渤海海冰演化的三维数值模型

基于非结构化网格、有限体积三维海洋模型FVCOM建立了海洋-海冰耦合的渤海海冰数值模拟系统.模型中考虑了海冰动力过程和海冰热力过程,讨论了适合渤海的冰厚度分类规则、临界冰厚、短波辐射在冰内的透射率以及冰的热传输系数的合理取值.利用美国国家环境预报中心(NCEP)一小时一次的再分析气象数据作为驱动对2003—2004年冬季渤海海冰过程进行了模拟.模拟的渤海温盐计算值与实测值吻合较好,模拟的渤海冰盖分布与同期卫星遥感结果接近,模拟的辽东湾初冰日、终冰日的海冰面积、海冰厚度及其最大值和最大值对应的时刻与实测值基本一致.模拟与实测结果对比表明,建立的三维海冰数值模型能比较合理地反映渤海动力过程、气象条件影响下的温盐场过程以及渤海海冰的生消演化过程,具有较高的计算精度和计算效率,适合用于渤海海冰中长期数值模拟.     

DUT-1非冻结合成模型冰物模技术及应用

基于渤海海水的物理和力学特性、海冰物理模型试验的相似理论以及国际上已有模型冰的经验,较成功地研制出一种用于模拟我国渤海海冰的非冻结可破碎功能材料－－DUT－1模型冰。该模型冰采用聚丙烯粉、水泥、塑料微珠等材料,加入一定量的水、由特制的搅拌机搅拌均匀倒入模具后成型制成。利用DUT－1模型冰材料,在实验室常温波流水槽中进行了冰排在波浪作用下的断裂、冰排对直桩及锥体结构物结构作用的物理模型试验。通过对试验现象的观察,对实验结果的综合分析、对相关理论及经验公式计算结果的比较,证明DUT－1非冻结合成模型冰材料物模实验技术有较好可靠性。     

基于海洋石油平台的海冰监测系统

【目的】有效监测渤海辽东湾海冰状况,指导破冰船破冰,保障冬季冰期海洋石油平台的安全生产。【方法】在辽东湾石油平台上构建海冰测量系统,利用视频测冰技术、视频冰速测量技术及气象观测多种手段,在2011—2015年度连续4年冬季冰期观测平台周边海冰形貌、范围、运动轨迹,并对监测数据进行分析,给出24h海冰预报。【结果】基于海洋石油平台的海冰监测系统对海冰冰量、冰厚、冰速、冰类型监测数据准确,通过数据分析可以对海冰实施年、月、周、24h预报,短期预报与实际情况基本相符合,其中24h预报准确率在95%以上。【结论】基于海洋石油平台的海冰监测系统是一套运行可靠的监测系统,能准确地观测海冰的运行趋势,为冬季渤海辽东湾的抗冰活动提供指导。     

航海雷达识别与跟踪海冰试验

在辽东湾某座石油平台上安装了监测海冰的航海雷达。首先对该雷达探测与识别海冰的效果进行了试验。结果表明,它可识别莲叶冰、平整冰、粗糙冰与冰脊,其识别能力主要与雷达性能、天线高度以及海冰表面粗度有关;为了增大雷达对海冰的探测距离,在平台顶部架设了天线塔,使天线高度达到５５ｍ;该雷达系统有对海冰连续跟踪的能力,可为研究海冰生消和运动规律提供依据,同时也是局部海冰实时监测与海冰管理的有力手段。     

渤海辽东湾海冰条件的概率分析

本文利用辽东湾海域及其沿岸台站多年的海冰观测资料和有关气象资料,对该海域的海冰条件以及相应的气候规律进行了概率分析、研究了辽东湾南北两个分区的划分、冰厚与气温的关系、冰厚的极值概率分布、太阳黑子数以及El Nino现象对渤海冰情的影响及其长期变化的规律,得到一些可供辽东湾抗冰平台设计参考的数据和结论。     

冰海抢险记

1969年初,一场历史上罕见的寒流从西伯利亚南下,席卷我国东北、华北地区。 2月上旬以来,风雪交加的渤海湾气温急剧下降。滦河的大量冰块倾泻到渤海,与入海口处的冰层及海中的浮冰抱成一团,越积越多,致使一向船舶穿梭、生机勃勃的渤海湾,一下子变成了一个偌大的冰场,大至万吨巨轮,小至舢舨的数以千计的船舶,被老天爷死死钉在这个大冰盘上,进不得     

大自然的奇观——海冰

冰,晶莹洁白,人们见得多了,也就不以为奇了;海冰,能见到的人恐怕就比较少了.8～9月,正是南大洋海冰最多的时期;10月以后,北半球高纬度的海区,海冰也逐渐增多.世界上有多少幸运儿,能在那种地方欣赏到它们的雄姿呢?     

渤海海域海冰严重灾害的灰色预测

根据１９６０－１９９５年间渤海海域的海冰灾害的实际观测资料，建立了信息ＧＭ（１，１）模型，并在此基础上又分别对ＧＭ（１，１）灰色预测模型提出新的改进型预测模型，并运用改进型的预测模型对渤海海域的海冰严重灾害进行预测，据预测未来可能发生的两次海冰严重灾害为２００３年和２０１１年。     

北极海冰缩减对海洋生物的影响

在全球气候变暖以前,北冰洋上冻结着厚厚的坚冰。那时北冰洋的绝大部分常年被海冰覆盖,95%的海冰是多年冰,只有靠近海岸的一些海域夏季会发生海冰融化。全球气候变暖后的20世纪,北极海冰范围没有明显变化,但海冰厚度缩减了近一半,为后来的海冰大范围消融创造了条件。     

雷达海冰监测系统与数值预报技术在辽东湾冰区作业中的应用

利用航海雷达在辽东湾冰区石油平台上,现场实时进行海冰观测;雷达监测海冰系统,针对海冰类型识别及对应冰厚度、流冰漂移速度、方向、冰边缘线等要素进行观测;应用统计模式分类法,对雷达观测的海冰数据进行分类、验证,其海冰分类识别结果标准率达80％以上,同时开展现场流冰跟踪数值预报业务,检验了现场雷达海冰监测、数值预报的可行性和应用性．     

冬季覆盖海冰条件下海冰消融过程水盐变化分析

众多国家和地区对非常规水源利用一直给予研究和重视。冬季海冰覆盖条件下,融水质量变化特征不同于常规灌溉,研究和掌握其规律对咸水冰资源综合利用十分重要。利用冬季室外冰柱、土柱实验,以实时监测海冰消融全过程为手段,深入分析冬季覆冰条件下海冰融水水量及总盐动态变化。实验结果表明:融水量最大值出现在下午15时左右;覆盖海冰条件下,海冰消融入渗过程分为集中排盐、深度脱盐、淡水入渗三个阶段。实验结果可为冬季覆冰或咸水结冰灌溉提供技术参考。     

基于SPH方法的渤海海冰动力学数值模拟

简要介绍了光滑质点流体动力学 (smoothed particle hydrodynamics,简称SPH) 方法的基本原理,并将此方法应用到渤海海冰动力学数值模拟中. 在对海冰动力学方程和粘弹塑性本构方程进行SPH处理的基础上,对渤海海冰的动力演化过程进行了48 h的数值模拟,得到了海冰厚度、密集度、速度和主应力的演化过程及分布规律,同时对模拟的海冰厚度等值线分布与卫星遥感图像进行了对比分析. 数值模拟结果表明,SPH能够精确地模拟海冰分布规律以及冰缘线的位置,具有很高的计算精度和稳定性,是一种有效的海冰动力学数值模拟方法.     

船载雷达海冰监测及预报技术在辽东湾冰区油船外输作业中的应用

介绍了在国内首次利用船载雷达，在冰区石油平台上，现场采用雷达海冰监测预报技术系统，进行雷达海冰图像数值化处理，得到流冰类型、冰厚度、流冰密集度、流冰速度、方向、流冰漂移轨迹等要素．同时首次现场实时计算出雷达冰漂流场矢量图，并开展了雷达海冰数值跟踪预报，在冰区油船外输作业中得到很好应用．为船载雷达在海洋监测预报技术和环境工程的应用提供科学依据．     

冰激动载荷下自升式平台桩腿结构的安全评估

为了保证自升式平台冬季在冰区海域安全作业,应对桩腿结构在动冰载作用下的强度进行评估。应用ANSYS软件建立自升式平台和冰相互作用的仿真计算模型,实现了自升式平台结构的冰激瞬态动力分析,提出冰激动载荷下平台桩腿的静强度和疲劳强度校核的计算流程。对渤海某自升式钻井平台桩腿进行了强度校核,计算出不同海冰参数下平台桩腿的冰激疲劳损伤。计算结果表明,该平台的桩腿在冰激动载荷下的强度满足安全要求,冬季继续在冰区海域进行钻井作业是可行的。     

冰柱冲击问题的数值仿真分析

为研究近场动力学(PD)方法在冰力学行为领域的应用特性及在冰破坏数值预报过程中的参数敏感性,采用常规状态型近场动力方法系统地计算分析了冰柱冲击破坏过程,并进行了参数敏感分析.结果表明：该方法模拟冰冲击过程与试验对比结果基本一致,在选定的时间步长和粒子间距下本文的计算结果收敛.海冰冲击速度、泊松比、弹性模量对海冰冲击过程影响明显,而海冰尺寸和断裂韧度对冲击过程影响较小.文章创新之处在于将状态型PD方法应用于海冰冲击问题中,弥补了键型PD方法限制海冰泊松比的缺点.     

2010年1月渤海海冰成因分析

通过对2009—2010年冬季大气环流资料的分析发现:①混合厄尔尼诺年西太平洋高压减弱,东亚大气经向型环流的加强,冬季冷空气活跃气温降低,北方雨雪偏多,是渤海冰情加重主要原因。②极涡的变化是影响我国冬季天气气候特征变化的重要因素,北极涛动负相位将极地冷空气挤向中纬度地区;对渤海气温降低及海冰生成起着直接作用。③混合厄尔尼诺和"拉马德雷""、冷位相"加强了北半球的经向环流,使西太平洋副高减弱,导致极地冷空气长期影响东亚地区;1月渤海有负距平中心,冷空气长时间控制渤海地区,导致渤海严重冰灾。     

冰激动载荷下自升式平台桩腿结构的安全评估

为了保证自升式平台冬季在冰区海域安全作业，应对桩腿结构在动冰载作用下的强度进行评估。应用ANSYS软件建立自升式平台和冰相互作用的仿真计算模型，实现了自升式平台结构的冰激瞬态动力分析，提出冰激动载荷下平台桩腿的静强度和疲劳强度校核的计算流程。对渤海某自升式钻井平台桩腿进行了强度校核，计算出不同海冰参数下平台桩腿的冰激疲劳损伤。计算结果表明，该平台的桩腿在冰激动载荷下的强度满足安全要求，冬季继续在冰区海域进行钻井作业是可行的。     

基于实测冰芯数据的南极海冰厚度的数值模拟

根据我国第22次南极科学考察现场观测数据以及现场采集的冰芯分析数据,考虑太阳辐射、云量等因素对南极海冰厚度变化的影响,利用最小二乘法辨识气温与冰表面温度之间的关系,并以辨识结果所得到的冰表面温度作为上边界条件,依据实测情况取结冰点-1．81℃作为下边界条件,对一维热传导方程采用Crank-Nicolson格式进行离散,对南极中山站内拉湾附近海域海冰厚度变化进行了数值模拟,并与现场观测的海冰厚度数据进行了对比。     

海冰在单轴压缩下的韧-脆转化机理及破坏模式

海冰的破坏模式在不同加载速率下呈现出韧-脆转化特征.为研究海冰的韧-脆转化机理,本文对渤海东北部海域的平整冰进行了现场单轴压缩试验.该试验采用的海冰为典型的h2型柱状冰,其盐度变化范围为5.5‰–7.4‰,试样温度在–15°C至–18.3°C之间.试验中对几何尺寸为50 mm×50 mm×107 mm的长方体试样施加垂直于生长方向的压缩载荷,由此得到海冰在不同加载速率下的单轴压缩强度.在试验过程中所采用的应变率区间为4.5×10~(–5)–7.5×10~(–3)s~(–1).由于在不同加载速率下海冰应变率的不同,海冰呈现出3种不同的破坏模式:在加载速率较低时,海冰强度随加载速率的提高而增大,海冰中裂纹尖端的应力集中通过蠕变作用释放而抑制了裂纹扩展,最终呈现为韧性破坏模式;当应变率在9×10~(–4)–5×10~(–3)s~(–1)区间时,海冰内部的裂纹能够沿主轴方向稳定生长并产生贯穿整个试样的主裂纹,形成劈裂破坏,海冰则呈现为韧-脆转化破坏;当加载速率较高时,海冰试样的裂纹尖端无法稳定生长而产生斜向裂纹并构成碎裂破坏,海冰则呈现为脆性破坏模式.以上试验结果还表明,每种破坏模式均有与之对应的强度-应变率关系,且海冰在不同应变率下的破坏模式决定了其单轴压缩强度特征,是其发生韧-脆转化的主导因素.此外,本文还对海冰在不同加载速率下等效弹性模量的变化规律进行了讨论分析.     

极区船舶及海洋结构冰荷载的离散元分析

 冰荷载是影响极区船舶及海洋结构振动响应和疲劳寿命的重要因素。针对海冰的离散特性,分别采用具有黏结-破碎效应的球体单元、扩展圆盘单元以及基于闵可夫斯基和方法的扩展多面体单元构造海冰离散单元模型,分析了船体、固定式、自升式以及浮式海洋结构的冰荷载特性及分布规律。此外,为计算海冰作用下海洋结构的振动响应,建立了相应的冰激结构振动的离散元-有限元模型。在上述基础上自主研发了基于图像处理单位（GPU）并行算法的海冰离散元软件（IceDEM）,实现了对船舶以及海洋平台结构冰荷载离散元分析的大规模计算。