海冰災害及監(jiān)測預警報技術

海冰災害及監(jiān)測預警報技術

2018年11月23日主要內容海冰概況1）海冰基本概念2）我國的海冰海冰災害1）海冰的主要危害形式2）我國歷史海冰災害海冰監(jiān)測和預報預警1）監(jiān)測手段2）預報預警技術3）預警報產品和服務海冰概況海冰基本概念定義：海中一切冰的總稱。由海水凍結而成的冰，進入海洋中的大陸冰川（冰山和冰島）、河冰等海冰的形成和發(fā)展：水溫、氣溫、鹽度、水深、凍結核一年冰（只經歷一個冬季）和多年冰（至少經過一個夏季不融化）

渤海由遼東灣、渤海灣、萊洲灣和中央海域組成

渤海位置

南西北三面陸地包圍，東通過渤海海峽與黃海相連。渤海水淺平均深度18米，最大深度78米。我國的海冰●緯度最低結冰海域渤海位于37°N～41°N，是我國唯一結冰海域，也是全球緯度最低的結冰海域。●渤海的冰情渤海和黃海北部每年的冰情隨冬季氣候的變化而有差異。暖冬，海冰覆蓋范圍不足海域（7.7萬km2）的15%，而嚴寒冬季，冰覆蓋海域面積80%以上。11月中旬至12月初期間，海冰在渤海北部開始形成，而后向南擴展。2月中旬至3月中旬渤海南部的海冰開始融化。渤海冰期約3-4個月。

初生冰（針狀、油脂狀）冰皮（5cm左右）海冰初始階段的總稱。由海水直接凍結或雪降至低溫海面未被融化而生成的，多呈針狀、薄片狀、油脂狀或海綿狀。

由初生冰凍結或在平靜海面上直接凍結而成的冰殼層，表面平滑、濕潤而有光澤，厚度5cm左右，能隨風起伏，易被風浪折碎。

尼羅冰（小于10cm)蓮葉冰（小于10cm)

直徑30～300cm，厚度10cm以內的圓型冰塊，由于彼此互相碰撞而具有隆起的邊緣，它可由初生冰凍結而成，也可由冰皮或尼羅冰破碎而成。

厚度小于10cm的有彈性的薄冰殼層，表面無光澤，在波浪和外力作用下易于彎曲和破碎，并能產生“指狀”重疊現象。

灰冰（10－15cm)灰白冰(15－30cm)白冰（大于30cm)2009-2010冬季海冰實況分析動畫1969年3月5日92832Km2

1991年1月29日16608Km2

1982年1月31日39072km2輕冰年（<15%）常冰年重冰年

(>80%)

暖冬，海冰覆蓋范圍不足海域的15%，嚴寒冬季，冰覆蓋海域面積80%以上。渤海冰期約3-4個月。特點：1)北部冰重，南部冰輕。2)岸邊冰重，海中冰輕。3)遼東灣東岸冰重，西岸冰輕。海冰災害海冰的主要危害形式封鎖港口、航道損壞船只破壞海洋工程建筑物和各種海上設施威脅海上安全生產作業(yè)和人員安全影響海洋漁業(yè)生產我國歷史海冰災害1969，重冰年,渤海冰封，平臺被推倒，航運中斷。隨后的70－80年代均有不同程度的海冰災害發(fā)生。1996，偏輕冰年，2月3日18時一艘2000噸級外籍油輪受海冰的碰撞，在距鲅魚圈港37海里附近沉沒，4人死亡。2000和2001，偏重冰年，海冰危及渤海石油平臺，遼東灣北部港口處于封港狀態(tài)，秦皇島港冰情嚴重，港口航道燈標被流冰破壞，海上航運中斷。2006，偏輕冰年，2005年12月底－2006年1月萊州灣遭遇了繼1969和1980年后20年未遇的嚴重冰凍。萊州灣底沿岸多個港口處于癱瘓狀態(tài)，冰情給海上交通運輸、海岸工程和沿海水產養(yǎng)殖等行業(yè)造成嚴重危害和較大經濟損失。2007，偏輕冰年，葫蘆島龍港區(qū)漁民村先鋒漁場發(fā)生罕見冰災，堅硬冰塊在風、浪、流作用下爬上岸，推倒或壓塌民房14人被困，葫蘆島邊防官兵冒著冰塊塌陷的危險，進行搶險，并救出被困人員。2010，偏重冰年，山東省因海冰災害受災人口達9萬5千人，造成經濟損失高達27.94億元，河北省海冰災害已造成3.06億元損失，遼寧省海冰災害已造成23.12億元損失。港口封港，電煤運輸受阻。菊花島被海冰圍困，3200多名居民生活受到嚴重影響。●20世紀發(fā)生三次重冰年：1936年1～2月，1947年1～

2月，1969年2～

3月。

●1969年冬季罕見特大冰封使渤海航運全部中斷，屹立在渤海的石油鉆井平臺倒塌，造成數億元經濟損失?！癫丛谔凉粮蹆?8艘客貨輪船的螺旋槳或船體損毀嚴重。所有港口（巴魚圈，營口，秦皇島，塘沽，天津，龍口等）封凍，渤海交通陷入癱瘓。1969年大冰封，海2井平臺被海冰推倒，海1井平臺支座拉筋被割斷平臺底部被海冰堆積堵塞帶纜走道被冰折彎流冰作用使導管架部分構件開裂1969年記錄的冰封時石油鉆井平臺導管架中的塞冰

1969年冬季進出塘沽港的數十艘客貨輪遭到不同程度破壞，堅硬而密集的堆積冰封鎖港口，渤海航運完全癱瘓。

2000和2001年1－2月期間冰情嚴重海冰對平臺生產安全構成嚴重威脅

2005年底－2006年初萊州灣遭遇20年未遇冰災

萊州灣沿岸出現了最厚達1米的大面積冰層。2005年12月15日～22日山東省萊州市芙蓉島外海有20艘漁船被海冰包圍53名船員被困。2007年葫蘆島冰災海冰上岸壓倒房屋2010年1月底被海冰圍困的文峰6號貨輪遼東灣東部（北緯40.2532，東經121.6386）附近海冰海冰監(jiān)測和預報為了更好地開發(fā)和利用冰區(qū)海洋資源，必須做好海冰的監(jiān)測和預報，進而采取相應的對策，以有效預防并減輕海冰災害造成的損失。

海洋站：人工觀測岸基雷達：衛(wèi)星遙感：MODIS,HY-1B,北京1號，RADARSAT航空遙感：沿岸調查：初冰期、盛冰期和融冰期破冰船調查：

石油平臺：人工+雷達我國主要海冰監(jiān)測手段海洋站海冰監(jiān)測主要海洋站：溫坨子、鲅魚圈、龍口、老虎灘、葫蘆島、芷錨灣、秦皇島、塘沽、小長山海洋站監(jiān)測資料：初冰日、終冰日、冰型、冰量、密集度等及相關氣象、水文資料

岸基雷達海冰觀測

鲅魚圈雷達站冬季定時進行海冰觀測,圖為雷達海冰觀測解譯圖

衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰實況MODIS海冰實況圖（2010年2月13日）HY-1海冰實況圖（2010年1月13日）北京1號監(jiān)測海冰實況

RADARSAT-2海冰實況2015.1.16

航空遙感海冰監(jiān)測

飛機監(jiān)測海冰航線飛機遙感測冰解譯圖

萊州灣底冰情遼東灣綏中冰情曹妃甸冰情

海冰航空監(jiān)測圖像

沿岸海冰調查

破冰船海冰調查工作人員從海里撈取冰樣測量海冰參數平臺監(jiān)測冰情邊界層參數測量JZ20-2平臺海冰監(jiān)測雷達2010年2月9日海冰雷達圖2010年2月5日JZ20-2附近海冰國外海冰監(jiān)測概況衛(wèi)星遙感：高分辨率、多衛(wèi)星航空遙感：常態(tài)化破冰船：頻次高海洋站點：多漂移浮標：實時、立體化國外海冰監(jiān)測手段比較發(fā)達，因此其海冰服務產品多是基于監(jiān)測的分析產品，海冰實況分析產品對于冰區(qū)短期船只航行、生產作業(yè)等具有很好的參考作用。冰山分析圖冰情實況分析圖海冰預報預警技術經驗統(tǒng)計預報方法：中長期氣象、水文、冰情數值預報方法：短期動力、熱力海冰經驗統(tǒng)計預報方法

1969年嚴重的海冰災害，促進了我國海冰預報方法研究。運用回歸，諧波分析等方法，對渤海冰情與相應大氣環(huán)流、太陽黑子變化、氣溫以及海溫等因子進行統(tǒng)計分析，建立渤海冰情預測公式。我國自1970年始，應用經驗統(tǒng)計方法開展業(yè)務化逐月、逐旬和逐周海冰預報以及年度冰情趨勢展望。向有關政府部門、生產部門和電視臺發(fā)布海冰預報產品。

中、長期的海冰預報主要采用的是統(tǒng)計預報方法，應用實時的船舶、飛機和衛(wèi)星監(jiān)測資料，根據半經驗海冰統(tǒng)計公式計算結果預測冰情變化。當冰情異常嚴重的情況下，及時發(fā)布冰情警報，避免海上發(fā)生冰情災害。

海冰統(tǒng)計預報

常用統(tǒng)計預報方法：

背景分析與預報：氣候背景分析（冷暖趨勢）海洋背景分析（海洋狀況）渤海冰情與太陽活動的周期變化關系；渤海冰情與500高度環(huán)流場的關系渤海冰情與西北太平洋副熱帶高壓面積指數的關系渤海冰情與太平洋海溫的變化關系渤海冰情與厄爾尼諾事件關系渤海冰情與極地海冰的關系ENSO指數特征常用統(tǒng)計預報方法：1、單站冰要素資料統(tǒng)計公式計算2、根利用隸屬函數：（1）西北太平洋1月份黑潮區(qū)平均海溫（2）1月份亞洲經向環(huán)流指數（3）1月份西北太平洋副高面積+強度指數（4）營口2月份平均氣溫（5）2月份亞洲緯向環(huán)流指數常用統(tǒng)計預報方法：3、最優(yōu)子集法、逐步（全）回歸（1）大連1、2月平均氣溫（2）大連5月氣溫（3）1月冷空氣個數（4）1月西北太平洋副高面積指數（5）2月西北太平洋副高強度指數（6）2月份亞洲緯向環(huán)流指數（7）承德8月氣溫（8）北京8月氣溫

海冰預報業(yè)務

海冰預報綜合模型的建立長期預測太陽黑子數太陽活動與冰情等級存在良好的相關關系，大冰封年均發(fā)生在峰年前后；偏重冰年均發(fā)生峰、谷年前后；升枝和降枝階段一般不會出現重冰年。2000/01年2009/10年北極濤動（ArcticOscillation，簡稱AO）是描述北半球大氣狀況的重要指數。當AO處于負位相時，中緯度的低氣壓和高緯度的高氣壓都加強，從而使中緯度地區(qū)西風減弱，即盛行經向環(huán)流，在對流層低層產生強的北風異常，將冷空氣從較高緯度輸送到較低緯度，導致中高緯度地面氣溫降低，反之亦然。在冬季，北極濤動指數是影響我國氣溫的重要因素。冬季AO指數與渤黃海海冰等級顯著相關，相關系數為-0.57。因此準確預測冬季AO指數是預測渤海及黃海北部冰情的基礎。北極濤動指數1981-2010年冬季北極濤動指數與我國氣溫距平的相關分布圖冬季北極濤動指數與渤黃海冰情等級關系圖

輕或偏輕冰年常冰年偏重或重冰年+AO1989,1992,1993,1995,1999,2007,2015,20171990,2000,2008,2012

Neutral(-0.5～0.5)1994,2002,20141991,1997,2005,2009,2016,2018-AO1996,1998,2003,20042006,2011,20132001,2010

輕或偏輕冰年常冰年偏重或重冰年+AO1973,1975,1976

Neutral(-0.5～0.5)1954,1961,1962,1983,19881952,1959,1967,1971,1972,1974,1980,1981,1982,19841957-AO1960,1965,19661951,1955,1958,1963,1964,1970,1978,1979,1985,1986,19871953,1956,1968,1969,1977北極濤動指數近68年冬季AO指數序列顯示，1951年至1988年，冬季AO指數絕大多數呈負位相，1989年至今，正位相增多，冬季AO指數在正位相和負位相之間轉換，這種格局的變化可能與全球氣候變暖有關。冰情等級與冬季亞洲極渦面積指數存在正相關關系，相關系數0.64。冰情等級與冬季亞洲緯向環(huán)流指數存在負相關關系，相關系數-0.55。西太平洋副高是影響東亞氣候的重要天氣系統(tǒng)。其范圍、強度、脊線以及北邊界和西邊界都是重要指標，冰情與副高短期相關是明顯的。冬季副高越強，它的面積和強度指數越大（正值）時，冷氣團活動較弱，不利于海水降溫，進而影響了海冰生成，反之亦然。亞洲區(qū)的極渦和緯向環(huán)流也是制約東亞局地氣候的基本因子。極渦代表北方冷空氣，極渦較強而緯向環(huán)流較弱時，冷氣團活躍，有助于海冰生成，反之亦然。大氣環(huán)流指數以冬季AO指數（X1）和9月西太平洋副高西伸脊點位置（X2）作為預報因子，建立二元線性回歸方程：Y=-0.68X1+0.036X2-1.68復相關系數R=0.66，在信度0.01下回歸效果顯著。多元回歸方程

海冰數值預報方法

海冰的分布與演變是海冰動力學和熱力學兩種物理過程共同作用結果。

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海冰動力學過程

根據動量守恒原理決定海冰的漂移和形變主要驅動力：風和流

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海冰熱力學過程

根據能量守恒原理決定海冰的凍結和消融主要熱力強迫作用：海－氣和冰－氣的能量交換海冰熱力學過程海水凍結海水溫度、鹽度、雜質，水深，海水湍流運動，凍結核。冰點，海水密度最大時溫度與鹽度關系決定海水凍結前垂直混合及鹽度對垂直混合影響。氣/冰/海熱通量

極地大氣/海洋、氣/冰/海和氣/海氣/海、氣/冰（雪）界面熱量收支（吳輝碇1991，吳輝碇、王志聯1992）brinepocketmeltpondFlHeatbalanceofseaiceSunEarthradiationTurbulentfluxesHeatflowfromwatertoicePhasechangesconduction+solarabsorptionSeaiceismulticomponentmedium.冰面大氣層結特征及其對冰面感熱和潛熱輸送系數的影響冰面不同狀態(tài)：雪覆蓋、雪融化、冰面融化等對短波反射的影響冰面融池占多年冰表面10～25％，一年冰更大。減少冰面反射率,改變表面能量平衡；影響冰與其下海洋熱平衡?？紤]融池影響浮冰塊吸收太陽能量再分布，發(fā)展融池輻射模式（PodgornyandGrenfell,1996）冰間水道大氣內邊界層的特性及其對海/氣界面通量影響凈熱量遠小于收支各分量0.50～0.700.450.75～0.850.600.10AlbedoRatioofincomingsolarradiationtooutgoingsolarradiation;outgoing=reflected+backscattered.Dependsontheangulardistributionofincominglighti.e.albedoisso-calledapparentopticalproperty.Dependsonthesurfacewetnessandroughnessandinternaliceandsnowpropertries.albedo(latin)=”whiteness”太陽短波輻射穿透冰表面加熱冰表層，擴大冰內鹵水泡的體積，而不是減小冰厚度。這種冰內融解可有效地引起冰內熱慣性作用，縮短夏季冰的消融，推遲秋季冰加厚，這種“鹵水阻尼”效應即所謂“熱庫”作用。穿透輻射能量儲存在這種“熱庫”內，而不是引起冰表面融解，改變冰厚（Untersteiner,1964）參數化表示 加熱表層 作為熱庫儲存或作為增加反射率處理

冰內溫、鹽和鹵水體積復雜地垂直分布影響冰內熱傳導，從而影響冰面和冰底熱平衡。冰內結構和熱力學特征海冰形成的機制（winton,2001,Schmidtetal.2004,Crosfeldetal.1998）海洋內部潛冰（frazilice）形成，海水溫度>Tf，海洋輸送潛冰作為（負）能，冰模式轉換潛冰為水和鹽通量。冰/海界面熱平衡為負，形成凝結冰（congelationice）。雪冰（snowice）形成，通過水線(waterline)下雪轉換為雪冰的調整機制。融解在冰的上或下界面發(fā)生，分別平衡熱收支，維持各自的溫度約束。冰內結構和熱力學特征海冰動力學過程海冰漂移冰厚分布ArcticOceanAntarcticseas海冰形變冰厚再分布（Thorndikeet.al.,1975;Hibler,1980;Flato,1991）冰脊水道形成

海冰形變大氣、海洋動力強迫場冰面和冰底應力和冰面粗糙度、冰脊參數以及冰下內波強度的依賴關系。冰脊和堆積的斷面應力的臨界判據。冰內應力作用決定海冰運動和形變的因子決定冰內力的海冰流變學各種本構關系（Hibler,1984;吳輝碇，張占海等1995）牛頓粘性，塊體粘性，線性粘性（Lepparanta,1981）粘－塑性（Hibler,1979），

彈－塑性（Coonet.al.,1974） 當， 彈性 當， 塑性

彈－粘－塑性（HunkeandDukowicz,1997）空化流體（FlatoandHibler,1990）碰撞流變學（Shenet.al.,1987,Lu,1989）國家海洋環(huán)境預報中心根據海冰熱力學、動力學、流變學原理，結合渤海的水文、氣象和冰情特點，研制開發(fā)了適用于渤海的海冰數值模式，模擬渤海海冰漂移、堆積、增長和消融。將數值天氣預報模式與海冰模式聯結，建立業(yè)務化渤海海冰數值預報系統(tǒng)。每年冬季逐日發(fā)布1～5天海冰數值預報。定量化的海冰預報產品包括：冰厚場，冰密集度場，冰速場，冰外緣線等。

海冰數值預報系統(tǒng)

海冰數值預報流程圖

海冰預警報產品

●年度預報●月預報●旬預報（CCTV）●周預報●1-5天預報●海冰警報海冰月預報產品示例

中央電視臺海冰旬預報

海冰警報CCTVRadioFAXInternetE-mail

通過“七五”、“八五”、“十五”、“十一五”國家科技攻關，我國的海冰數值預報業(yè)務化水平不斷提高。

已投入業(yè)務化應用的海冰模式:粘－塑流變學海冰預報模式PIC質點－網格高精度海冰模式。

正在發(fā)展:

基于彈粘塑性流變學的工程海冰模式冰－海洋耦合模式

預報時效:

24、48、72、96、120、144和168小時海冰數值預報▲粘-塑性海冰數值模式模式分辨率：6.0′×6.0′(8.6km×11.1km)經緯度網格▲質點-網格（PIC）海冰數值模式模式分辨率：2.0′×2.0′(3.7km×2.8km)經緯度網格▲彈-粘-塑性精細化海冰數值模式模式分辨率：0.01°×0.01°(0.9km×1.1km)經緯度網格利用網格嵌套技術，將小尺度模式與渤海中尺度數值模式進行銜接利用歐拉－拉格朗日方法，建立了二階精度的冰塊漂移路徑模式2/3/20231.海冰數值業(yè)務化預報系統(tǒng)

海冰預報模型2/3/2023thicknessconcentration海冰衛(wèi)星圖像1.海冰數值業(yè)務化預報系統(tǒng)海冰預報初始場2/3/2023風場海流場中心具有豐富的海冰影響要素預測數據，并提供與海冰數值模式的相應接口。1.海冰數值業(yè)務化預報系統(tǒng)海冰預報強迫場2/3/2023

海冰數值預報產品冰厚和冰速等中尺度海冰數值預報小尺度海冰數值預報1.海冰數值業(yè)務化預報系統(tǒng)海冰預報數值產品精細化要求：提高空間分辨率，由中尺度向小尺度方向發(fā)展采用彈粘塑海冰模式建立小區(qū)域精細化海冰預報模式預報產品：海冰厚度、密集度、冰速、冰塊漂移軌跡等支持條件：高精度氣象預報場海冰初始場：

衛(wèi)星遙感海冰反演、平臺海冰觀測、平臺雷達監(jiān)測業(yè)務化海冰模式小區(qū)域精細化海冰模式精細化海冰數值預報發(fā)展cm2.海冰精細化預報預測系統(tǒng)開發(fā)針對重點保障目標的預警報需求，開展了高精度的海冰數值預報模式包括覺華島、秦皇島、曹妃甸、黃驊港、中海油石油平臺、海上風電場和核平臺等水平分辨率達到了0.01°(0.9×1.1km)

2.1海冰精細化數值預報模式

根據工程作業(yè)點小區(qū)域冰情預報特點，通過對不同海冰模式的分析比較，確定利用較為成熟的彈-粘-塑性海冰模式（HunkeandDukowicz,1997）對工程作業(yè)點區(qū)域海冰進行數值模擬?？紤]了海冰的彈性作用。因為對于小尺度海冰，彈性效應較為明顯，對于小應變、小應變率條件下的海冰必須充分考慮這個效應，從而提高海冰動力學的計算精度；對短時間的變化反映更為迅速和準確；分辨率較高（1km），能更為準確地預報工程作業(yè)點區(qū)域海冰環(huán)境參數；利用嵌套技術解決小區(qū)域模式開邊界問題。JZ20-2高精度海冰數值預報模式開始大區(qū)域初始冰場預報風場大區(qū)域潮流場大區(qū)域模式小區(qū)域模式內插預報冰場小區(qū)域預報結果邊界條件結束小區(qū)域海冰數值模式預報模式流程圖852010年2月9日海冰雷達圖

JZ20-2平臺位置圖海冰初始場處理冰塊大小識別冰厚反演海冰初始場處理同一點冰厚分布函數隨時間的變化不同點冰厚分布函數海冰初始場處理小區(qū)域海冰模式數值預報試驗1－72小時預報密集度場1－72小時預報冰厚冰速場初始密集度場初始冰厚場海冰抗壓強度預報預報冰厚檢驗結果JZ9-3平臺觀測冰厚與計算冰厚

JZ20-2平臺觀測冰厚與計算冰厚日期觀測值預報值絕對誤差日期觀測值預報值絕對誤差01045.56.41630.916301301016.22626.2262010578.16381.16380131816.73388.7338010668.27882.278802011210.16831.8317010757.85582.855802022011.91388.0862010847.93373.933702031512.81542.1846010948.5854.58502041813.28924.710801105.59.91254.412502051611.06424.9358011159.83964.839602061910.67128.328801125.58.24462.744602071712.80834.191701137.510.79253.292502081512.73172.26830114810.08082.080802091512.35462.64540115810.77212.772102101112.88751.8875011699.99250.99250211912.79293.79290117813.93465.93460212812.57794.57790118913.90674.90670213711.32084.32080119913.994.990214711.09334.093301201314.94581.94580215710.76333.763301211714.85922.1408021669.18423.184201221913.97715.022902175.59.15173.651701231913.13085.8692021865.25710.742901241813.12294.8771021975.36331.636701251412.15041.849602207.54.91042.589601261311.96621.0338022165.11250.8875012713.514.80621.3062022275.29041.709601281416.20122.2012022304.49834.49830129915.88256.8825022400.0750.075海冰厚度的24小時預報精度：厚度平均誤差3.49cm冰塊漂移路徑模式試驗

1－72小時海冰質點漂移路徑呈現出和潮流一致的周