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.     

遥感技术在我国海冰研究方面的进展

本文首先对遥感技术在我国海冰研究中的发展情况作了详细地论述,并介绍了几种常用于海冰研究的遥感数据;其次,从海冰厚度识别、海冰运动速度矢量计算、海冰资源量测算以及海冰灾害监测等四个方面,简单论述了遥感技术在海冰研究中的应用。最后,以渤海海冰为例,阐述了遥感技术的具体应用,同时指出了今后的发展方向。     

变暖背景下北极海冰减少在冬季北半球高纬大陆降雪增加中的作用

过去的几个冬季中,北美、欧洲、西伯利亚和东亚大部分地区经历了冷冬和强降雪,而这与北极海冰的快速减少有关。尽管北极海冰减少在冷冬和强降雪中的作用仍存在争议,但这种新兴的气候反馈在未来变暖背景下是否会持续仍值得关注。中等排放情境下的气候模式模拟结果揭示,欧洲东北部、亚洲中部北部、北美北部的冬季降雪增加会成为贯穿21世纪的一个稳健的特征。21世纪这些区域冬季降雪增加的主要原因是北极秋季海冰的减少（很大的外部强迫）,而冬季北极涛动的变化（北半球主要的自然变化形态）对降雪增加的作用很小。这一结果不仅体现在多模式平均上,而且每个单独模式的结果依然如此。我们认为海冰-降雪之间的强反馈作用可能已经出现,并且在接下来的几十年中这种强反馈作用可能会增强,北半球高纬地区的强降雪事件也会增加。     

Ice-Induced Fatigue Analysis by Spectral Approach for Offshore Jacket Platforms with Ice-Breaking Cones

The spectral methods and ice-induced fatigue analysis are discussed based on Miner's linear cumulative fatigue hypothesis and S-N curve data.According to the long-term data of full-scale tests on the platforms in the Bohai Sea,the ice force spectrum of conical structures and the fatigue environmental model are established.Moreover,the finite element model of JZ20-2MSW platform,an example of ice-induced fatigue analysis,is built with ANSYS software.The mode analysis and dynamic analysis in frequency domain under all kinds of ice fatigue work conditions are carried on,and the fatigue life of the structure is estimated in detail.The methods in this paper can be helpful in ice-induced fatigue analysis of ice-resistant platforms.     

The long-term trend of Bohai Sea ice in different emission scenarios

Based on a coupled ocean-sea ice model, this study investigates how changes in the mean state of the atmosphere in different CO_2 emission scenarios(RCP 8.5, 6.0, 4.5 and 2.6) may affect the sea ice in the Bohai Sea, China,especially in the Liaodong Bay, the largest bay in the Bohai Sea. In the RCP 8.5 scenario, an abrupt change of the atmospheric state happens around 2070. Due to the abrupt change, wintertime sea ice of the Liaodong Bay can be divided into 3 periods: a mild decreasing period(2021–2060), in which the sea ice severity weakens at a nearconstant rate; a rapid decreasing period(2061–2080), in which the sea ice severity drops dramatically; and a stabilized period(2081–2100). During 2021–2060, the dates of first ice are approximately unchanged, suggesting that the onset of sea ice is probably determined by a cold-air event and is not sensitive to the mean state of the atmosphere. The mean and maximum sea ice thickness in the Liaodong Bay is relatively stable before 2060, and then drops rapidly in the following decade. Different from the RCP 8.5 scenario, atmospheric state changes smoothly in the RCP 6.0, 4.5 and 2.6 scenarios. In the RCP 6.0 scenario, the sea ice severity in the Bohai Sea weakens with time to the end of the twenty-first century. In the RCP 4.5 scenario, the sea ice severity weakens with time until reaching a stable state around the 2070 s. In the RCP 2.6 scenario, the sea ice severity weakens until the2040 s, stabilizes from then, and starts intensifying after the 2080 s. The sea ice condition in the other bays of the Bohai Sea is also discussed under the four CO_2 emissions scenarios. Among atmospheric factors, air temperature is the leading one for the decline of the sea ice extent. Specific humidity also plays an important role in the four scenarios. The surface downward shortwave/longwave radiation and meridional wind only matter in certain scenarios, while effects from the zonal wind and precipitation are negligible.     

跨海大桥建设对胶州湾北部冬季结冰现象的影响

本文利用台站观测、卫星遥感以及专项调查等多种数据,综合分析了近年来胶州湾典型水文气象要素的变化特征及建桥前后水动力环境等的变化对冬季冰情的影响。结果显示,建桥以来冰情较重的年份冬季气温和年最低气温均处于近30年的低位,重冰期与年最低气温时段相吻合,且以跨海大桥为界,北部海湾结冰现象严重,而南部几乎无结冰。基于区域海洋水动力模型(ECOM)的模拟结果显示,跨海大桥建设可以从几个方面影响胶州湾北部海冰的生消,即大桥建设使胶州湾尤其是大桥北侧的水动力环境弱化,落潮时桥北侧水体堆积,涨潮时桥北侧向陆一侧水位减小;大桥对桥位南北1.5 km周围涨、落潮流场产生影响;流场的变化又使得悬浮物对流扩散和沉积物输运发生改变,大桥北侧局部区域水深变浅。     

辽东湾海洋工程可靠性设计的海冰参数选取

海冰参数的合理取值是海洋工程海冰灾害风险评估的重要内容。利用1950—2018年的冰情等级(5个等级)数据,进行了1950—2018、1950—1990、1991—2018三种情景下的回归分析,确定了不同时期的冰情等级概率分布密度函数。利用鲅鱼圈雷达观测站2002—2017年的海冰现场实测资料,分别对鲅鱼圈附近海域一般冰厚、最大冰厚、最小冰厚进行概率分布拟合。基于上述概率分布结果,给出不同冰情等级的重现期,进而对海冰作业条件给出的设计参考值进行评价。结果表明:1990年以后2级、3级冰情重现期相对1990年之前变小,4级、5级冰情重现期相对1990年之前变大,规范给出重现期范围已不能代表辽东湾冬季海冰情况。本研究成果可为辽东湾海洋工程可靠性设计提供重要数据支撑。     

基于SMAP卫星雷达资料的海冰密集度反演技术研究

SMAP是美国于2015年初发射的一颗卫星,搭载了L波段的雷达。它采用圆锥扫描方式,具有固定的入射角、较大的幅宽和千米级的分辨率,在海冰监测方面具有独特的优势。本文利用SMAP卫星雷达资料分别与德国Bremen大学海冰密集度产品和美国国家冰雪数据中心（NSIDC）海冰密集度产品建立3.125 km和25 km匹配数据集,分析了L波段雷达后向散射系数、极化比和归一化极化差与海冰密集度之间相关性,建立基于人工神经网络的海冰密集度反演算法。为了验证SMAP卫星雷达资料反演海冰密集度的精度,本文选择德国Bremen大学和美国冰雪数据中心发布的海冰密集度产品分别与SMAP海冰密集度产品进行对比分析,SMAP海冰密集度与Bremen海冰密集度的偏差为0.07、均方根误差为0.14;与NSIDC海冰密集度的偏差为0.04、均方根误差为0.18,这表明SMAP海冰密集度产品与现有业务化海冰密集度产品具有很好的一致性。     

红沿河核电站取水口海冰堆积特性的离散元分析

在寒冷地区,海冰在核电站取水结构物前的堆积会对取水口造成阻塞和损坏,进而影响核电设备的正常运作。以红沿河核电站的取水设施为例,综合考虑该工程海域冰区特点及风和流的作用等因素。建立了海冰的离散元模型,用于模拟海冰在结构物前的堆积和破坏过程。该离散元模型由规则排列的球体颗粒构成,颗粒间采用平行黏结模型进行黏结。考虑了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响,对海冰堆积高度进行预判。其中,堆积高度随海冰的密集度和流速的增大而增大,而海冰的平均尺寸对堆积高度没有明显影响。分析结果表明,离散元数值模拟可用于评估和预测取水工程中海冰堆积造成堵塞的风险。     

海冰爬坡和堆积行为的试验研究

对于浅海区采油平台等设施常采用斜坡式人工岛形式,虽然在一定程度上起到降低海冰对平台的作用,但是海冰沿着斜坡上爬至平台并形成堆积,同样也会对平台设施造成破坏,因此有必要对海冰堆积爬坡的关键参数进行研究。通过在冰排前进方向放置混凝土实体结构物模拟海冰堆积和爬坡过程,分析了模型冰爬坡和下滑角度、最大堆积高度等关键参数以及模型冰断裂长度的统计特性及其与变形模量的关系,试验结果表明水位越高,冰排越容易发生堆积爬坡。破碎的模型冰在结构物前堆积后,形成爬坡角和下滑角。爬坡角随着堆积体的增大而增大,下滑角则逐渐减小。堆积冰高度一定时,高度不再增加,在来冰方向会形成新的堆积。这种现象为浅海区海上结构物的防冰减灾提供了新思路。