海冰破碎尺寸分布的空间多尺度研究

In marginal ice zone and seasonal ice-covered area, the surface is basically covered by ice floes, of which the size distribution reaches up to 1000 meter and down to 1meter. All the floes have significantly effect on dynamical and thermodynamical process, which is, however, not fully considered into the sea ice model. Based on multiple spatial scales, application of monitoring data, stochastic process theory and discrete element method into setting up a floes size distribution (FSD) model for all scales. Furthermore, the parameters of the model influenced by wind, wave, temperatures and ice thickness will be compared. Meanwhile, the FSD together with shape and ice thickness distribution will be used to calculate inversive fields of sea ice, which can reflects the discontinual and multiscale properties of the floes. Fundamentally, this unified FSD will benefit understanding the mechanism of dynamics and thermodynamics and the numerical model.

极区边缘和季节性结冰海域常被尺寸从米到千米的跨尺度碎冰所覆盖，这些碎冰尺寸的分布状况对海冰动力-热力学过程影响显著，而目前适合在大尺度海冰模式中应用的破碎尺寸分布模型仍需进一步研究。本项目将利用空间多尺度监测数据、随机动力学系统方法和离散单元数值方法来研究海冰破碎统一多尺度尺寸分布函数；并对参数模型受风、浪、气温和冰厚等因素的影响进行分析。同时，将海冰尺寸分布函数和海冰破碎形状、冰厚分布函数相结合，反演出海冰性质的场分布；该场分布将能够反映出海冰性质的非连续和碎冰尺寸多尺度的特征。本项目建立的多尺度统一碎冰尺寸分布函数模型，将为海冰动力-热力过程的机理研究及其数值模型的建立提供科学依据。

本项目利用空间多尺度监测数据、随机动力学系统方法和离散单元数值方法来研究海冰破碎统一多尺度尺寸分布函数；并对参数模型受风、浪、气温和冰厚等因素的影响进行分析。同时，将海冰尺寸分布函数和海冰破碎形状、冰厚分布函数相结合，反演出海冰性质的场分布；该场分布将能够反映出海冰性质的非连续和碎冰尺寸多尺度的特征。.针对海冰要素多尺度监测数据，分析了多尺度下海冰尺寸分布和变化的规律。基于破冰船调研、石油平台、雷达和高清卫星构建的海冰立体监测系统，获取不同尺度下海冰破碎图像数据；分析了不同尺度下海冰的尺寸分布函数及其与气温、风、浪等影响要素的关系，并统计多尺度条件下的海冰破碎尺寸分布函数。将以上研究成果在近海风电项目中进行了应用。.建立了基于非结构网格的海冰破碎过程的模型，并以此研究海冰破碎的分形性质和尺寸分布函数及其影响因素。考虑不同尺度下海冰相互作用的力学机理，建立了海冰在风、浪、气温、密集度和冰厚等影响因素下海冰不同尺度的动力-热力学模型。同时就尺寸分布函数及其影响要素进行分析，并将数值结果与观测数据进行了对比。.本项目取得的主要研究进展和结果包括：.1) 形成了一套面向海冰数字图像的处理系统ImagePy，该系统在开源网站Github上进行了开源处理。该软件引入了距离分水岭算法，可以准确的提取碎冰的尺寸分布参数。.2) 建立了基于非结构网格的海冰数值预报模型，并在日本和鄂霍茨克海海域进行了应用。并利用卫星数据对模式的有效性进行了验证，其海冰面积覆盖率有效性达到75%以上。.3) 基于卫星、数值和现场实测数据形成了一套针对风电场的评估体系，该体系为相关工程单位海冰环境设计参数提供了有效的支撑。