基于海洋油氣平臺(tái)上雷達(dá)連續(xù)監(jiān)測的海冰漂移特性分析

季順迎，顧縱棋，王安良，劉煜

（1.大連理工大學(xué)　工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　116023；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心　國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081）

基于海洋油氣平臺(tái)上雷達(dá)連續(xù)監(jiān)測的海冰漂移特性分析

季順迎1，顧縱棋1，王安良2，劉煜2

（1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023；
2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

遼東灣每年冬季都會(huì)凍結(jié)大量海冰，并對(duì)海上油氣平臺(tái)和船舶運(yùn)輸帶來很大的安全影響。為此，對(duì)油氣作業(yè)海域海冰進(jìn)行精確、連續(xù)的現(xiàn)場監(jiān)測是非常必要，也有助于揭示海冰的漂移特性。采用遼東灣JZ20-2油氣海洋平臺(tái)上的航海雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)該海域的海冰漂移特性進(jìn)行了全冰期的連續(xù)監(jiān)測，并通過海冰雷達(dá)監(jiān)測的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)對(duì)海冰的漂移速度和流向進(jìn)行分析，獲得了該海域全冰期的海冰漂移數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上確定了該海域冰速符合瑞利分布、冰向符合雙峰高斯分布，以及兩者的聯(lián)合概率分布特性。以上研究為分析遼東灣油氣作業(yè)區(qū)海冰的漂移特性提供了可靠的現(xiàn)場監(jiān)測資料。

海冰；航海雷達(dá)監(jiān)測；海洋平臺(tái)；冰速冰向；聯(lián)合概率分布

我國渤海擁有豐富的油氣資源，但由于其特殊的地理位置和海洋環(huán)境條件，每年冬季都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰情，并對(duì)海上油氣作業(yè)和冰區(qū)航運(yùn)帶來很大的威脅。自20世紀(jì)60年代開始，我國逐漸發(fā)展了沿岸臺(tái)站測量、航空觀測、破冰船海冰調(diào)查、衛(wèi)星圖像遙感、海洋平臺(tái)定點(diǎn)觀測等海冰監(jiān)測方法（白珊等，1999；白珊等，1998；孫劭等，2011；張晰等，2013）。其中，基于海洋油氣平臺(tái)的海冰現(xiàn)場監(jiān)測具有誤差小、連續(xù)性強(qiáng)、監(jiān)測精度高等優(yōu)點(diǎn)，為冰區(qū)油氣安全作業(yè)提供了及時(shí)可靠的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)（季順迎等，2011）。自20世紀(jì)90年代初對(duì)遼東灣油氣開發(fā)以來，在JZ20-2海洋平臺(tái)上建立了系統(tǒng)的海冰現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)該海域的海冰速度、密集度、冰厚進(jìn)行了系統(tǒng)、長期的現(xiàn)場監(jiān)測，同時(shí)對(duì)油氣平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)、冰荷載及該海域的氣象、水文要素進(jìn)行同步監(jiān)測，為冰期油氣平臺(tái)安全作業(yè)提供了及時(shí)可靠的海冰監(jiān)測信息（季順迎等，2011；2013）?；诤Ｑ笥蜌馄脚_(tái)的現(xiàn)場航海雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)可以獲得更加連續(xù)、全天候的海冰速度、密集度和冰塊尺寸等參數(shù)，成為海冰現(xiàn)場監(jiān)測中重要監(jiān)測手段（季順迎等，2013）。

目前，國外多采用合成孔徑雷達(dá)對(duì)極區(qū)及波羅的海的海冰監(jiān)測可識(shí)別海冰在不同形成階段的物理特性（Gogineni et al，2007）。此外，通過船載雷達(dá)監(jiān)測極區(qū)海冰的形成過程以及降雪對(duì)海冰物理力學(xué)性質(zhì)的影響（Gourmelen et al，2011；Meyer et al，2011）。雷達(dá)監(jiān)測還被引入極地冰蓋探測研究，用于測量冰厚和繪制冰下地形圖，以研究冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冰底環(huán)境、冰蓋演化過程（Overgaard et al，2001；Holt et al，2009；崔祥斌，2013）。由于航海雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、精度高、不受光照條件限制，可全天候監(jiān)測海冰的運(yùn)動(dòng)過程（岳前進(jìn)等，2000；孫鶴全等，2003；張勐等，2005）。近年來，航海雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于遼東灣油氣作業(yè)區(qū)的海冰現(xiàn)場監(jiān)測中。隨著海冰雷達(dá)監(jiān)測圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展，海冰雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的精確性也在不斷提高 （季順迎 等，2013；Kurt et al，2013）。

在渤海油氣作業(yè)區(qū)，海冰流速、厚度、密集度是海冰現(xiàn)場監(jiān)測的重要參數(shù)。目前海冰流速測量技術(shù)主要包括數(shù)字圖像和視頻監(jiān)測、航海雷達(dá)監(jiān)測等（孫延維等，1992；岳前進(jìn)等，2000；季順迎等，2011，2013）。通過海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料分析，發(fā)現(xiàn)渤海海冰除受盛行風(fēng)控制外，還受海岸地形、流和冰內(nèi)應(yīng)力的共同作用（吳龍濤等，2005）。對(duì)于油氣作業(yè)區(qū)的海冰漂移特性，現(xiàn)場圖像和雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果均表明，海冰在潮流的作用下呈現(xiàn)明顯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律（季順迎等，2011；2013）。此外，通過對(duì)渤海海冰的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)海冰漂移主要受潮流的影響（蘇潔等，2003；季順迎等，2015）。因此，渤海海冰的漂移特性一直是人們關(guān)注的問題，也是影響海冰熱力-動(dòng)力耦合過程的重要因素。

為此，本文通過遼東灣JZ20-2油氣平臺(tái)上航海雷達(dá)對(duì)海冰的全冰期連續(xù)監(jiān)測，采用海冰雷達(dá)圖像的數(shù)字處理系統(tǒng)確定了油氣作業(yè)區(qū)的海冰漂移速度數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)冰速、冰向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而確定了該海域海冰的漂移特性。

1　基于海洋油氣平臺(tái)的海冰雷達(dá)監(jiān)測及數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

1.1遼東灣JZ20-2油氣平臺(tái)上的海冰雷達(dá)監(jiān)測

系統(tǒng)

為對(duì)遼東灣JZ20-2海洋油氣作業(yè)海域進(jìn)行全冰期連續(xù)海冰監(jiān)測，在該海洋平臺(tái)上安裝了SPERRY MARINE航海雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)。該海洋平臺(tái)的地理位置及冰期作業(yè)情況如圖1所示。該航海雷達(dá)的具體參數(shù)列于表1。該雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送和接收天線安裝于油氣平臺(tái)的頂層甲板上，可對(duì)半徑6海里以內(nèi)的海冰進(jìn)行監(jiān)測識(shí)別，分辨率為3 m/像素（季順迎等，2013）。該海冰雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)自2010冬季開始對(duì)JZ20-2海域進(jìn)行全冰期現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測。

1.2海冰雷達(dá)監(jiān)測的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

表1　雷達(dá)渤海海冰監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)

為從雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)采集的海冰圖像中提取海冰速度、密集度和冰塊尺寸等海冰參數(shù)，開發(fā)了海冰雷達(dá)圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過圖像變換及濾波功能降低雷達(dá)噪聲，并采用圖像多尺度二值化算法、最大連通區(qū)域算法等相關(guān)數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海冰密集度、冰塊面積的識(shí)別（季順迎等，2013）。該雷達(dá)圖像處理系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，已用于遼東灣JZ20-2油氣作業(yè)區(qū)的海冰現(xiàn)場監(jiān)測中。該海冰雷達(dá)監(jiān)測圖像處理軟件系統(tǒng)界面如圖2所示。

海冰雷達(dá)圖像監(jiān)測具有連續(xù)性監(jiān)測特點(diǎn)，通過特征點(diǎn)匹配算法對(duì)一定時(shí)間間隔的海冰雷達(dá)圖像進(jìn)行識(shí)別判斷，對(duì)兩幅連續(xù)雷達(dá)圖像中的重點(diǎn)冰塊進(jìn)行特征點(diǎn)提取，將第一幅中1個(gè)像素點(diǎn)與其周圍8個(gè)像素點(diǎn)亮度均值差異最大的像素點(diǎn)作為該區(qū)域的特征像素點(diǎn)。通過遍歷第一幅中所有特征點(diǎn)在第2幅圖像中的對(duì)應(yīng)位移，即可準(zhǔn)確匹配兩幅圖像中同一塊冰塊的移動(dòng)位置并計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)由于海冰與海水對(duì)雷達(dá)探測波的反射率存在很大的差異，利用雷達(dá)圖像對(duì)像素點(diǎn)灰度進(jìn)行識(shí)別，將圖像進(jìn)行分割，可以確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的海冰密集度。通過追蹤每一塊冰完整海冰邊界，計(jì)算邊界內(nèi)面積，得到雷達(dá)圖像中海冰冰塊數(shù)量、面積等參數(shù)（季順迎等，2013）。

圖2　海冰雷達(dá)監(jiān)測圖像處理系統(tǒng)

2　遼東灣JZ20-2油氣作業(yè)區(qū)的海冰漂移特性分析

2.1全冰期海冰雷達(dá)連續(xù)測量

由于海冰雷達(dá)監(jiān)測不受光照、天氣等因素的影響，可進(jìn)行連續(xù)的全天候監(jiān)測。在2012-2013年冬季，對(duì)遼東灣JZ20-2海域的海冰漂移軌跡進(jìn)行了全冰期連續(xù)雷達(dá)監(jiān)測。通過海冰雷達(dá)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到了該海域每隔10 min的海冰速度及冰向分布，共采集有效數(shù)據(jù)樣本6 883組，測量結(jié)果如圖3所示。在此監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可對(duì)該海域冰速的概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并確定不同天氣條件下的海冰漂移軌跡。

圖3　遼東灣JZ20-2油氣作業(yè)區(qū)海冰漂移速度的全冰期雷達(dá)監(jiān)測時(shí)程

2.2海冰漂移速度及流向的概率分布

通過對(duì)以上監(jiān)測的6 883組海冰速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可確定相應(yīng)的流速和流向概率分布。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，冰速的概率密度較好地滿足瑞利分布函數(shù)，即：

式中：Vi為流速，單位cm/s。這里擬合參數(shù)σ= 46.30，其擬合殘差平方值R2=0.89。擬合結(jié)果如圖4所示。由此可以看出，海冰的流速主要集中分布在20~80 cm/s之間，其出現(xiàn)概率達(dá)到67%，而超過100 cm/s的冰速出現(xiàn)概率約為10%。

圖4　遼東灣JZ20-2海域海冰漂移速度的概率分布

對(duì)以上海冰漂移方向θ的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以每隔5°為統(tǒng)計(jì)單位，得到θ的概率分布如圖5所示。從中可以看出，海冰流向在10°~50°與200°~240°兩個(gè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)概率較高。為此，這里采用雙峰高斯函數(shù)對(duì)冰流向概率密度分布進(jìn)行擬合，其擬合相關(guān)系數(shù)平方R2=0.97。該雙峰高斯函數(shù)可寫作：

式中：θ為流向，單位°。

圖5　遼東灣JZ20-2海域海冰漂移方向的概率分布及雙峰高斯擬合函數(shù)

圖6　JZ20-2海域冰速大小和冰向聯(lián)合概率分布

2.3海冰漂移速度和冰向的聯(lián)合概率分布

將海冰漂移速度的概率密度f（Vi）與流向的概率密度函數(shù)f（θ）相乘，可得到冰速與冰向的聯(lián)合概率密度f（Vi，θ），由此得到相應(yīng)的概率分布如圖6 （a）所示。這里進(jìn)一步依據(jù)實(shí)測海冰漂移數(shù)據(jù)樣本得到的海冰流速聯(lián)合概率分布如圖6（b）所示。由以上結(jié)果可以看出，f（Vi，θ）由冰速、冰向的概率密度函數(shù)乘積與實(shí)測數(shù)據(jù)得到的海冰流速聯(lián)合概率分布圖非常接近，從中可以清晰地看到冰速與冰向的概率分布規(guī)律。

3　結(jié)論

為研究遼東灣油氣作業(yè)區(qū)海冰的漂移特性，采用基于海洋油平臺(tái)上的航海雷達(dá)對(duì)海冰的漂移速度和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測。通過海冰雷達(dá)監(jiān)測圖像的數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)海冰的速度、流向進(jìn)行了提取，從而確定了全冰期海冰漂移特性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)海冰的漂移速度和流向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明海冰速度符合瑞利分布，冰向符合雙峰值的高斯分布；通過對(duì)海冰速度與冰向的聯(lián)合概率分析，確定了相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

海冰雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、受氣象影響小的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)油氣作業(yè)區(qū)的海冰運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。這不僅可對(duì)海冰的漂移特性研究提供相應(yīng)實(shí)測數(shù)據(jù)，還可應(yīng)用于冰期油氣作業(yè)的海冰管理中，為油氣生產(chǎn)的安全作業(yè)提供可靠的海冰監(jiān)測信息。

致謝：本文研究工作得到遼東灣JZ20-2油氣作業(yè)區(qū)工作人員的密切配合，大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院王宇新副教授和工程力學(xué)系研究生陳曉東和李正參加了部分軟件開發(fā)和現(xiàn)場監(jiān)測工作，在此深表謝意！

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（本文編輯:袁澤軼）

Analysis of drifting characteristics of the sea ice based on continuous marine radar monitoring on the oil-gas offshore platform

JI Shun-ying1,GU Zong-qi1,WANG An-liang2,LIU Yu2
（1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian 116023,Liaoning,China; 2.Key Laboratory of Research onMarine Hazards Forecasting,National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China）

Sea ice cover appears widely in the Liaodong Bay in winter,and brings disaster influences on the operation of oil/ gas platform and navigation in the ice field.Thus,it is necessary to monitor the sea ice dynamics continuously with the high precision in the oil field.The sea ice monitoring can also be benefit to the study of the sea ice dynamics.In this study,the sea ice drifting characteristics in the JZ20-2 oil filed was monitored with the marine radar on an offshore platform during a whole winter.The sea ice drifting velocity and directions were obtained with the digital image processing system.With the observed data,the probability density function of sea ice drifting speed and direction were determined.They accorded with the Rayleigh distribution and Gaussian distribution with two peaks,respectively.Finally,their joint probability was also analyzed. This work could provide the field monitoring data for the analysis of sea ice dynamics in the oil field of the Liaodong Bay.

sea ice;marine radar monitoring;offshore platform;drifting velocity and direction of the sea ice;joint probability distribution

季順迎（1972-），男，博士，教授，主要從事寒區(qū)海洋工程研究。電子郵箱：jisy@dlut.edu.cn。

P731.15；TP317.4

A

1001-6932（2016）03-0280-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.006

2015-06-01；

2015-07-14

國家自然科學(xué)基金（41176012）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201105016；201205007）。