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浮冰

浮冰是指浮在海面随风、浪、流漂移的冰,又称为漂流冰或流冰。浮冰外貌特征随天气变化的冷暖及所在海区的水文、地形等因素不同而不同。因此,可依照浮冰冰型、表面特征和密集度来对浮冰进行分类。

浮冰观测主要是:密集度观测、冰状观测和速度(运动参数)观测这三类。

浮冰是指不与海或江河岸、岛屿、海或江河底部等冻结在一起,在海或江河中漂泊不定,能随风、水流、海浪的影响而漂浮的冰。 [1]

浮冰又称漂流冰或流冰,是表面海水温度降至一1.8℃(海水的冰点)以下时,形成可浮于海面的稠密油脂状冰。浮冰在全球热平衡和热盐循环方面起到关键的作用,继而影响全球气候。 [2]

浮冰是海水冻成的海冰。在秋季,当表面海水温度降至一1.8℃(海水的冰点)以下时,先出现针状或薄片状冰晶,冰晶浮上表面,形成稠密的油脂状冰。经进一步冻结,积聚成薄片状的尼罗冰。随着降温,海水在尼罗冰的底部继续冻结,形成向下生长的柱状冰晶,逐渐增长成为直径几米的冰盘。在风和波浪的作用下,冰盘相互粘结、叠加,最终形成厚度达几十厘米、连续的海冰层。极地浮冰所覆盖的面积最大可达地球表面积的13%。即使是在极圈之外的波罗的海(Baltic Sea)、里海(Caspian Sea)和鄂霍次克海(OkhotskSea),冬季也有浮冰出现。

与淡水冻结成的冰体不同,海冰是一种含大量孔隙和通道的、固一液两相共生的混合体。在海冰形成过程中,生长的冰晶会排出盐分,形成高浓度盐水(卤水)。不含盐分的多边形冰晶体,按晶架结构紧密的排列在一起,卤水和空气被封闭于两个或多个冰晶体晶壁之间,形成了球形或长筒形的盐囊或卤水胞。卤水沿着冰晶体之间的缝隙下移,使得多个卤水胞单元彼此相连,既形成所谓的盐水通道或卤道(brine channel)。卤水的盐度可达普通海水的3~5倍,海冰的温度越低,卤水的盐度越高。此外,海冰形成的时间越长,由于卤水的外逸,海冰的整体盐度也会逐渐降低。 [2]

浮冰冰型可分为初生冰、冰皮、尼罗冰、莲叶冰、灰冰、灰白冰、白冰、一年冰和多年冰九种。以下分别加以介绍。

① 初生冰是由海水直接冻结或在海面上降雪而成的,多为晶状、针状、薄片状、糊状和海绵状。海面呈灰暗色且无光泽,遇微风不起波纹。

②冰皮是由初生冰或在平静的海面上直接冻结而成的,其表面平滑而湿润,色灰暗,面积较饼冰为大,厚度小于5cm,能随波起伏,遇风浪易破碎。

③尼罗冰是指厚度小于10cm的有弹性的薄壳层,表面无光泽,在波浪和外力作用下易弯曲和破碎,并能产生“指状”重叠现象。

④莲叶冰是指直径为30~300cm、厚度为10cm以内的圆形冰块。由于彼此相互碰撞而具有隆起的边缘。可由初生冰冻结而成,也可由冰皮或尼罗冰破碎而成。

⑤灰冰是指厚度为10~15cm的冰盖层、由尼罗冰发展而成,比尼罗冰的弹性小,表面平坦湿润,多呈灰色。易被涌浪折断,受挤压时多发生重叠。

⑥灰白冰是指厚度为15~30cm的冰层,由灰冰发展而成,表面较粗糙,呈灰白色,受挤压过大时多形成冰脊。

⑦白冰是指厚度为30~70cm的冰层、由灰白冰发展而成,表面粗糙,大多呈白色。

⑧一年冰是指厚度为70~200cm,时间不超过一个冬天的冰,由白冰发展而成。

⑨多年冰(用My表示)至少经过一个夏天而未融尽的冰,厚度多在2m以上。由于它比一年冰厚且松,露出水面部分较高。 [3]

浮冰外貌特征随天气变化的冷暖及所在海区的水文、地形等因素不同而不同。浮冰表面特征分平整冰、重叠冰、冰脊、冰丘、覆雪冰、覆水冰及蜂窝冰等七种,简单介绍如下:

平整冰是指冰面较平整,未受变形作用影响的海冰,或只有冰瘤或冰块挤压冻结的痕迹;重叠冰是指冰层相互重叠,但重叠面的倾斜度不大;冰脊是指碎冰在挤压力的作用下,冰块杂乱无章地堆积在一起形成的山丘状的堆积冰;冰丘是指在风、浪、流的作用下,冰块杂乱地重叠在冰面上,呈直立或倾斜状态;覆雪冰是指表面有积雪的冰;覆水冰是指冰面上覆有融水的海冰;蜂窝冰是指处于融化阶段后期的冰,其中有许多因融化而成的水孔。 [3]

根据海区中浮冰的密集度(海冰覆盖面积与海区总面积之比)分为:开阔海面(海冰密集度<1/10,可自由航行的海区),稀疏浮冰(密集度为4/10~6/10,浮冰块一般彼此不连接,有水道和冰间湖),密集浮冰(密集度为7/10~8/10,大部分浮冰互相联接)和密接浮冰(密集度为1)。如浮冰彼此冻结在一起,称密结浮冰。从大陆冰川或陆架冰分离出来的、高出海面5米以上的各类巨大冰块称冰山,高度可达数十米(其中露出水面高度约为总高度的1/5~1/7),长度一般数百米至数十公里,分桌状(平顶)与尖头冰山,以及面积巨大的冰岛。 [4]

浮冰的主要观测可分为密集度、冰状和速度观测这三类。

浮冰的密集度观测,是将整个能见海面分成十等份,估计十等份中的浮冰所覆盖的成数,用0~10和10,共12个数字和符号来表示,习惯上叫做“级”。如浮冰量6级表示浮冰占能见海面的60%。记录时,只记整数。海面无冰,记录空白;海面有少量冰,但其量不到海面的1/20时记“0”;冰占整个能见海面的1/10记“1”;占2/10记“2”;海面全部被浮冰覆盖记“10”,若有少量空隙可见海水,则记10,其余类推。

在进行浮冰的密集度观测时,若浮冰分布海面内有超过此海面1/10以上的完整水域,则该水域就不应算做浮冰分布海面。若海面上只有微量(不足能见海面的1/20)初生冰或只有零散分布的几块浮冰,则密集度记“0”。

由此可见,浮冰密集度的大小不仅与冰的多少有关,还与能见海面的大小有关。当海面能见度差,能见海面的视程就小;若能见海面很好,浮冰密集度就显得大,这时浮冰密集度也就失真了。所以,当海面能见度小于4km时,不应进行冰量观测。

需说明的是,这里所说的冰占的面积是把所有的冰(包括根据浮冰密集度计算出的冰)集中起来计算的,而不是“散布”的面积。故浮冰密集度还受冰的远近、外形、光照、反射等因素的影响。观测时应注意排除这些因素所产生的误差。 [3]

浮冰冰状观测是指浮冰的大小尺度。分巨冰盘、大冰盘、中冰盘、小冰盘、冰块和碎冰六种。巨冰盘是指水平尺度大于2kin的海冰,大冰盘是指水平尺度在0.5~2km的海冰,中冰盘是指水平尺度在100~500m的海冰,小冰盘是指水平尺度在20~100m的海冰,冰块是指水平尺度在2~20m的海冰,碎冰是指水平尺度小于2m的冰块。

沿岸冰状观测时,应根据冰块特征,以量的多少用符号记录,当量相同时依碎冰到平整冰顺序记录。 [3]

海上浮冰和冰山的漂流,主要取决于风和流的共同作用。一般在弱潮流海区,由风引起的冰块漂流速度约为风速的1/50。浮冰的运动过程,包括离散、集聚和剪切。浮冰块大小是指单个冰块的最大水平尺度。初生冰不观测冰块大小。浮冰块按大小分级,先确定最多浮冰块水平尺度,按等级用符号记录。量相同时取其最大者并测定单个最大冰块的水平尺度。以米(m)为单位,取整数。观测时,不分其形状,只按其水平尺度大小确定,冰块出现时往往是多种,甚至五种冰块全部出现。遇到这种情况,应选主要的、比较突出的一二种记录。

浮冰运动方向是指浮冰的去向,以度或16方位表示;浮冰速度为单位时间内浮冰移动的距离,以m/s为单位。浮冰运动方向和速度的观测,分海滨观测和海上观测。海滨观测用测波仪进行,若无测波仪用指南针测定。流速按“目测浮冰速度参照表”估计,乘船在海上观测时还需观测冰区边缘线。

用测波仪测浮冰方向和速度时,先将物镜对准选定的冰块特征点,在距离标尺上对准冰块与海面交界线读取开始距离标度,同时启动S表,并在分度盘上读取方位,记录距离标度和方位。当冰块移动距离达到开始距离的1/3,或者冰块移动方位超过20°时,即停止观测。止住S表,记录冰块终了距离标度和方位,如果冰块移动很慢,10m后仍未达到上述要求,即停止观测。根据冰块开始和终了距离标度,乘以测冰仪的高度订正系数,求出实际距离,然后由实际距离、方位和时间间隔,用矢量方法计算或用计算圆盘求浮冰方向和速度。

目测浮冰方向和速度时,方向以十六方位记录,速度按“目测浮冰速度参照表”估计,以m/s为单位,取一位小数。

乘船在海上观测时,应首先环视冰区边缘,确定几个特征点(一般不少于3个,远离冰区的少量冰块不能选作特征点),然后用测距仪和罗经或雷达测出各点相对于测站的方向和距离,并记入表中,冰区边缘线观测不到时,应在备注栏内说明。

观测浮冰的方向和速度应在船只锚定后进行。首先选一具有代表性的冰块,用罗经和测距仪或雷达测定其方向和至测站的距离(起点位置),然后用秒表计时。当所测冰块移动越过原离船距离的1/3或其方向改变20°时,读取时间间隔,同时测定其方向和距离(终点位置)。最后,根据起点位置和终点位置的方向和距离,用矢量法计算或用计算圆盘求得浮冰的方向和移动距离。再由距离和所需时间求得浮冰速度。 [3]

浮冰及冰山的漂移主要取决于风和海流的共同作用。浮冰的漂流方向,在北半球偏于风向右方30~40°,在南半球偏于风向左方;在强潮流海域,冰块漂流方向和速度较复杂。在北冰洋,浮冰多为厚3~4米的多年冰,其次是厚2.5~3米的一年冰,它们主要绕洋盆边缘流动;在南半球,浮冰大多为厚2~3米的一冬冰,浮冰冰界分布较规则:在南太平洋和南印度洋分别在南纬50~55°和南纬45~55°间;南大西洋为南纬43~55°间。 [4]

1、浮冰对海洋表面的物理性质具有鲜明的影响,因为其高的反照率和对海气之间动力、热量及物质交换的影响而改变了海洋表面的辐射平衡。在冬天,浮冰还可以导致海冰覆盖区表面比无冰区表面具有更低的温度。浮冰冻结过程释放的盐分可加深海水表面混合层,并通过对流影响南北半球的海水底部和顶部的组成。相反,融化时释放的淡水可使海水表面成层(例如,混合层退却至较浅的深度)。和低纬度相反,在极地海区混合层的发展受控于海水表面的盐和淡水的通量。通过这些影响,浮冰在全球热平衡和热盐循环方面起到关键的作用,继而影响全球气候。 [2]

2、在波浪-浮冰共同作用下,浮冰与船模的相互作用加剧,从船首没入水中并沿船底向尾部滑行的浮冰数量明显增多,可能会对螺旋桨的推进效率产生不利影响。同时,由于波浪-浮冰-船模三者的耦合作用,船模在该工况的总阻力并等于静水阻力、波浪增阻和碎冰阻力的简单加和,还需要考虑三者耦合作用的阻力增量。波高以及浮冰的密集度等参数都会对耦合增阻的大小产生影响。 [5]


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