本文關(guān)鍵詞：極區(qū)航道海冰時(shí)空分布及其物理力學(xué)性質(zhì)研究

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【摘要】：全球氣候在過(guò)去幾十年里發(fā)生快速變化,導(dǎo)致北極海冰范圍和厚度快速衰退;相反,南極海冰范圍則呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)。模型預(yù)測(cè)到2050年夏季北極有可能將成為無(wú)冰的海洋。隨著北極海冰的快速變化,夏季東北航道的開(kāi)通成為潛在連接亞洲和歐洲的貿(mào)易通道。而海冰的存在是影響船舶極地航行安全的主要因素,因此海冰的空間分布和力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)船舶和抗冰結(jié)構(gòu)意義重大。本文針對(duì)極區(qū)航道海冰時(shí)空分布特征、北極海冰運(yùn)動(dòng)及海冰物理力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展研究。首先,通過(guò)分析ASSIST/ASPeCt船舶走航觀測(cè)數(shù)據(jù)、海冰時(shí)空分布／冰厚數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感海冰密集度數(shù)據(jù),對(duì)東北航道上北冰洋三個(gè)邊緣海(東西伯利亞海,拉普捷夫海和喀拉海)、西北航道上的波弗特海及穿極航道弗拉姆海峽和85°N以北的北極中央?yún)^(qū)夏季海冰密集度、浮冰尺寸、融池、冰厚等參數(shù)的分布規(guī)律和變化趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論,南極航道只對(duì)普里茲灣海冰時(shí)空分布進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：(1)東西伯利亞海和拉普捷夫海7月份浮冰尺寸以小于500m的浮冰塊、小浮冰和中型浮冰為主；冰上融池占10-40%;冰脊分布在5-40%。(2)波弗特海2006～2015年間夏季海冰密集度在低于72°N海域普遍小于50%,隨著緯度的升高海冰密集度逐漸增大；浮冰密集度大于80%區(qū)域平均冰厚為126.4 cm。(3)弗拉姆海峽2012～2015年間夏季浮冰尺寸主要以小于100m的浮冰塊、小浮冰為主；海冰厚度主要分布在150～200 cm。(4)85°N以北北極中央?yún)^(qū)夏季分布有密集度大于90%的海冰,冰厚度普遍小于200 cm；在1979～2015年間87°N和89°N以北區(qū)域夏季海冰厚度分別以47.7 cm/decade 和 56.7 cm/decade速率減少。(5)普里茲灣夏季融化期浮冰典型尺寸以小于20 m的碎浮冰為主：冰厚分布在20～150 cm,平均冰厚為83.3 cm。其次,分析2012年在北極中央?yún)^(qū)布放的6套冰浮標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)北極中央?yún)^(qū)和弗拉姆海峽的海冰運(yùn)動(dòng)特征開(kāi)展研究。(1)浮冰漂移速度精度與計(jì)算時(shí)間間隔有關(guān),隨著計(jì)算浮冰漂移速度的時(shí)間間隔增大,計(jì)算得到的浮冰漂移速度與實(shí)際速度差異會(huì)越來(lái)越大。(2)北極浮冰漂移速度時(shí)空分布不均,在穿極流區(qū)域且尚未進(jìn)入弗拉姆海峽前,浮冰漂移速度普遍小于0.40 m/s,進(jìn)入弗拉姆海峽后浮冰漂移速度明顯增大；另外北極海冰漂移速度存在季節(jié)變化,一般在每年的10月份達(dá)到最大值,而4月份最低。(3)北極海冰在漂移過(guò)程中會(huì)發(fā)生近乎于圓周似的非對(duì)稱慣性振蕩,慣性振蕩頻率約為-2 cycle/day。(4)海冰漂移速度約為10 m高度風(fēng)速的1.4%,海冰漂移方向相對(duì)風(fēng)向保持右偏約30°。再次,對(duì)北極夏季浮冰和南極夏季固定冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)展開(kāi)詳細(xì)分析。(1)北極浮冰晶體結(jié)構(gòu)以顆粒冰和柱狀冰為主,還夾雜有過(guò)渡層；南極固定冰晶體包括顆粒冰、柱狀冰和板狀冰。(2)夏季海冰溫度都高于-2.0℃,其中北極夏季浮冰冰溫多分布在-0.5～-1.5℃之間；夏季南極固定冰冰溫在-0.6～-1.8℃之間。(3)北極浮冰密度分布在0.58～0.93 g/cm3之間,以0.176 g/cm3梯度隨無(wú)量綱深度線性增加；夏季南極固定冰密度在0.88～0.92 g/cm3之間。(4)北極浮冰鹽度普遍低于4.2%o,以3.22%o梯度隨無(wú)量綱深度線性增加；南極固定冰鹽度同樣呈現(xiàn)上低下高的趨勢(shì),表層海冰鹽度為0.45‰,底層鹽度為8.05‰。(5)北極浮冰氣泡含量以200‰梯度隨無(wú)量綱深度線性降低,鹵水泡含量以89‰梯度隨無(wú)量綱深度線性增加,浮冰孔隙率分布在120～400%o之間,整體趨勢(shì)以123‰梯度隨無(wú)量綱深度線性降低；南極固定冰孔隙率分布在140～250%o之間。最后,對(duì)北極夏季浮冰和南極固定冰開(kāi)展準(zhǔn)原位單軸壓縮性質(zhì)試驗(yàn)研究,同時(shí)對(duì)南極固定冰單軸壓縮試樣破碎長(zhǎng)度分形維數(shù)和馬克斯韋爾模型下的海冰粘彈性力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。(1)分析了溫度、密度、孔隙率和加載速率對(duì)海冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響,建立各影響因子與單軸壓縮強(qiáng)度的關(guān)系,其中隨著溫度的降低海冰峰值單軸壓縮強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。(2)對(duì)破碎塊體等效長(zhǎng)度的分形研究,發(fā)現(xiàn)碎塊長(zhǎng)度分維數(shù)隨著應(yīng)變速率的降低有增大趨勢(shì)；另外隨著試驗(yàn)溫度的降低,碎塊長(zhǎng)度分維數(shù)有增大趨勢(shì)。(3)使用馬克斯韋爾模型描述海冰單軸壓縮力學(xué)行為,通過(guò)單軸階梯加載和循環(huán)加載方式分別計(jì)算基于馬克斯韋爾模型的南極固定冰粘滯系數(shù)和彈性模量,發(fā)現(xiàn)粘滯系數(shù)在19～207 GPa·s之間,彈性模量在0.17-0.50GPa之間。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U612.23;P731.15

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