【研究意义】中国渤海辽东湾是海上油气勘探开发的重要海域之一，由于该海域纬度较高，冬季受到西伯利亚冷空气的影响，每年都有不同程度的海冰覆盖，是渤海冰情最严重的海域。每年冬季12月至次年3月该海域均被海冰覆盖，在潮汐的作用下，海冰往返流动冲击平台^[1]。历史上曾经由于海冰的作用，造成渤海海洋石油平台被推倒、平台导管架管节点开裂、平台上部设施管线断裂、法兰泄露等事件。可见，海冰对海洋石油平台及其生产活动构成严重威胁，在平台上建立海冰监测系统，对冰情变化进行预测，分析危险冰情，发布预警信息和作业应急措施，以保障石油平台冬季安全生产。【前人研究进展】海洋石油平台海冰监测系统，是海洋石油平台冬季安全生产的重要组成部分，利用监测系统的设备与技术“早发现、早预报、早处理”海冰灾害。视频监测系统用于实时收集海面现场冰情资料，提供海冰现场信息，对于生产指挥中心实时了解海面冰情，采取相应的应急措施具有重要的意义，同时也为后期的海冰冰情分析提供了数据资料^[2-3]。气象观测系统是常规的气象站系统，提供温度、风速、风向、湿度、大气压等数据，为海冰的形成提供分析参数^[4]。【本研究切入点】在海冰监测研究领域，中海油已经进行了一系列的研究，并从科研、生产双向出发，在方案设计、监测技术、研究应用等方面做了长期工作。但是，在平台监测系统的建立时，仍然面临着诸多挑战：① 近年新建平台的平台结构与老平台不同；② 平台为所在海域的第一座平台，海冰动力特性有待研究；③ 面对新平台，监测系统需重新设计、选择设备；④ 平台监测结果分析需结合潮流等状态进行研究；⑤ 预报预警的准确度等因素。【拟解决的关键问题】本研究采用基于海洋石油平台的海冰监测系统对中国渤海辽东湾冬季海冰期的海冰情况进行研究，分析海冰监测系统的组成及作用，并根据现场实测结果对系统稳定性、可靠性、适用性进行验证。

基于海洋石油平台的海冰监测系统由视频监测系统和气象监测系统组成^[5]。视频监测系统组成设备主要包括红外视频摄像头、信号调理器和采集器、视频处理主机，主要用于监测海冰的冰厚、冰速、冰向。气象监测系统监测平台周围的环境温度、风力及湿度，综合分析海冰的形成条件，预测海冰的运行趋势和造成影响，及时进行海冰破碎等抗冰活动^[6-9]。根据视频和气象监测系统的观测资料，结合过往的海冰数据资料，对平台周边海冰发展趋势进行预报，对平台周边的破冰船调用进行合理的配置，确保海冰期间平台的安全生产^[10-12]。

渤海辽东湾冬季海冰期为每年12月初至次年3月初为止。2011年11月，A平台海冰监测系统安装调试完毕，12月正式开始运行，至2015年3月初为止，共4个年度冬季冰期的连续监测。

通过视频摄像头拍摄海冰与平台桩腿部位撞击的画面，实时记录海面冰量与桩腿处海冰撞击情况，判断海冰类型、海冰厚度、海冰流速流向等数据^[13]。

在年度冬季冰期进行海冰年展望预报、冬季冰期月预报、冬季冰期周预报，主要预测辽东湾最大海冰范围。海冰测量每日统计A平台最低气温、最高气温、海冰冰量、最大冰厚等数据。在单日海冰监测数据分析的基础上，进行海冰年度、月度、周及24 h冰情预报，主要预测辽东湾海冰冰厚、海冰冰量、冰流速最大时刻。

通过视频测量和气象测量技术，监测了2011—2015年度冰期海冰的大气温度、冰厚、冰量等参数，结果如图 1~4所示。图 1为A平台视频监测系统冬季海冰实时监测的截图，分别为平台周围海域海冰情况以及平台桩腿附近被破冰锥破冰后的状况。通过与2011—2015年度的最低气温趋势比较(图 2、图 5)，可见自12月下旬至次年2月下旬期间，自2011—2012年冬季冰期以来A平台最低气温逐年变暖，冬季冰期天数也在缩短。另外，辽东湾海冰面积最大值2014—2015年为7768 km²，2013—2014年为12 600 km²，2012—2013年为25 000 km²，2011—2012年冬季为19 800 km²。对比辽东湾海域海冰面积，发现2011—2013年海冰面积明显大于2013—2015年海冰面积，这与图 5显示的温度逐年上升情况相符，后两年的低温天气较少，海冰形成面积随即降低。同时从图 5还可以看出，长期的低温天气均出现在每年冬季的1月份和2月份，12月份及3月份较少出现低温情况，这与图 3和图 4冰厚、冰量情况基本相符；冬季的总体冰期也在逐年缩短，尤其是2014—2015年的初冰日期较以往推迟近半个月，而其融冰期也提前近半个月，该特征与当年冰期整体的气温走势十分吻合。

图 1 (Fig. 1)

图 1 A平台视频监测系统冬季海冰实时监测截图 Fig.1 The real-time screenshot of sea ice in video surveillance system at A platform

图 2 (Fig. 2)

图 2 2011年—2015年冬季冰期A平台逐日最低气温比较 Fig.2 The comparison of daily min temp of 2011—2015 ice age at A platform

图 3 (Fig. 3)

图 3 2011年—2015年冬季冰期A平台逐日最大冰厚比较 Fig.3 The max ice thickness of 2011—2015 ice age at A platform

图 4 (Fig. 4)

图 4 2011年—2015年冬季冰期A平台逐日冰量比较 Fig.4 The comparison of daily ice volume of 2011—2015 ice age at A platform

图 5 (Fig. 5)

图 5 2011—2015年冬季冰期A平台≤-12℃日数统计 Fig.5 The temp ≤-12℃ of 2011—2015 ice age at A platform

分析图 3中4个冰期的A平台逐日最大冰厚趋势变化可知，前两年冰期的冰厚明显大于后两年的冰厚，其中2012—2013年冰期的冰厚最大，并在1月15日左右出现极值(60 cm)，对比当年该时间段的气温可以发现，连续的低温是造成较重冰情的主要原因。纵向对比图 4中4个冰期冰量可以发现，A平台海域在前两年出现10成冰量的天数明显多于后两年，尤其是2012—2013年度的严重冰期(1月1日—2月20日)内该海域全被海冰覆盖；相反，在2014—2015年度的整个冰期内未有海冰覆盖该海域的情况发生。

2011—2015年度各项海冰预测与实况检验如表 1~5所示。从表 1可以看出，2011—2013年的两年年度预报与实际情况相符，而2013—2015年的年度预报相较实际情况偏差较大，预报值均大于实测值，说明年度预报只能作为基本的参考，另外，实测值基本不会大于预报值。从表 2可以看出，只有2012—2013年度的月度预报较为准确，其他年度的月度预报均出现高于实测值的情况。2014—2015年度最大海冰范围的11次周预报与实测相比，有9次较为准确(误差在5海里内)，准确率为81.8%(表 3)。纵观2011—2015年的周预报，与实际情况相比较发现周预报的准确率均在80%以上(表 4)。2011—2015年度冰期的冰厚、冰量和冰流速最大时刻的24 h预报与实测值相比，各参数的短时预报准确率均在95%以上(表 5)，表明基于平台的海冰监测系统在小范围短时间内预报的精准度高，能及时预报海冰信息，保障平台作业安全。对平台进行年度、月度、周的预报可以把握海冰的总体变化趋势，有助于对平台进行海冰预警；另外，各周期的各海冰参数的实测值均不会大于预报值，所以各周期的预报情况具有一定的参考价值。

表 1(Table 1)

表 1 2011—2015年度海冰年度预报及验证 Table 1 The annual sea ice forecasting and verification in 2011—2015 ice age 冰期 Ice age 预测/实测 Forecast/ actual 初冰日 First day of the ice 严重冰期 Heavy ice age 终冰日 Last day of the ice 最大海冰范围 (海里) Farthest of sea ice (sea mile) 一般冰厚 Normal ice thickness (cm) 最大冰厚 Max ice thickness (cm) 2014—2015 预测 Forecast 2014-12-25— 2015-01-05 2015-01-15— 2015-02-15 2015-02-20 60~80 15~25 40 实测 Actual 2015-01-02 2015-01-12— 2015-02-12 2015-02-15 45 5~15 25 2013—2014 预测 Forecast 2013-12-10— 2013-12-15 2014-01-08—2014-01-15 2014-01-25—2014-02-10 2014-02-26— 2014-02-28 70~90 5~20 50 实测 Actual 2013-12-24 2014-01-03—2014-01-10 2014-01-31—2014-02-10 2014-2-24 60 5~15 30 2012—2013 预测 Forecast 2012-12-20— 2012-12-25 2013-01-08— 2013-02-10 2013-02-27— 2013-03-01 70~90 15~30 60 实测 Actual 2012-12-17 2013-01-08— 2013-02-12 2013-03-17 90 15~30 60 2011—2012 预测 Forecast 2011-12-20— 2011-12-25 2012-01-06— 2012-01-31 2012-2-21 70~90 5~20 50 实测 Actual 2011-12-25 2012-01-15— 2012-01-30 2012-02-28 85 5~15 60

表 1 2011—2015年度海冰年度预报及验证 Table 1 The annual sea ice forecasting and verification in 2011—2015 ice age

表 2(Table 2)

表 2 2011—2015年度海冰月预报检验(最大海冰范围：海里) Table 2 The month sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age(Maximum sea ice range:n.m.) 冰期 Ice age 时间 Month 预测 Forecast 实际 Actual 误差 Error 2014—2015 Dec，2014 25~35 25 0 Jan，2015 50~60 45 -5 Feb，2015 60~70 45 -15 2013—2014 Dec，2013 20~40 30 0 Jan，2014 40~90 70 0 Feb，2014 60~70 50 -10 2012—2013 Dec，2012 15~40 40 0 Jan，2013 50~90 90 0 Feb，2013 40~50 50 0 2011—2012 Dec，2011 20~50 45 0 Jan，2012 70~90 85 0 Feb，2012 50~70 40 -10

表 2 2011—2015年度海冰月预报检验(最大海冰范围：海里) Table 2 The month sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age(Maximum sea ice range:n.m.)

表 3(Table 3)

表 3 2014—2015年度海冰周预报检验(最大海冰范围：海里) Table 3 The week sea ice forecast and verification in 2014—2015 ice age(Maximum sea ice range:n.m.) 时间 Week 预报 Forecast 实际 Actual 误差 Error 2014-12-06—2014-12-12 5~15 16 +1 2014-12-13—2014-12-19 20~30 22 0 2014-12-20—2014-12-26 20~30 25 0 2014-12-27—2015-01-02 25~35 30 0 2015-01-03—2015-01-09 30~40 35 0 2015-01-10—2015-01-16 30~40 30 0 2015-01-17—2015-01-23 35~45 45 0 2015-01-24—2015-01-30 50~60 38 -12 2015-01-31—2015-02-06 50~60 45 -5 2015-02-07—2015-02-13 50~60 39 -11 2015-02-14—2015-02-20 25~35 23 -2 2015-02-21—2015-02-27 — — —

表 3 2014—2015年度海冰周预报检验(最大海冰范围：海里) Table 3 The week sea ice forecast and verification in 2014—2015 ice age(Maximum sea ice range:n.m.)

表 4(Table 4)

表 4 2011—2015年度海冰周报检验 Table 4 The week sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age 冰期 Ice age 预报次数 Forecast times 准确次数 Actual times 准确率 Forecast accuracy(%) 2014—2015 11 9 81.8 2013—2014 10 10 100 2012—2013 14 12 85.7 2011—2012 12 11 91.6
	表 4 2011—2015年度海冰周报检验 Table 4 The week sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age

表 5(Table 5)

表 5 2011—2015年度海冰24 h预报检验 Table 5 The 24 h sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age 项目 Project 冰期 Ice age 预报次数 Forecast times 准确次数 Actual times 准确率 Forecast accuracy(%) 冰厚 Ice thickness 2014—2015 76 75 97.4 2013—2014 70 68 97.1 2012—2013 98 94 95.9 2011—2012 84 83 98.8 冰量 Ice area 2014—2015 76 73 96.1 2013—2014 70 67 95.7 2012—2013 98 97 98.9 2011—2012 84 82 97.6 冰流速最大时刻 Max ice speed time 2014—2015 76 75 98.7 2013—2014 70 67 95.7 2012—2013 98 95 97.0 2011—2012 84 81 96.4

表 5 2011—2015年度海冰24 h预报检验 Table 5 The 24 h sea ice forecast and verification in 2011—2015 ice age

基于海洋石油平台的海冰监测系统集成了海冰气象监测系统/视频监测系统，能应用于海洋石油平台的冰期海冰监测、预警，指导破冰船作业，保障平台安全生产。2011—2015年4个冬季冰期的监测结果表明，该系统对海冰冰量、冰厚、冰速、冰类型监测数据准确。通过数据分析可以对海冰实施年、月、周、24 h预报，短期预报与实际情况基本相符合，其中24 h预报准确率在95%以上。

海冰是冬季冰期海洋石油平台安全的重要威胁之一，海冰的监测、预警是保障平台结构、平台管线安全的重要手段^[14-15]。基于海洋石油平台的海冰监测系统是多年来海冰监测经验的总结，能有效监测海冰状况和指导破冰船破冰，保障平台生产安全，对辽东湾海冰外缘线以内的平台防冰工作都有着重要的指导意义。