定度、 季节等有关的待定系数，需统计后计算得出。显然该方法需要需要大量实测数据 统计分析，在具有多年数据的基础上可以获得较好的结果。 3 1 2 2 考虑层结性的风场外推 当大气稳定度在不同高度有差异的时候，表现为在大气中同时存在稳定层 结、中性层结和不稳定层结，此时如果不考虑层结性则可能会带来较大的误差， 尤其是当存在逆温层的时候 2 8 - 3 1 。仍旧将大气分为近地层和e k m a n 层，而近地 层高度h 可以由经验公式h = g o