准确评估工程所在海域的海冰条件，特别是海冰灾害的控制性致灾要素的取值，对于工程的规划设计和安全运行都具有重要意义。如果取值过低，会使得工程暴露于极大的风险之下，一旦发生灾害事故，必将造成较大损失和影响^[1]；如果取值过高，会成倍增加生产成本，缩小可开发海域，影响整体发展规划。根据工程类型和所处海域特点等基本资料，确定影响该类工程的海洋灾害灾种，判明控制性冰情参数作为海冰灾害特征参数。海冰对工程结构物的冲击作用是形成海冰灾害的主要诱因，其中，海冰厚度是极值冰力取值^[2-4]、交变冰力的周期与幅值^[5-6]，以及堆积冰的时空分布的控制性因素^[5-7]。因此，确定海冰厚度的合理取值，成为海冰灾害风险评估的关键内容。

由于我国渤海最大单层平整冰厚度通常不足50 cm^[8-9]，且现场原位的实测冰厚数据较为有限，这些都对海冰厚度的选取与确定提出了较高的要求。因此如何选取合适的海冰厚度推算方法战为了近年研究与应用的重点。自1969年渤海海冰大冰封造成海上平台的摧毁性破坏^[8]开始，开展了包含海冰厚度在内的海冰设计条件分析计算，主要用于海冰荷载的计算、海冰设计条件的确定和平台疲劳寿命评估。为推算一定基准期内(50 a或100 a)的最大值需要有20 a以上的实测资料，这在实际观测中往往是比较困难的。因此，对于海冰厚度的绝大部分工作是通过基于海冰热力学理论的累计负气温方法进行的，该方法在确定渤海海冰设计参数中起到了很大的作用^[10]。但由于其推算结果的可靠性和完备性受到很大的局限，已经满足不了目前海洋结构可靠性设计的要求。自上世纪80年代初期开始的海冰数值模拟和预报研究工作^[11-14]，主要用于分析海冰的热力和动力过程^[15-17]，通过海冰数学模型对海冰参数进行数值推算，以获得连续可靠的海冰数据资料。另外，由于地理位置、水文和气象特征以及海洋地势等因素的不同，渤海不同海区的冰情有很大差异。因此，提出了海冰区划的思想^[18-19]，目前，在海上生产中广泛使用的基于海冰区划的设计条件，是由中海石油研究中心根据海冰分布、变化特征、工程设计和生产部门使用所提出的，将渤海和黄海北部划分为21个冰区和5个烈度区，开展了对21个冰区的物理力学参数，以及冰期、冰厚、冰速等冰情参数的研究^[20]。

近20 a来，针对海冰单层平整冰厚的应用研究较少，主要借助于海冰区划的方法对海冰设计条件进行选取。由于应对环境发展变化等的评价较少，这对高要求的风险评价提出了挑战。为此本文根据渤海辽东湾JZ20-2海域的实测冰情和环境数据，对实测数据统计分析、海冰区划设计条件和累计负气温等3种单层平整冰厚推算方法进行比较，以探明单层平整冰厚推算方法的选取原则和使用方法。

1   材料与方法

1.1   单层平整冰厚推算方法

(1) 实测冰厚统计分析法

如果工程所在海域有20 a(近30 a内)以上的年际最大单层平整冰厚资料，可使用统计分析方法确定工程所在海域最大单层平整冰厚年极值系列，同时还应参考调查历史上临近海域出现的最大单层平整冰厚，对计算结果进行验证与修正。

最大单层平整冰厚重现期的推算采用Weibull分布、Pearson Ⅲ型分布、Gumbel分布等统计方法进行推算，取其安全值。

(2) 海冰区划设计条件

参考《中国海海冰条件及应用规定》(Q/HSn 3000-2002)^[20]企业技术标准中推荐的设计值进行选取和确定。中海石油研究中心根据中国海冰分布及变化的基本特征，同时考虑到工业设计和生产部门的使用方便，将中国的结冰海区-渤海和黄海北部划分为21个冰区，划分的原则是每个冰区的冰情基本一致，根据该标准^[20]可查得各冰区不同重现期单层冰的设计冰厚，冰区划分如图 1所示。每个海区的名称分别是：(1)营口；(2)锦州湾；(3)复州湾；(4)绥中；(5)秦皇岛；(6)南堡；(7)岐口；(8)曹妃甸；(9)岔尖；(10)羊角沟；(11)龙口；(12)渤中；(13)旅大；(14)金州湾；(15)蓬莱；(16)北隍城岛；(17)大连湾；(18)獐子窝；(19)大鹿岛；(20)烟台；(21)威海。

图  1  渤海及黄海北部海域海冰区划

Fig.  1  Sea ice Zoning for Bohai sea and the northern part of the Yellow sea

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(3) 累计负气温法

在实测冰厚年最大值数据过短情况下，目前普遍采用的是根据建立在热力学原理上的平整冰厚度计算公式，由特定海区已知的负积温系列数据推算出对应的冰厚系列数据，并按推荐统计方法推算设计厚度的概率分布。

在用冻冰融冰度日法计算冰厚时，没有考虑太阳辐射、海洋热通量等海冰热力要素，其计算结果与实际情况有一定的差异。

由气温推算历年平整冰厚度的公式为

式中：h为平整冰厚度(cm)；α为海冰增长系数[cm·(℃·d)^-1/2]；FDD为在冰厚增长期内日平均气温-2℃以下的累积冻冰度日(℃·d)；TDD为在冰厚增长期内日平均气温0℃以上的累积融冰度日(℃·d)；K为初生冰出现时所需的平均累积冻冰度日(℃·d)。

α值由海冰热学性质参数决定，α=(2λ_i/L_iρ_i)^1/2。式中：λ_i为冰的导热系数；L_i为海水相变潜热；ρ_i为海冰密度；在纯热力学条件下，α不超过3.9 cm(℃ d)^-1/2。

K为初生冰出现时所需的平均冻冰度日(℃ d)。就同一站位来讲，它趋于一个定值。条件相似的站位，可采用统一的值。K值从物理意义上可解释为初冰形成时所需的冻冰度日，通常K值由冰情实测资料统计得到，在进行计算时，考虑到短时间寒流的出现不足以结冰，将初冰日后连续3 d气温低于冰点温度的日期定为初生冰形成的时间，计算每年该时间之前的冻冰度日，并进行多年平均得到K值。

α、Κ值取决于各冰区固定平整冰厚度数据和气象数据，一般情况下，不同海域的α和K值是不同的。

根据实地获取的不少于20 a的连续的逐日冬季气温资料，应用累计负气温法进行单层平整冰厚的取值计算，进而应用统计方法计算不同设计条件下的参数取值。

1.2   示范区

为了对比说明3种单层平整冰厚推算方法的可行性与实用性，需要选取有较长时间序列(近30 a)的实测单层平整冰厚数据和气温数据。虽然在我国渤海和黄海北部的沿海海冰观测站位有较长时间的冰情观测数据，但多为海冰类型和海冰总厚度的描述，未针对单层平整冰厚数据获取直接信息。JZ20-2海域自1996年开始，获取了近20 a连续的冬季冰情以及气温序列资料^[21]，因此选取该海域作为单层平整冰厚推算方法的示范海域。

在位于辽东湾北部的JZ20-2海域(图 2)油气作业区的石油平台上安装了集成视频、雷达测量和人工辅助观测等手段的冰情测量系统，可获取每日逐时的冰类型、冰厚、冰速等现场实测数据^[21]。

图  2  JZ20-2海域地理位置

Fig.  2  Location of JZ20-2 sea area

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2   结果与讨论

2.1   实测冰厚数据统计分析方法

JZ20-2海域的1996~2016年间历年单层平整冰厚数据(数据序列长度20 a，见表 1)，满足实测数据统计方法的计算条件。

表  1  JZ20-2海域实测最大单层平整冰厚(1996~2016)

Tab.  1  Measured maximum monolayer flat ice thickness of JZ20-2 sea area (1996~2016)

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采用Weibull分布、Pearson Ⅲ型分布和Gumbel分布对上述数据序列进行统计分析计算，计算结果如表 2所示。

表  2  不同重现期设计冰厚值

Tab.  2  Calculation of ice thickness in different recurrence period

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综合比较分析上述3种统计方法的计算结果，对于工程设计重现期和校核重现期而言，选用50 a和100 a重现期安全度最高的Gumbel方法的计算结果进行比对分析。

2.2   规范计算方法分析结果

参考《中国海海冰条件及应用规定》(Q/HSn 3000-2002)中国海海冰区划图，JZ20-2海域属于冰区(2)：锦州湾。查表“各冰区海冰厚度推荐值”，计算该海域的单层平整冰厚典型年份重现期设计值，如表 3所示。

表  3  基于海冰区划方法的JZ 20-2海域设计冰厚值

Tab.  3  Design of ice thickness in JZ20-2 area based on sea ice zoning method

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2.3   累计负气温法

JZ 20-2海域气温数据在冬季海冰管理过程中仅记录每日7:00~18:00的整点气温，不满足累积负气温方法中“日平均气温”的数据要求，这里选取距工程海域最近的兴城气象站实测历年日平均气温值(1980~2012，共32 a)进行分析说明，数据来源于中国气象科学数据共享服务网http://cdc.cma.gov.cn/home.do。

用于JZ20-2海域累积负气温公式的α、K取值研究成果。计算冰厚序列分别记为h₁、h₂、h₃。

利用兴城气象站实测历年日平均气温资料，统计逐年度的累计冻冰度日FDD、累计融冰度日TDD; 利用表 4中推荐的α、K取值计算冰厚h₁、h₂、h₃的数据序列(表 5)；需要说明的是，此方法对于长序列工程原位实测气温数据和累积负气温公式中的系数选取有很高要求。

表  4  渤海不同海域累积负气温冰厚计算中的α和K值

Tab.  4  α & K of ice thickness calculation of the negative accumulated temperature in Bohai Sea

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表  5  累计负气温法计算的工程海域逐年平整冰厚

Tab.  5  Results of flat ice thickness by negative accumulated temperature method

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将计算所得的冰厚序列进行统计分析，得到不同重现期的单层平整冰厚数据，如表 6所示。

表  6  不同重现期下的累积负气温方法的冰厚计算结果(单位：cm)

Tab.  6  Results of the ice thickness by negativeaccumulated temperature method under different return periods

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分析结果表明：h₂(选用第2组α、K值)的计算结果显著大于工程海域实测数据；h₁、h₃(第1、3组的α、K值)所得结果比较接近，与实测数据情况较为吻合。参照实测数据统计方法中所选取的Gumbel方法统计结果进行分析。

2.4   海冰灾害特征参数推算方法比较分析

在以JZ20-2海域为例进行计算分析的过程中，通过基础数据资料收集、现场实测数据比对、推算结果合理性分析等方面的工作，对单层平整冰厚的三种计算方法进行合理性、安全性和可行性分析。

(1) 合理性分析

实测数据统计方法能够比较客观的反映工程所在海域的海冰特征现状以及变化趋势，计算结果客观可信；海冰区划设计条件，规范的制定结合了实测数据统计、理论分析、数值模拟和经验的综合方法，经过了多年工程应用，结果合理可靠，由于近20 a来我国冰情较20世纪偏轻(图 3)，因此规范推荐值可能趋于保守；累积负气温法是一种理论方法，主要考虑海冰生消的纯热力学过程，而我国渤海及北黄海海冰厚度的最大特点就是动力学过程影响起重要作用，通常由于忽略了动力影响，计算冰厚结果会偏大。

图  3  1950~2015年冰情等级及JZ20-2海域计算冰厚

Fig.  3  Sea ice class and calculated sea ice thickness of JZ20-2 sea area

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(2) 安全性评估

将工程海域实测平整冰厚数据序列中年最大值与推算结果对比，以证明推算结果的可靠性，如图 4所示。实测冰厚的范围为15~32 cm(见表 1)。分析结果表明：实测数据统计方法与实测结果相近，海冰区划方法的推算结果作为工程设计条件较为适宜，累计负气温方法结果偏大。

图  4  单层平整冰厚推算结果与实测冰厚的比较

Fig.  4  Comparison of the calculated results and measured data of single layer ice thickness

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(3) 可行性评估

本文介绍的3种设计平整冰厚推算方法，原理各不相同，但均属于技术成熟、在海洋工程中被广泛认可的方法，能够得到合理取值，用于客观评价工程原始设计条件。其中，实测冰厚统计方法和累计负气温方法均需要工程原位测量的高质量数据积累，目前绝大部分工程难以满足，因此对工程原位测量提出了新的要求。

3   结论

(1) 利用JZ20-2海域的实测冰情及环境数据，对实测数据统计分析、海冰区划设计条件和累计负气温等3种单层平整冰厚的推算方法进行了应用，分析了3种方法推算结果的合理性、安全性，以及方法本身的可行性。

(2) 分析结果表明，海冰区划方法仍是现阶段对单层平整冰厚推算的主要手段。应当重视积累工程海域实测数据要求，提出观测指标、频次、精度等的具体要求，开展工程原位测量的高质量数据积累，逐渐提高实测冰厚统计分析方法的可行性。综合3种计算方法可以得到合理取值，用于客观评价工程原始设计条件。