極地海冰環(huán)境分析

殷俊俊馮正平劉樂樂沈 權(quán)

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；3.中國極地研究中心 上海200136）

研究與設(shè)計(jì)

極地海冰環(huán)境分析

殷俊俊1,2馮正平1劉樂樂2沈 權(quán)3

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；3.中國極地研究中心 上海200136）

隨著新極地科考破冰船的設(shè)計(jì)建造以及人們對北極航道的關(guān)注不斷升溫，極地海冰環(huán)境分析與跟蹤顯得非常必要。文章對該類船舶營運(yùn)區(qū)域的海冰環(huán)境、船級社冰級定義以及風(fēng)險(xiǎn)評論進(jìn)行分析，指出其中的關(guān)鍵要素，可為極地船舶設(shè)計(jì)提供參考。

極地海冰環(huán)境；海冰類型；冰級定義；極地船舶風(fēng)險(xiǎn)

引 言

我國極地考察工作始于20世紀(jì)80年代初，迄今已成功組織了28次南極考察、5次北極科學(xué)考察和7個年度的北極黃河站科學(xué)考察，獲得了極其寶貴的數(shù)據(jù)、資料和樣品，并先后承擔(dān)科研項(xiàng)目500余項(xiàng)，在極地科學(xué)領(lǐng)域的國際熱點(diǎn)問題研究方面取得了許多具有科學(xué)價(jià)值的研究成果，開創(chuàng)了多個領(lǐng)域的研究先河，豐富了人類對地球兩極的認(rèn)識。近年來，隨著全球氣溫上升，北極海冰的融化，使得北極航道的經(jīng)濟(jì)性和可能性也越來越受到重視。與此同時(shí)，北極資源的開發(fā)利用等也逐漸成為熱點(diǎn)問題。

所謂極地區(qū)域主要是指南北緯高于60°的地區(qū)。南極由南極大陸和南大洋組成（如下頁圖1所示），北極主要是北冰洋（如下頁圖2所示）。

圖1 南極水域應(yīng)用的最大范圍

隨著考察、航運(yùn)和資源開發(fā)等人類活動的發(fā)展，作為極地海域人類活動重要的基礎(chǔ)平臺，極地科考破冰船、極地航行貨船和極地海洋工程船等極地船舶的設(shè)計(jì)建造都需要以極地海冰環(huán)境的研究分析為前提。

1 海 冰

1.1 海冰演進(jìn)與分類

海冰在海上受到風(fēng)、海流和氣溫變化的影響，逐漸形成各種型態(tài)，其各種物理特性也存在相應(yīng)差異。海冰演變是一個緩慢的過程（如圖3所示），該圖能夠比較全面地反映海冰的時(shí)間和運(yùn)動特性，是海冰載荷預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)。

如圖3所示，海冰可以分為以下幾類：

圖2 北極水域應(yīng)用的最大范圍

（1）按照運(yùn)動形態(tài)分為固定冰和浮冰。

（2）按生成時(shí)間分為初生冰、當(dāng)年冰、次年冰和多年冰。

1.2 海水定義

由于各個海域的海水成分和氣候特征存在一定差異，導(dǎo)致海冰的物理特征也存在一定差異。為統(tǒng)一認(rèn)識和便于工程應(yīng)用，世界氣象組織針對極地海冰特點(diǎn)的重要物理特性，作了統(tǒng)一定義和說明。

1.2.1 冰厚和類型

海水的冰厚和類型定義如下頁表1所示。

1.2.2 冰密集度

冰密集度系指在視野范圍內(nèi)海面上浮冰覆蓋的比例量，以十分法度量。冰密集度可分為8級，列于下頁表2。冰密集度大小用以表示船舶在冰區(qū)中航行的困難程度。

圖3 海冰時(shí)間和運(yùn)動演變進(jìn)程示意圖

表1 世界氣象組織的海冰類型及厚度的定義cm

為了便于設(shè)計(jì)部門和用船部門直觀理解，本文摘錄了美國海洋和大氣管理局發(fā)布的冰情圖，如圖4—圖9所示：

圖4 破損的水平冰

圖5 水平冰（帶當(dāng)年冰脊）

表2 世界氣象組織的冰密集度分類

圖6 冰山

圖7 大范圍當(dāng)年冰

圖8 第二年冰

圖9 冰山源頭

2 極地冰情

冰情是指海上冰的數(shù)量、結(jié)冰范圍、海冰厚度以及海冰的分布和漂流等情況，是反映海冰結(jié)冰程度的綜合性概念。兩極地區(qū)長期覆蓋浮冰和冰蓋，隨著季節(jié)性變化海冰范圍會有一定的變化，及時(shí)掌握和了解冰情對于設(shè)計(jì)和運(yùn)營極地船舶具有非常重要的作用。

2.1 南極冰情

南極海域的冰情比較復(fù)雜，圖10是美國南極科考委員會歷時(shí)25年對18 000個觀測點(diǎn)長期觀測得到南極海域冰情圖。

圖10 2000年最小和最大海冰覆蓋區(qū)域

我國科學(xué)家也對南極進(jìn)行了冰情觀測（如圖11所示）。該圖為中山站附近1999年～2004年期間的海冰厚度。

圖11 1999年～2004年中山站附近海冰厚度

2.2 北極冰情

歐盟北極環(huán)境研究單位指出，在過去的幾十年北極范圍內(nèi)，年平均海冰范圍減少了5%～10%，平均厚度減少了10%～15%。在北冰洋中心的海底測量雷達(dá)數(shù)據(jù)表明那里的冰厚度減少了40%。圖12為美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心公布的2011年3月和9月海冰的月平均海冰范圍，品紅色線為1979年～ 2000年對應(yīng)月份的平均值。圖12可以看出，多年冰面積和所占冰面積的比例呈現(xiàn)減少的趨勢，一年冰所占冰面積的比例呈現(xiàn)增加的趨勢。多年冰面積的減少，意味著夏季將有更多的無冰區(qū)，這將對北極航道帶來巨大的商業(yè)價(jià)值。一年冰和多年冰的冰情對破冰船設(shè)計(jì)具有不同的要求，而且要求差異很大。下頁圖13是俄羅斯南北極研究所對北極海域長期觀測發(fā)布的冰情圖。從圖中可以看出2013年冬季的俄羅斯沿海海域多以當(dāng)年冰為主，此時(shí)進(jìn)入北極點(diǎn)進(jìn)行北極科學(xué)考察仍需要破冰船能滿足多年冰的破冰能力，而北極航道運(yùn)行的貨船如輔以具備當(dāng)年冰破冰能力破冰船開道完全可以進(jìn)行冰區(qū)貨運(yùn)。

圖12 2011年3月和9月的海冰范圍

圖13 北極海域冰情衛(wèi)星云圖（俄羅斯南北極研究所）

3 低溫環(huán)境

極地海域特點(diǎn)是常年低溫、極端氣候和短時(shí)變化劇烈。為便于用船部門和設(shè)計(jì)部門理解，結(jié)合北極周邊國家的使用經(jīng)驗(yàn)和氣象觀測數(shù)據(jù)，英國勞氏船級社給出了南北極最低日均氣溫作業(yè)受限區(qū)域圖（見圖14）。加拿大交通運(yùn)輸部也針對南極海域給出了南極風(fēng)力表（見下頁表3）。在設(shè)計(jì)船舶時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)船舶運(yùn)營情況制定不同的防凍化措施和裝置，并應(yīng)考慮南極地區(qū)風(fēng)力對船舶穩(wěn)性的影響。

圖14 南北極氣溫作業(yè)受限區(qū)域

表3 南極風(fēng)力表

4 船體冰級

極地船舶設(shè)計(jì)作為工程實(shí)踐若直接利用科學(xué)觀測資料稍顯吃力，為此，國際船級社協(xié)會IACS建立了有關(guān)極地級船舶的統(tǒng)一要求，根據(jù)不同海冰環(huán)境和船舶營運(yùn)要求，對極地航行船舶劃分冰級，以便船東根據(jù)船舶航行水域的冰情選擇合適冰級，而船體冰級的選擇是開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和設(shè)計(jì)提供的依據(jù)，如表4所示。

表4 IACS對冰級的定義

5 極地船舶營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)

極地海域環(huán)境的浮冰、低溫和惡劣天氣的影響，對船舶運(yùn)營和船舶設(shè)計(jì)提出不同于開敞水域的特殊要求，為此需在破冰能力、冰區(qū)加強(qiáng)、低溫環(huán)境設(shè)備和人員維護(hù)等方面多加考慮。

5.1 船舶結(jié)冰的影響

船舶結(jié)冰主要分為航行上浪結(jié)冰和低溫凍雨結(jié)冰兩種情況，這兩種情況都對船舶穩(wěn)性和人員露天活動安全帶來較大影響。上浪結(jié)冰主要是指船舶在惡劣海況穿浪航行時(shí)，船首抨擊甲板上浪以及甲板上浪和風(fēng)中夾帶的海水在低溫環(huán)境迅速結(jié)冰的現(xiàn)象（如下頁圖15所示）。凍雨結(jié)冰主要是指船舶在低溫環(huán)境下航行，空中的雨水凝結(jié)成冰（如下頁圖16所示）。兩種工況如果疊加在一起，將會對船舶穩(wěn)性產(chǎn)生較大影響；需要對船舶穩(wěn)性加算結(jié)冰工況。船舶露天結(jié)冰也對船員露天工作帶來較大危害，一般根據(jù)不同要求采取電加熱除冰和手動除冰等防凍措施。

5.2 冰損的影響

惡劣的氣象條件、冰山、大型浮冰、缺乏完整及時(shí)的導(dǎo)航信息以及航行過程中的失誤，皆會導(dǎo)致冰損事故發(fā)生（如圖17所示）。為此，船舶設(shè)計(jì)一方面需根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的加強(qiáng)；另一方面也需要對船舶冰損后的剩余穩(wěn)性進(jìn)行校核，以確保船舶冰區(qū)航行安全。

圖15 低溫下惡劣海況下船舶航行時(shí)上浪結(jié)冰

圖16 低溫下冰區(qū)航行船舶冰雨成因示意圖

圖17 冰損事故

5.3 困 冰

困冰情況，是指由于破冰區(qū)域的冰厚和冰強(qiáng)度超過破冰船實(shí)際破冰能力，使船舶被圍困在冰區(qū)無法走出，造成人員和船舶的風(fēng)險(xiǎn)。破冰船的設(shè)計(jì)指標(biāo)是設(shè)計(jì)時(shí)確定的，然而交船后實(shí)際海域的冰情變化不定，往往只能由船員憑經(jīng)驗(yàn)判斷，風(fēng)險(xiǎn)較難控制。2014年俄羅斯科考船被困，“雪龍”號駛往救援，后也被困；最后利用短暫氣象窗口脫險(xiǎn)，就是這種風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際體現(xiàn)（見下頁圖18）。因此，必須在自持力和續(xù)航力等船舶性能上進(jìn)行必要的冗余設(shè)計(jì)。

圖18 中山站附近區(qū)域，“雪龍”號船面對堆積海冰束手無策

5.4 人員因素

極區(qū)低溫環(huán)境、極晝極夜的惡劣環(huán)境條件和極地船長航程等因素對船員身心健康的影響也是極地船舶運(yùn)營的潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨著此類研究的深入，在船舶設(shè)計(jì)和建造中都應(yīng)加以考慮，尤其在船舶布局和保障設(shè)施上更應(yīng)特殊考慮， 如圖19所示。

圖19 低溫和冰區(qū)作業(yè)對于船員的健康保護(hù)措施

6 結(jié) 論

綜上分析，極地海冰環(huán)境與開敞水域海洋環(huán)境存在較大的區(qū)別。為應(yīng)對極地海冰環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從船舶穩(wěn)性以及船舶安全和作業(yè)工況的特殊要求等方面對船舶設(shè)計(jì)與運(yùn)營進(jìn)行分析，必要時(shí)按照低溫要求采取必要的防凍化凍和加熱除冰等措施，關(guān)注低溫對船員造成的影響，盡可能為他們提供一個舒適的工作環(huán)境，如圖20所示。

圖20 冰區(qū)作業(yè)和低溫環(huán)境的影響

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Analysis of polar sea-ice environment

YIN Jun-jun FENG Zhen-ping LIU Le-le SHEN Quan
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 3. Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China )

Following the design and construction of the polar expedition ice-breakers, and with the increasing interest in the Northern Sea Route, it is very important for analyzing and tracking the polar sea-ice environment. This paper points out the key factors by analyzing the sea-ice environment, the ice-class definition of the classifi cation societies and the risk of the polar vessels sailing in the operating region. It can provide reference for the design of the future polar vessels.

polar sea-ice environment; sea-ice type; ice-lass; risk of polar ice-class vessel

P731.15

A

1001-9855（2017）02-0010-09

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.010

2016-10-17；

2016-11-04

殷俊?。?982-），男，碩士。研究方向：船舶與海洋工程。馮正平（1966-），男，副教授。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與建造。劉樂樂（1982-），女，工程師。研究方向：船舶設(shè)計(jì)與研究。沈 權(quán)（1967-），男，高級船長,副總工程師。研究方向：極地研究。