海冰灾害及监测预警报技术

海冰灾害及监测预警报技术

2018年11月23日主要内容海冰概况1）海冰基本概念2）我国的海冰海冰灾害1）海冰的主要危害形式2）我国历史海冰灾害海冰监测和预报预警1）监测手段2）预报预警技术3）预警报产品和服务海冰概况海冰基本概念定义：海中一切冰的总称。由海水冻结而成的冰，进入海洋中的大陆冰川（冰山和冰岛）、河冰等海冰的形成和发展：水温、气温、盐度、水深、冻结核一年冰（只经历一个冬季）和多年冰（至少经过一个夏季不融化）

渤海由辽东湾、渤海湾、莱洲湾和中央海域组成

渤海位置

南西北三面陆地包围，东通过渤海海峡与黄海相连。渤海水浅平均深度18米，最大深度78米。我国的海冰●纬度最低结冰海域渤海位于37°N～41°N，是我国唯一结冰海域，也是全球纬度最低的结冰海域。●渤海的冰情渤海和黄海北部每年的冰情随冬季气候的变化而有差异。暖冬，海冰覆盖范围不足海域（7.7万km2）的15%，而严寒冬季，冰覆盖海域面积80%以上。11月中旬至12月初期间，海冰在渤海北部开始形成，而后向南扩展。2月中旬至3月中旬渤海南部的海冰开始融化。渤海冰期约3-4个月。

初生冰（针状、油脂状）冰皮（5cm左右）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。

由初生冰冻结或在平静海面上直接冻结而成的冰壳层，表面平滑、湿润而有光泽，厚度5cm左右，能随风起伏，易被风浪折碎。

尼罗冰（小于10cm)莲叶冰（小于10cm)

直径30～300cm，厚度10cm以内的圆型冰块，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。

厚度小于10cm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。

灰冰（10－15cm)灰白冰(15－30cm)白冰（大于30cm)2009-2010冬季海冰实况分析动画1969年3月5日92832Km2

1991年1月29日16608Km2

1982年1月31日39072km2轻冰年（<15%）常冰年重冰年

(>80%)

暖冬，海冰覆盖范围不足海域的15%，严寒冬季，冰覆盖海域面积80%以上。渤海冰期约3-4个月。特点：1)北部冰重，南部冰轻。2)岸边冰重，海中冰轻。3)辽东湾东岸冰重，西岸冰轻。海冰灾害海冰的主要危害形式封锁港口、航道损坏船只破坏海洋工程建筑物和各种海上设施威胁海上安全生产作业和人员安全影响海洋渔业生产我国历史海冰灾害1969，重冰年,渤海冰封，平台被推倒，航运中断。随后的70－80年代均有不同程度的海冰灾害发生。1996，偏轻冰年，2月3日18时一艘2000吨级外籍油轮受海冰的碰撞，在距鲅鱼圈港37海里附近沉没，4人死亡。2000和2001，偏重冰年，海冰危及渤海石油平台，辽东湾北部港口处于封港状态，秦皇岛港冰情严重，港口航道灯标被流冰破坏，海上航运中断。2006，偏轻冰年，2005年12月底－2006年1月莱州湾遭遇了继1969和1980年后20年未遇的严重冰冻。莱州湾底沿岸多个港口处于瘫痪状态，冰情给海上交通运输、海岸工程和沿海水产养殖等行业造成严重危害和较大经济损失。2007，偏轻冰年，葫芦岛龙港区渔民村先锋渔场发生罕见冰灾，坚硬冰块在风、浪、流作用下爬上岸，推倒或压塌民房14人被困，葫芦岛边防官兵冒着冰块塌陷的危险，进行抢险，并救出被困人员。2010，偏重冰年，山东省因海冰灾害受灾人口达9万5千人，造成经济损失高达27.94亿元，河北省海冰灾害已造成3.06亿元损失，辽宁省海冰灾害已造成23.12亿元损失。港口封港，电煤运输受阻。菊花岛被海冰围困，3200多名居民生活受到严重影响。●20世纪发生三次重冰年：1936年1～2月，1947年1～

2月，1969年2～

3月。

●1969年冬季罕见特大冰封使渤海航运全部中断，屹立在渤海的石油钻井平台倒塌，造成数亿元经济损失。●泊在塘沽港内58艘客货轮船的螺旋桨或船体损毁严重。所有港口（巴鱼圈，营口，秦皇岛，塘沽，天津，龙口等）封冻，渤海交通陷入瘫痪。1969年大冰封，海2井平台被海冰推倒，海1井平台支座拉筋被割断平台底部被海冰堆积堵塞带缆走道被冰折弯流冰作用使导管架部分构件开裂1969年记录的冰封时石油钻井平台导管架中的塞冰

1969年冬季进出塘沽港的数十艘客货轮遭到不同程度破坏，坚硬而密集的堆积冰封锁港口，渤海航运完全瘫痪。

2000和2001年1－2月期间冰情严重海冰对平台生产安全构成严重威胁

2005年底－2006年初莱州湾遭遇20年未遇冰灾

莱州湾沿岸出现了最厚达1米的大面积冰层。2005年12月15日～22日山东省莱州市芙蓉岛外海有20艘渔船被海冰包围53名船员被困。2007年葫芦岛冰灾海冰上岸压倒房屋2010年1月底被海冰围困的文峰6号货轮辽东湾东部（北纬40.2532，东经121.6386）附近海冰海冰监测和预报为了更好地开发和利用冰区海洋资源，必须做好海冰的监测和预报，进而采取相应的对策，以有效预防并减轻海冰灾害造成的损失。

海洋站：人工观测岸基雷达：卫星遥感：MODIS,HY-1B,北京1号，RADARSAT航空遥感：沿岸调查：初冰期、盛冰期和融冰期破冰船调查：

石油平台：人工+雷达我国主要海冰监测手段海洋站海冰监测主要海洋站：温坨子、鲅鱼圈、龙口、老虎滩、葫芦岛、芷锚湾、秦皇岛、塘沽、小长山海洋站监测资料：初冰日、终冰日、冰型、冰量、密集度等及相关气象、水文资料

岸基雷达海冰观测

鲅鱼圈雷达站冬季定时进行海冰观测,图为雷达海冰观测解译图

卫星遥感监测海冰实况MODIS海冰实况图（2010年2月13日）HY-1海冰实况图（2010年1月13日）北京1号监测海冰实况

RADARSAT-2海冰实况2015.1.16

航空遥感海冰监测

飞机监测海冰航线飞机遥感测冰解译图

莱州湾底冰情辽东湾绥中冰情曹妃甸冰情

海冰航空监测图像

沿岸海冰调查

破冰船海冰调查工作人员从海里捞取冰样测量海冰参数平台监测冰情边界层参数测量JZ20-2平台海冰监测雷达2010年2月9日海冰雷达图2010年2月5日JZ20-2附近海冰国外海冰监测概况卫星遥感：高分辨率、多卫星航空遥感：常态化破冰船：频次高海洋站点：多漂移浮标：实时、立体化国外海冰监测手段比较发达，因此其海冰服务产品多是基于监测的分析产品，海冰实况分析产品对于冰区短期船只航行、生产作业等具有很好的参考作用。冰山分析图冰情实况分析图海冰预报预警技术经验统计预报方法：中长期气象、水文、冰情数值预报方法：短期动力、热力海冰经验统计预报方法

1969年严重的海冰灾害，促进了我国海冰预报方法研究。运用回归，谐波分析等方法，对渤海冰情与相应大气环流、太阳黑子变化、气温以及海温等因子进行统计分析，建立渤海冰情预测公式。我国自1970年始，应用经验统计方法开展业务化逐月、逐旬和逐周海冰预报以及年度冰情趋势展望。向有关政府部门、生产部门和电视台发布海冰预报产品。

中、长期的海冰预报主要采用的是统计预报方法，应用实时的船舶、飞机和卫星监测资料，根据半经验海冰统计公式计算结果预测冰情变化。当冰情异常严重的情况下，及时发布冰情警报，避免海上发生冰情灾害。

海冰统计预报

常用统计预报方法：

背景分析与预报：气候背景分析（冷暖趋势）海洋背景分析（海洋状况）渤海冰情与太阳活动的周期变化关系；渤海冰情与500高度环流场的关系渤海冰情与西北太平洋副热带高压面积指数的关系渤海冰情与太平洋海温的变化关系渤海冰情与厄尔尼诺事件关系渤海冰情与极地海冰的关系ENSO指数特征常用统计预报方法：1、单站冰要素资料统计公式计算2、根利用隶属函数：（1）西北太平洋1月份黑潮区平均海温（2）1月份亚洲经向环流指数（3）1月份西北太平洋副高面积+强度指数（4）营口2月份平均气温（5）2月份亚洲纬向环流指数常用统计预报方法：3、最优子集法、逐步（全）回归（1）大连1、2月平均气温（2）大连5月气温（3）1月冷空气个数（4）1月西北太平洋副高面积指数（5）2月西北太平洋副高强度指数（6）2月份亚洲纬向环流指数（7）承德8月气温（8）北京8月气温

海冰预报业务

海冰预报综合模型的建立长期预测太阳黑子数太阳活动与冰情等级存在良好的相关关系，大冰封年均发生在峰年前后；偏重冰年均发生峰、谷年前后；升枝和降枝阶段一般不会出现重冰年。2000/01年2009/10年北极涛动（ArcticOscillation，简称AO）是描述北半球大气状况的重要指数。当AO处于负位相时，中纬度的低气压和高纬度的高气压都加强，从而使中纬度地区西风减弱，即盛行经向环流，在对流层低层产生强的北风异常，将冷空气从较高纬度输送到较低纬度，导致中高纬度地面气温降低，反之亦然。在冬季，北极涛动指数是影响我国气温的重要因素。冬季AO指数与渤黄海海冰等级显著相关，相关系数为-0.57。因此准确预测冬季AO指数是预测渤海及黄海北部冰情的基础。北极涛动指数1981-2010年冬季北极涛动指数与我国气温距平的相关分布图冬季北极涛动指数与渤黄海冰情等级关系图

轻或偏轻冰年常冰年偏重或重冰年+AO1989,1992,1993,1995,1999,2007,2015,20171990,2000,2008,2012

Neutral(-0.5～0.5)1994,2002,20141991,1997,2005,2009,2016,2018-AO1996,1998,2003,20042006,2011,20132001,2010

轻或偏轻冰年常冰年偏重或重冰年+AO1973,1975,1976

Neutral(-0.5～0.5)1954,1961,1962,1983,19881952,1959,1967,1971,1972,1974,1980,1981,1982,19841957-AO1960,1965,19661951,1955,1958,1963,1964,1970,1978,1979,1985,1986,19871953,1956,1968,1969,1977北极涛动指数近68年冬季AO指数序列显示，1951年至1988年，冬季AO指数绝大多数呈负位相，1989年至今，正位相增多，冬季AO指数在正位相和负位相之间转换，这种格局的变化可能与全球气候变暖有关。冰情等级与冬季亚洲极涡面积指数存在正相关关系，相关系数0.64。冰情等级与冬季亚洲纬向环流指数存在负相关关系，相关系数-0.55。西太平洋副高是影响东亚气候的重要天气系统。其范围、强度、脊线以及北边界和西边界都是重要指标，冰情与副高短期相关是明显的。冬季副高越强，它的面积和强度指数越大（正值）时，冷气团活动较弱，不利于海水降温，进而影响了海冰生成，反之亦然。亚洲区的极涡和纬向环流也是制约东亚局地气候的基本因子。极涡代表北方冷空气，极涡较强而纬向环流较弱时，冷气团活跃，有助于海冰生成，反之亦然。大气环流指数以冬季AO指数（X1）和9月西太平洋副高西伸脊点位置（X2）作为预报因子，建立二元线性回归方程：Y=-0.68X1+0.036X2-1.68复相关系数R=0.66，在信度0.01下回归效果显著。多元回归方程

海冰数值预报方法

海冰的分布与演变是海冰动力学和热力学两种物理过程共同作用结果。

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海冰动力学过程

根据动量守恒原理决定海冰的漂移和形变主要驱动力：风和流

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海冰热力学过程

根据能量守恒原理决定海冰的冻结和消融主要热力强迫作用：海－气和冰－气的能量交换海冰热力学过程海水冻结海水温度、盐度、杂质，水深，海水湍流运动，冻结核。冰点，海水密度最大时温度与盐度关系决定海水冻结前垂直混合及盐度对垂直混合影响。气/冰/海热通量

极地大气/海洋、气/冰/海和气/海气/海、气/冰（雪）界面热量收支（吴辉碇1991，吴辉碇、王志联1992）brinepocketmeltpondFlHeatbalanceofseaiceSunEarthradiationTurbulentfluxesHeatflowfromwatertoicePhasechangesconduction+solarabsorptionSeaiceismulticomponentmedium.冰面大气层结特征及其对冰面感热和潜热输送系数的影响冰面不同状态：雪覆盖、雪融化、冰面融化等对短波反射的影响冰面融池占多年冰表面10～25％，一年冰更大。减少冰面反射率,改变表面能量平衡；影响冰与其下海洋热平衡。考虑融池影响浮冰块吸收太阳能量再分布，发展融池辐射模式（PodgornyandGrenfell,1996）冰间水道大气内边界层的特性及其对海/气界面通量影响净热量远小于收支各分量0.50～0.700.450.75～0.850.600.10AlbedoRatioofincomingsolarradiationtooutgoingsolarradiation;outgoing=reflected+backscattered.Dependsontheangulardistributionofincominglighti.e.albedoisso-calledapparentopticalproperty.Dependsonthesurfacewetnessandroughnessandinternaliceandsnowpropertries.albedo(latin)=”whiteness”太阳短波辐射穿透冰表面加热冰表层，扩大冰内卤水泡的体积，而不是减小冰厚度。这种冰内融解可有效地引起冰内热惯性作用，缩短夏季冰的消融，推迟秋季冰加厚，这种“卤水阻尼”效应即所谓“热库”作用。穿透辐射能量储存在这种“热库”内，而不是引起冰表面融解，改变冰厚（Untersteiner,1964）参数化表示 加热表层 作为热库储存或作为增加反射率处理

冰内温、盐和卤水体积复杂地垂直分布影响冰内热传导，从而影响冰面和冰底热平衡。冰内结构和热力学特征海冰形成的机制（winton,2001,Schmidtetal.2004,Crosfeldetal.1998）海洋内部潜冰（frazilice）形成，海水温度>Tf，海洋输送潜冰作为（负）能，冰模式转换潜冰为水和盐通量。冰/海界面热平衡为负，形成凝结冰（congelationice）。雪冰（snowice）形成，通过水线(waterline)下雪转换为雪冰的调整机制。融解在冰的上或下界面发生，分别平衡热收支，维持各自的温度约束。冰内结构和热力学特征海冰动力学过程海冰漂移冰厚分布ArcticOceanAntarcticseas海冰形变冰厚再分布（Thorndikeet.al.,1975;Hibler,1980;Flato,1991）冰脊水道形成

海冰形变大气、海洋动力强迫场冰面和冰底应力和冰面粗糙度、冰脊参数以及冰下内波强度的依赖关系。冰脊和堆积的断面应力的临界判据。冰内应力作用决定海冰运动和形变的因子决定冰内力的海冰流变学各种本构关系（Hibler,1984;吴辉碇，张占海等1995）牛顿粘性，块体粘性，线性粘性（Lepparanta,1981）粘－塑性（Hibler,1979），

弹－塑性（Coonet.al.,1974） 当， 弹性 当， 塑性

弹－粘－塑性（HunkeandDukowicz,1997）空化流体（FlatoandHibler,1990）碰撞流变学（Shenet.al.,1987,Lu,1989）国家海洋环境预报中心根据海冰热力学、动力学、流变学原理，结合渤海的水文、气象和冰情特点，研制开发了适用于渤海的海冰数值模式，模拟渤海海冰漂移、堆积、增长和消融。将数值天气预报模式与海冰模式联结，建立业务化渤海海冰数值预报系统。每年冬季逐日发布1～5天海冰数值预报。定量化的海冰预报产品包括：冰厚场，冰密集度场，冰速场，冰外缘线等。

海冰数值预报系统

海冰数值预报流程图

海冰预警报产品

●年度预报●月预报●旬预报（CCTV）●周预报●1-5天预报●海冰警报海冰月预报产品示例

中央电视台海冰旬预报

海冰警报CCTVRadioFAXInternetE-mail

通过“七五”、“八五”、“十五”、“十一五”国家科技攻关，我国的海冰数值预报业务化水平不断提高。

已投入业务化应用的海冰模式:粘－塑流变学海冰预报模式PIC质点－网格高精度海冰模式。

正在发展:

基于弹粘塑性流变学的工程海冰模式冰－海洋耦合模式

预报时效:

24、48、72、96、120、144和168小时海冰数值预报▲粘-塑性海冰数值模式模式分辨率：6.0′×6.0′(8.6km×11.1km)经纬度网格▲质点-网格（PIC）海冰数值模式模式分辨率：2.0′×2.0′(3.7km×2.8km)经纬度网格▲弹-粘-塑性精细化海冰数值模式模式分辨率：0.01°×0.01°(0.9km×1.1km)经纬度网格利用网格嵌套技术，将小尺度模式与渤海中尺度数值模式进行衔接利用欧拉－拉格朗日方法，建立了二阶精度的冰块漂移路径模式2/3/20231.海冰数值业务化预报系统

海冰预报模型2/3/2023thicknessconcentration海冰卫星图像1.海冰数值业务化预报系统海冰预报初始场2/3/2023风场海流场中心具有丰富的海冰影响要素预测数据，并提供与海冰数值模式的相应接口。1.海冰数值业务化预报系统海冰预报强迫场2/3/2023

海冰数值预报产品冰厚和冰速等中尺度海冰数值预报小尺度海冰数值预报1.海冰数值业务化预报系统海冰预报数值产品精细化要求：提高空间分辨率，由中尺度向小尺度方向发展采用弹粘塑海冰模式建立小区域精细化海冰预报模式预报产品：海冰厚度、密集度、冰速、冰块漂移轨迹等支持条件：高精度气象预报场海冰初始场：

卫星遥感海冰反演、平台海冰观测、平台雷达监测业务化海冰模式小区域精细化海冰模式精细化海冰数值预报发展cm2.海冰精细化预报预测系统开发针对重点保障目标的预警报需求，开展了高精度的海冰数值预报模式包括觉华岛、秦皇岛、曹妃甸、黄骅港、中海油石油平台、海上风电场和核平台等水平分辨率达到了0.01°(0.9×1.1km)

2.1海冰精细化数值预报模式

根据工程作业点小区域冰情预报特点，通过对不同海冰模式的分析比较，确定利用较为成熟的弹-粘-塑性海冰模式（HunkeandDukowicz,1997）对工程作业点区域海冰进行数值模拟。考虑了海冰的弹性作用。因为对于小尺度海冰，弹性效应较为明显，对于小应变、小应变率条件下的海冰必须充分考虑这个效应，从而提高海冰动力学的计算精度；对短时间的变化反映更为迅速和准确；分辨率较高（1km），能更为准确地预报工程作业点区域海冰环境参数；利用嵌套技术解决小区域模式开边界问题。JZ20-2高精度海冰数值预报模式开始大区域初始冰场预报风场大区域潮流场大区域模式小区域模式内插预报冰场小区域预报结果边界条件结束小区域海冰数值模式预报模式流程图852010年2月9日海冰雷达图

JZ20-2平台位置图海冰初始场处理冰块大小识别冰厚反演海冰初始场处理同一点冰厚分布函数随时间的变化不同点冰厚分布函数海冰初始场处理小区域海冰模式数值预报试验1－72小时预报密集度场1－72小时预报冰厚冰速场初始密集度场初始冰厚场海冰抗压强度预报预报冰厚检验结果JZ9-3平台观测冰厚与计算冰厚

JZ20-2平台观测冰厚与计算冰厚日期观测值预报值绝对误差日期观测值预报值绝对误差01045.56.41630.916301301016.22626.2262010578.16381.16380131816.73388.7338010668.27882.278802011210.16831.8317010757.85582.855802022011.91388.0862010847.93373.933702031512.81542.1846010948.5854.58502041813.28924.710801105.59.91254.412502051611.06424.9358011159.83964.839602061910.67128.328801125.58.24462.744602071712.80834.191701137.510.79253.292502081512.73172.26830114810.08082.080802091512.35462.64540115810.77212.772102101112.88751.8875011699.99250.99250211912.79293.79290117813.93465.93460212812.57794.57790118913.90674.90670213711.32084.32080119913.994.990214711.09334.093301201314.94581.94580215710.76333.763301211714.85922.1408021669.18423.184201221913.97715.022902175.59.15173.651701231913.13085.8692021865.25710.742901241813.12294.8771021975.36331.636701251412.15041.849602207.54.91042.589601261311.96621.0338022165.11250.8875012713.514.80621.3062022275.29041.709601281416.20122.2012022304.49834.49830129915.88256.8825022400.0750.075海冰厚度的24小时预报精度：厚度平均误差3.49cm冰块漂移路径模式试验

1－72小时海冰质点漂移路径呈现出和潮流一致的周