2012—2013年冬季渤海海冰數(shù)值預(yù)報

趙倩，劉煜，唐茂寧，隋俊鵬

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081）

1 引言

我國渤海是一個半封閉的內(nèi)海，每年冬季都有結(jié)冰現(xiàn)象，冰期長達(dá)3—4個月。隨著環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的迅速發(fā)展，渤海海域的油氣開發(fā)、航運、漁業(yè)等活動日趨活躍，結(jié)冰海域陸續(xù)建立了許多石油平臺和港口，海冰給海洋經(jīng)濟(jì)活動和海上及岸邊設(shè)施帶來不同程度的影響。例如1969年冬季，整個渤海幾乎完全被封凍，造成石油平臺倒塌、輪船損毀、航運中斷等嚴(yán)重災(zāi)害[1]；2010年冬季，渤黃海海冰災(zāi)害對沿海地區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響，因災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)63.18億元[2]。

經(jīng)過多年研究，我國海冰數(shù)值預(yù)報技術(shù)不斷發(fā)展[3-6]。目前國家海洋環(huán)境預(yù)報中心已投入業(yè)務(wù)化應(yīng)用的海冰數(shù)值模式有粘-塑性海冰模式、質(zhì)點-網(wǎng)格海冰模式、彈-粘-塑性海冰模式，正在發(fā)展分辨率高、時效長、精度高、產(chǎn)品種類多的海冰數(shù)值預(yù)報技術(shù)。在完成業(yè)務(wù)化海冰數(shù)值預(yù)報工作的同時，根據(jù)海上安全生產(chǎn)作業(yè)的需求，研發(fā)了適用于港口及工程作業(yè)點的小區(qū)域高精度海冰數(shù)值模式。

2 2012—2013年冬季渤海冰情概況

2.1 氣溫概況

2012年12月渤海沿岸整體氣溫較常年明顯偏低，距平為-3.2℃；2013年1月渤海沿岸整體氣溫較常年偏低，距平為-1.2℃；2013年2月渤海沿岸整體氣溫較常年偏低，距平為-1.1℃；2013年3月渤海沿岸整體氣溫較常年偏低，距平為-0.9℃。

2.2 初冰期

2012—2013年冬季初冰日為2012年12月4日，較常年提前。12月6日，衛(wèi)星遙感監(jiān)測到遼東灣首次出現(xiàn)大面積浮冰，海冰范圍10 n mile。自12月7日發(fā)布該年度冬季逐日海冰數(shù)值預(yù)報。12月8日渤海灣初冰，12月9日萊州灣初冰。12月10日，JZ9-3平臺附近海域初冰，較去年初冰日提前5天；JZ20-2平臺附近海域初冰，較去年初冰日提前15天。12月下旬冷空氣活動頻繁，遼東灣冰情發(fā)展迅速，12月23日、26日遼東灣海冰范圍兩次達(dá)到41 n mile。12月遼東灣最大海冰范圍41 n mile是近十年來同期的次高值，略低于2004年12月的43 n mile。

2.3 盛冰期

2013年1月上旬至2月下旬前期，遼東灣海冰維持較大范圍，冰厚較大，是冰情最嚴(yán)重的時期，該年度遼東灣盛冰期長達(dá)52天，較常年偏長。1月16日遼東灣海冰范圍達(dá)到69 n mile，國家海洋預(yù)報臺發(fā)布遼東灣海冰藍(lán)色警報。1月17日，遼東灣海冰范圍62 n mile，萊州灣海冰范圍28 n mile，均達(dá)到藍(lán)色警報標(biāo)準(zhǔn)。1月下旬，渤海冰情維持穩(wěn)定，遼東灣海冰范圍較大，1月22—27日發(fā)布遼東灣海冰藍(lán)色警報。

表1 2012—2013年冬季渤海沿岸各站氣溫距平（單位/℃）

2月7日受強(qiáng)冷空氣影響，遼東灣冰情迅速發(fā)展，海冰范圍達(dá)到77 n mile，較前一日增長20 n mile，國家海洋預(yù)報臺發(fā)布遼東灣海冰黃色警報，啟動海冰災(zāi)害Ⅲ級應(yīng)急響應(yīng)。2月7—22日，遼東灣維持較大海冰范圍，發(fā)布海冰黃色警報16期。2013年2月8日是該年度遼東灣冰情最嚴(yán)重的一天，海冰范圍達(dá)到89 n mile，海冰分布面積23041 km2，最大冰厚45 cm。

2.4 融冰期

2013年1月下旬渤海南部氣溫回升，萊州灣首先進(jìn)入融冰期；2月中旬渤海灣進(jìn)入融冰期。2月23日隨著遼東灣海域氣溫持續(xù)回升，海冰面積有所減小，遼東灣灣底及東岸海域出現(xiàn)大面積水區(qū)，海冰厚度及密集度明顯減小，國家海洋預(yù)報臺將海冰黃色警報降為藍(lán)色，遼東灣進(jìn)入融冰期。2月25日遼東灣灣底及東岸海域的水區(qū)面積進(jìn)一步增大，海冰密集度不足七成，國家海洋預(yù)報臺解除遼東灣海冰藍(lán)色警報。

2月下旬至3月上旬前期，遼東灣維持較大海冰范圍，3月4日之后海冰融化迅速，3月4日—3月6日短短2天遼東灣海冰范圍從40 n mile驟減至19 n mile，3月上旬后期至中旬，伴隨氣溫的穩(wěn)步回升，遼東灣海冰繼續(xù)消融，海冰覆蓋面積大幅縮減，冰厚和冰密集度持續(xù)減小。3月20日整個預(yù)報海域全部終冰。

2.5 冰情特點

通過對渤海海冰增長和消融過程以及各海區(qū)嚴(yán)重冰期冰情的綜合分析，該年度冬季渤海冰情總體上較常年偏重，冰情主要特點如下：

（1）初冰日為2012年12月4日，終冰日為2013年3月20日，冰期長達(dá)106天，較常年偏長。

（2）初冰期冰情發(fā)展速度快、分布范圍廣。12月下旬冷空氣活動頻繁，遼東灣冰情發(fā)展迅速，12月遼東灣最大海冰范圍是近十年來同期的次高值。

（3）遼東灣冰情較常年偏重，渤海灣、萊州灣冰情接近常年。2013年1月上旬至2月下旬前期，遼東灣海冰維持較大范圍，最大冰厚達(dá)到45 cm，是冰情最嚴(yán)重的時期，該年度冬季遼東灣盛冰期長達(dá)52天，較常年偏長。

（4）遼東灣西岸冰情較常年偏重，東岸冰情較常年偏輕。融冰期遼東灣出現(xiàn)局部差異，遼東灣灣底及東岸海域出現(xiàn)大面積的水區(qū)，融化迅速。

2012—2013年冬季遼東灣逐日海冰范圍與近三年對比見圖1，該年度冰情總體上較2010—2011年和2011—2012年（常冰年，3.0級）偏重，較2009—2010年（偏重冰年，4.0級）偏輕。渤海冰情等級與冬季北極濤動指數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖2），2012—2013年冬季，北極濤動指數(shù)維持明顯的負(fù)位相[7]，有利于極地冷空氣南下影響歐亞大陸中高緯地區(qū)；西伯利亞高壓強(qiáng)度呈現(xiàn)前冬強(qiáng)后冬弱的特點，共有10次明顯的冷空氣活動影響我國，較常年同期略偏多[8]；太陽黑子相對數(shù)處于峰值前期[9]；近年來氣候變暖引發(fā)北極海冰大幅消減[10]，造成歐亞大陸極端冷事件頻發(fā)[11]，以上幾點可能是導(dǎo)致該年度冬季渤海冰情較常年偏重的主要因素。

3 海冰數(shù)值預(yù)報結(jié)果與客觀檢驗

3.1 海冰數(shù)值預(yù)報

3.1.1 業(yè)務(wù)化海冰數(shù)值預(yù)報模式簡介

圖1 2012—2013年冬季遼東灣逐日海冰范圍與近三年對比

圖2 渤海冰情等級與冬季北極濤動指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

業(yè)務(wù)化海冰數(shù)值模式采用國家海洋環(huán)境預(yù)報中心根據(jù)海冰熱力學(xué)、動力學(xué)和流變學(xué)原理，結(jié)合渤海的水文、氣象和冰情特點[5]，模擬渤海海冰漂移、堆積、增長和消融等過程。2012—2013年冬季的渤海海冰數(shù)值預(yù)報，首先提取HY-1B和MODIS遙感圖像的海冰信息作為數(shù)值預(yù)報初始場的基礎(chǔ)資料，通過人機(jī)結(jié)合的海冰反演系統(tǒng)，補(bǔ)充海上平臺雷達(dá)監(jiān)測、鲅魚圈和白沙灣雷達(dá)監(jiān)測、海洋站觀測及海洋調(diào)查等資料，通過多源資料同化分析，得到客觀化的冰厚和密集度的數(shù)值初始場。將數(shù)值天氣預(yù)報模式與海冰數(shù)值模式聯(lián)接，由氣象模式提供風(fēng)應(yīng)力、氣溫、濕度、感熱和潛熱通量的預(yù)報場作為海冰模式的強(qiáng)迫場。建立業(yè)務(wù)化渤海海冰數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，數(shù)值產(chǎn)品包括：l—5天的冰厚、冰密集度、冰外緣線和冰速等。模式空間分辨率為6.0′×6.0′，經(jīng)緯度網(wǎng)格，計算范圍為 37.0—41.0°N 和117.5—127.0°E之間的渤海和黃海北部海域。

3.1.2 數(shù)值預(yù)報實例

2012—2013年冬季海冰數(shù)值預(yù)報實例見圖3：a1—a3為2013年2月7日的未來1天、3天、5天的海冰數(shù)值預(yù)報結(jié)果；b1—b3為衛(wèi)星遙感2013年2月8日、10日、12日的渤海海冰實況圖像。數(shù)值預(yù)報海冰范圍、冰厚等要素與海冰實況對比顯示，1—5天數(shù)值預(yù)報結(jié)果與實況符合較好。

3.2 海冰數(shù)值預(yù)報客觀檢驗

3.2.1 客觀檢驗方法

為客觀評價海冰數(shù)值預(yù)報精度，對2012—2013年海冰數(shù)值預(yù)報結(jié)果進(jìn)行客觀檢驗。檢驗結(jié)果為改進(jìn)海冰數(shù)值模式，完善數(shù)值預(yù)報初值系統(tǒng)，提高海冰預(yù)報精度提供科學(xué)依據(jù)。數(shù)值預(yù)報結(jié)果的檢驗內(nèi)容包括冰厚均方根誤差、海冰外緣線平均誤差、冰厚和冰外緣線的預(yù)報保證率。

圖3 2012—2013年冬季渤海海冰數(shù)值預(yù)報實例

表2 2012—2013年冬季1—5天海冰數(shù)值預(yù)報客觀檢驗結(jié)果

表3 2012—2013年冬季JZ9-3和JZ20-2平臺1—5天冰厚預(yù)報平均誤差（單位/cm）

（1）冰厚均方根誤差（RMSE）

式（1）中，N為海冰覆蓋格點總數(shù)，HOij和HFij分別表示冰厚的觀測和預(yù)報值，其中冰厚的觀測值采用的是遼東灣JZ9-3和JZ20-2平臺的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。

（2）海冰外緣線平均誤差（ME）

式（2）中，NE表示冰-水邊界的格點總數(shù)，d為計算格點的面積平方根。

（3）冰厚、冰外緣線預(yù)報保證率GR(η)

式（3）中，F(xiàn)c為預(yù)報誤差標(biāo)準(zhǔn)，其中，冰厚RMSE的Fc=5 cm；冰外緣線ME的Fc=5 n mile（9.3 km），如果預(yù)報誤差小于等于預(yù)報誤差標(biāo)準(zhǔn)，即F≤Fc，即認(rèn)為預(yù)報結(jié)果滿足預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)，于是定義預(yù)報保證率為：

式（4）中，N為預(yù)報個例總數(shù)，即樣本數(shù)。

3.2.2 客觀檢驗結(jié)果

應(yīng)用上述客觀檢驗方法，對2012—2013年冬季海冰數(shù)值預(yù)報結(jié)果進(jìn)行檢驗。不同預(yù)報時效海冰數(shù)值預(yù)報客觀檢驗結(jié)果見表2，JZ9-3和JZ20-2平臺的冰厚預(yù)報檢驗結(jié)果見表3。結(jié)果表明，2012—2013年冬季客觀檢驗3天的冰外緣線預(yù)報誤差小于等于9.3 km和冰厚預(yù)報誤差小于等于5 cm的預(yù)報保證率分別為73.1%和71.0%，滿足海冰業(yè)務(wù)化預(yù)報的精度指標(biāo)；JZ9-3和JZ20-2平臺5天的冰厚預(yù)報誤差分別為3.21 cm和3.35 cm，預(yù)報結(jié)果與現(xiàn)場海冰實況符合較好。

2012—2013年冬季逐日海冰數(shù)值預(yù)報在不同預(yù)報時效的冰厚誤差和冰外緣線誤差見圖4—5。各預(yù)報時效冰外緣線誤差的逐日演變曲線表明，盛冰期的冰外緣線預(yù)報結(jié)果與海冰實況符合較好，預(yù)報誤差較??；初冰期和融冰期尤其是冰情轉(zhuǎn)折期的冰外緣線預(yù)報誤差較大。主要原因是在冰情轉(zhuǎn)折期，海洋、大氣的動力和熱力共同作用下，冰水交界線位置變動頻繁[12]，準(zhǔn)確預(yù)報海冰外緣線存在難度。各預(yù)報時效冰厚誤差的逐日演變曲線表明，冰厚預(yù)報誤差隨著預(yù)報時效的延長而增加，24—72 h冰厚預(yù)報結(jié)果與海冰實況符合較好，預(yù)報誤差較小；96—120 h冰厚預(yù)報誤差較大。

4 小區(qū)域高精度海冰數(shù)值模式

為了進(jìn)一步防止和減輕海冰災(zāi)害，保障冬季渤海海上安全生產(chǎn)，需要精確預(yù)報工程作業(yè)點及鄰近海域的海冰厚度、冰密集度、冰速以及危險冰塊的漂移軌跡。由于中尺度海冰預(yù)報模式分辨率較低，難以滿足其精度要求，當(dāng)前急需開發(fā)適用于港口及工程作業(yè)點的小區(qū)域高精度海冰數(shù)值預(yù)報模型，以滿足海上安全生產(chǎn)作業(yè)的需求。根據(jù)工程作業(yè)點小區(qū)域冰情預(yù)報特點，通過對不同海冰模式的分析比較，確定利用較為成熟的彈-粘-塑性海冰模式[13]對工程作業(yè)點區(qū)域海冰進(jìn)行數(shù)值模擬。該預(yù)報模式主要有以下特點：

圖4 2012—2013年冬季逐日24—120 h冰外緣線預(yù)報誤差（單位/km）

圖5 2012—2013年冬季逐日24—120 h冰厚預(yù)報誤差（單位/cm）

圖6 JZ9-3、JZ20-2平臺附近海域海冰數(shù)值預(yù)報（2013/02/08）

（1）考慮了海冰的彈性作用。因為對于小尺度海冰，彈性效應(yīng)較為明顯，應(yīng)充分考慮海冰在小應(yīng)變和小應(yīng)變率條件下的彈性力學(xué)行為[14]，以提高海冰動力學(xué)的計算精度；

（2）對短時間的變化反映更為迅速和準(zhǔn)確；

（3）分辨率較高，能更為準(zhǔn)確地預(yù)報工程作業(yè)點區(qū)域海冰環(huán)境參數(shù)；

（4）利用嵌套技術(shù)解決小區(qū)域模式開邊界問題；

（5）利用拉格朗日-歐拉方法，建立了二階精度的冰塊漂移路徑模式；

小區(qū)域高精度海冰數(shù)值預(yù)報實例見圖6，模式空間分辨率為0.01?×0.01?，經(jīng)緯度網(wǎng)格，模擬區(qū)域為JZ9-3、JZ20-2平臺附近海域（40.4°—40.9°N，121.2°—121.7°E）。

5 結(jié)語

通過對渤海海冰增長和消融過程以及各海區(qū)嚴(yán)重冰期冰情的綜合分析，2012—2013年冬季冰情總體上較常年偏重。冰情的主要特點是：冰期106天，較常年偏長；初冰期冰情發(fā)展速度快、分布范圍廣；盛冰期遼東灣冰情較常年偏重，維持較大海冰范圍和冰厚；融冰期遼東灣出現(xiàn)局部差異，遼東灣灣底及東岸海域出現(xiàn)大面積水區(qū)，融化迅速；渤海灣、萊州灣冰情接近常年。

該年度冬季自2012年12月7日—2013年3月12日，共發(fā)布逐日渤海海冰數(shù)值預(yù)報96期。1—5天的海冰數(shù)值預(yù)報結(jié)果與海冰實況符合較好，冰厚和冰外緣線的預(yù)報保證率均滿足海冰業(yè)務(wù)化預(yù)報的精度指標(biāo)。

針對海上生產(chǎn)需求研發(fā)的小區(qū)域高精度海冰數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果合理，對工程作業(yè)區(qū)域具有較好的預(yù)報能力，對保障冬季海上生產(chǎn)安全發(fā)揮了積極作用。

通過對預(yù)報產(chǎn)品的客觀檢驗，我們總結(jié)了目前業(yè)務(wù)化運行模式存在的不足和亟需解決的主要問題。如在延長報預(yù)報時效的同時保證預(yù)報準(zhǔn)確率的問題，其關(guān)鍵在于發(fā)展制約著海冰預(yù)報精度的海面氣象要素場（風(fēng)、溫、濕）的精確預(yù)報和應(yīng)用。另外，目前海冰數(shù)值預(yù)報冰厚和密集度初始場主要通過衛(wèi)星遙感反演獲取，由于海洋觀測資料逐年增加，岸站監(jiān)測、平臺監(jiān)測、雷達(dá)監(jiān)測、現(xiàn)場調(diào)查等數(shù)據(jù)越來越豐富，同化技術(shù)的發(fā)展是有效利用多種實測數(shù)據(jù)、提高海冰初始場準(zhǔn)確性的前提。隨著衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)的日益豐富，多源衛(wèi)星海冰數(shù)據(jù)的融合分析也是我們需要解決的問題之一。

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