王 碩，靳熙芳，黎舸，王天玲

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室，山東青島 266033；2.國家海洋局北海預報中心，山東青島 266033；3.國家海洋局北海標準計量中心，山東青島 266033）

1 引言

渤海有著豐富的漁業(yè)資源，海水養(yǎng)殖和漁業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅猛，海上交通運輸極其繁忙，隨著環(huán)渤海重點經(jīng)濟區(qū)的崛起，更加彰顯出其重要的戰(zhàn)略地位。近年來，在渤海極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率、強度和區(qū)域分布變得更加復雜和難以把握，冬季時局部海域的冰災幾乎每年都有發(fā)生，給當?shù)氐暮ＫB(yǎng)殖、漁業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、油氣開采、海洋生態(tài)環(huán)境及人民的生產(chǎn)生活帶來較大影響。

發(fā)展海冰監(jiān)測技術(shù)研究是國家和海洋局的重點支持領(lǐng)域，《國家“十一五”海洋科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的第一項重點任務即是“發(fā)展海洋監(jiān)測預報技術(shù)，提高海洋環(huán)境保障能力”。北海區(qū)現(xiàn)有的海冰監(jiān)測方式，是采用由航空、衛(wèi)星遙感與地面岸站觀測相結(jié)合的綜合監(jiān)測，尚能滿足日常海洋環(huán)境監(jiān)測的要求，但面臨復雜氣象與環(huán)境狀況時，飛機及光學衛(wèi)星遙感常受云霧影響無法應對；沿岸站點常遠離受災區(qū)域所處的淺灘、河口等地；沿岸監(jiān)測人員則受制于設備、環(huán)境的制約，無法獲取較為精確和全面的冰情與環(huán)境信息，車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)的完成可以彌補現(xiàn)有海冰監(jiān)測方式的不足。

本文介紹了國家海洋局北海預報中心車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，給出了其研究過程中所需要的關(guān)鍵技術(shù)，并選取了遼寧省興城市菊花島附近海域作為典型案例對車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)進行了實際應用。

2 系統(tǒng)介紹

隨著北海區(qū)海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海冰防災減災的重要性越來越突出，為了有效地實施北海區(qū)海冰災害應急預案，在海冰災害來臨時能夠及時、準確地獲取災害現(xiàn)場及其鄰近海域的海冰災害狀況，為防災救災決策部門提供有效的第一手資料，建設一套具有移動功能、現(xiàn)場海冰災害監(jiān)測功能和資料無線傳輸功能的海冰應急監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的，車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)就是基于海冰災害應急監(jiān)測而建設的。

國際上使用雷達進行海冰監(jiān)測最先進的國家有日本、美國、加拿大、德國、瑞典、芬蘭等國，其中日本北海道大學低溫科學研究所直屬的幸枝雷達測冰站，紋別雷達中心站，網(wǎng)走雷達測冰站三個站，組成世界上唯一的雷達測冰網(wǎng)站。雷達X波段,波長3 cm，發(fā)射功率50 kw，雷達天線高度分別是385 m—415 m—425 m(利用沿岸地勢山海拔高度，再制造鐵塔高度15—30 m)，觀測范圍大約30 n mile。雷達觀測鄂茨克海域海冰分布狀況，終端數(shù)據(jù)處理海冰采集，識別，分類，三站雷達海冰圖自動傳輸?shù)郊y別雷達中心站，同步完成一張覆蓋鄂茨克海域海冰分布實況圖，并每周發(fā)布冰情預報；美國有兩個雷達測冰站，一個在阿拉斯加巴羅角雷達測冰站，雷達X波段,波長3 cm，發(fā)射功率50 kw，雷達天線高度15 m，觀測范圍大約5 n mile，另一個是在南極半島帕爾默雷達測冰站；加拿大在巴芬島北部斯皮爾根有雷達測冰站,雷達X波段,波長3cm，雷達天線高度15 m，觀測范圍3—5 n mile，雷達觀測蘭開斯特海峽和巴芬灣海冰分布狀況，終端數(shù)據(jù)處理海冰采集，識別，分類自動化。他們大都在固定站點和極地使用雷達對海冰進行連續(xù)監(jiān)測，目前國際上各國還沒有開展車載雷達海冰監(jiān)測。

我國使用雷達進行海冰監(jiān)測主要包括：陸地雷達海冰監(jiān)測、石油平臺雷達海冰監(jiān)測、雷達衛(wèi)星SAR海冰監(jiān)測和機載雷達海冰監(jiān)測。其中陸地雷達海冰監(jiān)測的典型應用是大連海事大學研究的基于ECDIS的雷達遙測海冰監(jiān)控系統(tǒng)[1]，它是依據(jù)渤海遼東灣海冰管理項目，將電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）和雷達海冰監(jiān)控相結(jié)合，構(gòu)建的一種雷達遙測監(jiān)控系統(tǒng)；另外，國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心直屬的鲅魚圈雷達測冰站，位于遼東灣東北部沿岸，雷達天線高度120 m，觀測范圍8—12 n mile(利用沿岸地勢墩臺山上海拔高度102 m,再造自制鐵塔高度18 m)。雷達X波段,波長3 cm，發(fā)射功率25 kw，2009年增加雷達C波段,波長5 cm，雷達觀測遼東灣東北部沿岸及鲅魚圈港口海域海冰分布狀況，終端數(shù)據(jù)處理海冰圖像采集，勾畫海冰分布范圍。石油平臺雷達海冰監(jiān)測的典型應用是大連海事大學研究的船載雷達海冰及預報技術(shù)在遼東灣冰區(qū)油輪外輸作業(yè)中的應用項目[2-3]，它是在遼東灣冰區(qū)中的石油平臺上利用船載雷達現(xiàn)場進行遙感海冰數(shù)據(jù)源的獲取，圖像的解譯和數(shù)值化處理，得到相關(guān)海冰監(jiān)測要素；另外，國家海洋環(huán)境預報中心在遼東灣的JZ20-2平臺上利用X波段雷達現(xiàn)場進行終端數(shù)據(jù)處理、海冰采集，識別，分類，遙控雷達海冰觀測并自動傳輸?shù)筋A報中心，同步完成一張覆蓋3—6 n mile海冰分布實況圖。雷達衛(wèi)星SAR海冰監(jiān)測的典型應用是復旦大學波散射和遙感中心與國家海洋局海洋環(huán)境預報中心利用雷達衛(wèi)星合成孔徑雷達對渤海海冰的觀測研究[4]；機載雷達海冰監(jiān)測的研究目前正處于研究中，移動車載雷達海冰監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)尚無研究和應用。另外，本次車載海冰監(jiān)測采用的X波段雷達目前在國內(nèi)主要應用在海洋動力環(huán)境監(jiān)測、天氣系統(tǒng)監(jiān)測等領(lǐng)域[5-6]，同時車載雷達技術(shù)在國內(nèi)主要應用在監(jiān)測風廓線、雷電預警及大氣邊界層污染物等領(lǐng)域[7-9]，與車載X波段雷達海冰監(jiān)測的對象和手段均不相同。

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)從海冰災害應急監(jiān)測的角度出發(fā)，以機動車為載體，集成并綜合應用X波段雷達海冰監(jiān)測系統(tǒng)、氣象要素自動監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實時傳輸通信系統(tǒng)等海冰監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，以期能夠?qū)ν话l(fā)性海冰災害事件做出快速響應，在渤、黃海沿岸開展機動靈活的海冰應急監(jiān)測，及時跟蹤海冰災害發(fā)展動態(tài)，盡可能獲取敏感海域的高精度、連續(xù)性監(jiān)測資料，以協(xié)助涉海部門最大程度地減少海冰災害造成的損失，保障人民生命財產(chǎn)安全，滿足防災減災的需求。

（1）車載X波段雷達海冰監(jiān)測系統(tǒng)

集成X波段雷達、海冰雷達回波記錄儀、GPS電子海圖平臺等設備，運用信息提取技術(shù)，研發(fā)“方位雷達顯示”、“雷達數(shù)據(jù)回放”等雷達數(shù)據(jù)處理軟件進行海冰雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理分析。

（2）車載氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)

集成多要素氣象傳感器實現(xiàn)對海冰災害現(xiàn)場氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集?；?G/衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法，開發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的控制端和終端軟件，實現(xiàn)了氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場和遠程獲取與處理。建立車載氣象數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫，備份存儲氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（3）車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成一體化攝像機、現(xiàn)場視頻監(jiān)控終端和遠程視頻監(jiān)控終端，實現(xiàn)了海冰災害應急指揮中心與海冰災害現(xiàn)場對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的同步操作。

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖1：

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)作為我國自主研制的首套車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)，其創(chuàng)新點主要包括：

圖1 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

（1）研發(fā)了車載X波段雷達海冰監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了X波段雷達與電子海圖平臺、雷達回波記錄系統(tǒng)和雷達升降系統(tǒng)的集成，使該系統(tǒng)更具實用性；

（2）實現(xiàn)了海冰災害現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)衛(wèi)星與無線的實時傳輸并可自動轉(zhuǎn)換；

（3）根據(jù)海冰災害應急監(jiān)測的特點制定了業(yè)務化運行方案，該方案經(jīng)過實際檢驗證明是合理的。

另外，在車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)研究過程中，主要基于以下關(guān)鍵技術(shù)對海冰災害現(xiàn)場進行全方位的監(jiān)測：

（1）雷達海冰監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)方面，采用車載X波段雷達進行海冰監(jiān)測并且實現(xiàn)了車載GPS海圖儀、海冰雷達數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和雷達升降系統(tǒng)的一體化運行。同時海冰雷達數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采用自動采速的方式，可分4種分辨率進行數(shù)據(jù)記錄；

（2）移動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)方面，實現(xiàn)了可移動監(jiān)測，同時實現(xiàn)了風向、風速、溫度、相對濕度、氣壓等監(jiān)測要素的整體集成和監(jiān)測資料的數(shù)據(jù)庫存儲與實時傳輸；

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)方面，實現(xiàn)了可移動觀測和監(jiān)控資料的實時傳輸與存儲，并且實現(xiàn)了指揮中心遠程控制現(xiàn)場的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；

（4）通訊系統(tǒng)研發(fā)方面，采用北斗衛(wèi)星與3G相結(jié)合的移動通訊系統(tǒng)，默認采用3G通訊系統(tǒng)，當3G通訊無信號時，自動轉(zhuǎn)換為北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)了通訊系統(tǒng)的雙備份；

（5）構(gòu)建供電系統(tǒng)方面，充分考慮了應急監(jiān)測野外工作的特點，采用UPS供電、發(fā)電機供電和市電供電三種供電方式，解決了監(jiān)測設備野外作業(yè)的供電問題；

（6）在移動平臺平衡系統(tǒng)的設計上，充分考慮了野外工作的特點，在車輛底部安裝有液壓支撐調(diào)平系統(tǒng)，保障了野外作業(yè)的安全；

（7）雷達天線升降系統(tǒng)方面，充分考慮了應急監(jiān)測車冬季野外作業(yè)的特點，其升降系統(tǒng)最高可將雷達天線升高8 m，抗風8級，能在冰雪等惡劣天氣條件下正常運行；

（8）在防震系統(tǒng)的設計中，充分考慮了應急監(jiān)測車野外工作的特點，在雷達天線與主機連接處和顯示器面板處增加了減震設計，滿足了應急監(jiān)測車野外作業(yè)的需求。

3 系統(tǒng)應用

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)投入業(yè)務化運行后在2009—2012年連續(xù)3個冬季黃渤海海冰災害應急監(jiān)測中發(fā)揮了重大作用，其中在剛剛過去的2009—2010年冬季，渤海及黃海北部發(fā)生了近30年來最嚴重的冰災，對沿海地區(qū)社會、經(jīng)濟產(chǎn)生了嚴重影響，造成了巨大損失,據(jù)不完全統(tǒng)計，冰災造成的經(jīng)濟損失近55億元。車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)工作組歷時20余天，行程4000余公里，對渤海周邊三省一市的重點岸段進行了現(xiàn)場海冰應急監(jiān)測（現(xiàn)場海冰應急監(jiān)測分布情況見圖2），其中尤其以遼寧省興城市菊花島附近海域海冰災害應急監(jiān)測最為典型。

圖2 現(xiàn)場海冰應急監(jiān)測點分布圖

2010年01月遼寧省興城市菊花島附近海域遭受嚴重的海冰災害，菊花島被冰封長達40余天，使得島上3200多名居民的生活必需品和應急物資供給無法保障。嚴重的海冰災害引起了黨中央國務院領(lǐng)導的高度重視，先后4次批示要求國家海洋局加強監(jiān)測，及時發(fā)布預警報，指導和幫助有關(guān)方面防范和應對災害工作。車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)工作組接到任務后在第一時間趕到菊花島進行現(xiàn)場海冰災害監(jiān)測，為當?shù)卣拖嚓P(guān)救援單位提供了第一手的資料。

圖3 車載X波段雷達海冰監(jiān)測（a），海冰常規(guī)目測記錄冰情（b）

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)工作組于2010年1月21日下午抵達遼寧省興城市沿海，隨即對興城市菊花島附近海域進行了海冰監(jiān)測。

3.1 海冰監(jiān)測方式

本典型案例采用以下幾種監(jiān)測方式：

海冰常規(guī)目測

車載X波段雷達海冰監(jiān)測

車載氣象自動監(jiān)測

車載視頻冰情錄制傳輸

調(diào)訪當?shù)鼐用?/p>

3.2 海冰監(jiān)測結(jié)果

圖4 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)菊花島應用監(jiān)測圖

固定冰冰情：興城市天后宮以南至南佟屯村的濱海大道沿岸分布有固定冰且冰情較重，冰型以沿岸冰為主，平整冰厚一般為20—30 cm，最大40 cm，堆積高度0.4—0.8 m，最大1.2 m，固定冰由岸邊一直延伸至菊花島，冰上時常有兩岸的人員及車輛來往。

浮冰冰清：興城市客運碼頭、菊花女雕像、天后宮附近海域分布有浮冰，浮冰呈帶狀分布，冰型以尼羅冰和灰冰為主，一般冰厚10—20 cm，最大25 cm，浮冰帶最外緣離岸約5000 m左右。

根據(jù)車載X波段雷達監(jiān)測：固定冰區(qū)整體呈NW—SE向分布于興城市濱海大道至菊花島之間，固定冰區(qū)東北側(cè)邊緣與西南側(cè)邊緣的堆積現(xiàn)象相比冰區(qū)中部較重，興城市沿岸的廟后頭附近海域與菊花島西北部海域的固定冰堆積現(xiàn)象最為嚴重。

同時，工作組對車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)興城市沿岸海冰監(jiān)測與北海航空支隊的海冰航空遙感監(jiān)測進行了比對驗證。

北海航空支隊的海冰航空遙感監(jiān)測結(jié)果如下：

圖5 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)菊花島應用監(jiān)測圖

菊花島南側(cè)和東側(cè)結(jié)冰密集度大約為7—8成，以蓮葉冰和灰冰為主，少量灰白冰，西側(cè)和北側(cè)結(jié)冰情況嚴重，密集度9成以上，主要為白冰和灰白冰，向西北方向延伸至大陸，并能夠清楚的看到有車輛和行人往返于菊花島和大陸之間，十分危險，請有關(guān)部門引起注意。另外菊花島西北部有一小碼頭，已經(jīng)被冰封住，船舶無法靠泊。菊花島西側(cè)兩個海灣內(nèi)也有許多漁船因為海冰而被擱置在沙灘上，無法出航。

圖6 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)菊花島應用監(jiān)測圖

圖7 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)菊花島應用監(jiān)測圖

圖8 車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)菊花島應用監(jiān)測圖

經(jīng)對比分析，車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與航空遙感監(jiān)測結(jié)果基本相符，其海冰雷達回波數(shù)據(jù)能真實、客觀的反應該海域固定冰、浮冰分布狀況及固定冰堆積狀況。

4 結(jié)論

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)的完成，彌補了點、面結(jié)合監(jiān)測方式的不足，它能夠在海冰災害發(fā)生時靈活機動的進行監(jiān)測。通過海冰雷達、自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)獲取全面、連續(xù)、精確的海洋環(huán)境信息，并能通過其實時傳輸系統(tǒng)將資料與數(shù)據(jù)傳送至后方指揮中心，從而協(xié)助防災指揮部門作出決策。車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)的完成和應用，已經(jīng)成為渤海及黃海北部海冰防災減災工作的重要技術(shù)手段。

在2009—2010年冬季的海冰應急監(jiān)測工作中，車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)發(fā)揮其監(jiān)測方式靈活、監(jiān)測資料精度高、資料實時傳輸?shù)膬?yōu)勢，彌補了沿岸常規(guī)監(jiān)測手段的不足，同航空監(jiān)測、船舶監(jiān)測、衛(wèi)星遙測、沿岸人工監(jiān)測共同構(gòu)建了立體化海冰監(jiān)測系統(tǒng)，保障了海冰應急監(jiān)測工作的順利完成。尤其是在2010年1月下旬，車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)工作組協(xié)同北海航空支隊與國家海洋局現(xiàn)場工作組，對遭受海冰圍困的菊花島連續(xù)進行了海冰應急監(jiān)測，獲取了寶貴的監(jiān)測資料。

實際運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可在較惡劣環(huán)境下，不依賴工作地點電力等條件進行全系統(tǒng)、滿負荷工作。其海冰監(jiān)測雷達不受制于能見度與光照的影響進行海冰監(jiān)測。整套系統(tǒng)在低溫（-20℃）、雪地、大風等多種惡劣環(huán)境條件下正常運行。海冰監(jiān)測區(qū)域遍布渤海大部分重點岸段，其獲取的資料與監(jiān)控錄像實時傳輸至后方的指揮中心，并直接應用于全國海洋預報系統(tǒng)視頻應急會商，為提高海洋環(huán)境預報的準確率和應急處置能力提供了重要的技術(shù)支持。

車載海冰災害應急監(jiān)測集成系統(tǒng)的研究成果具有良好的可擴充和可推廣性，可為各級政府、港口、航運、捕撈及石油開采等部門海冰防災減災服務，同時也可將該研究成果推廣至海浪、赤潮、溢油和綠潮等其他海洋環(huán)境應急監(jiān)測管理中。

[1]趙寶剛,郝江凌,邵秘華.基于ECDIS的雷達遙測海冰監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國造船,2008，49(2):107-112.

[2]肖井坤,邵秘華,張勐.船載雷達海冰監(jiān)測及預報技術(shù)在遼東灣冰區(qū)油輪外輸作業(yè)中的應用[J].海洋環(huán)境科學,2006,25(1):76-79.

[3]張勐,林建國.雷達海冰監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)值預報技術(shù)在遼東灣冰區(qū)作業(yè)中的應用[J].大連海事大學學報,2005,31(1):73-76.

[4]金亞秋,黃潤恒.雷達衛(wèi)星SAR與防衛(wèi)氣象衛(wèi)星SSM/I對渤海海冰的觀測研究[J].地球物理學報,2001,44(2):163-170.

[5]李毅聰,曾楊,李丹.X波段車載多普勒天氣雷達系統(tǒng)介紹及常見問題解決辦法[J],科技信息,2009,29(1):81-84.

[6]齊占輝,宋占杰,張鎖平,等.X波段雷達在海面動力環(huán)境監(jiān)測中的應用研究[J],海洋技術(shù),2009,28(1):24-28.

[7]劉尉,吳艷標,王志春.強熱帶風暴“北冕”登陸前后的風場變化[J].廣東氣象,2009,31(3):10-12.

[8]楊仲江,唐曉峰.移動氣象站雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究[J].氣象與環(huán)境科學,2008,31(4):75-78.

[9]汪少林,謝品華,胡順星,等.車載激光雷達對北京地區(qū)邊界層污染監(jiān)測研究[J].環(huán)境科學,2008,29(3):562-568.