考虑海浪影响的渤海海冰演化规律的三维数值模拟研究

In the prediction of sea ice, it is a crucial step to build an accurate and reliable numerical model with the characters of sea ice evolution in the Bohai Sea. The ocean wave spectrum is the dominant factor controlling the growing, melting, moving, breakup and floe size distribution of sea ice in the marginal ice zone. However, current coupled ice-ocean three-dimensional models of the Bohai Sea do not account for ocean wave-sea ice interactions, and only the wind and the current are included in the dynamic factors, which constrains the forecast accuracy for sea ice evolution in the Bohai Sea. Therefore, based on the mechanism research on ice – wave interactions, this project will determine the algorithm that best fits for the Bohai Sea, and incorporate the algorithm to the three dimensional numerical ice-ocean model, and develop a three-dimensional ice-ocean real time coupled numerical simulation system of the Bohai Sea including the effect of waves. Satellite remote sensing and field investigation data are used to test and verify the model. Then we will simulate the evolution process of sea ice growing and melting for Bohai and local project area, and reveal the law how waves influence the growth, melting and movement of sea ice. This project will provide a new idea for the research of high-precision prediction of sea ice. Furthermore, the results of this project also provide a solid reference for the prevention of ice disaster in the Bohai Sea.

针对渤海海冰生消规律和特征建立准确可靠的数值模型是海冰高精度数值预报研究的基础。海浪对于冰缘区的生长消融、位置移动、断裂和浮冰尺寸分布具有显著的控制作用。但在现有的渤海海冰-海洋耦合的三维数值模拟系统中，动力因素中仅考虑了风和流，没有考虑海浪的影响，限制了对渤海海冰生消演化的预测能力。为此，本项目拟在研究冰-波作用机制的基础上，确定适合渤海的冰-波作用算法，并将该算法纳入冰-海耦合的三维数值模式中，建立考虑海浪影响的渤海海冰-海洋实时耦合的三维数学模型。在利用卫星遥感和实测资料验证模型合理的基础上，进一步模拟渤海及局地海冰的生消演化过程，揭示海浪因素对海冰生长、消融及运动的影响规律。通过开展本项目工作，可为海冰高精度数值预报研究提供新的思路，为环渤海冰灾防控提供科学依据。

海浪对于冰缘区的生长消融、位置移动、断裂和浮冰尺寸分布具有显著的控制作用，将海浪纳入海冰模型是建立高精度海冰数值预报模型的基础。课题采用数值模拟，实测资料分析，卫星遥感及数据挖掘等方法建立了考虑海浪影响的渤海海冰-海洋实时耦合的三维数学模型并研究渤海海冰生长、消融及运动的演化规律。主要内容包括在梳理冰-波作用机制的基础上，提出波浪模型与冰-海模型耦合的新方法；基于卫星遥感和实测资料分析提出了反演海冰空间分布和冰厚的新方法；基于数值模型、遥感反演的海冰空间分布、实测气象资料以及神经网络预测模型，揭示了气温、风向和风时对局地辽东湾海冰边缘预测的影响。.冰波作用模型采用MCT耦合器，将非结构化网格波浪模式SWAN与冰-海耦合模型FVCOM耦合。其中冰对波浪的影响体现在以冰浓度为权重的风应力上，而波浪对冰的影响则体现在浪致垂向混合系数上。验证结果表明，本文建立的冰-波-海模型能较好的模拟渤海的波浪、潮汐、潮流、海温和冰的演化。.海冰的冰盖分布及冰厚作为验证资料是模型开发的基础。本课题基于CART决策树模型和MODIS卫星遥感数据反演了渤海海冰的空间分布，并在此基础上结合准牛顿法以及实测站位的冰厚资料开发了渤海冰厚估算模型。结果表明，同时对可见光、近红外和热红外多波段进行自动分类计算，有效消除了传统阈值法反演高悬沙等特殊海洋环境时出现的海冰误判，确保了海冰验证资料的精度。.气象条件是影响海冰空间演化的一个重要因素。模型结果表明，重冰年辽东湾海冰的空间分布除了受气温和风速的影响，风向和风时的作用也不可忽略，尤其是对于盛冰期的冰边缘区，可有效提升预测总精度的14%。.本课题建立的数值模型不仅是建立渤海海冰高精度数值预报模型的基础，更可为渤海海洋环境的模拟提供可靠的研究工具。未来可应用于新型能源的开发，如渤海潮汐能、波浪能发电的估算；此外，该研究还可应用于污染物、溢油等在时间和空间上的传输追踪等。