极地海冰环境分析

殷俊俊冯正平刘乐乐沈 权

（1.上海交通大学 上海200030；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；3.中国极地研究中心 上海200136）

研究与设计

极地海冰环境分析

殷俊俊1,2冯正平1刘乐乐2沈 权3

（1.上海交通大学 上海200030；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；3.中国极地研究中心 上海200136）

随着新极地科考破冰船的设计建造以及人们对北极航道的关注不断升温，极地海冰环境分析与跟踪显得非常必要。文章对该类船舶营运区域的海冰环境、船级社冰级定义以及风险评论进行分析，指出其中的关键要素，可为极地船舶设计提供参考。

极地海冰环境；海冰类型；冰级定义；极地船舶风险

引 言

我国极地考察工作始于20世纪80年代初，迄今已成功组织了28次南极考察、5次北极科学考察和7个年度的北极黄河站科学考察，获得了极其宝贵的数据、资料和样品，并先后承担科研项目500余项，在极地科学领域的国际热点问题研究方面取得了许多具有科学价值的研究成果，开创了多个领域的研究先河，丰富了人类对地球两极的认识。近年来，随着全球气温上升，北极海冰的融化，使得北极航道的经济性和可能性也越来越受到重视。与此同时，北极资源的开发利用等也逐渐成为热点问题。

所谓极地区域主要是指南北纬高于60°的地区。南极由南极大陆和南大洋组成（如下页图1所示），北极主要是北冰洋（如下页图2所示）。

图1 南极水域应用的最大范围

随着考察、航运和资源开发等人类活动的发展，作为极地海域人类活动重要的基础平台，极地科考破冰船、极地航行货船和极地海洋工程船等极地船舶的设计建造都需要以极地海冰环境的研究分析为前提。

1 海 冰

1.1 海冰演进与分类

海冰在海上受到风、海流和气温变化的影响，逐渐形成各种型态，其各种物理特性也存在相应差异。海冰演变是一个缓慢的过程（如图3所示），该图能够比较全面地反映海冰的时间和运动特性，是海冰载荷预报的重要基础。

如图3所示，海冰可以分为以下几类：

图2 北极水域应用的最大范围

（1）按照运动形态分为固定冰和浮冰。

（2）按生成时间分为初生冰、当年冰、次年冰和多年冰。

1.2 海水定义

由于各个海域的海水成分和气候特征存在一定差异，导致海冰的物理特征也存在一定差异。为统一认识和便于工程应用，世界气象组织针对极地海冰特点的重要物理特性，作了统一定义和说明。

1.2.1 冰厚和类型

海水的冰厚和类型定义如下页表1所示。

1.2.2 冰密集度

冰密集度系指在视野范围内海面上浮冰覆盖的比例量，以十分法度量。冰密集度可分为8级，列于下页表2。冰密集度大小用以表示船舶在冰区中航行的困难程度。

图3 海冰时间和运动演变进程示意图

表1 世界气象组织的海冰类型及厚度的定义cm

为了便于设计部门和用船部门直观理解，本文摘录了美国海洋和大气管理局发布的冰情图，如图4—图9所示：

图4 破损的水平冰

图5 水平冰（带当年冰脊）

表2 世界气象组织的冰密集度分类

图6 冰山

图7 大范围当年冰

图8 第二年冰

图9 冰山源头

2 极地冰情

冰情是指海上冰的数量、结冰范围、海冰厚度以及海冰的分布和漂流等情况，是反映海冰结冰程度的综合性概念。两极地区长期覆盖浮冰和冰盖，随着季节性变化海冰范围会有一定的变化，及时掌握和了解冰情对于设计和运营极地船舶具有非常重要的作用。

2.1 南极冰情

南极海域的冰情比较复杂，图10是美国南极科考委员会历时25年对18 000个观测点长期观测得到南极海域冰情图。

图10 2000年最小和最大海冰覆盖区域

我国科学家也对南极进行了冰情观测（如图11所示）。该图为中山站附近1999年～2004年期间的海冰厚度。

图11 1999年～2004年中山站附近海冰厚度

2.2 北极冰情

欧盟北极环境研究单位指出，在过去的几十年北极范围内，年平均海冰范围减少了5%～10%，平均厚度减少了10%～15%。在北冰洋中心的海底测量雷达数据表明那里的冰厚度减少了40%。图12为美国国家雪冰数据中心公布的2011年3月和9月海冰的月平均海冰范围，品红色线为1979年～ 2000年对应月份的平均值。图12可以看出，多年冰面积和所占冰面积的比例呈现减少的趋势，一年冰所占冰面积的比例呈现增加的趋势。多年冰面积的减少，意味着夏季将有更多的无冰区，这将对北极航道带来巨大的商业价值。一年冰和多年冰的冰情对破冰船设计具有不同的要求，而且要求差异很大。下页图13是俄罗斯南北极研究所对北极海域长期观测发布的冰情图。从图中可以看出2013年冬季的俄罗斯沿海海域多以当年冰为主，此时进入北极点进行北极科学考察仍需要破冰船能满足多年冰的破冰能力，而北极航道运行的货船如辅以具备当年冰破冰能力破冰船开道完全可以进行冰区货运。

图12 2011年3月和9月的海冰范围

图13 北极海域冰情卫星云图（俄罗斯南北极研究所）

3 低温环境

极地海域特点是常年低温、极端气候和短时变化剧烈。为便于用船部门和设计部门理解，结合北极周边国家的使用经验和气象观测数据，英国劳氏船级社给出了南北极最低日均气温作业受限区域图（见图14）。加拿大交通运输部也针对南极海域给出了南极风力表（见下页表3）。在设计船舶时，设计师应根据船舶运营情况制定不同的防冻化措施和装置，并应考虑南极地区风力对船舶稳性的影响。

图14 南北极气温作业受限区域

表3 南极风力表

4 船体冰级

极地船舶设计作为工程实践若直接利用科学观测资料稍显吃力，为此，国际船级社协会IACS建立了有关极地级船舶的统一要求，根据不同海冰环境和船舶营运要求，对极地航行船舶划分冰级，以便船东根据船舶航行水域的冰情选择合适冰级，而船体冰级的选择是开展结构强度计算和设计提供的依据，如表4所示。

表4 IACS对冰级的定义

5 极地船舶营运风险

极地海域环境的浮冰、低温和恶劣天气的影响，对船舶运营和船舶设计提出不同于开敞水域的特殊要求，为此需在破冰能力、冰区加强、低温环境设备和人员维护等方面多加考虑。

5.1 船舶结冰的影响

船舶结冰主要分为航行上浪结冰和低温冻雨结冰两种情况，这两种情况都对船舶稳性和人员露天活动安全带来较大影响。上浪结冰主要是指船舶在恶劣海况穿浪航行时，船首抨击甲板上浪以及甲板上浪和风中夹带的海水在低温环境迅速结冰的现象（如下页图15所示）。冻雨结冰主要是指船舶在低温环境下航行，空中的雨水凝结成冰（如下页图16所示）。两种工况如果叠加在一起，将会对船舶稳性产生较大影响；需要对船舶稳性加算结冰工况。船舶露天结冰也对船员露天工作带来较大危害，一般根据不同要求采取电加热除冰和手动除冰等防冻措施。

5.2 冰损的影响

恶劣的气象条件、冰山、大型浮冰、缺乏完整及时的导航信息以及航行过程中的失误，皆会导致冰损事故发生（如图17所示）。为此，船舶设计一方面需根据船舶结构进行必要的加强；另一方面也需要对船舶冰损后的剩余稳性进行校核，以确保船舶冰区航行安全。

图15 低温下恶劣海况下船舶航行时上浪结冰

图16 低温下冰区航行船舶冰雨成因示意图

图17 冰损事故

5.3 困 冰

困冰情况，是指由于破冰区域的冰厚和冰强度超过破冰船实际破冰能力，使船舶被围困在冰区无法走出，造成人员和船舶的风险。破冰船的设计指标是设计时确定的，然而交船后实际海域的冰情变化不定，往往只能由船员凭经验判断，风险较难控制。2014年俄罗斯科考船被困，“雪龙”号驶往救援，后也被困；最后利用短暂气象窗口脱险，就是这种风险的实际体现（见下页图18）。因此，必须在自持力和续航力等船舶性能上进行必要的冗余设计。

图18 中山站附近区域，“雪龙”号船面对堆积海冰束手无策

5.4 人员因素

极区低温环境、极昼极夜的恶劣环境条件和极地船长航程等因素对船员身心健康的影响也是极地船舶运营的潜在风险。随着此类研究的深入，在船舶设计和建造中都应加以考虑，尤其在船舶布局和保障设施上更应特殊考虑， 如图19所示。

图19 低温和冰区作业对于船员的健康保护措施

6 结 论

综上分析，极地海冰环境与开敞水域海洋环境存在较大的区别。为应对极地海冰环境的特殊性，设计人员应从船舶稳性以及船舶安全和作业工况的特殊要求等方面对船舶设计与运营进行分析，必要时按照低温要求采取必要的防冻化冻和加热除冰等措施，关注低温对船员造成的影响，尽可能为他们提供一个舒适的工作环境，如图20所示。

图20 冰区作业和低温环境的影响

［1］ Sillitoe A， Upcraft D， Rich K，et al. Supportinghuman Performance in Ice and Cold Conditions［R］. Lloyd’s Register， 2010.

［2］ Assessment of International Standards for Safe Exploration，Production and Transportation of Oil and Gas in the Barents Sea［R］. 2012.

［3］ Guest P. Arctic opening： Opportunity and Risk in the High North［R］. 2001.

［4］ Emmerson C. Arctic Opening： Opportunity and Risk in the High North［R］. 2012.

［5］ 中国船级社.极地船舶指南［R］. 2015.

［6］ LR. Winterisation notation［S］. 2015.

［7］ Canadian Coast Guard. CCG_Hazardous Weather Hazardous Weather Influence［R］. 2005.

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

殷俊俊（1982-），男，硕士。研究方向：船舶与海洋工程。冯正平（1966-），男，副教授。研究方向：船舶与海洋结构物设计与建造。刘乐乐（1982-），女，工程师。研究方向：船舶设计与研究。沈 权（1967-），男，高级船长,副总工程师。研究方向：极地研究。