海冰的危害与监测.ppt

1、海冰的危害与监测海冰的危害与监测孙红栋孙红栋1、海冰的性质与分类1.1 海冰的形成 海冰是指海水冻结而成的咸水冰。但广义的海冰指海洋上一切的冰。1.2海冰的成长 首先向水平方向发展，再沿厚度方向延伸，随着时间的推移，增长速率也减慢。最初生成的海冰，是针状或薄片状的冰晶。大量冰晶的聚集和凝结，或降雪落至海面而不融化，就形成糊状或海绵状的冰。在平静或有风浪的海面，糊状冰或海绵状冰会进一步冻结，分别形成冰皮或饼冰（莲叶冰）。这类冰再增厚，就形成灰冰和白冰。有时，受风、浪、流、潮的作用，冰层相互重叠堆积，便形成重叠冰和堆积冰。1.3海冰的性质 海冰融化成液体后的盐度，称为海冰的盐度，其值为325，它与

2、海水的盐度、结冰速率和冰龄等有关。海冰密度为0.850.94克/立方厘米，略小于海水密度，所以冰块一般都浮于海面。形状规则的海冰，露出水面部分为总厚度的1/71/10。海冰表面的热传导系数为淡水冰的1/3，但厚度不到1米时和淡水冰相似。海冰的反射率为0.500.70，其抗压强度约为淡水冰的3/4。1.4海冰的分类 在冰工程上一般按其发展阶段特征将海冰分为七类：初生冰：为海水直接冻结或雪降至低温海面未被融化而成，多呈针状、薄层状、油脂状或海绵状。冰 皮：由初生冰冻结或平静海面上直接冻结而成的冰壳。尼罗冰：厚度小于10厘米，指状。莲叶冰：直接冻结或冰皮破裂而成。灰 冰：呈灰色，厚度为10-15厘米

3、灰白冰：灰白色，厚度15-30厘米 白 冰：白色，厚度为30厘米以上。2、海冰的危害 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。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。即使在一般的年份

4、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。冰区航运冰区航运原油外输原油外输冰振引起管线振动冰振引起管线振动冰振造成冰振造成JZ202 M8 JZ202 M8 井排空管断裂井排空管断裂引起天然气的喷发引起天然气的喷发冰振导致法兰松动3、海冰监测3.1海冰监测意义气象要素气象要素监测监测冰要素分析冰要素分析预警标准预警标准应急对策应急对策海冰海冰结构响应结构响应结构振动级别结构振动级别2424小时预报小时预报破冰船破冰破冰船破冰危害预测危害预测3.2辽

5、东湾海冰现场监测的发展过程海冰的物理力学性质 1990年，以前气象水文要素测量 1992年，JZ202平台建成雷达海冰监测技术 1993年锥体结构冰力测量 1995年平台响应测量 1996年，数据采集系统无线网测量技术 1996年，中南平台建成直立结构冰力测量 1997年管线振动测量 1999年，中南平台锥体改造直立结构冰力、稳态 2000年，JZ93平台建成光纤应变、位移计测量 2005年，JZ202北高平台建成减振效果测量 2005年。2006年3.3 海冰环境要素监测 海冰生消过程主要由其热力要素控制，气象条件的变化引起冰情的变化和发展，准确地确定、测量气象要素与海冰要素，可对影响海冰生

6、消的热力和动力要素进行分析，并将结果应用于海冰的数值模拟和预测中。3.3.1气象测量 气象测量是通过安装在平台上的气象站完成的。主要测量的内容包括：气温、气压、风速、风向、相对湿度、太阳辐射等。气温是影响海冰生消的主要因素；风速风向可影响海冰运动的方向和速度；太阳辐射、相对湿度等是计算热力因子的重要参数。3.3.2 水文测量 水文数据包括水温、流速流向、海平面的水位变化以及海水盐度等。海水温度是海冰的基本物理量之一，它与海洋的其它因素有着密切的关系，相互影响和制约。海水温度在时间和空间上都有着很强的变化规律。海水水温剖面的变化反映了该海域海冰的生消规律，对整个冰期内水温剖面演变过程的实时监测、

7、对海冰生消规律的深入研究以及对海冰的短期预报都有重要意义。潮流是海冰运动的主要驱动力，结构的振动对海冰的速度的影响非常敏感，准确地监测潮流和预报潮流是准确预报海冰运动以及海冰速度的关键环节之一。潮流可通过海流计进行监测，同时数值预测的结果也具有一定的参考价值。3.4海冰监测的方法 我国系统的海冰观测始于20世纪60年代初期，并相继发展了沿岸台站测量、沿岸冰调查、破冰船调查、卫星遥感和平台定点观测、航空遥感和机载监测等观测手段，并获得了大量的海冰资料。3.4.1岸站监测 我国海冰专门监测部门设立的固定综合观测站，是定点进行的海冰监测，全天候的监测十几个要素项目。不不冻冻孔孔测桩测桩式式测测量法量

8、法 图中1为桩体；2为浮架；3为桩体固定架；4为漂浮水尺；5为冰厚测尺；6为连杆固定架；7为测尺连杆；8为活塞；9为活塞手柄。将仪器安置在固定测点处，把浮架和桩体固定在冰面上即可(见上图)。平时桩体加护盖。仪器利用水的压力和浮力而处于待工作状态。在测量冰厚或水质取样时，只要打开护盖，用手柄将活塞抽出，此时由于水的压力，漂浮水尺的浮物浮出水面，漂浮水尺亦露出水面，并带动测尺连杆和测尺上升至冰层底部，此时可以从漂浮的水尺上读取冰厚、水浸冰厚等数据。该方法测得的冰厚数据准确可靠，但是仪器的安装较为困难；而且海冰流动对仪器造成的撞击震动会影响测量结果，加之只能对有限范围的海冰进行被动测量，难以获得大面

9、积海冰厚度的数据，应用的较为有限。CCD监测仪光学测量法监测仪光学测量法 根据光学成像的原理，物体与它的像是一种投影关系，而这种投影关系在小视角情况下可以认为是线性的。利用图像进行几何尺寸测量就是根据这种线性投影关系。物体成像的大小与镜头的焦距f以及物体与镜头间的距离(物距)H有关，f越大，成像越大；H越大，成像越小。而当f与H固定不变时，像的大小m就与物体的大小M成比例关系。测量原理图如下图所示。测量值以图像中的象素来衡量，以测距离为例，对比某一参照物，已知其物理长度再数出其在图像中有多少个的象素点，就可以算出每个象素点代表的物理长度，对于要测的量，测得物体在图像中的象素点即可求得其实际长度

10、该方法采用参照物标定方法，其目的是要把实际的物体尺寸与从图像上看到的物体尺寸对应起来，并找出其中的比例关系。在进行标定时不仅要记录下用于标定物体的尺寸，还应记录下标定时物体与摄像机间的距离。仰视声纳是采用声学的方法来测量周围某一运动物体，可以放置在潜水艇上或水下自动机械上，也可以固定在海中一定深度，即坐底式ULSs(upward looking sonars)。目前主要应用在海冰监测上，可以通过对其漂移的定量分析，得到冰的厚度，速度，覆盖面积，建立海冰的随机模型而获得冰层形态截面剖面，国际气候研究计划(WCRP)于1990年开始在南极用ULSs进行初步的冰厚观测。德国和挪威的研究所，在北极结

11、合了ULSs和海流剖面测速仪DCP进行了海冰漂移和冰层的流速测量。澳大利亚南极合作研究中心(ACRC)也在南极海域投放和收回了ULSs。仰视声纳测量法仰视声纳测量法 测量原理有两种，一是分别测量冰水界面和冰气界面的垂直距离，两者之差即为冰厚。ULSs固定在海中一定深度，测得声音脉冲从ULSs到冰水界面所需的时间，因为声波在水中传播速度和海水密度与盐度剖面有关，盐度剖面与海水温度剖面有关，从相应仪器得到盐度和温度分布，算得ULSs到冰水界面垂直距离。再由压力传感器得到ULSs处的静压力Pb，同时由现场测得的海水温度，盐度和压力数据计算出海水密度p，则海水深度h为:h=(Pb-Pa)/p g，(P

12、a为海面大气压)，于是海冰的吃水深度d:d=h-r(声纳与海冰的距离为r)则冰厚为t:t=d p/w(海冰密度为w)。另一种原理是测量冰的漂移，获得冰表征参数，再由统计分布联系建立冰厚与冰形态种类的关系，也能得到冰厚。测冰设备是由一台工控机、水声换能器、波形生成器、发射接收机和数据采集系统组成,系统是由平台上的操作人员通过电缆来进行控制的,一个换能器完成水声信号的发射和接收任务。当操作人员给出测量指令时,工控机控制波形生成器产生波形,并通过发射机和换能器发射出声波信号,同时工控机和采集系统开始采集换能器接收的数据并存盘,由于换能器的发射电路输出也接到换能器的接收电路,所以接收信号包含发射的信号

13、和从冰水界面反射的信号。电磁波测量法电磁波测量法 电磁波测量最早被用于地质勘探，后来发现对于冰厚测量也很有效，80年代后先是在北极海域应用于实验，随后在极区海域被广泛使用。使用的设备主要是经济型电磁感应设备(EM)和附加其上的处理模块(PM)，根据设备载体的不同，又可分为三种方式:冰面上直接放置，飞机携带和船载。EM测量采用的原理是：利用海水与海冰导电性的巨大差异来达到区分冰水界面以测量海冰的厚度信息。海水的盐度比海冰高很多，所以海水比海冰的电传导性也大的多，一般认为海水是导体，冰是绝缘体。EM发出的脉冲通过发射线圈产生了一个磁场，称作主磁场，主磁场穿透冰层后，在海水表面感应旋转电流生成了另一

14、个磁场，称作副磁场，然后被接收线圈接收到，于是副磁场与主磁场的比值可由EM下方半空间的整个外部传导性表示，如果假设海水和海冰的传导性是连续的，则该比值仅与EM放置处与海平面之间的高度有关，再把得到的海水传导性数据传送到处理模块，模块处理基于EM放置处与海平面的高度(一般用激光高度仪测量)和由EM测得的海水的表观传导性的关系，算得冰厚。电磁感应的方法适于一年生平整冰的测量，是因为其冰层竖直截面传导性很小，近似于理想模型，所以测量结果很可靠。而对其它的如：脊型冰，破碎冰等，由于其多孔性、冰混合，其竖直截面传导性就不能简单的取零，难以确定，因而用电磁感应的方法偏差较大，得到的最大冰厚值偏低。如何确定

15、复杂几何形态冰层剖面的传导性分布，是电磁感应方法进一步应用要解决的难题。此外，电磁感应仪器使用方便，通过处理模块可以实得到测得的冰厚，数据很容易获取。使用飞机和船只携带电磁波设备后，大大增加了可测量的区域。基于冰的基于冰的导电导电性性测测量法量法 利用冰的微弱直流导电性质，通过在较短冰距(l0cm)以内对冰面下各点的电压测量，得到其等效电阻。将这等效电阻与封闭模型中冰、冰水混合、水不同形态时的等效电阻范围进行比较，以确定该点海冰的实时状态；然后以计算机图形的方式来显示出海冰的生长、消融的变化。如：设计一根棒形长1.55米的接触式试验传感器，其上设置有32个触点，棒边设置一条形金属片，将试验传感

16、器的每个触点用导线引到一个32路选一的开关上，开关总出线接一个分压电阻，电阻另一端接地。将测量传感器装置竖着放入垂直的冰洞中进行冻结后，给传感器金属片上加5伏直流电源，这样电源就通过冰介质在通过多路开关后与接地的分压电阻构成回路。如果将金属片与每一个触点间的介质冰看作等效电阻，利用电子技术中的串联电路分压原理可测量出每个触点的电压值，采用单片机技术对每一个触点的电压进行自动测量并存储，通过专用软件推出被测冰层的直流等效电阻(或电导)值。然后将各点的等效电阻值与该点在冰面下的距离一一对应，即可分析冰晶体的直流导电性以及冰厚数据。由于对电信号在水中传播的特性十分复杂，上述方法只是用到了水中有导电离

17、子和水具有导电特性的理论，但是电信号具体的传播特性以及不同的电信号又是一种什么情况并没有考虑；由于冰晶体的特性、系统的震动以及工作环境的影响，如：空气中结霜会对传感器的测量造成误差，所以系统的一些方面还需要进一步改善以提高测量数据的准确度。动车雷达法动车雷达法 利用安装在车上的雷达，快速测量冰厚是一种较为有效的方法；它可在运动过程中对海冰直接进行测量，虽然这种设备的功率比安装在飞机上的功率低，但其价格不太昂贵，且精确度高，分辨率足够、能够高效率的对雷达有效范围内的海冰进行厚度测量。在雪地车行驶过程中，可获取冰厚纵向剖面图。但是雷达探测具有一定的局限性，对探测对象(海冰)的状态要素要求较高，且受

18、环境等外部条件的制约和影响，误差率较大，需要进一步改进雷达系统中发射机的工作频率、发射脉冲的波长以及测量方法，提高测量精度。雷达雪地车的组成部分主要包括:发射机，接收机，发射机天线、接收机天线和雪地车等。这些设备安装在雪地车的侧面支架上，记录器和信号处理设备安置在行李架上，控制台在驾驶室内。雷达测量海冰厚度范围：10300cm；均方测量误差：不大于7.5%；雷达工作电压：1114V；雷达功耗：(车上蓄电池组供电)40W；雷达工作环境温度：400；雪地车车速：40Km/h。海冰厚度采用下面的公式计算：HC(T2-T1)/2E1/2 (1).H为测量冰厚。(2).C为真空中光速。(3).T2和T1

19、分别为电磁波从海冰下上界面反射回来的时间。(4).E为海冰的介电常数，取3.17。(5).时间差值(T2-T1)在采用具有宽频谱的调频信号时，用频率法确定。在俄罗斯各不同地区，GR-115型雪地车已被用来进行大规模的冰厚调查。在各种不同的冰层和雪层条件下，对手工钻孔得出的实际测量值与雪地车自动记录器上的冰厚测量数据进行比较，发现该设备的误差约为57%。试验发现，数据误差主要来源于冰层上雪的覆盖，这种情况使读数产生正漂移，并增加随机误差的分量。特别是当气温在零度以上时，用雷达测量冰群密集区域的浮冰，或者当冰上的积雪融化成水分，以及在冰上和积雪之间出现一些水的时候，电磁波在湿介质中会产生强烈的衰减

20、这些因素都会使冰厚的测量结果产生更大的误差，甚至达到10%。3.4.2沿岸冰调查 破冰船调查是按照预定的路线或站位进行海冰观测，包括冰厚、冰类型和密集度等，并将调查结果列于特定表中或绘于地图上，通过国家海洋局专门设立的固定综合观测站，每天08：00和14：00进行定点海冰观测，同时对流速、流向、盐度、水温等水文要素和气温、风速、风向、天气情况等气象要素进行观测和记录。这种方法对测量较薄的冰是很有效的。但由于环境条件的限制和时间、空间的约束，该法的实施与操作都比较困难，而且只能对有限的海冰进行测量，大部分的海冰厚度资料并不能完全掌握，因而并不能满足人们想要大范围、实时且准确的掌握海冰资料的想法

21、但此法的数据精确度和可信度高，可以被用来作为其他海冰测量方法的标定手段，以改进和提高其他方法的精度，有较大的实际意义。3.4.3船舶海面监测3.4.4航空遥感和机载微机监测 航空遥感与其他常规海冰厚度测量手段相比，具有机动灵活、覆盖范围广的特点，同航天遥感相比，其空间分辨率高，能够满足局部海域海冰探测的需求。在海监飞机上可搭载机载微波辐射计、雷达散射计等仪器，用于辽东湾海冰观测，克服星载微波辐射计、雷达散射计高时间分辨率、低空间分辨率的缺点。其中，机载微波辐射计可用于辽东湾海冰厚度的探测。我国在这方面也开展了相应的研究，研制和开发了多种不同波长的机载微波辐射计，进行多次渤海海冰厚度探测实验。

22、我国“十五”863 课题“航空遥感多传感器集成与应用技术系统”在海监飞机上搭载了微波辐射计、微波散射计、机载成像光谱仪和激光雷达等设备，其中机载微波辐射计主要用来反演海冰厚度。下图为装载于机腹处的 8mm 成像微波辐射计及机械扫描转台驱动设备与搭载的海监飞机。搭载设备的海监飞机微波辐射计及机械扫描转台 原始的辐射计获得数据是一个 118 列的二维图像，利用辐射计定标方程得到亮温图像。由于辐射定标后的亮温图像中存在斑点噪声，在反演海冰厚度之前需要经过图像噪声消除。图像数据在滤波之后，利用 36GHz 机载微波辐射计海冰厚度反演计算公式：H=1/ClnB/(A-Tb)参数为：A=245.8，B=6

23、7.2，C=0.256,Tb 为机载微波辐射计的亮温。合成孔径雷达（SAR）航空遥感监测特点：SAR是一种现代高分辨率成像雷达，它将合成孔径技术、脉冲压缩技术和数字信息处理技术三者结合运用，使用较短的天线，获得方位和距离两个方向的高分辨率。将其装在飞机上即能产生几十公里、几百公里外大面积的二维雷达海冰图像，这是一般雷达和真实孔径雷达望尘莫及的。具有高分辨率、高信噪比、全天时、对云层穿透力强的特点。1989年年2月辽东湾机载合成孔径雷达海冰图像月辽东湾机载合成孔径雷达海冰图像3.4.5卫星遥感监测 海冰航空遥感观测以从传感器分类，可分为光学遥感探测和微波遥感探测；从传感器平台来分类，可分为星载传

24、感器、航空及陆基传感器。光学遥感一般是被动遥感，接收的电磁波辐射源是地物对太阳光源的反射和散射。电磁波波长主要分布在可见光、近红外区域。由于采用了多光谱，它获取的信息比航空像片多的多。不同的波段对不同的目标有不同的辐射。目前可利用的卫星资料越来越多，空间分辨率从米级到千米级，时间周期从几小时到几十天，空间尺度可以从几十公里到几千公里。微波遥感属于主动遥感。微波遥感是新型的对地观测手段，与光学遥感相比，微波遥感器有其独特的优越性:它不受云、雷、雨的限制，可以全天时、全天候工作。遥感技术发展之初，光学遥感技术占据着主导地位，此时的传感器多为可见光和红外波段。对于光学遥感图像来说，海冰厚度是通过反射

25、率来反演计算，不同类型和冰龄以及厚度的海冰反射率不同。以HY-1卫星为例，在其COCTS和CCD通道中，找出对海冰厚度分辨率高，反照率范围大的通道，其反照率的平均值用于冰厚反演，确定几个冰厚值对应的反照率，并在反照率冰厚图上把这几个点连接起来得到所有的反照率和冰厚的对应关系。由下图可见，通过多次试验得到几个冰厚值所对应的反照率，然后分段以线性内插的方法得到所有反照率和冰厚的对应关系。海冰COCTS反照率随冰厚变化曲线 对于CCD通道，同样找出与海冰对应的反照率范围最大且卫星图像显示出较好层次感的通道，把此通道用于CCD的冰厚反演，类似于COCTS冰厚反演方法。2002年12月19日海洋1号水色

26、水温 扫描仪反演图像2002年12月19日海洋1号海岸带成像仪反演图像2002年12月19日海洋1号水色水温扫描仪反演海冰密集度2002年12月19日海洋1号海岸带成像仪反演图像 该方法能够获得大范围内海冰的厚度信息，然而其准确度还需要进一步提高，而且难以得到某时、某点的即时冰厚数据，且受云、雾等环境条件制约。3.4.6雷达海冰监测系统 雷达海冰监测技术系统主要包括雷达系统、海冰雷达图像记录仪、远程海冰数字监测仪和高分辨率的系统显示数据处理终端。该系统能够实时识别海冰类型，实时确定流冰的分布状态、流冰密集度以及海冰的表面状态；能够实时监测并确定流冰的运动速度、流冰的运动方向、流冰的厚度以及冰间

27、水域参数等要素信息，并通过海冰数值图像显示仪将现场监测的实时画面通过卫星直接传递给陆上调度指挥中心，及时准确的提供现场海面的流冰分布动态，为冰区内油轮作业安全提供保障。雷达波段：X波段；波长：3cm；波束宽度：水平0.8度，垂直25度；发射功率：10kW。海冰雷达图像记录仪采速：20，10，5MHz；幅度分层：12bit；采幅：PPI显1024*768；B显示2048*6540；精度：象素点15m*15m；全自动图像采速：1幅min。雷达海冰监测系统框图雷达海冰监测系统框图摄像头解码器视频服务器计算机图像处理网桥网桥视频服务器解码器摄像头有线传输无线传输远程海冰数字监测仪系统框图远程海冰数字监

28、测仪系统框图雷达系统天线（左）雷达系统天线（左）雷达图像记录仪（右）雷达图像记录仪（右）远程海冰数字监测仪（下）远程海冰数字监测仪（下）3.4.7冰厚测量仪 采用超宽带雷达技术，发射窄的探测脉冲，可将空气、海水、海冰三个界面分开，进而得出较准确的现场海冰厚度。冰厚测量仪冰厚测量仪平 台H1H2雷达冰厚仪海冰厚度=H2H1冰厚测量仪原理图冰厚测量仪原理图雷 达通讯接口A显示器计算冰厚度计算机冰厚测量(软件包)（软件包）打印机海 冰冰厚测量记录仪系统框图冰厚测量记录仪系统框图数据传输3.4.8 振动响应测量系统 海冰连续碰撞海上工程点，不但会对工程点造成危害而且会使外业工作人员感受到强烈的振动，使

29、人产生疲劳和强烈的生理不适，并引起工作效率低操作失误等潜在危险。所以测量结构物的振动显得尤为重要也是海冰监测的重要因素。JZ93MDP平台上平台上的振动的振动冰振下人员感受的评估与预警标准振动对人影响的主要因素振动对人影响的主要因素及感受量值及感受量值振动的方向振动的方向振动的时间振动的时间振动的频率振动的频率振动的加速度振动的加速度人员感受标准人员感受标准 (4(4小时）小时）.舒适性降低界限舒适性降低界限 10 gal10 gal.工效降低界限工效降低界限 35 gal35 gal.暴露界限暴露界限(健康或安全界限健康或安全界限)70 gal70 gal4、海冰预测长期预报、中期预报、短期

30、预报长期预报、中期预报、短期预报 （年度）（年度）（10天）天）（2448小时）小时）短期预报短期预报历年统计预测历年统计预测现场经验预测现场经验预测数值模式预测数值模式预测4.1经验预测 冰速变化：冰速由潮流控制，即冰速即为流速；强风速作用下，考虑其对冰速的影响。当风速达15m/s以上时，主要由风速控制；周期性：在一般情况下，油气作业区的冰情会相间12小时往复出现。冰类型变化：一般情况下，冰类型在48小时内无太大变化，平整冰、莲叶冰、碎冰、重叠冰相对稳定；在强南风持续作用下，风浪或涌浪产生，此时会将平整冰转化为碎冰。持续南风，海冰动力消失；南风停止，产生冻结碎冰；在强北风持续作用下，一般伴随降温。此时重点考虑沿岸冰的下移，以及在下移过程中的运动特点：路过，还是徘徊。冰厚变化：一般情况下，冰厚变化平缓。热力增厚趋势较缓，热力作用下的冰类型变化伴随动力消融；冰厚变化一般伴随冰类型的变化；特别关注局部厚冰，即沿岸冰下移过程中的运动规律。4.2数值跟踪预测 根据现场气象、水文和海冰要素，对冰漂移进行数值模拟跟踪计算，得出了较好的效果。12小时跟踪预测图小时跟踪预测图12小时跟踪预测图小时跟踪预测图