雷达监测冰漂流的应用与研究.pdf-资料库

http://www.paper.edu.cn 雷达监测冰漂流的应用与研究孙红栋 1，胡盼 2，庄宏昌 1，曲俊生 1 1 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁大连（116026） 2 锦州市海事局，辽宁锦州（121000） E-mail：sunhongd@163.com 摘要：渤海为我国纬度最高的海区同时又是我国重要的能源基地，每年冬季有不同程度的结冰现象，严重影响着冬季能源的开发生产和海上运输等活动。用雷达可以对 6 海里范围的海冰进行连续的跟踪监测，指引破冰船破冰，保证冬季海上结构物的安全。本文根据作者今冬在 JZ9-3 平台的测冰工作经验，阐述了雷达监测海冰的全过程，提供了当时的气象要素和海冰要素及监测结果，画出了海冰漂移轨迹，并对结果作了初步分析。为海冰研究和海上结构物的减灾做出参考。关键词：雷达，海冰，监测，漂移 1. 引言海冰作为全球海-气系统的一员，与海洋和大气相互作用影响着人类海上运输，海洋渔业和海洋油气资源开发等活动。海冰不仅能够封锁港口航道中断海上运输，还能破坏港口工程设施。海冰的漂移对海上油气勘探和生产造成巨大的危害。海冰已造成多次石油平台倒塌，船舶和港口受损，航运受阻等灾害，每年都威胁着人类的生产活动。位于渤海北纬 39 度以北的辽东湾是我国纬度最高的海区。辽东湾近几十年来曾发生多次严重冰情。1996 年渤海的特大冰封中整个辽东湾完全封冻，当时最大冰厚达 100cm，海冰推倒了“海一井”和“海二井”两座石油站台，毁坏和阻滞了 125 艘船舶，造成重大经济损失 [1]。即使在一般的年份，海冰与工程结构相互作用往往也会使结构产生强烈的震动，小则使工作人员缺乏安全感大则引起设备不能正常运转。2000 年 JZ202 中南平台由冰振导致了天然气管线的断裂和法兰松动，险些酿成重大事故。海冰已经成为在结冰海区进行开发和生产必须考虑的要素之一，进行海冰漂移的研究显得日趋重要。笔者于 2006 年月至 2007 年 2 月在 JZ9-3 石油平台利用航海雷达（FURUNO －1830）对地域性一年冰进行了多次现场跟踪，得出了冰漂移轨迹，计算出了冰漂移速度和方向，为平台冬季生产防灾做出了一定的参考，并对辽东湾冰漂流有了进一步认识。 2. 雷达（FURUNO－1830）主要技术性能 2.1 天线型式：54cm 裂缝波导天线，装在罩内；转速：24 r/min；波束宽度：水平 3°，垂直 25°；抗风力：相对风速 100km；环境温度：－25℃±70℃；架设高度：24m。架设位置：JZ9-3 平台飞行甲板 2.2 收发机波段：X 波段；波长：3cm；频率：9410±30MHz；脉冲宽度和重复频率、作用距离：0.08µs/2100Hz 0.25～0.75 海里 0.3µs/1200Hz 1.5 ～3 海里 0.8µs/600Hz 6～24 海里 - 1 -

2.3 精度距离：0.8m；方位：±1°。图 1 为雷达的天线和收发机，图 2 为雷达的显示器 http://www.paper.edu.cn 图 1 航海雷达图 2 航海雷达 FURUND－1830（天线、收发机） FURUND－1830（显示器）图像记录仪 3. 监测内容及方法 3.1 监测内容 1. 浮冰漂移的方向和速度。 2. 冰量，类别和密集度。 3.2 监测方法以雷达扫描的 6 海里范围内的浮冰为主，选择大块平整的浮冰（在雷达显示器上显示为强烈亮点），连续跟踪 3-5 分钟，根据起始和结束的坐标和间隔时间 ∆t，用冰速计算软件计算出浮冰漂移速度和方向。选择天文潮最佳日期连续跟踪观测 6 小时，画出漂移轨迹图，与潮流和风进行矢量合成对比。图 3 为监测过程示意图。雷达通讯雷达海冰图象记录仪主计算机 PPI 流冰显示海冰图象处理方向速度计算显示打印传输图 3 雷达监测海冰流程图 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 4. 监测结果渤海冰期从 2006 年 12 月持续到 2007 年 2 月，监测活动从初冰日到终冰日从未间断，现列举具有代表性和分析价值的 2007 年 1 月 20 日天文大潮的监测结果并进行分析。表 1 为 2007 年 1 月 20 日全天各时的监测记录结果。表 1 海冰管理值班记录表时间温度 (℃) 风速（米/秒）风向（度）冰厚（厘米）冰类型 G、Ni、Gw G、Gw、Ni G、Gw、Ni G、Ni、Gw G、Ni、Gw G、Ni、Gw Ni、G、Gw Ni、G、Gw Ni、G、Gw G、Ni、Gw 8/18 8/18 7/17 7/17 8/18 7/17 7/16 7/16 7/17 9/19 10/19 G、Ni、Gw 10/19 10/19 10/19 G、Gw G、Gw G、Gw -1.9 -1.9 -2.4 -2.4 -1.2 -1.0 -1.1 -0.7 -1.6 -1.6 -1.4 -1.0 -0.6 0.1 7：00 8：00 9：00 10：00 11：00 12：00 13：00 14：00 15：00 16：00 17：00 18：00 19：00 20：00 3.3 2.1 0.0 0.7 2.4 1.7 2.5 2.2 2.8 2.5 3.0 2.9 3.1 2.7 150 190 130 140 40 50 70 60 70 90 80 80 70 40 冰速（厘米/秒）冰流向（度）冰量 40.3 43.2 37.6 45.9 28.7 24.1 9.6 40.4 42.8 44.8 40.9 22.5 30.6 50.0 213 218 209 201 194 214 216 21 32 31 24 331 202 210 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 渤海为典型的不规则半日潮海区，本监测海域 2007 年 1 月 20 日 13 时低平潮过后涨潮一直持续到 18 时。为了观察高潮前后海冰的漂移特征轨迹，从 16 时开始连续跟踪选定冰块，每隔 3-10 分钟在雷达显示器上标定一次该冰块的位置并记录。根据记录，用自编的冰速和方向计算软件，计算出每个时间段该块冰漂移的平均速度和方向。软件计算过程如图 4 和图 5(随机截取两幅图)。表 2 为高潮前后跟踪计算结果。 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 图 4 冰要素计算过程图 5 冰要素计算过程表 2 雷达跟踪流冰速度方向记录表海区：JZ9-3 观测位置：北纬 40°40 ′东经 121 °29 ′ 2007 年 1 月 20 日序号时分方位 01 1601 106. 6 103. 8 99.0 1604 1609 1614 95.6 0.887 1620 90.3 0.931 1626 86.6 0.962 距离（海里） 0.850 0.862 0.875 速度（cm/s ） 44.8 45.6 33.1 48.8 35.2 方向（度）序号时分方位距离（海里）速度（cm/ s）方向（度） 26 1824 60.3 1.343 8.0 240 27 28 29 30 31 1829 60.6 1.318 16.0 1834 1840 1845 1850 60.8 61.0 61.8 61.8 1.300 1.268 1.237 1.200 11.5 16.6 22.0 22.8 225 226 233 212 242 31 22 20 31 25 - 4 - 02 03 04 05 06

1632 82.9 1.006 1638 80.3 1.043 1643 77.4 1.081 1649 73.8 1.124 1654 73.1 1.150 1701 70.8 1.187 1705 69.0 1.224 1712 67.4 1.262 1720 66.3 1.300 1729 63.1 1.343 1737 62.0 1.368 1742 61.8 1.387 1749 61.6 1.387 1753 61.4 1.394 1758 61.6 1.387 1800 61.9 1.394 1806 60.8 1.394 1812 60.8 1.381 1819 60.3 1.356 39.8 30.6 40.6 41.9 18.2 26.3 40.9 22.7 17.5 29.3 13.9 12.1 2.1 6.6 5.3 15.6 13.8 6.7 12.2 29 30 24 17 45 20 24 26 34 5 16 48 332 27 207 108 331 241 266 http://www.paper.edu.cn 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 1855 1900 1905 1910 1915 1920 1925 1930 1935 1942 1948 1951 1955 62.4 63.1 64.8 65.6 67.6 68.0 70.1 72.9 77.1 81.5 88.4 92.2 97.0 1.175 1.131 1.094 1.056 1.000 0.968 0.900 0.850 0.781 0.718 0.662 0.637 0.606 2000 105.7 0.575 2005 114.2 0.556 17.2 28.5 30.6 25.2 41.1 20.2 47.0 40.6 56.3 37.6 44.1 51.2 46.7 58.5 53.0 216 225 202 224 214 236 222 211 214 217 208 210 215 210 213 根据表 2 的计算结果，画出高潮前后该块冰的漂移轨迹。（如图 6 所示） - 5 - 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

http://www.paper.edu.cn 图 6 流冰漂移轨迹图 5. 结果分析 5.1 潮流对冰漂移的影响辽东湾的海冰十分之八九没于水下，十分之一二露出水面所以海流的驱动应该是浮冰漂移的主要动力。根据历史资料统计，辽东湾的潮流多为 NE 和 SW 方向的往复式半日潮，在监测海域涨潮持续时间为五小时左右，落潮持续时间六小时左右。根据潮流表可知 20 日的涨落潮方向为 NE 和 SW，图 6 中流冰的漂移方向与潮流方向基本一致。对照表 2 和潮汐表可看出 17 时 49 分高平潮时流冰漂移速度最小，最小值为 2.1cm/s，然后随着落潮潮流速度的增加流冰速度开始加快，在落潮的中间时刻即 20 时流冰速度达到最大值 58.5cm/s。由此可见，流冰漂移主要受潮流作用。而在葫芦岛外海，潮流东北方向的速度在 33.6-55.5cm/s 之间，西南方向的运动速度在 36.9-56.8cm/s 之间[2]，东北方向平均流速比西南方向大概快 2cm/s，而西南方向落潮时间比东北方向涨潮时间多一小时，如果以落潮流速 40cm/s 计算，那么在不计其他因素的前提下，JZ9-3 平台附近的流冰在一次潮汐过程中向西南方向漂移 1080m。这可以基本判定 JZ9-3 平台附近的浮冰是从 NE 方向漂来。 5.2 风对冰漂移的影响虽然海流是海冰漂移的主要驱动力，但是露出海面十分之一二的那部分冰受到空气流动的驱动也在很大部分上影响着海冰的漂移。根据许多风和水流对浮体影响的式子计算得到，水流对浮体的作用是风对浮体影响的百倍以上。日本的田烟忠司也曾指出：海冰下面所受的水的作用力被认为是作用在表面的风的应力的 100 倍以上。风对流冰的作用虽然小于流对浮冰的影响，但是风仍然被认为是影响浮冰漂移的第二大因素。[3]风能够使流冰向风的下 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 沿做一定的水平移动。当风与流同向时对浮冰起加速作用，异向时起减速作用。由表 2 数据可以看出，高平潮前一小时即 17 时的浮冰流速为 26.3cm/s,流向为 20 度，表 1 中风向为 80 度，风的分量方向与流逆向；高平潮后一小时即 19 时浮冰流速为 28.5cm/s,方向为 225 度，风的分量方向与流同向。17 时海水的流速比 19 时大，但是在风的作用下导致浮冰的漂移速度比 19 时小。可见风对浮冰的漂移起一定作用，当风速在 6-8m/s 时，风对流冰移动的速度平均加快或减慢约 10-15cm/s。[2] 5.3 其他因素对冰漂移的影响王仁树等提出在一级近似下，冰动力平衡方程（Udin,1976）为：τa+τw-fρiHK×Vi+R=0 式中，τa为风应力，τw为海水应力,R为冰内应力，f为科氏参数，ρi为海冰密度，H为冰厚度， K为垂直向上的单位矢量，Vi为冰速[4]。从该式可看出，海冰漂移除了与受流和风影响外还受海冰密度，冰内应力，冰厚影响，个人认为还受冰块面积大小的影响。不同海区的海冰密度不同在一定程度上影响着冰漂移的过程，在其他条件相同情况下密度越大的海冰惯性越大，则速度越小，转向要变得迟缓。冰内应力主要与冰密集度和冰厚度等因素有关，表1表2 中有冰密集度和类型的相关数据。另外冰块的大小也影响着冰漂移，不同大小的冰块漂移速度不同，他们之间会产生相对运动，相互影响彼此的运动。余流的存在也加快或减缓冰漂移的速度，改变其方向。在影响冰漂移的因素中必然存在着一定的关系，所以应该找到各个因素的权重,找出系数关系，那么就能很准确地计算和预测各个海区的冰漂流速度和方向。 6. 结论雷达能准确地计算冰漂移的速度和方向，监测冰漂移的动向。从雷达图像上能够直观的判断冰类型和密集度。得出的数据准确有效，不但能为冬季平台的安全生产提供意见，而且每年冬季的监测为海冰研究收集了大量的一手资料。今后应致力于软件的开发，使雷达能有更广泛的应用。另外，海冰的漂流是一个十分复杂的过程，应该把现场的实际监测与数值模拟相结合，致力于各种影响因素的权重系数研究，得出海冰的漂移公式，为冬季海上生产和运输做出共献。 - 7 -

http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1]李春花．海冰在潮汐和波浪作用下的断裂机理研究［D］．大连：大连理工大学，2000． [2]郝培章，刘金芳，俞慕耕．辽东湾海冰及运动特点分析［J］．海洋预报，1993，第 10 卷第 4 期． [3]梁齐钧．渤海辽东湾海冰漂流［J］．海洋预报，1990，第七卷第 4 期． [4]王仁树，刘钦政，陈伟斌，等．渤海海冰漂移过程的数值模拟和试验［J］．海洋与湖沼，1994，5． Study of Methods in Monitoring Drift Ice with Radar Sun Hongdong1, Hu Pan2, Zhuang Hongchang1, Qu Junsheng1 1 Environmental Science and Engineering college, Dalian Maritime University, Dalian, 2 Jinzhou Maritime Safety Administration, Jinzhou, PRC (121000) PRC (116026) Abstract Bohai Sea is the highest latitude sea of china and it also the major oil energy base. There are different degrees of ice phenomenon in Bohai Sea every winter. It made a serious impact on energy production and sea transport. Radar can be used to continuously track and monitor the sea ice within six nautical miles in order to insure the safety of maritime structures. According to the experience of ice work in JZ9-3 oil platform the writer summarized the process of sea ice monitoring with Radar. Based on the monitoring results we drew the drift trajectories of sea ice. Through this comparative analysis made reference for sea ice research and the safe of maritime structures. Keywords: radar，sea ice，monitoring，excursion - 8 -

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