遼東灣紅沿河附近海域2017—2018年冬季氣溫-水溫-冰情關系研究

馬玉賢， 王 玉， 於 凡， 許 寧， 袁 帥， 史文奇

（1.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266000；3.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518049）

0 引言

紅沿河核電站是東北地區投資最大的核電能源項目，坐落于遼東灣東岸紅沿河鎮，對優化東北電網能源結構具有重要意義。為最大限度節約能源，該電站采用海水直冷系統。鑒于遼東灣東岸的水文特征，電站取水口在冬季直接暴露在海冰與低溫的覆蓋之下。在海冰與低溫條件的共同作用下，核電取水口每年冬季都存在冰塊堵塞與取水系統凍結影響取水效率的風險。其中，遼東灣冰情嚴重程度是冰塊堵塞的重要原因，而低溫引起水溫降低對關鍵位置凍結產生重要影響。鑒于這一背景，基于氣溫與水溫關系研究的海冰冰情評價，對紅沿河核電運營管理具有重要實際意義。

表征冰情嚴重程度的參數包括浮冰范圍與冰厚。受連續數據獲取方式的限制，當前研究大多基于海冰浮冰范圍進行［1-5］，以海冰厚度為對象的研究較少。然而，浮冰范圍僅能在宏觀尺度上對冰情嚴重程度進行評價，無法通過內部狀態評估海冰生消過程。為深入了解氣溫、水溫對海冰冰情的影響機理，有必要對海冰的熱力過程進行探討。海冰熱力學生消過程中，海冰能量平衡主要受氣-冰熱通量、冰-水熱通量以及光通量影響。相比氣-冰熱通量與光通量，冰-水相互作用引起的熱通量表現出更強的區域差別。早期海冰模式中，海洋熱通量一般給定為常數［6-7］。隨著研究的深入，大量觀測數據顯示海洋熱通量隨海區與季節的不同而不同。為明確冰底海洋熱通量的變化規律，國內外研究人員開展了大量工作，但主要針對南北極地區。渤海海域海冰表現出大面積固定海冰偏少、多為冰水混合區的特點，導致渤海海域冰底熱通量表現出獨有的特性。季順迎等［8］基于能量平衡剩余法對遼東灣冰底熱通量進行了整冰期的評價，發現其值在初冰期最大，然后隨時間逐漸減小，并在融冰期接近于0；劉欽政等［9］設計了簡化的冰-海洋熱力耦合方案發現能夠較好地反映冰-海洋熱力相互作用；蘇潔等［10］采用塊體積法，通過多次數值試驗，取熱輸送系數為2.2×10-5進行海洋熱通量計算。由于觀測數據不完善，目前渤海海域浮冰冰底熱通量的評價缺乏有效數據支撐，致使水溫對冰情的影響研究一直未能有效開展。

一般而言，冰底熱通量的評價方法有渦動法、剩余能量法、塊體積法。本文使用冰底混合區外水溫，結合塊體積法進行觀測海域冰底熱通量評估。受觀測手段限制，冬季遼東灣海域連續水溫觀測數據缺失嚴重，致使塊體積法評估冰底熱通量缺乏數據支撐。鑒于以上背景，以水溫與氣溫的相關關系為基礎，使用氣溫進行水溫評估，并進行冰底熱通量評估成為可行的手段。對于水溫與氣溫關系，當前研究主要有四種方法，包括完整熱平流-彌散傳輸模型［11］、表面熱交換過程的平衡溫度分析［12］、溫度變化的周期性分析［13］以及氣溫-水溫的線性回歸分析［11］。國內外研究人員對氣溫與水溫的相關性進行了大量研究，發現海水溫度隨氣溫變化存在明顯相關性［14-18］。Cho等［19］用日本三河灣氣溫、水溫數據，通過調和分析手段，對內陸河流進行水-氣溫度關系分析，發現河流溫度與空氣溫度在高于0℃具有很強的線性相關性。雖然相關研究已開展近40年，但冬季遼東灣紅沿河海域的氣溫、水溫關系尚未有效開展。

為明確紅沿河海域氣溫-水溫關系，并給出對冰情變化的影響。本文基于2017—2018年度冬季紅沿河附近海域海水溫度、氣溫、冰情（冰厚、冰量）數據，結合遼東灣海冰覆蓋面積數據，以相關性分析與一維高分辨率熱力學模式HIGHTSI計算為手段，對氣溫、水溫、冰情之間的關系進行了探討。上述結論可為核電冷源取水安全預警與冰情評估提供有益參考。

1 數據來源

為保障遼東灣東岸重點工程的運營安全，每年冬季都會在紅沿河附近海域進行全冰期海冰現場觀測（圖1），觀測內容包括氣象要素（氣溫、風、云量等）、海洋水文要素（表層水溫、水位、海況等）、海冰要素（冰量、厚度、密集度）。其中，表層水溫（水下0.5 m）采集點布置在核電站取水口導流堤（取水涵洞粗格柵上部）、排水口導流堤以及核電站以北15 km的江石底港，采集位置水深均大于10 m，水溫測量儀器為水溫表，測量范圍為-10～20℃，測量精度為±0.1℃；氣象數據采集點布置于海面上方6 m處，測量儀器為直讀氣象站，云量系數依照海濱規范目測（最大值為1）；海冰數據觀測點布置于取水口上方，觀測方法依規海濱觀測規范目測。其中，浮冰冰量為可視范圍內海面浮冰所占可視總面積的成數（當能見范圍內海面全部被浮冰覆蓋時為10成）；浮冰冰厚以目測法（以冰型判斷冰厚）與近岸冰厚測量進行判斷，觀測時主要記錄目視范圍內一般冰厚、最大冰厚。數據采集時間為2018年1月5日至2018年3月14日，每日記錄時間為08：00與14：00（北京時間，下同）。

圖1 遼東灣紅沿河海冰觀測點Fig.1 Location of the sea ice observatory

為明確紅沿河氣溫與遼東灣整體冰情關系，本文基于紅沿河附近觀測數據，結合遼東灣整體浮冰范圍數據，進行海冰冰情嚴重程度評價。遼東灣浮冰范圍數據由國家衛星海洋應用中心利用衛星遙感技術對渤海海域進行業務化監測與反演獲得。為準確評估海冰面積變化，本文將冰情參數進行歸一化處理，用遼東灣海冰覆蓋面積與遼東灣海域總面積的比值作為表征浮冰范圍的參數。

2 觀測結果與數據分析

2.1 氣溫-水溫-浮冰范圍變化特征

水溫數據分析前，需要明確核電站排水口的溫水排放是否對取水口水溫存在影響。基于這一背景，首先對取水口、排水口、江石底海域水溫數據進行評價。江石底海域距離排水口較遠，認為水溫不受溫排水影響。比對結果顯示，取水口水溫遠低于排水口海域，整體與江石底水溫相當，但有高水溫奇異點出現。考慮到取水口觀測數據的連續性（取水口每日2次，江石底為間歇性觀測），且氣象觀測處于取水口上方，本文近似認為溫排水對取水口水溫不造成影響。圖2為2017—2018年冬季觀測期間取水口海域每日08：00、14：00氣溫、水溫時間變化序列圖。觀測期間，氣溫極高值為2.8℃（1月19日14：00），極低值為-16.6℃（1月24日08：00）；水溫的極高值為1.2℃（1月18日14：00），極低值為-1.4℃（水溫冰點）。8時水溫高于氣溫共有57天，水溫低于氣溫共12天。可見，取水口水體溫度在08：00大多高于其上方的空氣溫度。

圖2 水溫-氣溫隨時間變化序列Fig.2 The curves of air temperature and water temperature

對于氣溫與水溫的關系，分析圖2可以發現氣溫、水溫變化趨勢基本一致，即1月上旬波動下降、1月下旬到2月上旬維持較低水平、2月下旬波動升高。1月18—23日，觀測海域受強冷空氣影響，氣溫由1.4℃降至-12.6℃，水溫由1.2℃降至-1.4℃（部分數據見表1）；3月8—13日，氣溫由-6.4℃升至16.2℃，水溫由-1.2℃升至1.0℃。一般而言，渤海海域海冰冰情依據其演變過程分為初冰期、盛冰期與融冰期。初冰期是海冰形成和發展的時期，盛冰期是一年中冰情最嚴重的時期，融冰期是盛冰期之后海冰融化所對應的時期。針對氣溫、水溫的波動走勢，本文選擇三個情景進行氣溫、水溫相關性分析，包括整個冰期（初冰日到終冰日）、初冰期（圖2中①，1月18—23日）與融冰期（圖2中②，3月8—13日），相關系數分別為0.425（整冰期）、0.940（初冰期）、0.864（融冰期），上述結果在5%水平上顯著。顯然，在初冰期（強冷空氣）與融冰期（強回溫），氣溫與水溫存在著明顯的正相關性。

表1 1月19—22日氣溫、水溫數據Table 1 the value of air temperature and water temperature for January 19—22

遼東灣浮冰范圍與氣溫關系評估，大多依據環遼東灣周邊的氣象站點觀測數據進行。由圖1地理位置可知，環遼東灣氣象站點直線距離較短，且該區域冬季氣溫多由北向冷空氣控制，各站點氣溫數據存在明顯相關性。同時，為了明確本地氣溫與遼東灣浮冰覆蓋范圍的關系，本文認為使用紅沿河氣象觀測數據進行遼東灣浮冰范圍評價是可行的。圖3給出紅沿河氣溫與遼東灣浮冰覆蓋面積（海冰覆蓋面積比遼東灣總面積比值）的序列圖。對上述數據進行相關性分析可以發現，浮冰范圍與氣溫呈負相關關系，負相關系數為-0.557（5%水平上顯著）。為明確氣溫與每天浮冰面積變化量的關系，本文繪制海冰浮冰面積日變化量與氣溫相關關系圖（圖4）。其中，浮冰面積每天變化量進行了歸一化處理。可以發現，隨著氣溫的升降，浮冰面積的每天變化量可以縮小和增大，圖4給出變化量隨氣溫的線性擬合結果。根據圖4，當浮冰面積日增量為0時，對應紅沿河海域氣溫為-5℃。依據這一結論，運用-5℃為臨界溫度建立盛冰期累積負氣溫與浮冰面積的關系圖（圖5）。可以發現隨著負氣溫的累積，遼東灣浮冰面積逐漸增加，且二者表現出明顯的線性相關特征。

圖3 氣溫-浮冰面積變化序列Fig.3 The data of air temperature and ice area

圖4 浮冰面積日變化與氣溫的關系散點圖Fig.4 The relationship between air temperature and daily variation of ice area

圖5 浮冰面積與累積負氣溫關系散點圖Fig.5 The relationship between ice area and Negative accumulated temperature

2.2 紅沿河附近海域水溫與冰情的關系

渤海海域海冰冰情受熱力與動力過程的共同影響。熱力因素包括氣溫、水溫、太陽輻射等，影響海冰垂向的生長與消融；動力因素包括空氣動力與水動力，影響海冰輸運、堆積等過程。基于這一基礎，當前渤海冰情等級評價主要依據浮冰厚度與浮冰范圍決定。對于紅沿河附近海域冰情，初冰期時，由于近岸水深淺、熱容量低的緣故，附近海域冰情主要受本地生成海冰影響；盛冰期時，本地海冰生長與北部海區浮冰輸運共同影響附近海域冰情；融冰期時，除平整冰的消融過程外，還包括周邊海灣固定冰（盛冰期時北風將海冰固定于近岸海灣內）在高潮位與動力作用下輸運至觀測海域的消融過程，這也導致融冰期觀測海域海冰冰情受堆積冰影響。融冰期時雖然海冰厚度比平整冰大，但這一時段海面浮冰密集度偏下，對涉海經濟活動影響較小。總之，熱力過程對觀測海域初冰期、盛冰期的冰情的嚴重程度起到控制作用。由于現場海冰冰厚與冰量觀測主要針對可視范圍內的平整冰，本文認為垂向熱力學過程的模擬與現場海冰冰情觀測數據（海冰冰量、海冰冰厚）具有一致性，觀測數據可以為數值計算結果提供評價依據。鑒于上述背景，本文以一維高分辨率熱力學模式HIGHTSI為手段，進行水溫與冰情關系研究。

海冰熱力學生消過程中，海冰能量平衡主要受氣-冰熱通量、冰-水熱通量以及光通量影響。相比氣-冰熱通量與光通量，冰-水相互作用引起的冰底海洋熱通量表現出更強的區域差別。同時，無論是大尺度的氣候模式還是小尺度海冰熱力學模式，冰-水相互作用所控制的冰底海洋熱通量都是關鍵參數。海洋熱通量是冰-水間由海洋對流和海洋垂直擴散引起的熱輸送，其量值大小取決于海洋湍流的強弱和冰底與冰下海洋的溫差大小。通常海洋熱通量的確定方法有渦動法、塊體積法、剩余能量法。渦動法需測量冰水界面處的溫度、鹽度等參數，所以當前被廣泛采用的海洋熱通量計算方法主要為塊體積法與能量法。塊體積法最先由Pease于1975年首先提出，他將海洋熱通量同冰下一定深度的海水溫度（Tw）與冰底溫度（一般為冰點Tf）之差建立正比關系［20］，即：Fw=k（Tw－Tf），k的取值在不同研究中差別很大。本論文采用類似于冰-氣、水-氣界面常通量層輸送的塊體積公式來計算冰底熱通量，計算公式為：

式中：ρw和cp分別為海水的密度和定壓比熱容；Ch為冰水界面溫差為1℃時，在一定時間內傳遞的熱量，即冰水間的熱傳遞系數，本文取2.2×10-5［10］；Uwi為海冰和海水的相對流速，以觀測站點附近海域流速與冰速歷史觀測數據［21-22］，本文近似取0.3 m·s-1；Tw和Tm為水溫和冰點，本文取冰點為-1.4℃，水溫取本文測得的水溫。可以發現，式（1）中冰底熱通量與水溫有著一一對應的關系，本文水溫與冰情關系評價可以使用冰底熱通量為中間變量進行。紅沿河附近海域冰底熱通量計算結果見圖6（a）。

為明確水溫取值對海冰生消過程的影響，采用一維高分辨率熱力模式（HIGHTSI）進行模擬計算。模式詳細參數化過程與關鍵參數取值已在文獻中給出［23-24］，模式輸入參數為紅沿河觀測點數據，主要包括氣溫、風速等［圖6（c）、圖6（d）］，本文忽略降雪的影響；太陽短波輻射數據采用參數化方法，云量系數以現場觀測確定［圖6（b）］；冰底熱通量以圖6（a）給出的數據進行；初始冰厚取0.05 m，冰點取-1.4℃，計算步長為1小時。冰厚計算結果見圖7的虛線。

圖6 輸入參數Fig.6 Input date

為了評價模擬結果的可靠性，本文引入現場浮冰冰量與浮冰厚度的觀測數據。浮冰冰量主要表征觀測海域海冰的多少，觀測方法為紅沿河觀測站點能見范圍內浮冰覆蓋面積占能見總面積的份數，其中10成為能見范圍內全部被浮冰覆蓋；海冰厚度代表能見范圍內海冰的一般厚度（能見范圍內分布最多的平整冰厚度），觀測方法為依據冰型反演，這一觀測方法的精度約為±5 cm。顯然，海冰冰量雖然受到動力、熱力因素影響，但可以進行數值模擬結果的海冰演變趨勢評價；海冰厚度觀測結果雖然不是固定海冰的觀測厚度，但在初冰期與盛冰期主要表征能見范圍內單層冰的一般厚度，因此本文認為觀測冰厚數據可以對數值模擬的冰厚生長過程與冰厚最大值進行評價。

基于上述原則，將2月20—27日模擬融冰過程與附近海域冰量數據進行對比后發現，使用現場觀測水溫獲得的冰底熱通量進行熱力學生消模擬更能接近現場觀測結果。將HIGHTSI計算的冰厚結果與浮冰冰量（圖8）觀測數據進行對比，模式很好重現了1月6日、1月12日、1月22日、3月1日開始的海冰增長趨勢，重現了2月1日、2月22日開始的海冰消融趨勢。模式計算冰厚的變化趨勢與觀測海冰冰量變化趨勢有明顯的一致性。將數值模擬冰厚結果與現場觀測冰厚（圖9）進行對比后發現，數值模式可以評價初冰期與盛冰期的冰厚發展，尤其對于單層冰冰厚的最大值；對于融冰期，由于附近海灣內堆積冰輸運的影響，導致冰厚觀測數據明顯大于計算值。可見，一維熱力學高分辨率模式HIGHTSI能有效模擬觀測海域冰期、冰厚的發展過程，同時也證實了塊體積法計算冰底熱通量時冰水間的熱傳遞系數選取2.2×10-5是可行的。

圖8 紅沿河觀測點海冰冰量變化Fig.8 Data on the amount of ice at the observatory

圖9 紅沿河觀測點海冰冰厚變化Fig.9 Ice thickness data from the observatory

為明確水溫對冰情的影響，以上述方法進行水溫敏感性分析。本文塊體積法計算冰底熱通量時將流速取為定值，水溫與冰底熱通量在數值上呈現一一對應關系。因此，敏感性分析要素可以以冰底熱通量進行，即冰底熱通量分別選取2、5、10、15、20、25、30 W·m-2（對應水溫-1.2、-0.8、-0.3、0.3、0.9、1.4、2.0℃）進行海冰生消過程模擬，生消計算結果見圖7實線結果。分析結果可以發現，本文冰底熱通量參數化方案計算結果處于冰底熱通量為2～5 W·m-2之間，水溫變化主要對最大冰厚與冰期產生影響，對小冰厚影響較小。這是因為海冰較薄時冰底熱通量相對其他參數較小，雖然此時冰底熱通量較大，但仍為次要因素。

圖7 不同冰底熱通量的海冰生消過程Fig.7 The process of sea ice production and dissipation of different heat flux

2.3 氣溫-水溫關系對冰情的影響

海水溫度與氣溫存在明顯正相關，海水溫度變化對冰情存在直接影響。由于遼東灣冬季有冰海域連續海水溫度觀測數據的缺失，致使冰底熱通量的選取缺乏數據支撐，導致遼東灣海域海水溫度對冰情影響研究一直未能有效開展。為明確冬季有冰海域水溫的變化規律，依據氣溫與水溫的相關關系，建立氣溫-水溫關系散點圖（圖10）。由于水溫受水動力、溫排水等眾多因素影響，水溫數據變化存在隨機性，分析時忽略個別奇異點。

顯然，水溫隨著氣溫的升高逐漸升高。在不同的氣溫區間，水溫表現出不同的變化規律：

（1）當氣溫小于-10℃時，除個別奇異點，海水溫度基本維持在冰點（-1.4℃），結合圖2氣溫與水溫數據，定義對應氣溫區間為促進海冰生長的結冰區（圖10中區域①）；

（2）當氣溫在-10～-5℃時，水溫分布于-1.4～-0.4℃，由圖2氣溫與水溫序列數據可以發現，這一區間水溫對應的氣溫基本發生于初冰期末端（盛冰期前），或發生于融冰期早期（盛冰期后）。因此，定義該氣溫區間為既可能促進海冰生成，又可能促進海冰融化的過渡區（圖10中區域②）；

（3）當氣溫高于-5℃時，對應海水溫度均高于該海域海水冰點，且水溫隨氣溫升高逐漸升高，氣溫達到5℃時水溫已基本處于0℃以上。分析氣溫-水溫序列，該區間對應的氣溫基本發生于融冰期。基于此，定義該區間為促進海冰融化的融冰區（圖10中區域③）。

為評估遼東灣其他有冰海域冰底熱通量，可以將本文氣溫-水溫分區與包絡線方程引入冰底熱通量參數化過程。針對不同評估需求，可以依據水溫分區進行不同冰期的冰底熱通量選取，也可以依據包絡線函數與塊體積法給出連續冰底熱通量變化。對于水溫分區進行的冰底熱通量評估：當氣溫在結冰區時（小于-10℃），水溫基本維持冰點，冰底熱通量取0；當氣溫在過渡區時（氣溫處于-10～-5℃），平均水溫為-0.9℃，冰底熱通量取4.4 W·m-2；當氣溫在融冰區時（氣溫高于-5℃），平均氣溫為0.2℃，冰底熱通量取14.1 W·m-2。本文依據氣溫-水溫關系的冰底熱通量估算，可為遼東灣其他有冰海域的冰情評估提供數據基礎。

3 結論

本文基于2017—2018年度冬季紅沿河附近海域海水溫度、氣溫、冰情（冰厚、冰量）數據，結合遼東灣海冰覆蓋面積數據，對氣溫、水溫、冰情之間的關系進行研究，得到以下結論：

（1）水溫與氣溫變化具有明顯的相關性，整個冬季相關系數為0.425；初冰期氣溫、水溫相關系數為0.940；融冰期氣溫、水溫相關系數為0.864；遼東灣浮冰面積與氣溫、水溫存在明顯負相關關系，浮冰面積與氣溫負相關系數為-0.557；運用-5℃臨界結冰溫度建立累積負氣溫與浮冰面積的關系圖，發現隨著負氣溫的累積遼東灣浮冰面積逐漸增加，且二者表現出明顯的線性相關。

（2）結合實測水溫與塊體積法獲得的冰底熱通量處于2～5 W·m-2之間，冰底熱通量變化主要對最大冰厚與冰期產生影響，對小冰厚影響較小。

（3）使用一維高分辨率熱力學模式HIGHTSI進行紅沿河附近海域初冰期（初冰日）、盛冰期的模擬是可行的，模式可以有效模擬觀測海域冰厚的生長與發展；不足的是，在融冰期，受觀測點附近海灣內固定冰與動力因素影響，堆積冰輸運至觀測海域導致觀測結果明顯大于計算結果；上述結論證實塊體積法與水溫計算冰底熱通量時，冰水間熱傳遞系數選取2.2×10-5是可行的。

（4）分析水溫-氣溫散點圖發現，氣溫變化對水溫影響具有明顯區域性。當氣溫小于-10℃時，海水溫度處于結冰區，水溫基本維持在冰點（-1.4℃）；當氣溫在-10～-5℃時，海水溫度處于過渡區，水溫分布在-1.4～-0.4℃區間內；當氣溫高于-5℃時海水溫度對應融冰區，水溫隨氣溫的升高逐漸升高。

（5）將氣溫-水溫分區引入冰底熱通量參數化過程。對于水溫分區進行的冰底熱通量評估：當氣溫在結冰區時，水溫基本維持冰點，冰底熱通量取0；當氣溫在過渡區時，平均水溫為-0.9℃，冰底熱通量取4.4 W·m-2；當氣溫在融冰區時，平均氣溫為0.2℃，冰底熱通量取14.1 W·m-2。

本文提出的氣溫-水溫-冰情關系的研究結果與研究方法，同樣適用于遼東灣其他海域的冰底熱通量參數選取和冰情評估。目前該方法主要考慮到作為海冰增長厚度主控因素的海冰熱力誘因，下一步將結合最新開展的紅沿河周邊海域氣-冰-水現場同步觀測數據，重點建立包含動力因素的冰情預測方法，為臨近海域的冬季涉海活動安全保障提供技術支撐。

致謝：感謝芬蘭氣象研究所程斌研究員在模式使用過程中的幫助。