基于海洋油氣平臺上雷達連續監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　工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧　大連　116023；2.國家海洋環境預報中心　國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京　100081）

基于海洋油氣平臺上雷達連續監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.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連116023；
2.國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

遼東灣每年冬季都會凍結大量海冰，并對海上油氣平臺和船舶運輸帶來很大的安全影響。為此，對油氣作業海域海冰進行精確、連續的現場監測是非常必要，也有助于揭示海冰的漂移特性。采用遼東灣JZ20-2油氣海洋平臺上的航海雷達監測系統對該海域的海冰漂移特性進行了全冰期的連續監測，并通過海冰雷達監測的數字圖像處理系統對海冰的漂移速度和流向進行分析，獲得了該海域全冰期的海冰漂移數據。在此基礎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，以及兩者的聯合概率分布特性。以上研究為分析遼東灣油氣作業區海冰的漂移特性提供了可靠的現場監測資料。

海冰；航海雷達監測；海洋平臺；冰速冰向；聯合概率分布

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境條件，每年冬季都會出現不同程度的冰情，并對海上油氣作業和冰區航運帶來很大的威脅。自20世紀60年代開始，我國逐漸發展了沿岸臺站測量、航空觀測、破冰船海冰調查、衛星圖像遙感、海洋平臺定點觀測等海冰監測方法（白珊等，1999；白珊等，1998；孫劭等，2011；張晰等，2013）。其中，基于海洋油氣平臺的海冰現場監測具有誤差小、連續性強、監測精度高等優點，為冰區油氣安全作業提供了及時可靠的現場監測數據（季順迎等，2011）。自20世紀90年代初對遼東灣油氣開發以來，在JZ20-2海洋平臺上建立了系統的海冰現場監測系統，對該海域的海冰速度、密集度、冰厚進行了系統、長期的現場監測，同時對油氣平臺結構的冰激振動、冰荷載及該海域的氣象、水文要素進行同步監測，為冰期油氣平臺安全作業提供了及時可靠的海冰監測信息（季順迎等，2011；2013）。基于海洋油氣平臺的現場航海雷達監測系統可以獲得更加連續、全天候的海冰速度、密集度和冰塊尺寸等參數，成為海冰現場監測中重要監測手段（季順迎等，2013）。

目前，國外多采用合成孔徑雷達對極區及波羅的海的海冰監測可識別海冰在不同形成階段的物理特性（Gogineni et al，2007）。此外，通過船載雷達監測極區海冰的形成過程以及降雪對海冰物理力學性質的影響（Gourmelen et al，2011；Meyer et al，2011）。雷達監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，以研究冰蓋內部結構、冰底環境、冰蓋演化過程（Overgaard et al，2001；Holt et al，2009；崔祥斌，2013）。由于航海雷達監測系統具有監測范圍廣、精度高、不受光照條件限制，可全天候監測海冰的運動過程（岳前進等，2000；孫鶴全等，2003；張勐等，2005）。近年來，航海雷達監測技術已廣泛地應用于遼東灣油氣作業區的海冰現場監測中。隨著海冰雷達監測圖像處理系統的發展，海冰雷達監測系統的精確性也在不斷提高 （季順迎 等，2013；Kurt et al，2013）。

在渤海油氣作業區，海冰流速、厚度、密集度是海冰現場監測的重要參數。目前海冰流速測量技術主要包括數字圖像和視頻監測、航海雷達監測等（孫延維等，1992；岳前進等，2000；季順迎等，2011，2013）。通過海冰衛星遙感監測資料分析，發現渤海海冰除受盛行風控制外，還受海岸地形、流和冰內應力的共同作用（吳龍濤等，2005）。對于油氣作業區的海冰漂移特性，現場圖像和雷達監測結果均表明，海冰在潮流的作用下呈現明顯的往復運動規律（季順迎等，2011；2013）。此外，通過對渤海海冰的數值分析，發現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注的問題，也是影響海冰熱力-動力耦合過程的重要因素。

為此，本文通過遼東灣JZ20-2油氣平臺上航海雷達對海冰的全冰期連續監測，采用海冰雷達圖像的數字處理系統確定了油氣作業區的海冰漂移速度數據，并在此基礎上對冰速、冰向進行了統計分析，進而確定了該海域海冰的漂移特性。

1　基于海洋油氣平臺的海冰雷達監測及數字圖像處理系統

1.1遼東灣JZ20-2油氣平臺上的海冰雷達監測

系統

為對遼東灣JZ20-2海洋油氣作業海域進行全冰期連續海冰監測，在該海洋平臺上安裝了SPERRY MARINE航海雷達監測系統。該海洋平臺的地理位置及冰期作業情況如圖1所示。該航海雷達的具體參數列于表1。該雷達監測系統的信號發送和接收天線安裝于油氣平臺的頂層甲板上，可對半徑6海里以內的海冰進行監測識別，分辨率為3 m/像素（季順迎等，2013）。該海冰雷達監測系統自2010冬季開始對JZ20-2海域進行全冰期現場連續監測。

1.2海冰雷達監測的數字圖像處理系統

表1　雷達渤海海冰監測系統參數

為從雷達監測系統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，開發了海冰雷達圖像處理系統。該系統通過圖像變換及濾波功能降低雷達噪聲，并采用圖像多尺度二值化算法、最大連通區域算法等相關數字圖像處理技術，實現了對海冰密集度、冰塊面積的識別（季順迎等，2013）。該雷達圖像處理系統操作簡單、穩定性強，已用于遼東灣JZ20-2油氣作業區的海冰現場監測中。該海冰雷達監測圖像處理軟件系統界面如圖2所示。

海冰雷達圖像監測具有連續性監測特點，通過特征點匹配算法對一定時間間隔的海冰雷達圖像進行識別判斷，對兩幅連續雷達圖像中的重點冰塊進行特征點提取，將第一幅中1個像素點與其周圍8個像素點亮度均值差異最大的像素點作為該區域的特征像素點。通過遍歷第一幅中所有特征點在第2幅圖像中的對應位移，即可準確匹配兩幅圖像中同一塊冰塊的移動位置并計算其運動速度。同時由于海冰與海水對雷達探測波的反射率存在很大的差異，利用雷達圖像對像素點灰度進行識別，將圖像進行分割，可以確定監測區域內的海冰密集度。通過追蹤每一塊冰完整海冰邊界，計算邊界內面積，得到雷達圖像中海冰冰塊數量、面積等參數（季順迎等，2013）。

圖2　海冰雷達監測圖像處理系統

2　遼東灣JZ20-2油氣作業區的海冰漂移特性分析

2.1全冰期海冰雷達連續測量

由于海冰雷達監測不受光照、天氣等因素的影響，可進行連續的全天候監測。在2012-2013年冬季，對遼東灣JZ20-2海域的海冰漂移軌跡進行了全冰期連續雷達監測。通過海冰雷達圖像處理系統進行處理，得到了該海域每隔10 min的海冰速度及冰向分布，共采集有效數據樣本6 883組，測量結果如圖3所示。在此監測數據基礎上，可對該海域冰速的概率分布進行統計分析，并確定不同天氣條件下的海冰漂移軌跡。

圖3　遼東灣JZ20-2油氣作業區海冰漂移速度的全冰期雷達監測時程

2.2海冰漂移速度及流向的概率分布

通過對以上監測的6 883組海冰速度進行統計分析，可確定相應的流速和流向概率分布。統計結果表明，冰速的概率密度較好地滿足瑞利分布函數，即：

式中：Vi為流速，單位cm/s。這里擬合參數σ= 46.30，其擬合殘差平方值R2=0.89。擬合結果如圖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，其出現概率達到67%，而超過100 cm/s的冰速出現概率約為10%。

圖4　遼東灣JZ20-2海域海冰漂移速度的概率分布

對以上海冰漂移方向θ的監測結果進行統計分析，以每隔5°為統計單位，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°兩個區間內出現概率較高。為此，這里采用雙峰高斯函數對冰流向概率密度分布進行擬合，其擬合相關系數平方R2=0.97。該雙峰高斯函數可寫作：

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

圖6　JZ20-2海域冰速大小和冰向聯合概率分布

2.3海冰漂移速度和冰向的聯合概率分布

將海冰漂移速度的概率密度f（Vi）與流向的概率密度函數f（θ）相乘，可得到冰速與冰向的聯合概率密度f（Vi，θ），由此得到相應的概率分布如圖6 （a）所示。這里進一步依據實測海冰漂移數據樣本得到的海冰流速聯合概率分布如圖6（b）所示。由以上結果可以看出，f（Vi，θ）由冰速、冰向的概率密度函數乘積與實測數據得到的海冰流速聯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律。

3　結論

為研究遼東灣油氣作業區海冰的漂移特性，采用基于海洋油平臺上的航海雷達對海冰的漂移速度和運動軌跡進行了連續監測。通過海冰雷達監測圖像的數字圖像處理技術對海冰的速度、流向進行了提取，從而確定了全冰期海冰漂移特性。在此基礎上，對海冰的漂移速度和流向進行了統計分析，結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；通過對海冰速度與冰向的聯合概率分析，確定了相應的統計規律。

海冰雷達監測系統和數字圖像處理系統具有監測精度高、實時性強、受氣象影響小的優點，可對油氣作業區的海冰運動軌跡進行連續監測。這不僅可對海冰的漂移特性研究提供相應實測數據，還可應用于冰期油氣作業的海冰管理中，為油氣生產的安全作業提供可靠的海冰監測信息。

致謝：本文研究工作得到遼東灣JZ20-2油氣作業區工作人員的密切配合，大連理工大學計算機科學與工程學院王宇新副教授和工程力學系研究生陳曉東和李正參加了部分軟件開發和現場監測工作，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

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