渤海辽东湾冰区工程点雷达海冰监测和预报技术研究

论文摘要

由于地理环境的特点,特别是受气候的影响,渤海海域每年冬季都会发生不同程度的结冰现象。海上石油生产置身于海洋环境之中,海上开采石油的设施无时不受到海洋环境的影响和制约。海冰是冰区海洋工程的主要荷载之一,直接影响着海上油（气）田的勘探、开发和生产运营,威胁着海上工程设施以及航运的安全。从国内外大量的海冰灾害事实和我国海上石油平台被海冰推倒的海洋灾害事故当中,可以看到海冰的破坏力之大,危害之严重,同时也可以看出加强对局地海域大气—海冰—海洋相互作用机理的研究的意义之重大。随着海洋石油勘探开发事业的发展,特别是环渤海冰区油气资源的开采,对渤海油气田冬季生产过程中的海冰管理技术提出了更高的要求。为了保障冬季冰区工程点的作业和生产安全,必须对冰区工程点海冰监测和预报,为加强海洋防灾和减灾的管理、科学决策提供依据。海冰监测是认识海洋环境特征的基本手段,是冰区工程点海洋环境综合管理和预报技术业务化的基础。海冰监测与预报是一项随冰区油田开发和油气集输工程需要而发展起来的综合性生产和技术管理项目,它主要是利用各种现代科学技术手段对海冰进行监测,对冰情变化进行预测,对来自各方面的海冰数据进行处理,分析危险冰情,发布预警信息和提出应急措施,以达到冰区油田冬季安全生产和防冰减灾的目的。海洋冰区工程点冰情的监测和预报技术也是海洋学者们一直探讨研究的热点课题。本论文着重围绕渤海结冰区海洋石油开采、船舶运输、钻井平台建设等港口工程建设过程中的海冰问题,分析了海冰变化过程及海冰生消运动规律,探索了海冰监测方法与海冰预报技术,尤其是对局部的工程作业点海冰的分布及其变化、海冰厚度测量、海冰漂移方向预测、速度的变化等内容进行了深入的研究,建立了一套可以监测、预报冰情的技术方法,为冰区工程点海冰管理项目提供了重要的科学依据。根据本人冬季在渤海辽东湾JZ9-3石油平台（冰区工程作业点）海域进行雷达遥感海冰监测及预报技术的研究,该论文取得了新的突破与创新,研究成果内容如下:1)分析了冰区工程点不同类型海冰外貌及海冰运动的回波特征,采取雷达观测海冰分类、雷达测量海冰厚度、雷达测量海冰漂移技术参数,并研发了应用技术。2)通过实测海流资料,建立了雷达海冰漂移数值预报技术,实现了冰区海域的JZ9-3石油平台雷达监测海冰数值跟踪预报技术系统,提供了雷达遥感动态监测海冰实时数值图像和预报技术。3)探索了雷达从垂直方向对空气—冰表界面、冰层、冰底—海水界面微波回波特征,提取参数,研制了雷达冰厚测量仪。实现开发应用软件与计算机联机,采用实测冰厚进行标定和检验,准确率达97%以上,通过了专家评审,同时申报了获国家专利,专利号为:CN 101105395A。4)应用PIV技术、雷达监测海冰技术和计算机编程技术3种技术相结合,实现了快速雷达遥感观测海冰漂流矢量场预报业务化技术系统,在辽东湾冰区工程点海冰预报中首次应用（在国内也是首次）,达到了全天候预报流冰变化动态信息的要求。综上所述,本课题在2005～2007年度的中海海洋石油公司的渤海冬季海冰项目管理工作中,实现了冰区工程点外输油轮作业的雷达监测海冰数值分析及流冰动态信息预报,完成了海冰管理网站的建立等一系列与海冰监测相关的工作,为冬季海上冰区油田的连续生产和安全作业提供了技术支持,也为实现我国岸站固定冰观测与预报创建了新的管理系统,实现了航天卫星、飞机航测和岸站雷达三位一体相结合的立体实时监测体系,为海冰图像、数据和工程点冰情预报提供了科学技术支撑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 问题的研究背景
• 1.1.2 问题的研究意义
• 1.2 国内外海冰监测、预报的发展趋势
• 1.2.1 国外
• 1.2.2 国内
• 1.3 论文的研究路线
• 1.3.1 论文结构
• 1.3.1.1 研究思路
• 1.3.1.2 论文内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.2.1 定性分析与定量分析相结合
• 1.3.2.2 结合实例分析
• 1.4 小结
• 第2章 遥感海冰观测技术介绍
• 2.1 海冰厚度测量原理与方法
• 2.1.1 目视方法
• 2.1.2 遥感方法
• 2.1.2.1 卫星遥感法
• 2.1.2.2 航空遥感法
• 2.1.2.3 声纳测量法
• 2.2 雷达海冰厚测量仪工作原理与系统组成
• 2.2.1 技术原理
• 2.2.2 系统组成
• 2.2.3 性能指标
• 2.2.3.1 雷达指标
• 2.2.3.2 参数设定
• 2.2.4 A显示器的选取
• 2.2.4.1 工作指标
• 2.2.4.2 参数的设定
• 2.2.5 通讯接口转换器的选取
• 2.2.5.1 通讯接口转换器指标
• 2.2.5.2 喇叭口的选取
• 2.3 小结
• 第3章 雷达观测海冰分类研究
• 3.1 测试系统
• 3.1.1 测量设备
• 3.1.2 系统框图
• 3.1.3 系统工作模式
• 3.2 雷达海冰分类数据处理
• 3.2.1 海冰冰型及散射特性
• 3.2.2 海冰冰型分类统计
• 3.2.3 海冰冰型分类主要功能模块
• 3.2.4 数据处理结果
• 3.3 雷达海冰图像数值化处理
• 3.3.1 海冰雷达图像录取
• 3.3.2 系统框图
• 3.3.3 系统工作模式
• 3.3.4 雷达海冰图像处理结果
• 3.4 小结
• 第4章 雷达海冰厚度测量与数据分析
• 4.1 雷达海冰厚度测量
• 4.1.1 现场位置的选取与架设
• 4.1.2 雷达冰厚度测量的工作流程
• 4.2 雷达采集数据分析
• 4.2.1 A显示冰厚图像的识别与分析
• 4.2.2 计算机显示图像冰厚的识别与分析
• 4.2.3 流冰厚度试验数据的标定
• 4.2.4 比例系数的确定
• 4.2.4.1 A显比例系数x的确定
• 4.2.4.2 计算机显示比例系数y的确定
• 4.2.5 现场雷达海冰厚度测量
• 4.2.6 海冰厚度测量的准确率分析
• 4.2.6.1 A显准确率
• 4.2.6.2 计算机显示准确率
• 4.3 小结
• 第5章 雷达海冰漂移矢量场测量技术研究
• 5.1 冰漂移场测量技术
• 5.1.1 流场速度测量技术简介
• 5.1.2 PIV技术的分类
• 5.1.3 PIV技术发展概况
• 5.1.3.1 国内PIV技术发展概况
• 5.1.3.2 国外PIV技术发展概况
• 5.2 冰漂流场测量技术的互相关分析
• 5.2.1 冰漂流测量技术的互相关分析原理
• 5.2.1.1 互相关分析原理
• 5.2.1.2 全场冰漂测量技术的Fourier实现
• 5.2.1.3 冰漂流矢量场修正
• 5.2.2 冰漂移场测量技术的互相关分析
• 5.2.2.1 拉格朗日质点计算
• 5.2.2.2 PIV测量匹配算法
• 5.3 冰漂移场测量技术的相关计算模块
• 5.3.1 雷达海冰PPI图像采集系统
• 5.3.1.1 天线参数指标
• 5.3.1.2 收发机参数指标
• 5.3.1.3 雷达图像测试记录仪
• 5.3.2 测速系统软件实现
• 5.3.2.1 文件读入及存储模块
• 5.3.2.2 小波降噪模块
• 5.3.2.3 参数设置模块
• 5.3.2.4 互相关分析模块
• 5.3.2.5 矢量场图绘制模块
• 5.4 快速实测雷达海冰漂移矢量场图结果
• 5.5 小结
• 第6章 雷达海冰漂移与潮流数值预报技术研究
• 6.1 冰区工程点海域海流测量
• 6.1.1 海流测量区域
• 6.1.2 实测海流结果
• 6.2 工程点潮流场的数值模拟
• 6.2.1 潮流数学模型
• 6.2.2 工程点潮流场计算结果
• 6.3 工程点流冰漂移数学模型
• 6.3.1 海冰动量方程
• 6.3.2 计算方法
• 6.3.3 计算输入参数
• 6.4 工程点流冰漂移的数值预报
• 6.4.1 辽东湾JZ9-3油田海域工程点流冰漂移数值预报
• 6.4.2 结果验证
• 6.5 小结
• 第7章 工程海冰预报方法研究
• 7.1 工程海冰预报基础
• 7.1.1 海冰经验方法
• 7.1.2 海冰统计方法
• 7.1.2.1 海冰趋势分析
• 7.1.2.2 海冰回归预报方程
• 7.1.3 海冰物理计算方法
• 7.1.3.1 初冰计算方程
• 7.1.3.2 结冰范围计算方程
• 7.1.3.3 冰厚计算方程
• 7.1.3.4 冰脊龙骨深计算方程
• 7.1.3.5 冰脊冻结龙骨深计算方程
• 7.1.3.6 海冰位移速度计算方程
• 7.1.4 海冰数值方法
• 7.1.5 冰厚计算方程研究的发展
• 7.1.5.1 德国建立的冰厚计算方程
• 7.1.5.2 前苏联建立的冰厚计算方程
• 7.1.5.3 美国改进的冰厚计算方程
• 7.1.5.4 中国建立的冰厚计算方程
• 7.1.6 结冰特征及对海上工程的影响
• 7.2 海冰水平分布与增长
• 7.2.1 海冰水平分布
• 7.2.1.1 渤海海冰水平分布
• 7.2.1.2 北黄海海冰水平分布
• 7.2.2 海冰水平增长与气温的关系
• 7.2.3 海冰水平增长计算方程的推导
• 7.2.3.1 结冰水平增长研究的发展
• 7.2.3.2 结冰水平增长预报方程的推导
• 7.2.3.3 系数η的量纲
• 7.2.3.4 系数η值的确定
• 7.2.4 结冰范围计算方程的应用
• 7.2.4.1 海冰预报计算
• 7.2.4.2 结冰范围与冰厚反演计算
• 7.2.4.3 计算海洋工程设计海冰参数
• 7.2.4.4 提供海域使用管理研究的数据和信息
• 7.3 小结
• 第8章 工程点雷达海冰漂流数值跟踪预报
• 8.1 工程点雷达海冰漂流场测量
• 8.1.1 输入雷达海冰实况图
• 8.1.2 输入风场计算参数
• 8.1.3 输入潮流场计算参数
• 8.2 雷达海冰漂流计算
• 8.3 海冰漂流轨迹计算
• 8.4 工程点雷达海冰漂流数值跟踪预报结果
• 8.5 小结
• 第9章 总结与展望
• 9.1 论文主要工作
• 9.2 今后研究方向展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 攻读博士期间参加的项目
• 致谢
• 研究生履历