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.     

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。     

不同盐质量浓度海冰水灌溉对土壤盐分及棉花产量的影响

以棉花为种植对象,连续2年进行了不同盐质量浓度海冰水灌溉试验,分析了不同盐质量浓度海冰水对棉花产量、土壤空间盐分动态运移变化以及棉花光合特性的变化.结果表明:利用本试验设定的不同盐质量浓度的海冰水灌溉,其棉花的产量都比对照要高,说明利用一定盐质量浓度海冰水灌溉能够缓解滨海盐碱地区的干旱问题.利用3 g.L-1的海冰水灌溉,对棉花的增产显著,同时又不会对滨海盐碱地土壤发生次生盐渍化,因此对滨海盐碱地来说,宜采用该盐质量浓度的海冰水灌溉棉田.在本试验设定的几个不同盐质量浓度的海冰水中,利用3 g.L-1的海冰水灌溉,棉花的气孔导度、净光合速率及细胞间CO2体积分数均达到最高水平,这是其能使棉花增产的部分原因.     

海冰强度对应变速率敏感性及其演化模式

海冰对应变速率变化较敏感,在不同应变速率范围内可表现出不同的力学行为和强度特性.如辽东湾海冰在低应变速率下(ε.<1.0×10-3s-1),表现为连续体特征,其变形行为符合流动定律;在高应变速率下(ε.>3.0×10-3s-1),表现为脆性体特征,强度特性可用断裂力学理论描述;在韧-脆转变的范围内(1.0×10-3s-1<ε.<3.0×10-3s-1),海冰强度达到最大值.因此在不同应变速率段,海冰强度具有不同的本构模型.用海冰演化模式对辽东湾海冰(T=268K,d=7.0mm)进行了数值计算,结果与实验值十分吻合,说明该演化模式是有效的.     

海冰在波浪中纵向运动的试验研究

为了研究海冰与波浪的相互作用,以单块非冻结模型冰为基础,通过试验研究了独立海冰的纵向运动,并与斯托克斯漂移进行对比.结果显示:海冰的纵向运动包括纵向平移运动和纵摇运动,平移运动可以分解成纵向的漂移运动及纯粹的纵荡运动;海冰的厚度、波长及波陡都会在一定程度上影响海冰的纵向运动.通过计算发现斯托克斯漂移与试验测量值随波陡的变化规律是一致的.     

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.     

南极海冰总覆盖范围与面积的不确定性研究

目前,被动微波遥感数据已经成为提取极区海冰密集度的重要手段,其获取的海冰密集度产品不可避免的存在误差,这样的误差进而会引起南极海冰总覆盖范围和总覆盖面积的不确定性.利用蒙特卡洛方法对海冰密集度产品进行误差的模拟,对随机模拟影像进行统计分析,利用变异系数等指标量化随机误差带给南极海冰总覆盖范围和面积的不确定性.实验发现,当海冰密集度误差较小时,海冰覆盖范围的不确定性相比面积更大;当误差较大时,结论则相反.并且两者的不确定性都与分辨率和季节有关,分辨率越高,不确定性则越小,冬季比夏季的不确定性要小.     

冬季北极海冰面积异常与中国气温变化之间的年际关系

利用1957-2001年冬季的北极海冰资料、中国160站气温资料以及NCEP再分析的大气环流资料分析了冬季北极海冰面积异常与中国气温变化之间的年际关系.过去44年来,北极海冰面积总体上具有减小趋势(鄂霍次克海是例外,那里海冰面积有增加趋势),相应地北极涛动趋于增强,我国大部分地区趋于增暖.叠加这种趋势变化之上的是年际变化.在年际时间尺度上,冬季海冰变化的主要空间型表现为格陵兰海和白令海的海冰异常总是和鄂霍次克海、巴伦支海东部、喀拉海(新地岛附近)以及哈得孙湾的海冰异常符号相反,并且与500 hPa高度场上的EU和WP型遥相关对应.当冬季格陵兰海和白令海的海冰异常偏少,而鄂霍次克海、巴伦支海东部、喀拉海(新地岛附近)以及哈得孙湾的海冰异常偏多时,西伯利亚高压和阿留申低压都偏弱,冬季风减弱,东亚西风增强,我国冬季大部分地区温度升高;反之亦然.     

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.     

浅水区斜坡人工岛海冰危害及减灾措施

为减轻海冰对斜坡人工岛的灾害性影响,经过现场调查和分析,揭示了由于大面积冰盘的能量使其一部分与斜坡人工岛发生作用而产生爬坡、破坏和堆积现象,确定了斜坡人工岛前海冰堆积体的形状.现场调查和物理模型试验结果表明,采用曲面破冰结构诱导海冰在斜坡人工岛前形成堆积体,可以增加海冰接触人工岛的能量消耗,降低海冰对斜坡人工岛的危害.     

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．     

直立腿海洋平台冰激振动响应参数敏感性分析

为研究直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰参数的敏感性,考虑海冰参数值的发生概率,设计三因素-五水平正交模拟方案.根据冰荷载功率谱密度函数,采用简谐波叠加法生成冰荷载时程数据,使用SACS软件建模,计算结构动力响应,并进行极差分析、方差分析和相关性分析.研究结果表明:直立腿海洋平台冰激振动响应对海冰漂流速度的敏感性可忽略不计,对海冰强度和冰排厚度的敏感性较高,并且对海冰强度的敏感性要低于对冰排厚度的敏感性;冰厚对最大基底剪力影响最大,对最大倾覆力矩影响最小;强度对最大倾覆力矩影响最大,对顶层加速度影响最小.研究结论可为冰区海洋平台的设计提供一定的参考.     

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.     

南极海冰导热系数优化辨识

根据我国第22次南极科学考察现场调查数据,建立了辨识海冰导热系数的参数辨识模型,依据海冰导热系数依赖于其温度盐度的变化关系,拟合得到了三种海冰导热系数依赖于温度盐度的函数关系.通过遗传算法对该优化辨识模型进行了数值求解,用辨识出的最优导热系数与目前通用的海冰导热系数经验公式分别对我国第21次南极科学考察观测温度数据进行数值模拟,模拟结果表明本文构造的辨识模型是正确有效的,辨识结果可供南极海冰数值模拟者参考.     

海冰对单柱式桥墩非线性地震反应的影响

用简化的附加水质量模型考虑动水压力对桥墩的影响,用动冰力模型考虑冰与桥墩的相互作用,建立了冰水域单柱式桥墩地震反应的动力计算模型,并利用时程分析法研究了在不同类型地震作用下海冰对桥墩非线性地震反应的影响.桥墩的最不利反应一般发生在海冰质量为5×106～5×107kg,可作为桥墩设计时的海冰质量;且墩底截面出现最大曲率时对应的海冰质量随着水深的增大而变大.有冰时墩底截面曲率延性需求系数、墩顶最大位移和墩顶残余位移比无冰时增大数倍,墩底截面弯矩–曲率滞回曲线呈倒"S"型更显著,桥墩的变形和耗能能力显著下降.同时,与近场地震波作用时相比,远场地震波作用下海冰对单柱式桥墩顶部最大位移和残余位移的影响更大.     

海冰厚度测量方法及仪器的应用研究

为更好地在辽东湾开展雷达海冰监测、预报技术服务,专门研制出雷达冰厚测量记录仪来测量海冰厚度.通过现场实时的海冰厚度测量试验,对雷达冰厚测量记录仪的可靠性和应用性做出了分析和校正.实验结果表明,雷达冰厚测量记录仪样机整体性能良好,现场标定雷达冰厚测量准确率大于87.5%,样机填补了国内空白.     

破冰之旅

淡水结冰,这是司空见惯的事情,但海水结冰,就很少能有人看到。每年12月份,在我国黄海和渤海部分海域,就有大面积的海冰形成。海水大面积封冻,直接影响我国的经济建设。上个世纪,黄、渤海分别于1937年、1969年和2000年底发生过三次大封冻,而且尤以1969年封冻最为严重。那次整个渤海湾几乎成了一个完整的大冰盘,海上堆积冰最厚处达两米。进出天津港口的123艘轮船中,有37艘被海冰封冻、搁     

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。     

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。     

2030年夏季北冰洋将无冰?

北极海冰每10年减少11.5%观看介绍海冰一年当中增加和减小的电影,有点像看肺部吸气和呼气一样。在秋季和冬季的几个月中,北极海冰稳步扩展,直至达到最大范围;一般在3月,海冰从某个地方开始减少,通常在9月减到最小。