海冰的危害與監(jiān)測孫紅棟1、海冰的性質(zhì)與分類1.1海冰的形成海冰是指海水凍結(jié)而成的咸水冰。但廣義的海冰指海洋上一切的冰。1.2海冰的成長首先向水平方向開展，再沿厚度方向延伸，隨著時(shí)間的推移，增長速率也減慢。最初生成的海冰，是針狀或薄片狀的冰晶。大量冰晶的聚集和凝結(jié)，或降雪落至海面而不融化，就形成糊狀或海綿狀的冰。在平靜或有風(fēng)浪的海面，糊狀冰或海綿狀冰會進(jìn)一步凍結(jié)，分別形成冰皮或餅冰〔蓮葉冰〕。這類冰再增厚，就形成灰冰和白冰。有時(shí)，受風(fēng)、浪、流、潮的作用，冰層相互重疊堆積，便形成重疊冰和堆積冰。

1.3海冰的性質(zhì)海冰融化成液體后的鹽度，稱為海冰的鹽度，其值為3～25，它與海水的鹽度、結(jié)冰速率和冰齡等有關(guān)。海冰密度為0.85～0.94克/立方厘米，略小于海水密度，所以冰塊一般都浮于海面。形狀規(guī)那么的海冰，露出水面局部為總厚度的1/7～1/10。海冰外表的熱傳導(dǎo)系數(shù)為淡水冰的1/3，但厚度不到1米時(shí)和淡水冰相似。海冰的反射率為0.50～0.70，其抗壓強(qiáng)度約為淡水冰的3/4。1.4海冰的分類在冰工程上一般按其開展階段特征將海冰分為七類：初生冰：為海水直接凍結(jié)或雪降至低溫海面未被融化而成，多呈針狀、薄層狀、油脂狀或海綿狀。冰皮：由初生冰凍結(jié)或平靜海面上直接凍結(jié)而成的冰殼。尼羅冰：厚度小于10厘米，指狀。蓮葉冰：直接凍結(jié)或冰皮破裂而成。灰冰：呈灰色，厚度為10-15厘米。灰白冰：灰白色，厚度15-30厘米白冰：白色，厚度為30厘米以上。2、海冰的危害海冰作為全球海-氣系統(tǒng)的一員，與海洋和大氣相互作用影響著人類海上運(yùn)輸，海洋漁業(yè)和海洋油氣資源開發(fā)等活動。海冰不僅能夠封鎖港口航道中斷海上運(yùn)輸，還能破壞港口工程設(shè)施。海冰的漂移對海上油氣勘探和生產(chǎn)造成巨大的危害。海冰已造成屢次石油平臺倒塌，船舶和港口受損，航運(yùn)受阻等災(zāi)害，每年都威脅著人類的生產(chǎn)活動。遼東灣近幾十年來曾發(fā)生屢次嚴(yán)重冰情。1996年渤海的特大冰封中整個遼東灣完全封凍，當(dāng)時(shí)最大冰厚達(dá)100cm，海冰推倒了“海一井〞和“海二井〞兩座石油站臺，毀壞和阻滯了125艘船舶，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。即使在一般的年份，海冰與工程結(jié)構(gòu)相互作用往往也會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動，小那么使工作人員缺乏平安感大那么引起設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2000年JZ202中南平臺由冰振導(dǎo)致了天然氣管線的斷裂和法蘭松動，險(xiǎn)些釀成重大事故。冰區(qū)航運(yùn)原油外輸冰振引起管線振動冰振造成JZ202M8井排空管斷裂引起天然氣的噴發(fā)冰振導(dǎo)致法蘭松動3、海冰監(jiān)測3.1海冰監(jiān)測意義氣象要素監(jiān)測冰要素分析預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急對策海冰結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)構(gòu)振動級別24小時(shí)預(yù)報(bào)破冰船破冰危害預(yù)測3.2遼東灣海冰現(xiàn)場監(jiān)測的開展過程3.3海冰環(huán)境要素監(jiān)測海冰生消過程主要由其熱力要素控制，氣象條件的變化引起冰情的變化和開展，準(zhǔn)確地確定、測量氣象要素與海冰要素，可對影響海冰生消的熱力和動力要素進(jìn)行分析，并將結(jié)果應(yīng)用于海冰的數(shù)值模擬和預(yù)測中。氣象測量氣象測量是通過安裝在平臺上的氣象站完成的。主要測量的內(nèi)容包括：氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、太陽輻射等。氣溫是影響海冰生消的主要因素；風(fēng)速風(fēng)向可影響海冰運(yùn)動的方向和速度；太陽輻射、相對濕度等是計(jì)算熱力因子的重要參數(shù)。水文測量水文數(shù)據(jù)包括水溫、流速流向、海平面的水位變化以及海水鹽度等。海水溫度是海冰的根本物理量之一，它與海洋的其它因素有著密切的關(guān)系，相互影響和制約。海水溫度在時(shí)間和空間上都有著很強(qiáng)的變化規(guī)律。海水水溫剖面的變化反映了該海域海冰的生消規(guī)律，對整個冰期內(nèi)水溫剖面演變過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測、對海冰生消規(guī)律的深入研究以及對海冰的短期預(yù)報(bào)都有重要意義。潮流是海冰運(yùn)動的主要驅(qū)動力，結(jié)構(gòu)的振動對海冰的速度的影響非常敏感，準(zhǔn)確地監(jiān)測潮流和預(yù)報(bào)潮流是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)海冰運(yùn)動以及海冰速度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。潮流可通過海流計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)數(shù)值預(yù)測的結(jié)果也具有一定的參考價(jià)值。3.4海冰監(jiān)測的方法我國系統(tǒng)的海冰觀測始于20世紀(jì)60年代初期，并相繼開展了沿岸臺站測量、沿岸冰調(diào)查、破冰船調(diào)查、衛(wèi)星遙感和平臺定點(diǎn)觀測、航空遙感和機(jī)載監(jiān)測等觀測手段，并獲得了大量的海冰資料。

岸站監(jiān)測我國海冰專門監(jiān)測部門設(shè)立的固定綜合觀測站，是定點(diǎn)進(jìn)行的海冰監(jiān)測，全天候的監(jiān)測十幾個要素工程。不凍孔測樁式測量法圖中1為樁體；2為浮架；3為樁體固定架；4為漂浮水尺；5為冰厚測尺；6為連桿固定架；7為測尺連桿；8為活塞；9為活塞手柄。將儀器安置在固定測點(diǎn)處，把浮架和樁體固定在冰面上即可(見上圖)。平時(shí)樁體加護(hù)蓋。儀器利用水的壓力和浮力而處于待工作狀態(tài)。在測量冰厚或水質(zhì)取樣時(shí)，只要翻開護(hù)蓋，用手柄將活塞抽出，此時(shí)由于水的壓力，漂浮水尺的浮物浮出水面，漂浮水尺亦露出水面，并帶動測尺連桿和測尺上升至冰層底部，此時(shí)可以從漂浮的水尺上讀取冰厚、水浸冰厚等數(shù)據(jù)。

該方法測得的冰厚數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，但是儀器的安裝較為困難；而且海冰流動對儀器造成的撞擊震動會影響測量結(jié)果，加之只能對有限范圍的海冰進(jìn)行被動測量，難以獲得大面積海冰厚度的數(shù)據(jù)，應(yīng)用的較為有限。CCD監(jiān)測儀光學(xué)測量法根據(jù)光學(xué)成像的原理，物體與它的像是一種投影關(guān)系，而這種投影關(guān)系在小視角情況下可以認(rèn)為是線性的。利用圖像進(jìn)行幾何尺寸測量就是根據(jù)這種線性投影關(guān)系。物體成像的大小與鏡頭的焦距f以及物體與鏡頭間的距離(物距)H有關(guān)，f越大，成像越大；H越大，成像越小。而當(dāng)f與H固定不變時(shí)，像的大小m就與物體的大小M成比例關(guān)系。測量原理圖如以下圖所示。測量值以圖像中的象素來衡量，以測距離為例，比照某一參照物，其物理長度再數(shù)出其在圖像中有多少個的象素點(diǎn)，就可以算出每個象素點(diǎn)代表的物理長度，對于要測的量，測得物體在圖像中的象素點(diǎn)即可求得其實(shí)際長度。該方法采用參照物標(biāo)定方法，其目的是要把實(shí)際的物體尺寸與從圖像上看到的物體尺寸對應(yīng)起來，并找出其中的比例關(guān)系。在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)不僅要記錄下用于標(biāo)定物體的尺寸，還應(yīng)記錄下標(biāo)定時(shí)物體與攝像機(jī)間的距離。仰視聲納是采用聲學(xué)的方法來測量周圍某一運(yùn)動物體，可以放置在潛水艇上或水下自動機(jī)械上，也可以固定在海中一定深度，即坐底式ULSs(upwardlookingsonars)。目前主要應(yīng)用在海冰監(jiān)測上，可以通過對其漂移的定量分析，得到冰的厚度，速度，覆蓋面積，建立海冰的隨機(jī)模型而獲得冰層形態(tài)截面剖面，國際氣候研究方案(WCRP)于1990年開始在南極用ULSs進(jìn)行初步的冰厚觀測。德國和挪威的研究所，在北極結(jié)合了ULSs和海流剖面測速儀DCP進(jìn)行了海冰漂移和冰層的流速測量。澳大利亞南極合作研究中心(ACRC)也在南極海域投放和收回了ULSs。仰視聲納測量法測量原理有兩種，一是分別測量冰水界面和冰氣界面的垂直距離，兩者之差即為冰厚。ULSs固定在海中一定深度，測得聲音脈沖從ULSs到冰水界面所需的時(shí)間，因?yàn)槁暡ㄔ谒袀鞑ニ俣群秃Ｋ芏扰c鹽度剖面有關(guān)，鹽度剖面與海水溫度剖面有關(guān)，從相應(yīng)儀器得到鹽度和溫度分布，算得ULSs到冰水界面垂直距離。再由壓力傳感器得到ULSs處的靜壓力Pb，同時(shí)由現(xiàn)場測得的海水溫度，鹽度和壓力數(shù)據(jù)計(jì)算出海水密度p，那么海水深度h為:h=(Pb-Pa)/pg，(Pa為海面大氣壓)，于是海冰的吃水深度d:d=h-r(聲納與海冰的距離為r)那么冰厚為t:t=dp/w(海冰密度為w)。另一種原理是測量冰的漂移，獲得冰表征參數(shù)，再由統(tǒng)計(jì)分布聯(lián)系建立冰厚與冰形態(tài)種類的關(guān)系，也能得到冰厚。測冰設(shè)備是由一臺工控機(jī)、水聲換能器、波形生成器、發(fā)射接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,系統(tǒng)是由平臺上的操作人員通過電纜來進(jìn)行控制的,一個換能器完成水聲信號的發(fā)射和接收任務(wù)。當(dāng)操作人員給出測量指令時(shí),工控機(jī)控制波形生成器產(chǎn)生波形,并通過發(fā)射機(jī)和換能器發(fā)射出聲波信號,同時(shí)工控機(jī)和采集系統(tǒng)開始采集換能器接收的數(shù)據(jù)并存盤,由于換能器的發(fā)射電路輸出也接到換能器的接收電路,所以接收信號包含發(fā)射的信號和從冰水界面反射的信號。電磁波測量法電磁波測量最早被用于地質(zhì)勘探，后來發(fā)現(xiàn)對于冰厚測量也很有效，80年代后先是在北極海域應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，隨后在極區(qū)海域被廣泛使用。使用的設(shè)備主要是經(jīng)濟(jì)型電磁感應(yīng)設(shè)備(EM)和附加其上的處理模塊(PM)，根據(jù)設(shè)備載體的不同，又可分為三種方式:冰面上直接放置，飛機(jī)攜帶和船載。EM測量采用的原理是：利用海水與海冰導(dǎo)電性的巨大差異來到達(dá)區(qū)分冰水界面以測量海冰的厚度信息。海水的鹽度比海冰高很多，所以海水比海冰的電傳導(dǎo)性也大的多，一般認(rèn)為海水是導(dǎo)體，冰是絕緣體。EM發(fā)出的脈沖通過發(fā)射線圈產(chǎn)生了一個磁場，稱作主磁場，主磁場穿透冰層后，在海水外表感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電流生成了另一個磁場，稱作副磁場，然后被接收線圈接收到，于是副磁場與主磁場的比值可由EM下方半空間的整個外部傳導(dǎo)性表示，如果假設(shè)海水和海冰的傳導(dǎo)性是連續(xù)的，那么該比值僅與EM放置處與海平面之間的高度有關(guān)，再把得到的海水傳導(dǎo)性數(shù)據(jù)傳送到處理模塊，模塊處理基于EM放置處與海平面的高度(一般用激光高度儀測量)和由EM測得的海水的表觀傳導(dǎo)性的關(guān)系，算得冰厚。電磁感應(yīng)的方法適于一年生平整冰的測量，是因?yàn)槠浔鶎迂Q直截面?zhèn)鲗?dǎo)性很小，近似于理想模型，所以測量結(jié)果很可靠。而對其它的如：脊型冰，破碎冰等，由于其多孔性、冰混合，其豎直截面?zhèn)鲗?dǎo)性就不能簡單的取零，難以確定，因而用電磁感應(yīng)的方法偏差較大，得到的最大冰厚值偏低。如何確定復(fù)雜幾何形態(tài)冰層剖面的傳導(dǎo)性分布，是電磁感應(yīng)方法進(jìn)一步應(yīng)用要解決的難題。此外，電磁感應(yīng)儀器使用方便，通過處理模塊可以實(shí)得到測得的冰厚，數(shù)據(jù)很容易獲取。使用飛機(jī)和船只攜帶電磁波設(shè)備后，大大增加了可測量的區(qū)域。基于冰的導(dǎo)電性測量法由于對電信號在水中傳播的特性十分復(fù)雜，上述方法只是用到了水中有導(dǎo)電離子和水具有導(dǎo)電特性的理論，但是電信號具體的傳播特性以及不同的電信號又是一種什么情況并沒有考慮；由于冰晶體的特性、系統(tǒng)的震動以及工作環(huán)境的影響，如：空氣中結(jié)霜會對傳感器的測量造成誤差，所以系統(tǒng)的一些方面還需要進(jìn)一步改善以提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。動車?yán)走_(dá)法利用安裝在車上的雷達(dá)，快速測量冰厚是一種較為有效的方法；它可在運(yùn)動過程中對海冰直接進(jìn)行測量，雖然這種設(shè)備的功率比安裝在飛機(jī)上的功率低，但其價(jià)格不太昂貴，且精確度高，分辨率足夠、能夠高效率的對雷達(dá)有效范圍內(nèi)的海冰進(jìn)行厚度測量。在雪地車行駛過程中，可獲取冰厚縱向剖面圖。但是雷達(dá)探測具有一定的局限性，對探測對象(海冰)的狀態(tài)要素要求較高，且受環(huán)境等外部條件的制約和影響，誤差率較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)的工作頻率、發(fā)射脈沖的波長以及測量方法，提高測量精度。雷達(dá)雪地車的組成局部主要包括:發(fā)射機(jī)，接收機(jī)，發(fā)射機(jī)天線、接收機(jī)天線和雪地車等。這些設(shè)備安裝在雪地車的側(cè)面支架上，記錄器和信號處理設(shè)備安置在行李架上，控制臺在駕駛室內(nèi)。雷達(dá)測量海冰厚度范圍：10～300cm；均方測量誤差：不大于7.5%；雷達(dá)工作電壓：11～14V；雷達(dá)功耗：(車上蓄電池組供電)<40W；雷達(dá)工作環(huán)境溫度：－40～0℃；雪地車車速：<40Km/h。海冰厚度采用下面的公式計(jì)算：H＝C(T2-T1)/2E1/2(1).H為測量冰厚。(2).C為真空中光速。(3).T2和T1分別為電磁波從海冰下上界面反射回來的時(shí)間。(4).E為海冰的介電常數(shù)，取3.17。(5).時(shí)間差值(T2-T1)在采用具有寬頻譜的調(diào)頻信號時(shí)，用頻率法確定。在俄羅斯各不同地區(qū)，GR-115型雪地車已被用來進(jìn)行大規(guī)模的冰厚調(diào)查。在各種不同的冰層和雪層條件下，對手工鉆孔得出的實(shí)際測量值與雪地車自動記錄器上的冰厚測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的誤差約為5～7%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)誤差主要來源于冰層上雪的覆蓋，這種情況使讀數(shù)產(chǎn)生正漂移，并增加隨機(jī)誤差的分量。特別是當(dāng)氣溫在零度以上時(shí)，用雷達(dá)測量冰群密集區(qū)域的浮冰，或者當(dāng)冰上的積雪融化成水分，以及在冰上和積雪之間出現(xiàn)一些水的時(shí)候，電磁波在濕介質(zhì)中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的衰減。這些因素都會使冰厚的測量結(jié)果產(chǎn)生更大的誤差，甚至到達(dá)10%。沿岸冰調(diào)查破冰船調(diào)查是按照預(yù)定的路線或站位進(jìn)行海冰觀測，包括冰厚、冰類型和密集度等，并將調(diào)查結(jié)果列于特定表中或繪于地圖上，通過國家海洋局專門設(shè)立的固定綜合觀測站，每天08：00和14：00進(jìn)行定點(diǎn)海冰觀測，同時(shí)對流速、流向、鹽度、水溫等水文要素和氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、天氣情況等氣象要素進(jìn)行觀測和記錄。這種方法對測量較薄的冰是很有效的。但由于環(huán)境條件的限制和時(shí)間、空間的約束，該法的實(shí)施與操作都比較困難，而且只能對有限的海冰進(jìn)行測量，大局部的海冰厚度資料并不能完全掌握，因而并不能滿足人們想要大范圍、實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的掌握海冰資料的想法。但此法的數(shù)據(jù)精確度和可信度高，可以被用來作為其他海冰測量方法的標(biāo)定手段，以改進(jìn)和提高其他方法的精度，有較大的實(shí)際意義。船舶海面監(jiān)測航空遙感和機(jī)載微機(jī)監(jiān)測搭載設(shè)備的海監(jiān)飛機(jī)微波輻射計(jì)及機(jī)械掃描轉(zhuǎn)臺原始的輻射計(jì)獲得數(shù)據(jù)是一個118列的二維圖像，利用輻射計(jì)定標(biāo)方程得到亮溫圖像。由于輻射定標(biāo)后的亮溫圖像中存在斑點(diǎn)噪聲，在反演海冰厚度之前需要經(jīng)過圖像噪聲消除。圖像數(shù)據(jù)在濾波之后，利用36GHz機(jī)載微波輻射計(jì)海冰厚度反演計(jì)算公式：ΔH=1/Cln[B/(A-Tb)]參數(shù)為：A=245.8，B=67.2，C=0.256,Tb為機(jī)載微波輻射計(jì)的亮溫。1989年2月遼東灣機(jī)載合成孔徑雷達(dá)海冰圖像衛(wèi)星遙感監(jiān)測海冰COCTS反照率隨冰厚變化曲線對于CCD通道，同樣找出與海冰對應(yīng)的反照率范圍最大且衛(wèi)星圖像顯示出較好層次感的通道，把此通道用于CCD的冰厚反演，類似于COCTS冰厚反演方法。2002年12月19日海洋1號水色水溫掃描儀反演圖像2002年12月19日海洋1號海岸帶成像儀反演圖像2002年12月19日海洋1號水色水溫掃描儀反演海冰密集度2002年12月19日海洋1號海岸帶成像儀反演圖像該方法能夠獲得大范圍內(nèi)海冰的厚度信息，然而其準(zhǔn)確度還需要進(jìn)一步提高，而且難以得到某時(shí)、某點(diǎn)的即時(shí)冰厚數(shù)據(jù)，且受云、霧等環(huán)境條件制約。雷達(dá)海冰監(jiān)測系統(tǒng)雷達(dá)波段：X波段；波長：3cm；波束寬度：水平0.8度，垂直25度；發(fā)射功率：10kW。海冰雷達(dá)圖像記錄儀采速：20，10，5MHz；幅度分層：12bit；采幅：PPI顯1024*768；B顯示2048*6540；精度：象素點(diǎn)15m*15m；全自動圖像采速：1幅／min。雷達(dá)海冰監(jiān)測系統(tǒng)框圖攝像頭解碼器視頻服務(wù)器計(jì)算機(jī)圖像處理網(wǎng)橋網(wǎng)橋視頻服務(wù)器解碼器攝像頭有線傳輸無線傳輸遠(yuǎn)程海冰數(shù)字監(jiān)測儀系統(tǒng)框圖雷達(dá)系統(tǒng)天線〔左〕雷達(dá)圖像記錄儀〔右〕遠(yuǎn)程海冰數(shù)字監(jiān)測儀〔下〕冰厚測量儀冰厚測量儀平臺H1H2雷達(dá)冰厚儀海冰厚度=H2—H1冰厚測量儀原理圖雷達(dá)通訊接口A顯示器計(jì)算冰厚度計(jì)算機(jī)冰厚測量(軟件包)（軟件包）打印機(jī)海冰冰厚測量記錄儀系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)傳輸振動響應(yīng)測量系統(tǒng)海冰連續(xù)碰撞海上工程點(diǎn)，不但會對工程點(diǎn)造成危害而