基于船载雷达的辽东湾海冰监测预报技术研究

基于船载雷达的辽东湾海冰监测预报技术研究

渤海是中国最大的内海，冬季不同程度的冰情。该海域中的辽东湾是我国最北部海域的结冰区,是渤海海冰之发源地。该海湾冰区石油平台油轮外输作业中,流冰连续不断地漂移、聚集,形成堆积冰,给冰区中的油轮外输作业安全带来严重危害。笔者于国内首次利用船载雷达在辽东湾冰区石油平台上,采用雷达海冰监测预报技术系统,现场进行雷达海冰数据源的获取,传输机理、图像数字化处理,得到雷达海冰实况图。其研究主要内容有,流冰类型、冰厚度、流冰聚集度、流冰的速度和方向,以及流冰漂移轨迹图等。同时在冰区应用遥感定量分析方法及模型,于2002年2月至2004年2月的现场冰区,开展雷达海冰数值跟踪预报,为石油平台油轮外输作业中得到成功应用。在海冰区使用船载遥感在海区对水体的海冰预报应用报道甚少,为此,该项研究技术不仅可反映雷达遥感在海洋工程上的应用,而且也对实现海洋港口、油田、输油平台等安全防灾和减灾的深入研究提供科学依据。1雷达冰敏监测1.1海冰实时识别雷达海冰监测技术系统主要包括雷达系统、海冰雷达图像记录仪、远程海冰数字监测仪和高分辨率的系统显示数据处理终端。该系统能够实时识别海冰类型,实时确定流冰的分布状态、流冰密集度以及海冰的表面状态;能够实时监测并确定流冰的运动速度、流冰的运动方向、流冰的厚度以及冰间水域参数等要素信息,并通过海冰数值图像显示仪将现场监测的实时画面通过卫星直接传递给陆上调度指挥中心,及时准确的提供现场海面的流冰分布动态,为冰区内油轮作业安全提供保障。本研究课题组使用雷达海冰监测技术系统如图1内容所示。1.1.1海冰雷达图像摄像机雷达波段:X波段;波长:3cm;波束宽度:水平0.8度,垂直25度;发射功率:10kW。海冰雷达图像记录仪采速:20,10,5MHz;幅度分层:12bit;采幅:PPI显示1024×768;B显示2048×6540;精度:象素点15m×15m;全自动图像采速:1幅/min。1.1.2雷达海冰剖面图分别于2004年1月7日和2月12日进行了雷达采集图像,获得了雷达海冰剖析图(图2,图3)。图2和3的内容,实现了雷达遥感波谱反射对海冰现场的状况数据源的获取、传输机理、成像规律和遥感信息应用分析,用于海冰的性质、结构、形态和动态预报。1.2海域流冰的监测本研究课题组连续3a(2002～2004年)的12月到翌年2月期间,对辽东湾的冰区海域流冰的现场监测。其辽东湾冰区海域流冰的现场雷达图象的解释、数字图象处理,数据融合,定量分析结果归纳于表1。1.3实时雷达海冰监测根据冰区油轮外输作业的需要,我们研制出冰区小尺度即冰区工程点预报模式。它主要包括风场,潮流场和雷达冰漂流场组成的现场实时雷达海冰监测数值跟踪预报系统程序。冰情监测期间,可根据现场冰情,随时发布12h、24h雷达海冰监测数值跟踪图,实时掌握监测海域的流冰动态。在2002年12月到2004年2月期间进行了3个冰期的现场实时雷达海冰监测数值跟踪预报。通过现场卫星海冰监测实况图的验证,采用雷达进行海冰监测的数值跟踪预报是可行的,可解决工程(点)海冰实时预报,并有极其实用的价值。通过把2004年1月28日到29日期间12小时的雷达海冰数值跟踪预报图(图4),与现场实际监测冰情结果十分吻合。2冰沉、位移方向和速度的监测2.1流冰漂浮轨迹测定和模型简化流冰漂移轨迹可以直观的表现流冰的漂移方向、漂移速度以及漂移距离等主要特征。确定流冰漂移轨迹,首先要选择能够代表海面大多数流冰移动方向的冰块,确定监测的流冰块特征点,通过测定其方位和水平距离随时间的变化,计算得出其漂移的方向和速度,进而做出相应的流冰漂移轨迹图。从图5可知,用冰漂移流场模型,根据2002年1月3日雷达对流冰在涨潮和落潮时的监测数据得出的流冰漂移轨迹图。根据雷达3a对辽东湾3个冰期的监测数据的统计分析,在风和潮流的共同作用,此海湾海冰漂移基本上是沿着N-NE方向(10°～65°)和S-WSW方向(185°～240°)之间做往复的运动,其中落潮的速度一般要大于涨潮的速度。2.2现场雷达测量对比经观测可知,引起辽东湾海域流冰漂移的主要因素是潮流,其次是风及风引起的风海流、风拖曳力等因素。我们进行了流冰的现场雷达测量与该海区的潮流计算的同步比较表明(图6),雷达测量的流冰速度和方向与本海区的潮流计算结果具有很好的一致性。因此采用雷达监测流冰运动漂移的方法具有准确性性和实用性,测量精度上满足工程辽东湾油田平台冰区油船外输作业和采油钻井作业的现场实时预报要求。2.3维冰国冰流速场矢量在辽东湾冰区石油平台作业区内,我们利用航海雷达对海冰进行了长达3个冰期的时间连续现场观测。通过对现场采集的雷达海冰图像进行的互相关分析,可以得到二维冰漂流场矢量分布图。图7和8分别为对两组雷达海冰图像以及与之相对应的雷达冰漂流矢量场图,可预报出在此观测时间段内冰飘移流畅,即冰的扩散范围。3船载雷达海冰监测技术的应用成果(1)通过雷达海冰监测和数值预报,并且直接应用于冰区小尺度即工程点上的作业生产,同时现场实时海冰数据源的获取、数字图象的处理,图像远程传输系统研制获得成功,此应用技术在国内目前尚属首次,具有理论和实践的先进性。(2)本研究海湾冰区小尺度即冰区工程点预报模式,成像规律,海冰遥感信息的特征所取,尤其现场冰漂流矢量场预报应用效果是好的,船载雷达海冰监测技术在冰区