渤、黄海海冰预报方法研究

利用现有的观测资料,对影响海冰的各种因子进行了细致的分析,筛选出对海冰影响较大的因子,通过多种常规统计方法的分析比较,并将一些新方法首次应用于海冰预报,取得了良好的预报效果,为今后的海冰预报工作提供了有效的依据。     

黄,渤海海冰预报

一、前 言 随着海上交通运输、海洋工程及海上石油开发事业的迅速发展,海冰的生消对海上作业带来了一定的危害;尤其在冰情特别严重的年份（1969年）曾发生了历史上罕见的特大冰封以来,为了保证国家财产和人民生命的安全,继而开展了海冰预报服务业务。目前我国海冰预报所使用的方法,主要以经验物理及数理统计预报方法为主,海冰数值预报方法正在进行研究。前两类预报方法,应用于海冰预报工作,已为国民经济服务取得了一定的效果。     

葫芦岛附近海区的单站海冰预报

本文以单站海冰要素计算海冰等级;应用单站气温资料进行周期分析,制作海冰趋势预报并对葫芦岛未来1～2年内的冰情变化做出展望。     

渤海海冰数值模式中计算参数的确定

在渤海海冰数值模拟和预报中,针对该海域的气象和水文特点,对模式中的计算参数进行了确定是必要的。本文通过对辽东湾ＪＺ２０－２海域的气象、水文和海冰要素的定点观测,对同太阳辐射、海洋热通量以及拖曳系数等参数进行了计算,对其特点以及对海冰生消和运移的影响进行了分析和讨论。这对提高渤海海冰数值模拟和预报的精度有很大促进,也是建立和发展局地工程海冰数值模式的重要内容。     

渤海海冰热力过程处理

针对渤海海冰的生消漂移规律,以及对海冰数值模式延长预报时间、增强预报时效的要求,本文推导了与之相适应的海冰热力学过程的数学描述。并在考虑海冰中短期变化规律的基础上,对太阳短波辐射、净长波辐射及海洋热通量,提出以日平均量代替一个时间步长内的平均来进行处理的方法。个例研究表明该方法有较好的模拟能力,这为海冰数值预报延长预报时效提供了有效的保障。     

基于长短时记忆神经网络的辽东湾海冰延伸期预报方法研究

通过合成分析和回归分析,研究了影响辽东湾海冰变化的局地和大尺度环流因子,并基于一种深度学习方法——长短时记忆神经网络(LSTM),建立了辽东湾海冰延伸期预报模型。结果表明,LSTM模型能较好地预报出未来15 d辽东湾海冰的总体发展趋势、浮冰外缘线离岸距离的振荡变化及峰值发生时间等关键特征,1～15 d预报的平均绝对误差为4.1～5.7 n mile~①,均方根误差为5.4～7.5 n mile。LSTM模型的预报时效可达到15 d,较目前海冰数值预报(5～7 d)的时效延长一倍,且运算速度极快,能够节省大量的计算资源和时间成本。该模型的建立为利用深度学习方法开展海洋和气象预报提供了一种新思路。     

2002～2003渤海海冰数值预报

海冰数值预报是海冰业务预报的主要方法之一。国家海洋环境预报中心建立了业务化的渤海海冰数值预报系统，并进行了多年的业务化运行。随着我国卫星遥感事业和数值天气预报技术的发展，海冰预报系统也在不断发展中。本文介绍了2002～2003冬季应用HY—1卫星海冰遥感和T213数值天气预报模式产品对该海冰数值预报系统的改进，对2002～2003冬季海冰数值预报的结果进行了分析和比较。     

气候因子对渤海冰情影响的统计分析

运用相关分析、偏相关分析等统计分析方法研究了北极涛动、北极海冰和西伯利亚高压等气候因子对渤海海冰年际变化的影响。统计表明西伯利亚高压是影响渤海海冰年际变化最重要的因子。秋季北极海冰密集度、冬季北极涛动与渤海冰情显著相关,它们可能通过影响西伯利亚高压的强度,从而影响渤海海冰的严重程度。利用回归分析得到渤海冰情等级与西伯利亚高压、西太平洋副高之间的统计关系,回归结果较好的反映了渤海冰情年际变化。     

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式(MITgcm),使用牛顿松弛逼近(Nudging)资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪(AMSR2)海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间"雪龙"船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120 h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120 h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120 h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。     

渤、黄海海冰的变化和预报结果分析

利用1951—2000年的渤、黄海的海冰资料，用小波分析和最优气候均态法对渤、黄海的海冰冰级进行分析和预测。小波分析结果较好地反映了渤、黄海海冰的变化规律，使对海冰的研究更符合实际情况。这必将有助于研究海冰变化的机理和不同尺度变化的相互作用。最优气候均态法较好地实现了对渤、黄海海冰的预测。此方法在海冰预报中不失为一种可用的方法。     

海洋环境数值预报资料,产品的处理传输系统

本文根据海洋环境数值预报的特点，建立了资料、产品的处理系统以及远程数值传输通信系统，针对 同用户提出了几种数据传输方案，该系统建立在现有的成熟软件作基础上，具有使用方便、成本低、便于推广的特点。近几年投入海冰数值预报业务使用，取得了较好的效果。     

1997／98年冬季渤海和黄海北部冰情特征分析

海冰预报是渤、黄海重要的海洋灾害性预报项目之一。本文对１９９７～９８年冬季渤海及黄海北部的冰情概况进行了总结,并分析了渤海流冰范围在短时间内的迅速增长与天气、海洋等因子的相关关系。     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.     

“海洋1号”卫星在海冰监测和预报中的应用

“海洋1号A”卫星是我国发射的第一颗海洋卫星.2002~2003年冬季,该卫星首次应用于我国渤海海冰监测和预报.建立了从卫星1B级数据开始的海冰反演系统,提供海冰遥感图像和海冰密集度、冰厚与冰外缘线数值产品,作为渤海海冰监测和海冰数值预报初始场的重要信息来源,以及海冰预报质量检验的参考依据之一.介绍所发展的“海洋1号A”卫星海冰反演系统的流程、算法和反演参数,海冰反演结果,及其在渤海海冰监测和预报中的应用.     

MODIS渤海海冰遥感资料反演

鉴于渤海海冰监测和预报对海冰卫星遥感数字化产品的迫切需求,本文利用MODIS的1B级数据进行渤海海冰参数反演,提供海冰遥感图像和海冰密集度、冰厚数值产品,作为渤海海冰监测和海冰数值预报初始场的重要信息来源,以及海冰预报质量检验的参考依据之一。反演结果表明,其各通道对海冰性质有很好的反映,资料信号比较稳定,对不同密集度和厚度的冰有较好的区分,相对NOAA/AVHRR和HY-1A资料有更好的实际应用价值;Terra/MODIS和HY-1A/COCTS海冰遥感反演结果对比也为HY-1A系列卫星海冰遥感的改进和提高提供有益的启示。     

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     

质点-网格海冰模式在渤海的数值预报试验

在海冰动力学和热力学的研究基础上,开发应用于渤海的质点-网格海冰模式.该模式采用质点-网格法,有效地避免了传统海冰模式的数值扩散问题.该模式采用冰厚分布函数取代传统渤海业务海冰预报模式中平整冰、堆积冰和开阔水的三类海冰分型.应用质点-网格海冰模式对2003年～2004年冬季渤海冰情进行了业务化逐日数值预报试验,并对预报结果进行统计检验和分析比较.     

MODIS数据在海冰遥感中的应用

MODIS数据作为中国可见光遥感的重要数据源之一,目前已经在许多领域获得了重要应用.国家卫星海洋应用中心从2000年开始接收处理MODIS数据,并同时为海冰预报提供海冰遥感图像服务.本文利用MODIS卫星遥感的原始数据,通过对数据进行地理定位、辐射定标等处理,形成MODIS数据的一级产品,并利用海冰实验的实测数据和海冰光谱分析,对一级产品进行定量化处理,获得了海冰厚度、密集度和外缘线等海冰数值产品,逐步应用于海冰的预报服务.     

2004～2005年度冬季渤海海冰数值预报

本文简要介绍了2004-2005年度冬季渤海的天气与冰情,总结了该年度海冰数值预报情况,对Nudging同化方法在海冰数值预报中的应用结果进行了对比分析。     

北极海冰密集度数值预报及验证评估研究

本文系统地评估了国家海洋环境预报中心于我国第七次北极科学考察期间开展的北极海冰密集度数值预报结果。该预报系统基于麻省理工大学通用环流模式,并采用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法,计算输出未来1~5 d的北极海冰密集度预报产品。本文将数值预报结果同卫星观测的海冰密集度、再分析资料和"雪龙"号第七次北极考察期间观测的海冰密集度数据进行了对比分析。结果表明,预报的北极海冰密集度小于卫星观测值,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为-2.7%、-3.1%和-3.2%;数值产品的预报技巧好于气候态结果和惯性预报,但是在海冰出现快速融化或冻结时,基于Nudging同化的数值预报技巧仍有不足。另外,相比船测数据,数值预报结果在海冰边缘区的偏差相对较大,24 h、72 h和120 h预报结果的偏差分别为8.8%、12.0%和14.5%。