2021—2022年冬季遼東灣海冰冰情動態(tài)和模擬研究

馬龍，宋革，邴磊，徐進，曹亮，趙志強，王麗娜

（廣東海洋大學船舶與海運學院，廣東 湛江 524088；2.煙臺海事局，山東 煙臺 264000；3.大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

遼東灣是我國海冰災害最為嚴重的水域，每年冬季12月至翌年3月都會有不同程度的結冰現(xiàn)象[1,2]，給該水域船舶航行、石油勘探、水產養(yǎng)殖等生產活動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。目前國內相關標準中沒有將海冰厚度列為調查要素，海冰面積預測一直是研究的重點。溫度被認為是影響海冰發(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]與海冰面積的相關性都作了探討。研究表明利用一個函數關系對整個冰期進行建模，溫度和海冰面積難以有很好的相關性，同樣利用一個函數關系也難以對整個渤海海冰的發(fā)展進行有效模擬[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性，模擬建立冰情要素和溫度的模擬預測關系。

1 冰情和氣溫時間序列構建

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候為發(fā)展期（初冰日-1月24日），14 候-26 候為融冰期（1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℃。氣溫時間序列的建立與候對應，分別為候氣溫、候積溫（從溫度穩(wěn)定低于-2℃至冰期結束）、發(fā)展期累積凍冰度日（從溫度穩(wěn)定低于-2℃至發(fā)展期結束）和融冰期累積融冰度日（從融冰期至冰期結束）。

圖1顯示海冰面積和冰緣線離岸距離時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)擴大，15 候第一次達到極大值；其后遼東灣明顯升溫，后續(xù)出現(xiàn)強冷空氣，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，表明可能利用融冰期的候氣溫對同期冰情進行模擬。

圖1 候氣溫與海冰冰情

根據圖2，候積溫趨勢表現(xiàn)為發(fā)展期線性增加，進入融冰期增幅平緩。結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性。

圖2 候積溫與海冰冰情

實際上，累積凍/融冰度日和候積溫都是進行了溫度累加，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系與候積溫和冰情相關性方面表現(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關系。結果表明，發(fā)展期，采用指數函數的積溫、累積凍冰度日與海冰面積和冰緣線離岸距離相關性最高（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，采用指數函數都候氣溫與海冰面積和冰緣線離岸距離相關性最高（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））。

根據模擬結果，發(fā)展期積溫和累積冰凍度日能夠較好地擬合海冰面積變化。龐海洋等[14]對渤海海冰時空變化研究中指出，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擬合海冰面積變化；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性。

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

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關系，有關結論得到前人研究的支持。同時，對于冰情模擬獲得了一些新的認識。根據模擬結果，對于發(fā)展期冰情的模擬采用指數函數效果更好；此外，研究獲得了遼東灣冰緣線離岸距離和溫度參數的函數關系，這對于未來渤海海冰研究提供了一個新路線。需要說明的是，受限于數據和研究區(qū)，本研究的函數關系和相關結論適用于遼東灣的偏輕冰年。

3 結論

研究關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，利用氣溫觀測預測航道的海冰影響?？偟膩碚f，關于渤海水域冬季海冰的模擬預測，很難用單一公式模擬整個冰期的冰情；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，也會造成模擬結果不準確。因此，未來應針對不同冰情年份，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測函數。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低值和一個高值，對于這種情況的模擬預測是比較困難的，只能針對性地根據當前氣象資料實況進行短期判斷和預測。