基于船載雷達(dá)的遼東灣海冰監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究

基于船載雷達(dá)的遼東灣海冰監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究

渤海是中國(guó)最大的內(nèi)海，冬季不同程度的冰情。該海域中的遼東灣是我國(guó)最北部海域的結(jié)冰區(qū),是渤海海冰之發(fā)源地。該海灣冰區(qū)石油平臺(tái)油輪外輸作業(yè)中,流冰連續(xù)不斷地漂移、聚集,形成堆積冰,給冰區(qū)中的油輪外輸作業(yè)安全帶來嚴(yán)重危害。筆者于國(guó)內(nèi)首次利用船載雷達(dá)在遼東灣冰區(qū)石油平臺(tái)上,采用雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行雷達(dá)海冰數(shù)據(jù)源的獲取,傳輸機(jī)理、圖像數(shù)字化處理,得到雷達(dá)海冰實(shí)況圖。其研究主要內(nèi)容有,流冰類型、冰厚度、流冰聚集度、流冰的速度和方向,以及流冰漂移軌跡圖等。同時(shí)在冰區(qū)應(yīng)用遙感定量分析方法及模型,于2002年2月至2004年2月的現(xiàn)場(chǎng)冰區(qū),開展雷達(dá)海冰數(shù)值跟蹤預(yù)報(bào),為石油平臺(tái)油輪外輸作業(yè)中得到成功應(yīng)用。在海冰區(qū)使用船載遙感在海區(qū)對(duì)水體的海冰預(yù)報(bào)應(yīng)用報(bào)道甚少,為此,該項(xiàng)研究技術(shù)不僅可反映雷達(dá)遙感在海洋工程上的應(yīng)用,而且也對(duì)實(shí)現(xiàn)海洋港口、油田、輸油平臺(tái)等安全防災(zāi)和減災(zāi)的深入研究提供科學(xué)依據(jù)。1雷達(dá)冰敏監(jiān)測(cè)1.1海冰實(shí)時(shí)識(shí)別雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)主要包括雷達(dá)系統(tǒng)、海冰雷達(dá)圖像記錄儀、遠(yuǎn)程海冰數(shù)字監(jiān)測(cè)儀和高分辨率的系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)處理終端。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別海冰類型,實(shí)時(shí)確定流冰的分布狀態(tài)、流冰密集度以及海冰的表面狀態(tài);能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并確定流冰的運(yùn)動(dòng)速度、流冰的運(yùn)動(dòng)方向、流冰的厚度以及冰間水域參數(shù)等要素信息,并通過海冰數(shù)值圖像顯示儀將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)畫面通過衛(wèi)星直接傳遞給陸上調(diào)度指揮中心,及時(shí)準(zhǔn)確的提供現(xiàn)場(chǎng)海面的流冰分布動(dòng)態(tài),為冰區(qū)內(nèi)油輪作業(yè)安全提供保障。本研究課題組使用雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)如圖1內(nèi)容所示。1.1.1海冰雷達(dá)圖像攝像機(jī)雷達(dá)波段:X波段;波長(zhǎng):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顯示1024×768;B顯示2048×6540;精度:象素點(diǎn)15m×15m;全自動(dòng)圖像采速:1幅/min。1.1.2雷達(dá)海冰剖面圖分別于2004年1月7日和2月12日進(jìn)行了雷達(dá)采集圖像,獲得了雷達(dá)海冰剖析圖(圖2,圖3)。圖2和3的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)遙感波譜反射對(duì)海冰現(xiàn)場(chǎng)的狀況數(shù)據(jù)源的獲取、傳輸機(jī)理、成像規(guī)律和遙感信息應(yīng)用分析,用于海冰的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。1.2海域流冰的監(jiān)測(cè)本研究課題組連續(xù)3a(2002～2004年)的12月到翌年2月期間,對(duì)遼東灣的冰區(qū)海域流冰的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。其遼東灣冰區(qū)海域流冰的現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)圖象的解釋、數(shù)字圖象處理,數(shù)據(jù)融合,定量分析結(jié)果歸納于表1。1.3實(shí)時(shí)雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)根據(jù)冰區(qū)油輪外輸作業(yè)的需要,我們研制出冰區(qū)小尺度即冰區(qū)工程點(diǎn)預(yù)報(bào)模式。它主要包括風(fēng)場(chǎng),潮流場(chǎng)和雷達(dá)冰漂流場(chǎng)組成的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)數(shù)值跟蹤預(yù)報(bào)系統(tǒng)程序。冰情監(jiān)測(cè)期間,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)冰情,隨時(shí)發(fā)布12h、24h雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)數(shù)值跟蹤圖,實(shí)時(shí)掌握監(jiān)測(cè)海域的流冰動(dòng)態(tài)。在2002年12月到2004年2月期間進(jìn)行了3個(gè)冰期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)數(shù)值跟蹤預(yù)報(bào)。通過現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)星海冰監(jiān)測(cè)實(shí)況圖的驗(yàn)證,采用雷達(dá)進(jìn)行海冰監(jiān)測(cè)的數(shù)值跟蹤預(yù)報(bào)是可行的,可解決工程(點(diǎn))海冰實(shí)時(shí)預(yù)報(bào),并有極其實(shí)用的價(jià)值。通過把2004年1月28日到29日期間12小時(shí)的雷達(dá)海冰數(shù)值跟蹤預(yù)報(bào)圖(圖4),與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)冰情結(jié)果十分吻合。2冰沉、位移方向和速度的監(jiān)測(cè)2.1流冰漂浮軌跡測(cè)定和模型簡(jiǎn)化流冰漂移軌跡可以直觀的表現(xiàn)流冰的漂移方向、漂移速度以及漂移距離等主要特征。確定流冰漂移軌跡,首先要選擇能夠代表海面大多數(shù)流冰移動(dòng)方向的冰塊,確定監(jiān)測(cè)的流冰塊特征點(diǎn),通過測(cè)定其方位和水平距離隨時(shí)間的變化,計(jì)算得出其漂移的方向和速度,進(jìn)而做出相應(yīng)的流冰漂移軌跡圖。從圖5可知,用冰漂移流場(chǎng)模型,根據(jù)2002年1月3日雷達(dá)對(duì)流冰在漲潮和落潮時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的流冰漂移軌跡圖。根據(jù)雷達(dá)3a對(duì)遼東灣3個(gè)冰期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,在風(fēng)和潮流的共同作用,此海灣海冰漂移基本上是沿著N-NE方向(10°～65°)和S-WSW方向(185°～240°)之間做往復(fù)的運(yùn)動(dòng),其中落潮的速度一般要大于漲潮的速度。2.2現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)測(cè)量對(duì)比經(jīng)觀測(cè)可知,引起遼東灣海域流冰漂移的主要因素是潮流,其次是風(fēng)及風(fēng)引起的風(fēng)海流、風(fēng)拖曳力等因素。我們進(jìn)行了流冰的現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)測(cè)量與該海區(qū)的潮流計(jì)算的同步比較表明(圖6),雷達(dá)測(cè)量的流冰速度和方向與本海區(qū)的潮流計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性。因此采用雷達(dá)監(jiān)測(cè)流冰運(yùn)動(dòng)漂移的方法具有準(zhǔn)確性性和實(shí)用性,測(cè)量精度上滿足工程遼東灣油田平臺(tái)冰區(qū)油船外輸作業(yè)和采油鉆井作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)要求。2.3維冰國(guó)冰流速場(chǎng)矢量在遼東灣冰區(qū)石油平臺(tái)作業(yè)區(qū)內(nèi),我們利用航海雷達(dá)對(duì)海冰進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)冰期的時(shí)間連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的雷達(dá)海冰圖像進(jìn)行的互相關(guān)分析,可以得到二維冰漂流場(chǎng)矢量分布圖。圖7和8分別為對(duì)兩組雷達(dá)海冰圖像以及與之相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)冰漂流矢量場(chǎng)圖,可預(yù)報(bào)出在此觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)冰飄移流暢,即冰的擴(kuò)散范圍。3船載雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用成果(1)通過雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào),并且直接應(yīng)用于冰區(qū)小尺度即工程點(diǎn)上的作業(yè)生產(chǎn),同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)海冰數(shù)據(jù)源的獲取、數(shù)字圖象的處理,圖像遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)研制獲得成功,此應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)目前尚屬首次,具有理論和實(shí)踐的先進(jìn)性。(2)本研究海灣冰區(qū)小尺度即冰區(qū)工程點(diǎn)預(yù)報(bào)模式,成像規(guī)律,海冰遙感信息的特征所取,尤其現(xiàn)場(chǎng)冰漂流矢量場(chǎng)預(yù)報(bào)應(yīng)用效果是好的,船載雷達(dá)海冰監(jiān)測(cè)技術(shù)在冰區(qū)