2021—2022年冬季遼東灣海冰冰情動(dòng)態(tài)和模擬研究

馬龍，宋革，邴磊，徐進(jìn)，曹亮，趙志強(qiáng)，王麗娜

（廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.煙臺(tái)海事局，山東 煙臺(tái) 264000；3.大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

遼東灣是我國海冰災(zāi)害最為嚴(yán)重的水域，每年冬季12月至翌年3月都會(huì)有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象[1,2]，給該水域船舶航行、石油勘探、水產(chǎn)養(yǎng)殖等生產(chǎn)活動(dòng)帶來不同程度的影響[3,4]，因此，有必要開展遼東灣海冰冰情動(dòng)態(tài)和模擬研究。

渤海海冰研究主要涉及海冰面積、冰緣線離岸距離[5]、海冰厚度[6–8]和冰情等級(jí)。目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有將海冰厚度列為調(diào)查要素，海冰面積預(yù)測一直是研究的重點(diǎn)。溫度被認(rèn)為是影響海冰發(fā)展的重要因素，對日平均溫度[9]、多日平均溫度[10,1]、積溫[11,12]和累積凍冰度日[13]與海冰面積的相關(guān)性都作了探討。研究表明利用一個(gè)函數(shù)關(guān)系對整個(gè)冰期進(jìn)行建模，溫度和海冰面積難以有很好的相關(guān)性，同樣利用一個(gè)函數(shù)關(guān)系也難以對整個(gè)渤海海冰的發(fā)展進(jìn)行有效模擬[11]。

研究以2021-2022年度遼東灣冬季海冰為研究對象，以海冰面積和冰緣線離岸距離作為冰情要素，將冰期分為發(fā)展期和融冰期，分析氣溫、積溫、累積凍/融冰度日與冰情要素的相關(guān)性，模擬建立冰情要素和溫度的模擬預(yù)測關(guān)系。

1 冰情和氣溫時(shí)間序列構(gòu)建

衛(wèi)星觀測表明2021-2022年遼東灣初冰日為2021年12月17日，終冰日為2022年3月4日，冰期78 天，受云的影響，13 天沒有海冰觀測信息。參考李彥青等的工作[5]，引入候的概念，以三天為一候，整個(gè)冰期共有26 候。對于發(fā)展期和融冰期的劃分；參考孫靜琪等的工作[3]，確定1候-13候?yàn)榘l(fā)展期（初冰日-1月24日），14 候-26 候?yàn)槿诒冢?月25日-終冰日）；營口氣象站氣溫記錄顯示自2021年12月17日起氣溫穩(wěn)定低于-2℃。氣溫時(shí)間序列的建立與候?qū)?yīng)，分別為候氣溫、候積溫（從溫度穩(wěn)定低于-2℃至冰期結(jié)束）、發(fā)展期累積凍冰度日（從溫度穩(wěn)定低于-2℃至發(fā)展期結(jié)束）和融冰期累積融冰度日（從融冰期至冰期結(jié)束）。

圖1顯示海冰面積和冰緣線離岸距離時(shí)間序列具有一致的消長趨勢。海冰發(fā)展期，海冰面積和冰緣線離岸距離持續(xù)擴(kuò)大，15 候第一次達(dá)到極大值；其后遼東灣明顯升溫，后續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)冷空氣，海冰面積和冰緣線離岸距離在19 候出現(xiàn)一次極低值，21 候出現(xiàn)冬季海冰面積最大值。在融冰期19 候的氣溫低值和21 候的氣溫高值與同期冰情的極值有較好地對應(yīng)，表明可能利用融冰期的候氣溫對同期冰情進(jìn)行模擬。

圖1 候氣溫與海冰冰情

根據(jù)圖2，候積溫趨勢表現(xiàn)為發(fā)展期線性增加，進(jìn)入融冰期增幅平緩。結(jié)合疊加的冰情變化曲線，表明發(fā)展期的候積溫與冰情變化有較好的相關(guān)性；融冰期由于出現(xiàn)氣溫增高造成冰情呈雙峰特征，降低了融冰期候積溫與冰情的相關(guān)性。

圖2 候積溫與海冰冰情

實(shí)際上，累積凍/融冰度日和候積溫都是進(jìn)行了溫度累加，所以發(fā)展期累積凍冰度日、融冰期累積融冰度日與海冰冰情的關(guān)系與候積溫和冰情相關(guān)性方面表現(xiàn)類似，文中不再增加圖形說明。

2 冰情模擬

目前關(guān)于冰情發(fā)展的模擬主要是針對海冰面積，本研究將冰緣線離岸距離也列入模擬對象，分別針對海冰發(fā)展期和融冰期探討冰情要素與溫度要素的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明，發(fā)展期，采用指數(shù)函數(shù)的積溫、累積凍冰度日與海冰面積和冰緣線離岸距離相關(guān)性最高（候積溫/海冰面積：y = 625.25e-0.01x（0.8762）；累積凍冰度日/海冰面積：y = 672.03e0.0125x（0.8772）；候積溫/冰緣線離岸距離：y = 10.248e-0.005x（0.8463）；累積凍冰度日/ 冰緣線離岸距：y = 10.672e0.0066x（0.8463））。融冰期，采用指數(shù)函數(shù)都候氣溫與海冰面積和冰緣線離岸距離相關(guān)性最高（候氣溫/海冰面積：y = -782.71x+3109.8（0.6707）；候氣溫/冰緣線離岸距離：y = -4.1259x+16.26（0.8001））。

根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)展期積溫和累積冰凍度日能夠較好地?cái)M合海冰面積變化。龐海洋等[14]對渤海海冰時(shí)空變化研究中指出，海冰發(fā)展面積與積溫在初冰期至盛冰期階段吻合度較高；同樣，蘇華[13]也指出海冰面積與累積凍冰度日變化趨勢一致，融冰期候氣溫能夠較好地?cái)M合海冰面積變化；左濤等[1]同樣指出融冰期氣溫與海冰日面積具有更好的相關(guān)性。

同樣地，發(fā)展期積溫和累積冰凍度日能夠較好地?cái)M合冰緣線離岸距離變化，融冰期候氣溫能夠較好地?cái)M合冰緣線離岸距離。

2021—2022，研究獲得發(fā)展期、融冰期的海冰面積和冰緣線離岸距離與溫度的函數(shù)關(guān)系，有關(guān)結(jié)論得到前人研究的支持。同時(shí)，對于冰情模擬獲得了一些新的認(rèn)識(shí)。根據(jù)模擬結(jié)果，對于發(fā)展期冰情的模擬采用指數(shù)函數(shù)效果更好；此外，研究獲得了遼東灣冰緣線離岸距離和溫度參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，這對于未來渤海海冰研究提供了一個(gè)新路線。需要說明的是，受限于數(shù)據(jù)和研究區(qū)，本研究的函數(shù)關(guān)系和相關(guān)結(jié)論適用于遼東灣的偏輕冰年。

3 結(jié)論

研究關(guān)于冰緣線離岸距離的分析和模擬，對于冬季渤海水域的船舶航行安全具有重要意義，未來可以針對港口航道，利用氣溫觀測預(yù)測航道的海冰影響。總的來說，關(guān)于渤海水域冬季海冰的模擬預(yù)測，很難用單一公式模擬整個(gè)冰期的冰情；由于遼東灣、渤海灣和萊州灣的地理環(huán)境條件的差異，也很難用單一公式模擬整個(gè)渤海的冰情；再者，由于每年氣象條件不同，冰情發(fā)展也不同，用單一公式模擬不同冰情年份，也會(huì)造成模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，未來應(yīng)針對不同冰情年份，分別為遼東灣、渤海灣和萊州灣，建立發(fā)展期和融冰期的海冰模擬預(yù)測函數(shù)。此外，也注意到本研究的融冰期，由于氣溫的升高和降溫造成了冰情的一個(gè)低值和一個(gè)高值，對于這種情況的模擬預(yù)測是比較困難的，只能針對性地根據(jù)當(dāng)前氣象資料實(shí)況進(jìn)行短期判斷和預(yù)測。