极区海冰温度剖面测量技术研究

极地环境要素的变化对全球气候变化起着关键作用,极区海冰结构及其性质,对全球热交换有着深刻影响.极区海冰温度链的研制,可以为实现长期极区海冰剖面温度观测平台研究提供关键的技术和手段.目前,国外用于海冰温度剖面测量的温度链已经成熟,而国内还没有相关成熟产品,因此,研制测量海冰温度剖面的温度链有其重要性和必要性.文中介绍了用于极区海冰温度剖面测量技术的研究成果.     

辽东湾海冰后向光场分布的研究

海冰光场分布特性的研究是冰区大气-海冰-海洋能量交换和生物特性研究的基础,通过设计"L"型辐亮度探头,运用自主研发的海冰高光谱辐射仪器于国内首次现场测量了辽东湾海冰内部光场的分布特性,研究发现海冰表层5cm至底层在水平方向上光场各向同性,进而认为在所观测站点的附近,采集冰块测量光场分布不依赖于海冰侧表面的选择.采集海冰...     

利用非线性声学测量冰厚的方法研究

文章介绍了利用非线性声学原理和声纳测距原理测量海冰上下界面信息的技术和方法,并根据海冰的声学特性计算海冰的厚度.     

表面粗糙对渤海海冰热红外辐射方向特征的影响研究

热红外遥感技术使大范围、快速地监测渤海海冰表面温度成为可能。然而,目前绝大多数遥感器都是小视场角的,只对海冰在某个方向上的辐射能量进行了测量。由于自然界的海冰大多数都是高低起伏的、不平坦的,如果近似地认为遥感像元尺度内各部分温度是相同的,有时会带来较大误差。在盛冰期的渤海辽东湾东岸固定冰区,分别用3D激光扫描仪、热红外成像仪和自计温度计测量了渤海海冰的表面形状、辐射亮温和真实温度。结果表明,由于海冰表面粗糙,会形成三维非同温像元。同时,也会导致传感器在粗糙海冰的各个部分的局部观测天顶角与整体观测天顶角有所不同,造成粗糙海冰与平整海冰的方向辐射特征有较大差异,平整海冰更接近理想平面,粗糙海冰更接近朗伯面。     

10cm机载微波辐射计 8mm机载扫描微波辐射计航遥海冰资料的初步分析

无源航空微波遥感探测海冰是遥感技术一项重要内容。本文在概述微波辐射计测量海冰原理的基础上,对10cm机载微波辐射计和8mm机载扫描微波辐射计在辽东湾,航空遥感监测海冰中所获取的冰情资料进行初步判读分析和讨论。     

辽东湾海冰光衰减特性

根据渤海海冰多年的调查资料以及现场测量数据,建立辽东湾海冰的辐射传输模式,进而研究辽东湾沿岸海冰的光衰减特性及其主要影响因素,并对可能的影响因素进行了讨论。结果表明,海冰中卤水泡的吸收(主要是短波400~600nm)、纯冰的吸收(主要是长波700～900nm)以及卤水泡和气泡的散射对海冰的光衰减系数有很大的影响。辐射传输模式的估算结果与实测数据的估算结果基本一致,这表明该模式适用于辽东湾海冰的光学特性研究。     

基于雷达海冰图像互相关的冰漂流场测量

我国的渤海和黄海北部在每年冬季都出现不同程度的冰情,它直接影响结冰海区的石油平台、船舶以及港口等设施的正常作业,对海冰的观测与预报随着上述海区的开发利用越发显得重要,利用航海雷达连续准确地跟踪海冰漂移运动轨迹,是当今观测、调查、研究冰漂流移动规律的有效方法之一,我国的科研人员利用雷达成像技术对渤海的冰情进行了长期的雷达海冰观测、研究,在由雷达海冰图像对海冰的物理特征的识别、分类以及冰漂流场测量方面取得了一些进展[1-4]。     

渤海平整海冰多角度反射光谱特征

近些年来,遥感技术在渤海海冰的监测中发挥了举足轻重的作用。海冰的反射特征是利用光学遥感监测海冰的基础。在晴空条件下,对盛冰期渤海辽东湾东部3种典型的平整海冰的半球-方向反射率因子(hemispherical directional reflectance factor,HDRF)进行了测量,并计算了相应的各向异性因子(anisotropy factor,ANIF),结果表明,只有在太阳光入射主平面内的前向反射方向附近,半球-方向反射率因子与各向异性因子才会迅速增加,而在其他方向上两者的变化不明显。平整海冰的厚度和内部结构等因素会影响HDRF和ANIF随波长变化的特征,在350~1 350 nm波段,厚度较小且表面光滑的平整海冰的HDRF值相对较小,而厚度较大的平整海冰的HDRF值相对较大。在350~950 nm波段,厚度较小且表面光滑的平整海冰ANIF相对较大,而厚度较大的平整海冰的ANIF值相对较小。以上结果充分说明海冰对太阳光入射辐射的反射是冰-气界面的反射与冰体内部的散射的综合结果。     

卤水体积和应变率影响下的渤海海冰单轴压缩强度分布

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10-5～7.5×10-3/s,海冰试样的温度在-3～-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。     

相关技术在冰水界面测量中的应用

文章介绍了海冰监测设备的工作模式、测量原理，利用信号的相关性进行冰水界面反射信号处理，提高了测量精度，最后给出了测量信号的波形及相关图形。     

渤海和北极海冰组构及晶体结构特征分析

渤海一年冰的组构和晶体结构表现出的冰的非连续生长速率使得冰层底部具有气泡含量不同的许多分层;静水生长的灰冰具有典型的粒状冰和柱状冰;融化-重冻结冰和重叠冰具有特定的晶体结构.位于北冰洋72°24.037'N,153°33.994'W,长2.2m的冰心样为三年冰,并且发现其内有一种新的晶体类型,定义为碎屑凝聚冰.由位于北冰洋74°58.614'N,160°31.830'W,长4.86m的冰心样的晶体结构分析发现它过去为冰脊,后经融化-冻结改造形成冰丘的证据.     

Numerical simulation for dynamical processes of sea ice

ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｅａｉｃｅＷｕＨｕｉｄｉｎｇ，ＢａｉＳｈａｎ，ＺｈａｎｇＺｈａｎｈａｉａｎｄＬｉＧｕｏｑｉｎｇ（ＲｅｃｅｉｖｅｄＭａｙ１６，１９９６；ａｃｃｅｐｔｅｄＪａｎｕａｒｙ...     

基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,应用一种质点-网格海冰模式于渤海海域.该模式采用了质点-网格法,有效地避免了传统模式的数值扩散问题.该模式采用了冰厚分布函数,用多种类型冰代替用于渤海业务预报的平整冰、堆积冰和开阔水3-level模式.进行理想场的数值试验,模拟冰厚变化动力过程.还使用该模式和业务预报模式对于实际渤海冰情进行了不同个例的预报试验,发现该模式在提高冰外缘线预报精度方面有一定的优势.     

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.     

Arctic sea ice concentration and thickness data assimilation in the FIO-ESM climate forecast system

To improve the Arctic sea ice forecast skill of the First Institute of Oceanography-Earth System Model (FIO-ESM) climate forecast system, satellite-derived sea ice concentration and sea ice thickness from the Pan-Arctic Ice-Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS) are assimilated into this system, using the method of localized error subspace transform ensemble Kalman ?lter (LESTKF). Five-year (2014–2018) Arctic sea ice assimilation experiments and a 2-month near-real-time forecast in August 2018 were conducted to study the roles of ice data assimilation. Assimilation experiment results show that ice concentration assimilation can help to get better modeled ice concentration and ice extent. All the biases of ice concentration, ice cover, ice volume, and ice thickness can be reduced dramatically through ice concentration and thickness assimilation. The near-real-time forecast results indicate that ice data assimilation can improve the forecast skill significantly in the FIO-ESM climate forecast system. The forecasted Arctic integrated ice edge error is reduced by around 1/3 by sea ice data assimilation. Compared with the six near-real-time Arctic sea ice forecast results from the subseasonal-to-seasonal (S2S) Prediction Project, FIO-ESM climate forecast system with LESTKF ice data assimilation has relatively high Arctic sea ice forecast skill in 2018 summer sea ice forecast. Since sea ice thickness in the PIOMAS is updated in time, it is a good choice for data assimilation to improve sea ice prediction skills in the near-real-time Arctic sea ice seasonal prediction.     

渤海模型冰运动特征的现场观测研究

Sea ice drift is mainly controlled by ocean currents, local wind, and internal ice stress. Information on sea ice motion, especially in situ synchronous observation of an ice velocity, a current velocity, and a wind speed, is of great significance to identify ice drift characteristics. A sea ice substitute, the so-called "modelled ice", which is made by polypropylene material with a density similar to Bohai Sea ice, is used to complete a free drift experiment in the open sea. The trajectories of isolated modelled ice, currents and wind in the Bohai Sea during non-frozen and frozen periods are obtained. The results show that the currents play a major role while the wind plays a minor role in the free drift of isolated modelled ice when the wind is mild in the Bohai Sea. The modelled ice drift is significantly affected by the ocean current and wind based on the ice–current–wind relationship established by a multiple linear regression. The modelled ice velocity calculated by the multiple linear regression is close to that of the in situ observation, the magnitude of the error between the calculated and observed ice velocities is less than12.05%, and the velocity direction error is less than 6.21°. Thus, the ice velocity can be estimated based on the observed current velocity and wind speed when the in situ observed ice velocity is missing. And the modelled ice of same thickness with a smaller density is more sensitive to the current velocity and the wind speed changes. In addition, the modelled ice drift characteristics are shown to be close to those of the real sea ice, which indicates that the modelled ice can be used as a good substitute of real ice for in situ observation of the free ice drift in the open sea, which helps solve time availability, safety and logistics problems related to in situ observation on real ice.     

基于油气平台的海冰雷达监测图像处理及冰速测量

对海冰的运动规律进行精确、连续和长周期的实时监测有助于海冰热力学和动力学的研究,也可保障冰区生产活动的安全进行。针对辽东湾海冰的运动特点和工程需求,在JZ20-2油气平台上建立了海冰雷达监测系统。采用数字图像处理技术对海冰雷达监测图像进行了分析和软件开发,可对海冰密集度、速度和冰块面积等海冰参数进行提取。采用该海冰雷达监测系统和数字图像处理软件,在2011-2012年冬季对该海域的海冰运动规律进行了全冰期的连续监测,在此基础上重点对海冰速度的雷达图像监测结果进行了分析,讨论了海冰速度场分布以及连续48 h的变化过程。以上结果为海冰的生消运移规律研究和油气作业区的海冰管理工作提供了可靠的现场监测数据。对海冰雷达现场监测及数字图像处理中的问题及改进方法进行了讨论。     

海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比＜30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

预测细粒酒精模型冰物理和力学参数的实验关系

依据模型冰物理性质控制其力学性质的原则 ,利用能量平衡观点建立了冰内未冻结液体含量同制冰过程中的冰池温度、降温及升温时间、模型冰厚度 (喷雾时间×流量 )的理论关系 ,以其量纲表达式作为预测模型冰物理和力学参数的综合控制指标 ;通过系统测量酒精溶液冰点温度、冰池大厅气温、模型冰温度、冰内未冻液含量、冰密度、冰压缩强度、冰弯曲强度和冰变形模量 ,获得了不同冰点温度模型冰的物理和力学参数同该综合控制指标的实验关系 ;实现了用人为可控制因子定量控制模型冰物理和力学参数的目的