1、渤海冰水间的热传递系数第 2l 卷第 1 期2002 年 2 月海洋通报MARINESCIENCEBUU 盯 nVo1.21.No.1F 曲.20o2渤海冰水间的热传递系数季顺迎岳前进毕祥军(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室.辽宁大连 I16023)摘要:首先讨论了通过冰底面的热量平衡来计算非水闸熟传递系教的方法 ,井利用1997-1998 冬季辽东湾 JZ20-2 海域定观测的气象,水文和海冰资料.对冰水间的熟传递系数进行了计算.结果袭明,不刚冰期的热传递系数订报太差异.在初冰崩和融冰期较小分别为 01610 和0.04l0,而在盛诛期最大,可选 0510:利用本文确定的热传递系数
2、对 1997-1998 冬季的海洋热通量进行了计算,得到了其在整十冰期内的变化规律.奉文工作对渤海海冰数值模拟和预测中海洋热通量的计算有很好的参考价值.关键词:海非海洋热通量热传递系数:体积块法中图分类号:P73I32:P7224 文献标识码:A 文章编号:1001-6392(2002)01-009-07引言在海冰数值模拟中,海洋热通量的大小直接影响到冰厚,冰缘线等海冰参数的计算结果.在对北极,Weddell 海,Greenland 海以及日本 Saroma-ko 漏湖等冰区海洋热通量的研究表明,它在同季节和同海区有着很强的时空变化.海洋热通量的主要确定方法可大体分为涡动法,体积块法和剩余法三
3、种.涡动法是利用边界层理论来分析海冰生消过程中冰水间的动量,热景和盐度的耦合过程,从而确定出海水对冰盖的热量传递;体积块法主要是根据冰点和海水的温差对海洋热通量进行直接计算.;剩余法则是通过海冰下表面处的热量平衡来确定海洋热通量.在海冰数值模拟,尤其是海冰数值预报中,体积块法应用最方便,它可以通过对水温,流速的预测来对海洋热通量直接计算.用体积块法计算海洋热通量的关键是对其中热传递系数的确定,而不同研究者所确定的热传递系数有很大的差异.例如,Josberger(1987) 在 Bering 海和 Fram 海峡的实验表明,在 2IO810.之问;Shirasawaa1.(1997)对加拿大 R
4、esolutePassage 海的测量结果为 2.3I;Omestedelal(1992)在北极东部海域的确定结果为=(2.8+1)xl0-3.这主要是由于热传递系数的大小与海水盐度和海冰类型等因素有着密切的关系,而以往工作又是在不同海域和海冰条件下进行的一.利用 1997-1998 冬季在辽东湾 JZ20-2 平台上对气温,风速等气象条件,水温,海流和盐度等水文要素以及冰厚,冰类型和密集度等海冰参数的同步观 i 勇 I 资料,本文对该海域的热传递系数和海洋热通景进行了计算,并对其影响因素进行了讨论.收稿日期:200I-03-23;收修改稿:200104-30基垒项目:国家自然科学摹金与巾围海
5、洋石油渤海公司联音资助重点项目 (批准号 r59739I70)10 海洋通报 2l 眷1 冰水间热传递系数的确定方法在对海洋热通景的研究中,人们建立了几种不同的体积块计算方法但大多数考虑了冰水间温差,相对冰速以及海水定压比热容等因素,采用如下计算式:F=Pc.Ch“.(一)(1)式中:为海洋热通量:P 为海水密度 :cP 为海水定压比热容;为冰水间的热传递系数:“ 为海水和海冰的相剥速度为海水温度;为冰点为计算式(1)中的热传递系数,首先要确定海洋熟通量.根据能量平衡原理,海洋热通量可由冰盖底面的相变潜热与冰内热传导的差值确定,对于薄冰还应考虑太阳辐射的影响,即纠:一等)一一瓯式中:为海冰密度
6、;为海冰融解满热;是海冰导熟系数 ;(鲁).为冰底面厚度变化率:和分别为海冰下表面的冰内传导热和太阳辐射量透射量 .对于厚冰(0.5m),则不考虑 b 的影响,而在辽东湾海域,由于海冰较薄 (通常0.2m),(对冰下融解速率的影响非常显着“这样.联立式(I)和式(2) 有:一厶).一一 (3)似设从 t 到 t2 时刻,ch,p 和 cP 均为常数,则对上式积分得 :一一 I.(+Q)dt:(4)PI.“i(一)df式中:为海冰从 t.到 t2 时刻的厚度变化;“,和 Q|b 都是时向 t 的变化量,可通过实测或数值计算来确定.2 辽东湾冰水间热传递系数的计算为研究渤海海冰的生消和漂移特点.在
7、辽东湾海域的 JZ20-2 平台上建立了一个海冰定点观澳 j 站,可对攘个冰期内的气象,水文和海冰条件进行连续观测 ;另外,通过对海冰的热1 期乖顺迎等:渤海冰水间的热传递系数 11力和动力模式可对冰下_阳辐射,传导热以及冰水相对速度进行计算 .这样,利用实测和模拟结果,山方程(4)便可以对冰水问的热传迎系数进行计算.2.1 辽东湾 JZ20-2 海域气象水文和海冰要素定点监测在辽东湾 JZ202 平台上建立的海冰定点观测系统,可通过气象站,以及海流计,雷达和摄像机等观测手段来对气象,水文和海冰要素进行同步观测.气象要素包括风速,气温,相对湿度和大气压等,水文要素主要为流速,水温和盐度等,海冰
8、信息包括海冰厚度,流速,冰类型和密集度等.气象和海流计分别每隔 10min 和 15min 自动记录一次;通过雷达站可剥陔海域海冰的类,密集度,漂移速度和运动轨迹等信息进行准确的连续观测;冰厚的观测是通过安装在平台中层甲板上的摄像机,并经过图像处理来获得的.例如在 1997-1998 印度,JZ202 海域冰期从 1998 年 1 月 6 日玎始到 2 月 2O 日结束,持续了柏 d.整个冰期内的气温,风速,水温,盐度,海冰厚度和密集度如图 1 所示.岳舞几 lllI 门 21 日门】c)lJl 门 Il:lI 门】LjL 用 2l 口 2 月 10月 1 日3(I4黉n耆弹董嶷J8 日 1
9、月 2:日 2 月 7 日 2 月 22 日围 I997-998 年度 JZ22 海域实谢气象.水文和冰情变化FigIMeasuredmeteorologicalhydrologicalandsealcevariationsintheJZ20-2sacainl99719982.2 冰水间热传递系数的计算在胤和流等动力要素 f勺作用下,辽东湾海冰表现出强烈的动态特性,断地破碎和漂移,使冰厚变化存在一定的间断性,而海冰数值模拟则是将海冰厚度视为连续变化.蠹镘模R4一芒捌iii一】2_一一一一哺0862-05 一鸯熊海洋通报 2t 着拟值和实测值有一定的可比性,需作如下处理:将整个冰期分成若干个 3
10、5d 的时段,在每个时间段内,没有强烈的动力作用,而周期性的潮流使海冰一真在 JZ20-2 海域往复漂移.这样,就可将观测的海冰厚度近似为连续变化.选取 l997-1998 年度冰期中 1998 年 1 月 l1 日 08:00 至 1 月 l4 日 08:00 间 72h 怍为一个模拟时间段.取用每天 08:00 和 17:00 的测量冰厚值,并利用海冰的热力模式和动力模式对冰下太阳辐射透射量,冰底面传热,冰水温差和相对冰速进行了计算,结果如图2 所示.这样,再由式(6)来计算冰水间的热传递系数.表 l 给出了冰水问热传递系数的计算过程,其平均值为 0.26l0.删甚辞鞋邑案甘世(a)冰底面
11、太阳辐十透射量:(b)冰扁面传热(c)相对冰速:(d) 冰承温差图 21997-1998 年 1 月】1 日 00:0014 日 23:50 海冰热力要素计算值Fig2Calcalationsofsmaicethcrmodicekrnenfrom00:00,J 蛐 IIb23:50J:14,1997-1998衰 I 球承间热传递系数的计算过程硬结熏Tab1Caleulionproemsarrcsulofheattransferccfftcientbnjce.Dverandwa0 叮利用以上计算方法,剥 1997-1998 冬季不同冰期的热传递系数进行了确定.如图3 所示.从图 3 中可以发现,
12、不同冰期的热传递系数有很大差异.在初冰期和融冰期较小,分别为 0.1610.和 0.04Xl 矿,而在盛冰期最大,可达 0.5X10-3.利用以上确定韵热传递系教l 期季 l 颐迎等:渤海冰水间的热传递系数 13对 1997-1998 冬季的海洋热通量进行了计算,结果如图 4 所示.从图 4 中可以看出.不同冰期的海洋热通量是不同的.在初冰期最大,超过了 300W/m2:但随着冰期的延长,其数值不断变小,在融冰期趋近于 0.图 3 辽东湾 JZ20?2 海域 1997-199g 年度冰水热传递系数的计算健及其搬音曲线FiB3Calculeonoftheheatans 衙 coffeientbc
13、t,w,enicecwcrandwillgrinnIeJZ20-2aofthLiaodongduringl997-1995aswelt11$itsfittingulNe毒翱窘毒=窘圄 4 辽东湾 JZ20-2 海域】9 一】995 年度海洋赭通量Fig4OceanicheatfluxintheJZ20?2scaareaoftheLiaodongBayduring1997 一】9983 冰水间热传递系数的影响因素冰水问的热传递系数直接影响着海洋热通量的大小,从而也决定了海冰数值模拟和预测的结果.计算海洋热通量的体积块法是一种半经验半理论的方法.为方便应用,其中的热传递系数一般取为常数.但由于受海
14、冰厚度,冰类型等海冰参数的影响,冰水问的热传递系数也存在一定的差异.本文计算结果表明,渤海冰水问的热传递系数在初冰期和融冰期较小,在盛冰期最大.下面简单分析一下冰厚和冰类型对冰水问热传递系数的影响:a)海冰厚度在薄冰情况下,海水热量更易透过冰盖向大气散发 ;而当冰盖较厚时,冰盖底面的温度梯度相对较低,进而影响到冰水间的热量交换.从 1997-1998年度整4 海洋通报 2J 誊个冰期内的海冰厚度和冰水热传递系数变化趋势上也可明显看出:海冰越厚,珠墩热传递系数也就越大.b)海冰类型由于平整冰重叠冰和莲叶冰等不同类型海冰的表面粗糙度不同,导致冰水接触面积也有差异,进而影响到冰水问的热量交换.海冰底
15、面越粗糙,冰水间的热量交换越充分,热传递系数也就越大.4 结语本文利用在辽东湾 Z202 海域 19971998 年冬季定点观渊的气象 ,水文和海冰信息.在海冰数值模拟的基础上对冰水间的热传递系数进行了计算.结果表明,冰水问的热传递系数在不同冰期有明显的差异.在初冰期和融冰期较小,分别为 01610.和 0.041.而在盛冰期蛀大,可达 0,510.利用本文确定的冰水间热传递系数对 19971998 年冬季JZ202 海域的海洋热通景进行了计算,发现其在初冰期最大,超过了 300W/,并随着冰期延长而不断减小,在融冰期趋近于 0.根据海冰观测结果和热传递系数的变化规律.发现海冰厚度越大,海冰下
16、表面越粗糙,冰水问的热传递系数就越大.本文划冰水闽热传递系数的计算主要是在辽东湾 JZ202 海域进行的,并在该海域通过了可靠性检验.但在渤海其它海域的准确性如何还需要进一步验证.本文工作经进一步完善后可较精确地计算渤海同冰期和不同海域的海洋热通量,进而更加准确地进行海冰数值模拟和预测.参考文献【1OmstcdtAandWtlaufer 】SIce7owthandoceanicheatflux:ModelsandMeasurementsJjGphys.Rcs1992,97(C6)938393902】McpheeMG,MaykutGAandMotisonJHDynamicsandthem:ody
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18、rritories,CanadaJJMarineS.vstera,199I】,2l32633oshcrgerEGBottomablationandheattransfercoefhcientsfzam 小.1983 帕 lz 舯eErper/mntJ】.曲.Res,1987,92(C7】?70I2 70l67Shi:asawaIngrmnGRandHudJcrEJJOceanicatfluxundethin5iceinSm-oma.kolagoon,|dc 帆 J-JIMarineSystem,】997,Il9】99OmeslcdtAandSvenssonUOnmemelt,afeofdrJf
19、t/n8hdfrombclJColdR 智on$Scierm,wl 呻 IoI992,21,9l100toHarveyLDDTestingalternativepatamclefialicasofhtmlmeltingandupwardbasalheatfluxina 咖曩 Tn 州慷 m 湖icemodelJJGeophysRes,1990,95(C5):73597365】I程斌维海冰热力模巍曲守恒型差分格式和数值模拟J海洋通报,1996,t5(4):815I 二函畦_-|ii 强 .1 期季顺迎等:渤海冰水间的热传递系数 15作者简介:季顺迎(1972 一),男,博士生.主要研究方向为海冰
20、数值模拟及其工程应用嶷表论文 lO 余篇.HeatTramferCoefficientBetweenIceCoverandWaterintheBohaiSea.11Shunying,YUEQianjinandB1Xiangjun(StateKey 咖ofSmealralAnalysisforIndus1EquipmenDedianUniversityofTechnoloIDDalianI16023,Liaoning,China)AbstractThecalculativemethodofheattransfercoe 衔 cientbetweenicecoverandwaterisanalyzedconsideringtheheatbalanteaticebottomfirstly.Theheattransfercoefficientiscalculatedwiththemeteorological,oceanographicdataandseaicecondifonsmeasuredonthe
