渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析

海冰单轴压缩强度是寒区海洋工程中的一个重要设计参数,也是影响海冰动力学行为的主要因素。在2008-2012年间的三个冬季,对渤海沿岸的海冰单轴压缩强度进行了现场与室内试验,由此分析了其在温度、卤水体积和应力率下的基本特征。测试结果表明,海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系,与卤水体积平方根呈指数关系,与应力率呈线性关系。此外还分别在不同温度与卤水体积下确定了海冰单轴压缩强度上包络限的变化规律。最后,综合考虑卤水体积和应力率的影响,对海冰单轴压缩强度分布特征进行了分析。以上研究有助于揭示渤海海冰基本力学性质,为冰区结构设计和海冰动力学分析提供参考依据。     

卤水体积和应力速率影响下海冰强度的统一表征

无论在地球物理尺度下研究海冰的动力学演化特性,还是在工程结构尺度下分析海冰与海洋结构物的相互作用过程,海冰强度均是影响海冰宏观变形和细观破坏规律的重要力学参数。本文通过对渤海海冰物理力学性质的现场和室内试验,分析了海冰压缩、弯曲和剪切强度参数与卤水体积、应力速率的对应关系。试验结果表明,海冰强度与卤水体积更好地呈指数关系,与应力速率呈线性关系;在此基础上,本文建立了由卤水体积和应力速率共同表征的海冰强度统一函数关系,为工程领域对海冰强度的选取提供有力的参考依据。     

渤海海冰侧限压缩强度的影响因素分析

为研究海冰在侧向作用下的压缩强度,针对A型侧限加载方式,对不同温度、盐度和加载速率下的海冰压缩强度进行了试验研究。利用统计方法分析了试验结果,表明侧限压缩强度与卤水体积的平方根存在负幂函数关系,与侧限应力呈线性关系,而受加载速率的影响并不明显。海冰侧限压缩强度与各影响因素(海冰温度、盐度、侧向力)间的函数关系可为冰荷载的确定提供参考。     

加载方向对海冰脆性破坏时单轴压缩强度的影响

对渤海的柱状海冰开展了系统的现场单轴压缩试验。在试验过程中,分别采用垂直于(水平加载)/平行于(竖直加载)冰晶的两种加载方向。同时,通过改变加载速率的方式研究了应变速率对压缩强度的影响。在测试结果中,结合试样的应变、应力以及裂纹特征分析了脆性破坏模式下海冰单轴压缩强度特征。试验结果表明:平行于冰晶方向的加载强度约为垂直于冰晶方向强度的3倍,并且两种加载方向的海冰单轴压缩强度均随加载速率的提高而降低。破坏模式的分析表明:脆性破坏主要由裂纹的发展所主导。随着加载速率的提高,海冰的破坏过程由单次破碎向多次破碎转变从而弱化了压缩强度。由于裂纹更容易在晶界处发展,不同加载方向下的裂纹特征以及最终的破坏模式有所区别。水平加载下的破坏模式以剪切形式为主,而竖直加载时主要发生柱状冰晶的屈曲破坏。屈曲破坏更容易发生在冰晶内部而表现出较高的压缩强度,因此竖直压缩强度更高。     

渤海莱州湾和黄河口附近海冰剪切强度的试验研究

剪切强度是海冰的基本力学性质,直接影响到冰区结构物冰荷载的确定以及海冰在动力演变过程中的破坏行为。采用侧限单面剪切试验对渤海莱州湾和黄河口的海冰进行了剪切强度测试,分析了温度、卤水体积、剪切应力率的影响。结果表明,海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力率的增大而呈线性增长,而与卤水体积的平方根呈幂函数降低。在此基础上,综合考虑卤水体积和剪切应力率的影响,对海冰剪切强度进行了双参数拟合,为研究海冰剪切破坏机理提供了参考依据。     

海冰温度对单轴压缩强度影响的试验研究

应变速率与单轴压缩强度极值的关系在抗冰结构设计与优化中占有重要地位。基于2009年冬季普兰店海域海冰在不同海冰温度(-5°C、-10°C、-15°C)下的压缩强度试验数据,给出各自应变速率—压缩强度散点图。结果表明,海冰在不同加载速率下表现为三种破坏模式,即韧性区、过渡区与脆性区;海冰温度对过渡区对应应变速率范围影响较小,均在6.3×10~(-4)~2×10~(-3)区域附近。结合三段式函数形式,给出不同温度下应变速率—压缩强度极值的曲线拟合结果。依据上述结论,在庄河海域选择应变速率10~(-2)、10~(-3)与10~(-4)进行不同海冰温度(-16°C~-4°C)下单轴压缩强度试验。结果显示:在韧性区,海冰温度与压缩强度极值呈弱负相关;在过渡区,海冰温度与压缩强度极值呈明显线性减小;在脆性区,强度极值相对海冰温度敏感度较低。基于此,在应变速率—压缩强度曲线中提出温度影响系数,这一试验分析方法可推广至其它海域。     

辽河口海冰压缩强度基本特性分析

海冰的压缩强度是海冰最主要的力学特性.针对辽河口附近海域海冰的压缩强度指标,2014~2015年冬季于辽河口附近采样并进行室内测试.内容包括单轴压缩强度实验、侧限压缩强度实验、变尺寸压缩强度测试.实验表明辽河口海冰压缩强度受应变速率、卤水体积影响显著.侧限压缩实验要比单轴压缩实验所得结果略大.不同高宽比的试样在相同应变速率的前提下压缩强度变化不明显,尺寸影响不显著.     

1997～1998年度冬季黄渤海天气气候特征及对渤海海冰的影响

本文通过对冬季黄渤海气候特征、环流背景的分析及对渤海海冰的影响,指出海温是影响海冰的主要因素,从而总结了１９９７～１９９８年度渤海海冰情况。     

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。     

渤海海冰灾害和人类活动之间的关系

海冰灾害的产生不仅于海冰冰情严重程度,而且同人类活动及人类防范海冰的意识有关。通过归纳整理1950年以来渤海海冰冰情等级以及国家海洋局公报内的海冰灾害,并应用5年滑移平均,以反映中国"五年计划"的社会活动与海冰灾害之间的响应,定量分析海冰灾害发生率同海冰冰情等级的关系,发现工业活动的频繁程度同海冰灾害发生率成正比;人类重视程度同海冰灾害发生率成反比;海冰冰情等级与海冰灾害发生率成正比;当海冰冰情等级减轻时,海冰灾害发生率并不一定减少。因此在全球气候变暖的大环境下,针对目前渤海工业活动处于蓬勃发展阶段,加强海冰灾害的防范能力仍然必不可少。     

黄渤海夏季生物发光强度分布特征及其影响因素分析

机械刺激所致生物发光无论对于海洋生态学的研究还是对于水下目标探测均具有重要意义。本研究利用现场测量数据,首次定量化揭示了夏季黄渤海机械刺激所致生物发光强度的三维空间分布特征,并在此基础上,进一步结合同步测量的环境参数及浮游植物种群数据分析了其影响因素。主要结论包括：（1）夏季黄渤海机械刺激所致生物发光强度较强,其平均值约为4×10¹⁰photons/（s·L）,最大值约为2×10¹²photons/（s·L）,高值区主要出现在长江口附近海域;（2）夏季黄渤海机械刺激所致生物发光的物种以甲藻类浮游植物为主,在甲藻中,夜光藻对机械刺激所致生物发光强度的分布起着主要决定作用;（3）夏季黄渤海机械刺激所致生物发光的空间分布对温度、盐度及以叶绿素浓度为代表的总生物量的整体依赖性较低。     

渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

根据1951-2013年间的渤海冰情等级资料,利用最大熵谱分析、相关分析和合成分析等方法,研究了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征,探讨了局地气候、大气环流、ENSO(El Nio-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响。结果表明,渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征,并在1972年前后发生了一次由重到轻的气候跃变,在跃变后冰情较跃变前平均降低了0.7级。相关分析与合成分析结果显示,渤海冰情的年际变化除受局地气候的影响外,还受西太平洋副热带高压(副高)、极涡和欧亚环流的共同调控,特别在1972年以后,秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响,可作为渤海海冰预报的重要因子,而春季PDO、ENSO、冬季副高及欧亚和亚洲经向环流则是渤海冰情年代际变化的影响因素。     

渤海沿岸和船舶冰情调查中冰物理及单轴压缩强度测试技术研究

为更好提供渤海沿岸和海上冰物理和力学性质服务,结合渤海海冰特点、渤海海岸和海洋工程对冰单轴压缩强度的需求、海冰强度控制因子以及实施现场调查的设备和能力,通过黄河口附近海域现场实践,形成完整的海冰单轴压缩强度试验技术及冰样温度、密度和盐度测试技术及应用这些测试技术的注意事项和现场解决可能出现问题的措施。     

南极威德尔海春季海冰物理结构对叶绿素上限含量的影响

2006年冬末春初,在德国POLARSTERN科学考察船执行南极威德尔海西北海域考察期间,调查了考察区海冰物理和海洋生物。本文观测了航线上钻取的27支海冰冰芯的组构和71个冰晶体薄片;分析得到393组冰温数据;348组盐度、密度数据和311组叶绿素a和脱镁叶绿素含量数据;通过302组冰内相同深度孔隙率和叶绿素a含量数据分析,发现海冰物理参数影响冰内叶绿素a含量的新证据;利用收集的雪、冰厚度数据以及环境容量制约生态平衡的规律,建立了雪、冰厚度对冰底叶绿素繁荣的影响以及;确立了南极粒状冰和柱状冰内叶绿素a上限含量同卤水体积的关系。从而表达了冰晶体对卤水排泄的效应和冰物理性质对南极春季冰底和冰-水界面叶绿素a增长的贡献。此外,还得出海冰物理性质影响冰藻,并且是南极冰区水体浮游植物繁荣的关键控制因素。     

海冰热力模式的辐射参数化方案在渤海和波罗的海应用的比较

研究了海冰热力模式中的各种辐射参数化方案,对比了模式计算的太阳短波辐射、大气长波辐射以及海冰热力变化,并利用渤海和波罗的海观测资料进行比较和误差分析.冬季大部分时间太阳短波辐射对海冰热力过程的作用有限.简单计算方案一般满足海冰模式要求.误差主要受云和冰雪表面与大气之间的多重反射影响.长波辐射对表面热平衡和海冰质量变化起重要作用.长波辐射参数化方案的计算结果受环境因素影响.云量参数化有待进一步改进.海冰模式计算结果的精度与长波辐射计算精度有一致性.     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品,分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征,结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明,结冰期海冰面积的增加量波动较大,海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大,2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似,融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散,在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用,促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

考虑应变率影响的圆管结构冲击试验缩尺修正方法研究

评估结构耐撞性能最可靠的方法是实尺度碰撞试验,然而对于大尺度结构物的碰撞试验,因其耗资巨大而不易开展,适当开展比例模型试验可以为简化解析算法及数值仿真计算提供验证依据,也可在一定程度上评估结构的耐撞性能。但是在进行碰撞模型试验时,材料应变率的敏感性会使得缩尺模型的动态响应与实尺度结构结果出现偏差,模型试验得到的数据与实际结构的动响应不完全遵循相似关系,这就限制了相似理论在大型结构物冲击问题上的应用。本文给出了一种通过改变冲击质量来修正应变率效应的方法,不同于传统量纲分析法中选取时间、质量和长度为基本量纲,而是以冲击质量、初始冲击速度和动态应力代替,得到计及应变率效应的质量相似关系。以此为基础,将该修正方法应用于船舶-自升式海洋平台的碰撞分析中。研究结果表明,该修正方法可以有效降低由于应变率效应而造成的缩尺误差,修正后的缩尺模型在碰撞冲击载荷下的位移、碰撞力和撞击时间等动态响应参数与实尺度模型结果的一致性更好。本文研究成果可以为大型结构物冲击模型试验设计提供技术支撑。     

SST对黄海、渤海登陆热带气旋路径和强度的影响

利用中国气象局整编的1949~2003年的热带气旋资料和美国国家环境预报中心的海表温度(SST)最优插值资料,应用EOF分解和概率分析等方法,分析了黄海、渤海登陆热带气旋个例所处环境场中的海温的空间和时间分布规律,计算得到该类热带气旋在黄海、渤海区达到最大可能强度(MPI)的概率分布。结果显示,在黄海、渤海海区的较强的(>1℃)SST正距平中心和渤海北部海域的SST正距平区是黄海、渤海登陆TC出现北行路径必要条件。所有TC个例过程发生之前均有一个黄海、渤海关键区SST距平上升过程,只有30%的TC达到MPI一半,只有1%的TC可能达到MPI的4/5。