渤海海冰和海洋的动力相互作用模拟试验

利用冰-海洋动力耦合模式, 对渤海海冰和海洋之间的相互作用进行了研究和模拟试验.耦合模式中的海洋模式采用普林斯顿海洋模式(POM), 冰模式采用国家海洋局海洋环境预报中心(NMEFC)的渤海海冰业务化数值预报模式.通过模拟研究, 分析了M2分潮对海冰质点运动轨迹、冰外缘线位置、瞬时冰速和冰厚分布的影响; 同时探讨了海冰对冰下海洋的动力作用.     

中国第19次南极科学考察总结

中国第19次南极科学考察将海冰走航调查列入正式项目, 为海洋调查的一部分.为此, 根据渤海海冰和内陆河冰调查技术现状和未来发展前景, 设计、组合和加工了可视技术\, 冰层厚度变化过程测试技术和温度测试记录系统.     

DUT-1合成模型冰的弯曲强度和弹性模量实验分析

依据渤海海冰物理和力学特征值和国内水池实验室能力,以1:10～1:30比尺要求,发展了DUT-1合成模型冰.文中简介该模型冰的理想参数、成分和制备过程.就其弯曲强度和弹性模量进行系统的实验分析.通过500多次弯曲实验,获得该模型冰在不同加载速度下的破坏方式,各向同性证据和弯曲强度为35～65kPa和弹性模量平均53MPa的结果.并且得到弯曲强度和弹性模量在实测湿密度范围内呈递增关系,浸水模型冰性能稳定时间超过4h,弹性模量与弯曲强度之比82%超过2000.     

基于海冰物理和力学参数的渤海冰工程分区

根据渤海海冰物理和力学参数分布建立渤海海冰工程分区.其特点是将作用到相同直径或宽度的直立结构物上冰的作用力范围相同的区域划分为同一分区内,因此不同重现期设计冰厚度和峰值压缩强度之积作为区划指标.为了获得不同重现期渤海海冰物理和力学性质参数,利用渤海历史资料建立用气温、水温、冰期和冰厚表达非变形平整冰层和冰样温度、盐度、密度的关系,进而获得冰的孔隙率;利用渤海海冰单轴压缩强度同孔隙率的试验关系计算相应峰值压缩强度;然后发展渤海不同重现期平整冰层物理和力学参数的平面分布.在此基础上以新区划指标做不同重现期的海冰工程分区.作为新区划的实例,给出25、50、100年重现期的渤海海冰工程分区.     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性.2011-2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度KIC.结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对KIC的影响比较显著.随温度和加载速率的降低,KIC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系.为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据.     

基于GPS的海冰实时监测系统及其应用研究

海冰是高纬度海区特有的海洋现象。运动的海冰具有巨大的能量,对冰区的石油平台、港口堤坝、船只等构成了巨大的威胁,因此实时获取准确的海冰运动信息对于海冰灾害的防治有重要的现实意义。我国海冰为一年海冰,冰体较薄,用于极地的海冰跟踪设备并不适用于我国北方海域。设计并提出了一种基于GPS的海冰定位跟踪系统,系统包含冰上定位发射和接收两个部分。冰上部分质量较轻且外形增加了防滑设计,接收端接收到数据后自动入库,并与地图匹配显示。监测系统于2015-2016年冬季在辽东湾海域进行了应用测试,应用试验表明,该方法能够较好地进行海冰定位与跟踪,定位误差在5 m以内,运行时间较久,较适用于我国薄冰海域。     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

我国第一座岸基测冰雷达站建成

根据渤海港口建设、冬季航海运输、石油勘探开发以及冰情监测研究预报的需要,海洋环境保护研究所于1987年10月在渤海辽东湾东北部的鲅鱼圈近岸,建成了我国第一座岸基测冰雷达站。本雷达站的主要设备(测冰雷达、自动跟踪系统、数据处理系统等等)系从日本及美国引进,雷达天线海拔高度120m,在冬季可对海面20海里范围内的流冰移动的方向、速度、流冰运动轨迹,冰间水区,流冰冰量、密集度以及海面冰的大面积分布变化情况进行监测,可随时提供连续可靠的冰情资料,为生产建设部门提供设计参数和依据,为冰情预报部门提供实时冰情资料。本雷达站为国家“七五”计划重点工程项目——交通部营口鲅鱼圈港区一期工程总体平面布置、设计施工以及冰区中船舶进出港、航道冰情监测等做了大量的工作。近二年来在航天部二院207所的密切配合下,在雷达测冰海冰回波     

南极海冰与气候

在极区,海冰的形成在海洋上部和大气下部之间构成了新的交界面,改变了大洋表面的辐射平衡和能量平衡,隔离了海洋与大气之间的热交换和水汽交换;海冰冻融过程影响着大洋温、盐流的形成和强度;海冰对南大洋和南极大陆气象、气候有重要的影响,在气候环境系统中起着重要的作用。南极海冰作用区约占南半球雪冰作用区面积的58%,约占地球表面积的3.58%。其中,一年生海冰约占南极海冰区分布面积的83%;其分布面积从夏末2月份最小时的3×106 km2左右,到9月份冬末最大时的18×106 km2左右,一年中季节变化幅度可达15×106 km2,季节变化率>500%。海冰分布区域的年际变化较大。南极海冰区是影响季节和年际全球气候环境变化的重要区域。当前,国际南极海冰与气候研究的核心问题是海冰物理过程和在海冰区的海洋—大气相互作用。结合目前承担的研究课题,对国际南极海冰与气候研究的前沿动态和相关的国际计划进行了综述。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度K_IC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对K_IC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,K_IC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。     

基于光滑质点流体动力学的海冰热力-动力数值模式

考虑海冰热力因素对其厚度、密集度的影响,在光滑质点流体动力学(SPH)基础上发展了一个海冰热力-动力数值模式。该模式既解决了传统欧拉有限差分法和质点网格法存在的数值扩散问题,同时弥补了光滑质点动力学海冰动力模式未考虑热力因素的不足,具有精确模拟冰缘线运动、计算精度高等优点。首先介绍了光滑质点流体动力学的基本原理,并对海冰生消的热力因素进行了分析,将影响冰厚和密集度的热力因素引入到光滑质点流体动力学的海冰动力模式中,得到该热力-动力模式的控制方程。应用该数值模式对渤海海冰进行了48 h数值模拟,得到了海冰厚度和速度矢量的分布规律;对JZ20-2海域的海冰厚度、冰内温度场分布以及热力因素的变化特性进行了讨论。数值模拟结果表明,该数值模式能够很好地适用于渤海海冰数值模拟,是一种有效的海冰数值模拟方法。     

基于热力学过程的渤海海冰生消模型

为了对渤海海冰生消问题进行模拟,基于三维自由水面垂向分层动网格的Euler-Lagrangian模式,采用VC（Vertex-Centered）方式的非结构化有限体积方法离散三维浅水方程组,模拟渤海的水流运动过程。以此水动力场为背景,引入热力学过程的影响,对渤海海域的冬季结冰过程进行模拟,建立了海冰生消模型。其中热力学参数主要包括大气温度、相对湿度、风场特征、太阳辐射、感热通量系数以及潜热通量系数。以渤海2011/2012年常冰年的结冰过程为例,将各个热力学参数对冰情影响的敏感性进行分析,对模型进行了验证。结果表明,感热与潜热系数是对冰情影响最敏感的一项,即当感热和潜热通量系数仅减小了0.000 2后,其海冰的最大厚度就减小了15 cm。最后,通过连续实测的水动力数据与2009/2010年冬季的典型海冰灾害过程再一次对模型进行了验证,充分说明了模型具有较高的精确性、稳定性与实用性。     

东亚冬季冷暖变化与El Ni?o事件

近十年来,东亚冬季气温明显升高。本文分析证明,东亚温度变化与赤道东太平洋和北太平洋重要洋流区的海表面温度(SST)有密切的遥相关。如果赤道东太平洋SST异常偏高(或异常偏低),即出现埃尔尼诺(或反埃尔尼诺)事件,则在其后7～24个月中,我国华北和东北将出现暖冬(或冷冬),渤海冰情将出现轻冰年(或重冰年)。据此建立的回归预报方程,对1988/1989年和1989/1990年冬季渤海海冰的预报结果完全正确。     

半圆型结构冰压力的物理模拟试验研究

利用DUT-1非冻结合成模型冰开展1:25冰对半圆型构件的物理模拟试验研究. 首先用简单的斜面构件的物理模拟试验检验了整体试验装置和技术设备的可靠性, 然后以同样比尺进行2种冰厚在5个不同水位条件的系列试验, 获得了模型冰排在半圆型构件前的破碎堆积现象和作用于构件上的水平和垂直作用力过程.结合实测模型冰物理和力学指标, 通过优化组合, 拟合出半圆型防波堤冰荷载的试验公式. 这些公式包含了冰对半圆型结构的弯曲破坏作用力、挤压破坏作用力及爬坡和堆积作用力.     

冰力模型实验

本文首先简述了冰力模型实验的概况,然后介绍了在国内第一座冰池实验中进行的首次冰力模型实验——渤海辽东湾抗冰平台冰力模型实验的设备、模型冰制取技术和实验结果。实验中,冰排的破坏符合一般规律,它预示了现场冰的破坏现象;冰力值稍低于计算值,但更合理,可供设计参考;冰力谱中存在着明显的主频率,它集中于0.8HZ左右。     

Monitoring the Spatiotemporal Evolution of Sea Ice in the Bohai Sea in the 2009–2010 Winter Combining MODIS and Meteorological Data

The spatiotemporal evolution of sea ice of Bohai Sea in the 2009–2010 winter was studied by time-series remote sensing data, and real-time meteorological data in combination with cumulative freezing degree days (CFDD). Sea ice acreage was determined using a ratio-threshold segmentation together with visual interpretation of daily MODIS 250 m imagery. We found the sea ice acreage soared to 31,849 km² on January 23, covering 40.8% of the Bohai Sea. But on February 12, it reached 26,700 km² in Liaodong Bay only, covering almost 90.0% of Liaodong Bay. The rapid formation and expansion of sea ice was caused by continuous cold snaps superimposed on a background of anomalously cold weather. CFDD calculated from surrounding cities highly correlated with sea ice acreage in Liaodong Bay (R ² = 0.72) suggesting CFDD is one of the significant controlling factors. Sea ice expansion showed 7 days lag with respect to the lowest temperature from surrounding coastal cities, and it mainly occurred close to land, along the coastline, and gradually expanded from the shore outwards.