車載海冰災害應急監測集成系統

王 碩，靳熙芳，黎舸，王天玲

（1.山東省海洋生態環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資源，海水養殖和漁業生產發展迅猛，海上交通運輸極其繁忙，隨著環渤海重點經濟區的崛起，更加彰顯出其重要的戰略地位。近年來，在渤海極端天氣氣候事件發生的頻率、強度和區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生，給當地的海水養殖、漁業生產、交通運輸、油氣開采、海洋生態環境及人民的生產生活帶來較大影響。

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

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測集成系統的系統組成，給出了其研究過程中所需要的關鍵技術，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測集成系統進行了實際應用。

2 系統介紹

隨著北海區海洋經濟的快速發展，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、現場海冰災害監測功能和資料無線傳輸功能的海冰應急監測系統是非常必要的，車載海冰災害應急監測集成系統就是基于海冰災害應急監測而建設的。

國際上使用雷達進行海冰監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，網走雷達測冰站三個站，組成世界上唯一的雷達測冰網站。雷達X波段,波長3 cm，發射功率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，終端數據處理海冰采集，識別，分類，三站雷達海冰圖自動傳輸到紋別雷達中心站，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，終端數據處理海冰采集，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監測，目前國際上各國還沒有開展車載雷達海冰監測。

我國使用雷達進行海冰監測主要包括：陸地雷達海冰監測、石油平臺雷達海冰監測、雷達衛星SAR海冰監測和機載雷達海冰監測。其中陸地雷達海冰監測的典型應用是大連海事大學研究的基于ECDIS的雷達遙測海冰監控系統[1]，它是依據渤海遼東灣海冰管理項目，將電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）和雷達海冰監控相結合，構建的一種雷達遙測監控系統；另外，國家海洋環境監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，終端數據處理海冰圖像采集，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在遼東灣冰區油輪外輸作業中的應用項目[2-3]，它是在遼東灣冰區中的石油平臺上利用船載雷達現場進行遙感海冰數據源的獲取，圖像的解譯和數值化處理，得到相關海冰監測要素；另外，國家海洋環境預報中心在遼東灣的JZ20-2平臺上利用X波段雷達現場進行終端數據處理、海冰采集，識別，分類，遙控雷達海冰觀測并自動傳輸到預報中心，同步完成一張覆蓋3—6 n mile海冰分布實況圖。雷達衛星SAR海冰監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境預報中心利用雷達衛星合成孔徑雷達對渤海海冰的觀測研究[4]；機載雷達海冰監測的研究目前正處于研究中，移動車載雷達海冰監測技術在國內尚無研究和應用。另外，本次車載海冰監測采用的X波段雷達目前在國內主要應用在海洋動力環境監測、天氣系統監測等領域[5-6]，同時車載雷達技術在國內主要應用在監測風廓線、雷電預警及大氣邊界層污染物等領域[7-9]，與車載X波段雷達海冰監測的對象和手段均不相同。

車載海冰災害應急監測集成系統從海冰災害應急監測的角度出發，以機動車為載體，集成并綜合應用X波段雷達海冰監測系統、氣象要素自動監測系統、視頻監控系統、數據實時傳輸通信系統等海冰監測關鍵技術，以期能夠對突發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測，及時跟蹤海冰災害發展動態，盡可能獲取敏感海域的高精度、連續性監測資料，以協助涉海部門最大程度地減少海冰災害造成的損失，保障人民生命財產安全，滿足防災減災的需求。

（1）車載X波段雷達海冰監測系統

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，研發“方位雷達顯示”、“雷達數據回放”等雷達數據處理軟件進行海冰雷達監測數據的采集和處理分析。

（2）車載氣象自動監測系統

集成多要素氣象傳感器實現對海冰災害現場氣象監測數據的自動采集。基于3G/衛星數據傳輸網絡，采用面向對象的程序設計方法，開發監測數據管理的控制端和終端軟件，實現了氣象監測數據的現場和遠程獲取與處理。建立車載氣象數據存儲數據庫，備份存儲氣象監測數據。

（3）車載視頻監控系統

視頻監控系統集成一體化攝像機、現場視頻監控終端和遠程視頻監控終端，實現了海冰災害應急指揮中心與海冰災害現場對視頻監控系統的同步操作。

系統技術架構見圖1：

車載海冰災害應急監測集成系統作為我國自主研制的首套車載海冰災害應急監測集成系統，其創新點主要包括：

圖1 車載海冰災害應急監測集成系統技術架構圖

（1）研發了車載X波段雷達海冰監測系統，實現了X波段雷達與電子海圖平臺、雷達回波記錄系統和雷達升降系統的集成，使該系統更具實用性；

（2）實現了海冰災害現場監測數據衛星與無線的實時傳輸并可自動轉換；

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

另外，在車載海冰災害應急監測集成系統研究過程中，主要基于以下關鍵技術對海冰災害現場進行全方位的監測：

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

（2）移動氣象監測系統的研發方面，實現了可移動監測，同時實現了風向、風速、溫度、相對濕度、氣壓等監測要素的整體集成和監測資料的數據庫存儲與實時傳輸；

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

（4）通訊系統研發方面，采用北斗衛星與3G相結合的移動通訊系統，默認采用3G通訊系統，當3G通訊無信號時，自動轉換為北斗衛星通訊系統，實現了通訊系統的雙備份；

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

（6）在移動平臺平衡系統的設計上，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平系統，保障了野外作業的安全；

（7）雷達天線升降系統方面，充分考慮了應急監測車冬季野外作業的特點，其升降系統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）在防震系統的設計中，充分考慮了應急監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，滿足了應急監測車野外作業的需求。

3 系統應用

車載海冰災害應急監測集成系統投入業務化運行后在2009—2012年連續3個冬季黃渤海海冰災害應急監測中發揮了重大作用，其中在剛剛過去的2009—2010年冬季，渤海及黃海北部發生了近30年來最嚴重的冰災，對沿海地區社會、經濟產生了嚴重影響，造成了巨大損失,據不完全統計，冰災造成的經濟損失近55億元。車載海冰災害應急監測集成系統工作組歷時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場海冰應急監測（現場海冰應急監測分布情況見圖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測最為典型。

圖2 現場海冰應急監測點分布圖

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導的高度重視，先后4次批示要求國家海洋局加強監測，及時發布預警報，指導和幫助有關方面防范和應對災害工作。車載海冰災害應急監測集成系統工作組接到任務后在第一時間趕到菊花島進行現場海冰災害監測，為當地政府和相關救援單位提供了第一手的資料。

圖3 車載X波段雷達海冰監測（a），海冰常規目測記錄冰情（b）

車載海冰災害應急監測集成系統工作組于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測。

3.1 海冰監測方式

本典型案例采用以下幾種監測方式：

海冰常規目測

車載X波段雷達海冰監測

車載氣象自動監測

車載視頻冰情錄制傳輸

調訪當地居民

3.2 海冰監測結果

圖4 車載海冰災害應急監測集成系統菊花島應用監測圖

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。

根據車載X波段雷達監測：固定冰區整體呈NW—SE向分布于興城市濱海大道至菊花島之間，固定冰區東北側邊緣與西南側邊緣的堆積現象相比冰區中部較重，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象最為嚴重。

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

北海航空支隊的海冰航空遙感監測結果如下：

圖5 車載海冰災害應急監測集成系統菊花島應用監測圖

菊花島南側和東側結冰密集度大約為7—8成，以蓮葉冰和灰冰為主，少量灰白冰，西側和北側結冰情況嚴重，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，請有關部門引起注意。另外菊花島西北部有一小碼頭，已經被冰封住，船舶無法靠泊。菊花島西側兩個海灣內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測集成系統菊花島應用監測圖

圖7 車載海冰災害應急監測集成系統菊花島應用監測圖

圖8 車載海冰災害應急監測集成系統菊花島應用監測圖

經對比分析，車載海冰災害應急監測集成系統監測結果與航空遙感監測結果基本相符，其海冰雷達回波數據能真實、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 結論

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

在2009—2010年冬季的海冰應急監測工作中，車載海冰災害應急監測集成系統發揮其監測方式靈活、監測資料精度高、資料實時傳輸的優勢，彌補了沿岸常規監測手段的不足，同航空監測、船舶監測、衛星遙測、沿岸人工監測共同構建了立體化海冰監測系統，保障了海冰應急監測工作的順利完成。尤其是在2010年1月下旬，車載海冰災害應急監測集成系統工作組協同北海航空支隊與國家海洋局現場工作組，對遭受海冰圍困的菊花島連續進行了海冰應急監測，獲取了寶貴的監測資料。

實際運行結果表明：該系統可在較惡劣環境下，不依賴工作地點電力等條件進行全系統、滿負荷工作。其海冰監測雷達不受制于能見度與光照的影響進行海冰監測。整套系統在低溫（-20℃）、雪地、大風等多種惡劣環境條件下正常運行。海冰監測區域遍布渤海大部分重點岸段，其獲取的資料與監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視頻應急會商，為提高海洋環境預報的準確率和應急處置能力提供了重要的技術支持。

車載海冰災害應急監測集成系統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境應急監測管理中。

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