极区航道海冰时空分布及其物理力学性质研究

发布时间：2017-12-17 17:23

  本文关键词：极区航道海冰时空分布及其物理力学性质研究

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【摘要】：全球气候在过去几十年里发生快速变化,导致北极海冰范围和厚度快速衰退;相反,南极海冰范围则呈现不断增加趋势。模型预测到2050年夏季北极有可能将成为无冰的海洋。随着北极海冰的快速变化,夏季东北航道的开通成为潜在连接亚洲和欧洲的贸易通道。而海冰的存在是影响船舶极地航行安全的主要因素,因此海冰的空间分布和力学性质研究对船舶和抗冰结构意义重大。本文针对极区航道海冰时空分布特征、北极海冰运动及海冰物理力学性质开展研究。首先,通过分析ASSIST/ASPeCt船舶走航观测数据、海冰时空分布／冰厚数据、卫星遥感海冰密集度数据,对东北航道上北冰洋三个边缘海(东西伯利亚海,拉普捷夫海和喀拉海)、西北航道上的波弗特海及穿极航道弗拉姆海峡和85°N以北的北极中央区夏季海冰密集度、浮冰尺寸、融池、冰厚等参数的分布规律和变化趋势进行了详细分析和讨论,南极航道只对普里兹湾海冰时空分布进行研究。研究结果表明：(1)东西伯利亚海和拉普捷夫海7月份浮冰尺寸以小于500m的浮冰块、小浮冰和中型浮冰为主；冰上融池占10-40%;冰脊分布在5-40%。(2)波弗特海2006～2015年间夏季海冰密集度在低于72°N海域普遍小于50%,随着纬度的升高海冰密集度逐渐增大；浮冰密集度大于80%区域平均冰厚为126.4 cm。(3)弗拉姆海峡2012～2015年间夏季浮冰尺寸主要以小于100m的浮冰块、小浮冰为主；海冰厚度主要分布在150～200 cm。(4)85°N以北北极中央区夏季分布有密集度大于90%的海冰,冰厚度普遍小于200 cm；在1979～2015年间87°N和89°N以北区域夏季海冰厚度分别以47.7 cm/decade 和 56.7 cm/decade速率减少。(5)普里兹湾夏季融化期浮冰典型尺寸以小于20 m的碎浮冰为主：冰厚分布在20～150 cm,平均冰厚为83.3 cm。其次,分析2012年在北极中央区布放的6套冰浮标数据,对北极中央区和弗拉姆海峡的海冰运动特征开展研究。(1)浮冰漂移速度精度与计算时间间隔有关,随着计算浮冰漂移速度的时间间隔增大,计算得到的浮冰漂移速度与实际速度差异会越来越大。(2)北极浮冰漂移速度时空分布不均,在穿极流区域且尚未进入弗拉姆海峡前,浮冰漂移速度普遍小于0.40 m/s,进入弗拉姆海峡后浮冰漂移速度明显增大；另外北极海冰漂移速度存在季节变化,一般在每年的10月份达到最大值,而4月份最低。(3)北极海冰在漂移过程中会发生近乎于圆周似的非对称惯性振荡,惯性振荡频率约为-2 cycle/day。(4)海冰漂移速度约为10 m高度风速的1.4%,海冰漂移方向相对风向保持右偏约30°。再次,对北极夏季浮冰和南极夏季固定冰内部结构和物理性质展开详细分析。(1)北极浮冰晶体结构以颗粒冰和柱状冰为主,还夹杂有过渡层；南极固定冰晶体包括颗粒冰、柱状冰和板状冰。(2)夏季海冰温度都高于-2.0℃,其中北极夏季浮冰冰温多分布在-0.5～-1.5℃之间；夏季南极固定冰冰温在-0.6～-1.8℃之间。(3)北极浮冰密度分布在0.58～0.93 g/cm3之间,以0.176 g/cm3梯度随无量纲深度线性增加；夏季南极固定冰密度在0.88～0.92 g/cm3之间。(4)北极浮冰盐度普遍低于4.2%o,以3.22%o梯度随无量纲深度线性增加；南极固定冰盐度同样呈现上低下高的趋势,表层海冰盐度为0.45‰,底层盐度为8.05‰。(5)北极浮冰气泡含量以200‰梯度随无量纲深度线性降低,卤水泡含量以89‰梯度随无量纲深度线性增加,浮冰孔隙率分布在120～400%o之间,整体趋势以123‰梯度随无量纲深度线性降低；南极固定冰孔隙率分布在140～250%o之间。最后,对北极夏季浮冰和南极固定冰开展准原位单轴压缩性质试验研究,同时对南极固定冰单轴压缩试样破碎长度分形维数和马克斯韦尔模型下的海冰粘弹性力学性质进行研究。(1)分析了温度、密度、孔隙率和加载速率对海冰单轴压缩强度的影响,建立各影响因子与单轴压缩强度的关系,其中随着温度的降低海冰峰值单轴压缩强度有增大趋势。(2)对破碎块体等效长度的分形研究,发现碎块长度分维数随着应变速率的降低有增大趋势；另外随着试验温度的降低,碎块长度分维数有增大趋势。(3)使用马克斯韦尔模型描述海冰单轴压缩力学行为,通过单轴阶梯加载和循环加载方式分别计算基于马克斯韦尔模型的南极固定冰粘滞系数和弹性模量,发现粘滞系数在19～207 GPa·s之间,弹性模量在0.17-0.50GPa之间。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U612.23;P731.15

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