冰边缘区海冰与波浪相互作用进程研究

The Arctic sea ice is thawing, and the coverage area of the marginal ice zone (MIZ) is increasing due to global climate warming. The velocity of exploiting abundant oil and gas resources and cutting new routes in the Arctic is increased following engineering technical progress. The exploitation is concentrated in the MIZ, making this kind of area the focus of people. The timely and exact prediction of the ocean environment in the MIZ is demanded to ensure the security of offshore platforms and ships. Existing mathematical models can’t meet the requirement owing to the complicated physical system in these areas. The sea ice-wave interactions are the primary physical processes in the MIZ. The ones will be investigated using model tests in this research. The contents will include: The model tests of the ice sheet fracture are implemented to confirm the fracture mechanism of the ice sheet under the effect of waves; The model tests of the wave attenuation and reflection are performed to understand the processes of the wave attenuation and reflection under the effect of the ice sheet; Based on the tests results, the mathematical models of ice-wave interactions are established. The objectives of this research are realizing the ice-wave interactions in the MIZ, estimating the ice condition in these areas under the effect of waves, improving the forecasting precision of the sea ice/ocean environment model.

随全球气候变暖，北极冰盖逐渐消融，冰边缘区覆盖面积增大。伴随着工程技术的进步，人类加快了开发北极地区丰富油气资源和开辟北极新航路的步伐，这些开发行为多集中在冰边缘区，使得这一区域成为人们关注的焦点。为保证海上平台结构和船舶的安全，人们需要对冰边缘区的海洋环境条件进行及时、准确的预测。然而由于该区域物理系统的复杂性，已有的数学模型尚不能满足这样的要求。冰边缘区中海冰与波浪的相互作用是该区域主要的物理过程，本项目即以冰与波浪的相互作用进程为研究对象，通过室内模型试验方法开展基础性测试工作。具体内容包括：开展冰排断裂模型试验，揭示冰排在波浪作用下的断裂机理；进行波浪衰减、反射模型试验，明确波浪在冰排作用下的衰减和反射过程；综合模型试验结果，构建冰与波浪相互作用的数学模型。本项目旨在揭示冰边缘区海冰与波浪的相互作用进程，从而判断波浪作用下这一海域的冰情特征，进而提高海冰/海洋环境模型的预测精度。

随全球气候变暖，北极冰盖逐渐消融，冰边缘区覆盖面积增大。伴随着工程技术的进步，人类加快了开发北极地区丰富油气资源和开辟北极新航路的步伐，这些开发行为多集中在冰边缘区，使得这一区域成为人们关注的焦点。为保证海上平台结构和船舶的安全，人们需要对冰边缘区的海洋环境条件进行及时、准确的预测。然而由于该区域物理系统的复杂性，已有的数学模型尚不能满足这样的要求。冰边缘区中海冰与波浪的相互作用是该区域主要的物理过程，本项目即以冰与波浪的相互作用进程为研究对象，通过室内模型试验方法开展基础性测试工作。课题组首先结合多年冰模型试验积累的模型冰生成与制备试验技术，对现有模型冰制备过程和控制技术进行优化，进而成功开发出模拟冰边缘区海冰与波浪相互作用进程的室内模型试验技术。课题组通过对冰边缘区冰与波浪的相互作用进程进行理论分析和数值模拟，以极地周围冰边缘区某海域为目标区域，根据分析结果制定了相应的物理模型试验方案。课题组在天津大学冰力学与冰工程实验室的低温拖曳冰水池中进行了一系列模型试验，分别开展了冰排断裂模型试验和波浪衰减、反射模型试验。在冰排断裂模型试验中，以冰排断裂长度和临界波高为特征参量，解析了冰排在波浪作用下的断裂机理，并研究了冰条件和波浪条件对冰排断裂进程的影响和控制规律。在波浪衰减、反射模型试验中，以波浪衰减率、反射系数和透射系数为特征参量，解析了波浪在与冰排相互作用过程中的衰减和反射过程，并研究了冰条件和波浪条件对波浪衰减、反射过程的影响和控制规律。基于物理模型试验工作对冰与波浪相互作用机理的揭示，最终构建了模拟冰边缘区海冰与波浪相互作用的数值模型。本项目所获得的研究成果有助于大区域海洋环境预测系统提高对冰边缘区及周围区域的预测精度，并为冰边缘区物理系统模型的最终建立提供基础性测试数据。结合课题培养研究生6名，发表论文9篇，其中SCI收录3篇，EI收录4篇。