中国北方海区冬季冰标使用分析及航海通告的发布

冰标是中国北方海区冬季特有的航标,是为了保证我国北方冬季大量海上浮冰条件下航标的正常使用,由海事部门布设的冬季专用浮标。结合对我国北方海区冬季浮冰情况的分析,从冬季冰标的原理、构造、历年以来的布设情况和最新的技术发展等方面,阐述了冬季冰标是如何在浮冰环境中正常发挥工作,并通过对海图上合理表示冬季冰标的方法和原则进行探讨,提出区分不同的冰标类型,分别以正式通告和临时通告的形式在航海通告中发布冬季冰标的信息,以最大限度地保证冬季海上的航行安全。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

船舶在平整冰区行进过程的离散元分析

船舶在冰区航行中,冰荷载是船舶结构设计和安全航行的重要影响因素。采用具有黏结破碎特征的离散单元法对船舶在平整冰区的航行过程进行了数值分析。在船舶破冰过程的离散元模拟中,平整冰由球形颗粒黏结而成,同时考虑了海水浮力和拖曳力对海冰单元的作用,颗粒间的黏结作用可在海冰与船体的相互作用过程中发生破碎;船体由三角形单元构造,分析了在海水浮力、推进器推力及海冰共同作用下船体的六自由度运动特性。通过船体与海冰相互作用的离散元分析,确定了船舶在破冰过程中海冰作用在船体上的冰荷载,探讨了船舶推进器推力和海冰厚度对冰荷载的影响,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式进行了对比。     

浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

桑沟湾海冰厚度遥感反演研究

为解决现场调查数据覆盖不足的问题,利用卫星遥感数据(Landsat TM和ETM+)对桑沟湾海域的海冰厚度进行了反演。与Zubov模型计算结果相比,本反演结果与之接近(相关系数0.89)。由遥感影像提取结果看出,桑沟湾海冰厚度随时间和空间变化明显。在轻冰年份,桑沟湾基本无冰。在偏重冰年和重冰年份,桑沟湾出现大量浮冰,并且海冰在水动力和风应力的作用下,呈现由近岸到离岸冰厚不断减小的趋势。重冰年份桑沟湾南侧由于受潮汐和风力推动作用下发生挤压变形,近岸出现平均冰厚较大的海冰(20 cm),桑沟湾中部也出现平均厚度约5~10 cm的海冰。     

2004～2005年冬季南堡-曹妃甸海域海冰监测报告

南堡-曹妃甸海域是渤海湾冰情严重海域之一。本文根据海上平台、陆地测点、航空监测、船舶调查及卫星遥感等有关海冰监测资料及相邻海域有关海冰监测资料,给出了该海域本年度冰期、冰型、冰厚、结冰范围、浮冰最大外缘线及海冰时空分布变化等状况,综合分析得出,本年度该海域的冰情状况接近于正常年份。     

海冰数值预报方法研究通过鉴定和验收

国家海洋环境预报中心承担的“七五”科技攻关项目──“76-02-07”海冰数值预报方法研究取得突破性进展,顺利通过专家鉴定和国家验收。 海冰是我国重要的灾害性海况之一,在我国渤海北部,历史上曾出现过严重的海上冰封,致使平台被冰推翻,拉筋被割断,既使素有不冻港之称的秦皇岛由于冰封长达月余之久,从天津港口进出的一百多艘货船被冰阻挡无法航行,经济损失惊人。由此可见,随着海事活动的日益频繁,海冰已成为海上生产作业和航行不可轻视的天敌。从1958年开始,用30多年的时间、逐步建了立适合我国国情的海冰观测,调查和预报系统,但这种经验加统计的定性趋势预报方法,远不适应当前经济建设的发展,给海上施工、生产、交通、航运带来严重的影响。1986年以吴辉碇副教授为首的海冰专题科技攻关研究组,克服海冰观测资料奇缺,预报系统不健全的种种困难,经过5年的艰苦攻关,以我国海冰前期预报和科研为基础,博国际数十年海冰预报和研究之经验,采美国、芬兰、瑞典和苏联等国的先进的海冰模式,结合渤海的气候,水文和冰情特点,就海冰的生、消、增长漂移及海冰本身的许多物理特性作了大量理论和数值试验,合理地考虑海冰动力-热力特性、海冰大气、海冰与海洋的相互作用,采用塑性-粘性结构原理计算冰内力。推出了适     

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。     

北极夏季海冰反照率的观测和数值模拟试验

在中国第3次北极科学考察浮冰站开展了积雪/海冰反照率观测.本文对观测结果进行了分析,并结合一维高分辨雪/冰模式(HIGHTSI)对3个常用的反照率参数化方案在天气尺度的表现进行了评估.观测期间测站反照率变化范围0.75～0.85,其天气尺度变化同天气和表面冰、雪状况紧密相关,降雪和吹雪过程可改变表面积雪厚度及水平分布,...     

北极阿蒙森湾一年冰物理和光学性质的观测研究

利用加拿大环极冰间水道系统研究项目,作者对2007年11月24日至2008年1月26日北极群岛阿蒙森湾海域秋冬季节一年冰的物理和光学性质进行了观测研究。结果显示,观测期间的海冰厚度整体在27～108 cm范围内变化,积雪厚度仅为0～6 cm。海冰温度、盐度和密度在冰内的分布特征为:海冰表层最低温度为–22.4℃,底层最高温度为–2.2℃,冰内温度随深度单调增大;盐度变化范围为3.30～11.70,冰内盐度剖面呈现“C”形,即表层和底层盐度较大,而中间层盐度较小;海冰的平均密度略大,为（0.91±0.03）g/cm3。通过观测人造光源在海冰中的透射辐射谱分布,发现一年冰的光谱透射辐射在490 nm和589 nm处呈明显的双峰结构,但随着海冰厚度的增加,双峰结构逐渐减弱,体现了海冰对于不同谱段辐射能衰减作用的差异。在可见光范围内,裸冰和雪覆冰的吸收率最小值出现在490 nm,在443～490 nm范围内二者的吸收率随波长增大而降低,在490～683 nm范围内二者的吸收率随波长增大而升高,但雪覆冰的吸收率在可见光范围内基本保持不变,体现了雪覆冰吸收率的光谱独立性。一年冰的谱衰减系数随波长呈“U”字形分布,紫光和红光谱段的衰减系数较大,中间谱段的衰减系数较小,589 nm波长的衰减系数最小,为1.7 m–1。将谱衰减系数在可见光范围内积分,得到一年冰的积分漫射衰减系数约为2.3 m–1,略高于多年浮冰的漫射衰减系数1.5 m–1。阿蒙森湾一年冰与加拿大海盆北部多年浮冰辐射光学性质的差异,主要源于陆源物质输入引起的海冰内含物组分的改变,而不同组分对光谱的吸收和散射性质不同,进一步导致了光学性质的整体变化。     

海冰对温带淤泥质潮滩发育的影响--以江苏弶港潮滩为例

江苏Jing港潮滩地处北温带，是典型的淤涨型淤泥质潮滩。通过对2001年冬季Jing港潮滩的野外观测和样品的室内处理，在分析江苏淤泥质潮滩海冰形成机理的基础上，探讨了温带潮滩上海冰的分带性；阐析海冰作用下潮滩微地貌类型——擦痕、冲刷坑和泥斑的形成机制：最后对浮冰带的稳定性、潮沟和盐沼植被对浮冰形成的影响，海冰对潮间上带淤积过程的作用和浮冰作用形成的侵蚀型微地貌在地层中保存的可能性进行了探讨。     

海冰数值模拟进展

1 海冰的性质和热力学环境 海冰的特征主要表现在冰面积、厚度、密集度及冰的种类(多年冰、当年冰等)。这些属性是随着地理环境和时间的变化而变化的。海冰的面积和厚度有明显的季节性变化和年际变化。根据海冰观测情报分析,海冰的面积及其     

2012—2013年冬季渤海海冰数值模拟研究

本文基于三维有限体积海洋模式FVCOM及其海冰模块,利用美国国家环境预报中心(NCEP)的逐时大气数据资料作为模式强迫场,以及通过调和优化后的WOA月平均气候态温盐场数据作为模式初始场,对2012年11月至2013年3月渤海海冰进行了数值模拟。通过对比数值模拟与实际海冰外缘线距离及海冰覆盖面积,模型能较好地模拟出整个渤海海域海冰的生消趋势与过程。渤海海冰密集度与厚度的时间空间分布特征具有较高的相似性与同步性:初冰时,辽东湾最先出现海冰;盛冰时,在辽东湾两者均达到最大;融冰时,海冰在莱州湾、渤海湾、辽东湾依次消失;在各个冰期,各个海湾湾顶的海冰密集度与厚度大于海湾整体水平。浮冰冰速与潮流流速、流向较为一致。在盛冰期,冰应力在辽东湾湾底东侧附近区域较大,最高能达到10 000 N/m。通过敏感性实验,发现证实了气温是影响渤海海冰生消的关键因子,每当气温变化1℃,渤海日平均净热通量偏差可达10～20 w/m~2左右,各湾最大冰外缘线距离改变10～20 n mile,初冰日与终冰日也会有5 d左右前后变化;潮汐分潮振幅的改变对海冰整体分布影响不大,但对海冰的冰速影响较大,每当潮汐分潮振幅变化10%时,平均冰速将正相关变化0.016 m/s左右。     

渤海海冰聚类分析和中期预报试验

环渤海地区发达，是我国重要的经济和资源开发区，海上的人类活动如油气勘探开发、港口海岸工程及海上交通运输等在每年冬季海冰形成和发展期间都受到不同程度的影响，严重的冰情甚至造成海冰灾害。为了保障海冰覆盖的渤海海区内的船只、海上建筑物的安全，提前作好防冰的准备，海冰预报方法研究成为必要的一项工作。渤海海冰是典型的一年冰，它的增长和融化以全球气候为背景，主要由当地气象条件决定。对多年海冰资料进行分型可以得到海冰的冰型，把冰型内各冰样本对应的500hPa高度场进行分析得到该冰型对应的高度场型。获得了未来十天的高度场后，我们可以利用冰型和冰型所对应的高度场型之间一一对应的关系，进行渤海海冰未来十天的预报。预报的准确程度由获得的高度场和高度场型的相似程度决策。     

利用卫星遥感和再分析数据刻画2017-2018年格陵兰北部罕见冰间湖事件

以90%海冰密集度为阈值，基于卫星遥感数据，2017-2018年冰季在格陵兰北部识别了两次冰间湖事件，分别出现在冬季和夏季。冬季的冰间湖事件从2018年2月20日持续至3月3日，夏季的事件从8月2日持续到9月5日。AMSR2被动微波的海冰密集度产品表明，冬季和夏季冰间湖事件对应的最低海冰密集度分别为72%和65%。两次冰间湖事件都与格陵兰北部东西气压梯度异常引起的南风加强有关，而气压梯度的异常则与对流层中部极涡的扰动有关。冬季冰间湖事件期间，相对暖和的气温和频繁出现的冰间湖，导致冬季海冰生长不持续，海冰热力增厚较小，这为夏季海冰发生破碎并形成冰间湖创造了条件。南风减弱和新冰生成是冬季冰间湖消失的主要原因。对于夏季的冰间湖，导致其消失的主要原因则是从北部输入的浮冰增加。Sentinel-1 合成孔径雷达产品相对AMSR2被动微波观测产品更加适合于应用到冰间湖事件伴随的新冰生长，这与前者具有更高的空间分辨率有关。格陵兰北部是北冰洋多年冰的聚集地，该区域被认为是北冰洋海冰的“避难所”。因此区域在2017-2018年出现罕见的冰间湖事件，对于整个北冰洋海冰的快速减少具有重要意义，也助于北冰洋海冰，尤其是多年冰的消退。     

基于卫星图像的北极浮冰大小分布特征分析

随着全球气候变暖,海冰厚度逐渐变小,海冰面积逐渐缩小,开阔海域的面积越来越大,北极地区海冰也越来越容易受到海浪的侵袭导致浮冰发生破碎,加速海冰融化。因此在全球气候变暖的环境下,分析浮冰大小分布特征,对于研究北极海区的动量和热量收支有着重要意义,同时有助于改进现有的海冰模型。文中基于3种不同空间分辨率的卫星图像,利用限制增长法分析了2014年夏秋季转化季节波弗特海和楚科奇海的浮冰大小分布特征,所用的卫星图像包括Medea图像,RADARSAT-2图像以及Landsat 8图像,3种图像的空间分辨率分别为1 m,15 m和100 m。不同的空间分辨率为研究浮冰大小总体分布特征提供了一个广泛的数据基础,能够更充分地研究不同尺寸的浮冰大小分布。采用的限制增长法,能够自动识别并提取出浮冰,最终得到浮冰大小分布特征满足幂律分布形式,幂指数的范围在0.8~1.91之间,较大的浮冰对应的幂指数也相应较大,且随着远离海冰边界的距离,幂指数有增大的趋势。处于在夏秋转换季节,部分浮冰开始发生冻结,小尺度浮冰数量逐渐减少。     

夏季北极密集冰区范围确定及其时空变化研究

研究夏季北极密集冰区的范围变化是了解北极海冰融化过程的重要手段。密集冰区与海冰边缘区之间没有明确的分界线, 海冰密集度在两者之间平滑过渡, 确定密集冰区范围就需确定一个密集度阈值。文中依据分辨率为6.25 km的AMSR-E遥感数据, 发现不同密集度阈值所围范围在密集冰区边缘处的减小存在由快变慢的过程, 同时与周围格点的密集度差异变化在该处最为显著, 对这两个特征进行统计分析, 获得的阈值同为89%, 具有明确的物理意义和合理性。以此为基础, 运用腐蚀算法剔除海冰边缘区, 同时结合连通域法排除小范围密集冰的影响, 进而确定密集冰区的范围。结果表明, 2002-2006年密集冰区覆盖范围较大, 年际变化较小, 2007年以后明显减小, 2010年与2011年相继出现最小值, 其中2011年的范围最小值仅为2006年的64%。密集冰区范围的变化不同于海冰覆盖范围, 是具有独立特性的海冰变化参数, 反映出高密集度海冰区域的变化特征。海冰的融化与海冰边缘区的变化是导致密集冰区范围发生变化的两个主要因素, 受动力学因素的影响, 海冰边缘区发生伸展或收缩, 发生密集冰区与海冰边缘区互相转化。本文提出了一种研究北极海冰变化的新思路, 密集冰区覆盖范围的减小表明北极中央区域高密集度海冰正持续减少。     

北极巴伦支海和拉普捷夫海海冰中细菌和微藻的垂直分布

通过计算机图像测定系统测定、计算获得海冰细菌的大小、面积和碳含量,研究了北极巴伦支海和拉普捷夫海的浮冰中细菌大小、丰度和生物量的垂直分布及其与海冰微藻生物量的关系.细菌在冰心中是非均匀分布的,至少有两种不同分布类型:第一类有单一的丰度峰值,在冰心底部或在冰心中部;第二类有两个丰度峰值.海冰中细菌的丰度为0.4×105～36.7×105个/cm3.不同类型海冰中的细菌大小变化极大,在多年冰中,最大的细菌与叶绿素a最大值出现在同一层,而在一年冰中,细菌大小几乎没有垂直变化.整柱冰心的细菌生物量变化为19.2～79.2mg/cm2,细菌与海冰微藻生物量之比为0.43～10.00.对固定冰比较和研究的结果发现,海冰冰心中细菌大小、丰度和生物量的垂直分布差别极大.据此,分析了对目前海冰研究采样方法的局限性,并提出了规范采样方法的设想.     

南堡油田海域的冰情对工程作业的影响

通过对2005-2011年冬季南堡油田海域海冰监测资料进行统计、分析,给出了该海域海冰时空分布特征,在分析了海冰对海上工程作业的影响以及海冰防灾减灾所面临形势的基础上,结合油田实际提出了防冰减灾工作的具体建议.     

利用多元因素作海冰预报

海冰是我国冬、春季节发生在渤海、黄海北部海区的一种灾害性水文现象,它严重地影响着海上交通运输、海洋工程开发、滩涂利用、水产养殖和盐业生产,而且对沿海军事活动和海上舰艇活动亦带来较大的危害。一般每年11月下旬至12月下旬由北向南,沿海港口逐渐冰冻,到来年2月下旬至3月中旬开冻,恢复航行。正常历时三个多月。历史上渤海出现过三次大冰封,解放前两次,即1936和1947年,解放后一次,即1969年2月5日至3月6日,是历史上罕见的大冰封,据记载七艘客货轮被海冰推移搁浅,十九艘被海冰夹住不能航行,五艘万吨货轮被海冰挤压,船体变型或船舱进水,损失巨大。多年来,我国海洋科技工作者付出了艰苦的劳动,每年冬天,冒着刺骨的寒风,到沿海定点观测,去海上破冰调查,来探索海冰的秘密,获得了不少的成果,初步掌握了海冰的生消规律,建立了一套海冰预报方法,为海上交通安全作出了贡献。但是天有不测风云,海冰的生消不单随海洋水文要素的变化而变化,而且依赖于气象要素的变化,是多种要素综合影响的结果。它与海区所在的地理环境、海区的水温、盐度、海流的分布状况、大气环流形势及气象要素的变化有关。为此,我们对影响渤、黄海的主要水文气象要素:亚洲环流指数、西太平洋副高指数、黑潮区的水温、营口的气温和积雪