基于岸基雷達(dá)數(shù)據(jù)的鲅魚圈海域冰情基本特征

袁帥，劉永青，劉雪琴，宋麗娜，許寧，史文奇，王旭，陳偉斌

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心海洋動力室，遼寧大連116023；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

基于岸基雷達(dá)數(shù)據(jù)的鲅魚圈海域冰情基本特征

袁帥1，劉永青1，劉雪琴1，宋麗娜1，許寧1，史文奇1，王旭2，陳偉斌1

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心海洋動力室，遼寧大連116023；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

以2010～2015年的岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，簡要分析了鲅魚圈海域的冰期、冰型和冰厚等冰情基本特征。近年來的海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鲅魚圈海域的冰期明顯偏短，冰期內(nèi)不同階段的冰型變化較明顯，鲅魚圈海域部分時段海冰分布比例變化較大，這主要歸因于該區(qū)域的海冰運(yùn)動。針對目前岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測技術(shù)研發(fā)的主要問題是雷達(dá)像元回波值不穩(wěn)定與海冰實測樣本量匱乏。

冰情特征；岸基雷達(dá)；海冰監(jiān)測

我國的海冰災(zāi)害具有較強(qiáng)的突發(fā)特征，加之冰區(qū)海上經(jīng)濟(jì)社會活動的日益頻繁，海冰對航運(yùn)交通、漁業(yè)生產(chǎn)和海上結(jié)構(gòu)物等都構(gòu)成了較大的危害并造成了不同程度的損失（李志軍等，1991；張方儉等，1994；劉欽政等，2004）。遼東灣作為我國最北的結(jié)冰海域，是我國海冰之發(fā)源地（唐茂寧等，2015），當(dāng)冰情嚴(yán)重時，海冰可以封鎖沿岸港口、海灣和航道，困住或阻擋進(jìn)出港的船舶，使正常的港口作業(yè)停頓，海上交運(yùn)中斷（季順迎等，2016）。

目前，我國的海冰災(zāi)害監(jiān)測能力依然薄弱，缺乏先進(jìn)的海冰監(jiān)測手段，海冰監(jiān)測技術(shù)相對落后，主要還是依靠岸邊海洋觀測站、少量的海洋調(diào)查船、海監(jiān)飛機(jī)和光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，而光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受云霧天氣影響嚴(yán)重，無法全天候監(jiān)測（江崇波等，2013；羅亞威等，2005），而且海冰衛(wèi)星遙感中，根據(jù)海冰的表面特征判斷其厚度的方法正處于研究階段（劉成玉等，2013；譚繼強(qiáng)等，2014）。目前商用SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)大多依賴國外衛(wèi)星，價格昂貴，監(jiān)測成本高，在我國現(xiàn)有條件下開展了一些星載SAR遙感等冰厚反演方法研究（張晰，2011），但現(xiàn)階段渤海海冰衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要以光學(xué)衛(wèi)星遙感反演為主，SAR衛(wèi)星一般用于特殊氣象條件下的輔助監(jiān)測（張娜等，2014；朱海天等，2011）。區(qū)別于極區(qū)固定冰，渤海海冰具有流動性強(qiáng)、厚度小的特點，不宜在冰面上進(jìn)行接觸式測量（季順迎等，2011），岸基雷達(dá)的非接觸式海冰監(jiān)測在這方面具有一定的優(yōu)勢。Brown（1977）提出了雷達(dá)對粗糙表面的反演及其應(yīng)用，這是根據(jù)海冰表面形態(tài)來進(jìn)行雷達(dá)海冰分類研究的基本出發(fā)點。孫延維等（1992）提出的岸基雷達(dá)海冰分類研究方法是國內(nèi)海冰厚度研究的先例，該研究認(rèn)為冰表面粗糙度、冰厚以及海況是影響海冰散射的主要因素，并以海冰雷達(dá)散射系數(shù)為依據(jù)，對海冰進(jìn)行了分類，在此基礎(chǔ)上給出了對應(yīng)海冰類型的厚度值。本文在上述方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合鲅魚圈多年的岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)和實測海冰樣本，提出了利用不同距離特定冰型樣本回波歸一化值來提取冰厚的方法，獲取了鲅魚圈附近海域的冰情信息并簡要分析了該區(qū)域近年來的冰情基本特征。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源：本文的數(shù)據(jù)來源主要是鲅魚圈岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括岸基雷達(dá)圖像反演冰情信息和人工海冰監(jiān)測信息。岸基雷達(dá)圖像反演冰情信息，主要是根據(jù)浮冰表面粗糙程度與灰度值的基本關(guān)系進(jìn)行的冰型提取信息（Shuai Yuan et al，2015）；人工海冰監(jiān)測信息，主要是對岸邊的固定冰進(jìn)行的人工觀測和近岸浮冰的人工比對觀測。

數(shù)據(jù)處理：在特定冰型上釋放多個定位跟蹤器，跟蹤器定時返回該冰型的定位坐標(biāo)，通過該定位信息在岸基雷達(dá)圖像上的位置變化來獲取其在特定距離上的回波灰度值，將岸基雷達(dá)回波灰度值歸一化處理后即可得出該冰型在不同波段下的變化情況，根據(jù)該回波灰度值（P）提取不同距離上的冰型，進(jìn)而獲取海冰厚度值。歸一化處理過程為：式（1）中，Pi為岸基雷達(dá)像元灰度值，Pmax為灰度極值，取1 024，P為歸一化后的灰度值。

時間長度：數(shù)據(jù)的時間長度為5個冬季，即2010-2011年、2011-2012年、2012-2013年、2013-2014年和2014-2015年冬季的岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)。岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測的基本區(qū)域如圖1所示。

圖1 岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測區(qū)域示意圖

2 冰情基本特征

以2010～2015年岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場人工觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，鲅魚圈海域冰情的基本特征主要體現(xiàn)在冰期、冰型、冰量與密集度、冰厚等方面。

2.1 冰期

鲅魚圈位于遼東灣東北部，距離灣頂約12海里，其冰期長度（初冰日至終冰日）一般比遼東灣的冰期長度略短。遼東灣的冰期長度一般為105～130 d（丁德文等，1999），本文暫取112 d為遼東灣多年來的平均冰期長度，近年來鲅魚圈海域的冰期長度變化見表1。

近5年來，鲅魚圈海域2011-2012年冬季的冰期時間最長，為96 d，該年度的冰情等級為3（常冰年）。2014-2015年冬季的冰期時間最短，為74 d，該年度的冰情等級為1.0（輕冰年）。2011-2012年冬季以來，鲅魚圈海域的冰期有逐年縮短的趨勢，即使是冰期最長的年份，其冰期長度仍然比遼東灣多年來的平均冰期長度短了約半個月。

2.2 冰型

浮冰的冰型主要有初生冰（N）、冰皮（R）、尼羅冰（Ni）、蓮葉冰（P）、灰冰（G）、灰白冰（Gw）和白冰（W）。將鲅魚圈海域近幾年的海冰監(jiān)測分為初冰期、盛冰期和終冰期三個時段，分別統(tǒng)計了不同時段內(nèi)的主要冰型和該冰型的平均分布比例，其統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表1 鲅魚圈近年來冰期長度統(tǒng)計表

表2 不同年份主要冰型及其平均分布比例統(tǒng)計表

從表2中可以看出，近幾年來的初冰期主要以冰皮為主，其初冰期平均分布比例一般在56%以上，其次為初生冰，其平均分布比例為20%左右；對于盛冰期而言，冰情等級3.0以上時，冰型以灰冰為主，其平均分布比例在40%以上，冰情等級3.0以下時，冰型以尼羅冰為主，其平均分布比例亦在40%以上；終冰期的主要冰型以尼羅冰為主，其平均分布比例約50%，僅在冰情等級為3.5的2012-2013年，終冰期仍以灰冰為主，其平均分布比例約50%。

2.3 冰量與密集度

鲅魚圈海域海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)中，冰量和冰密集度是表征海冰分布的重要海冰參數(shù)。為了比較近年來的海冰分布狀況，根據(jù)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)中的冰量和密集度（成數(shù)），定義海冰分布比例為：冰量（成數(shù)）×密集度（成數(shù)）/100。以每年度的12月27日為起始日期，次年的3月10日為終止日期，該時段內(nèi)2010-2015年鲅魚圈海域的海冰分布比例堆積折線圖如下。

圖2 海冰分布比例堆積折線圖

從圖2中可以看出，2010-2011年的海冰分布比例在初冰期就一直保持在90%左右，即海面基本被海冰覆蓋，在該年度的2月3日左右海面浮冰基本消失，之后海冰又逐漸覆蓋全部海面，直至2月15日以后，海冰分布比例逐漸減少，直至基本消融。結(jié)合其他年度的海冰分布比例來看，不同年度的海冰比例在2月3日和2月14日附近均有一個谷值出現(xiàn)，這說明該時段內(nèi)這一海域的海冰并未消融，而是大部分海冰都運(yùn)動出了該區(qū)域的海冰監(jiān)測范圍。初冰期和盛冰期的海冰分布比例差異并不大，這說明對于遼東灣浮冰外緣線之內(nèi)的海域而言，只有在浮冰外緣線基本抵達(dá)該海域的終冰期之時，其海冰分布比例才會出現(xiàn)明顯變化。

2.4 冰厚

海冰厚度是海冰監(jiān)測的重要參數(shù)，除了現(xiàn)場實地測量的冰厚之外，其他監(jiān)測手段的冰厚測量或反演數(shù)據(jù)均有或大或小的誤差。岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測一般以海冰表面粗糙程度與冰厚（或冰型）的基本關(guān)系進(jìn)行海冰厚度反演（Toyota et al，2011），在排除監(jiān)測設(shè)備硬件差異之外，典型實測海冰數(shù)據(jù)樣本量的大小對岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測反演的冰厚具有較大影響。因此，在逐步擴(kuò)充實測海冰數(shù)據(jù)樣本量和研究岸基雷達(dá)海冰反演方法的同時，人工海冰觀測數(shù)據(jù)仍然是岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要參考和比對。

從近年來鲅魚圈海域的海冰厚度統(tǒng)計表（表3）中可以看出，初冰期的冰厚一般在5 cm左右，最大冰厚約15 cm，盛冰期的冰厚一般在15 cm左右，最大冰厚約30 cm，終冰期的一般冰厚和最大冰厚均略大于初冰期。

表3 不同年份海冰厚度統(tǒng)計表

3 基本結(jié)論

鲅魚圈海域近年來的海冰監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，與遼東灣多年來的平均冰期長度相比，該海域的冰期明顯偏短。一般來說，常冰年冰期偏短半個月左右，輕冰年冰期偏短約40 d。

鲅魚圈海域初冰期、盛冰期和終冰期的冰型變化較明顯，初冰期主要以冰皮為主，其次為初生冰，盛冰期一般以灰冰為主，終冰期以尼羅冰為主。

初冰期和盛冰期的鲅魚圈海域海冰分布比例變化不大，終冰期的海冰分布比例變化較大，尤其是一天之內(nèi)的劇烈變化，主要是由該區(qū)域的海冰運(yùn)動造成的。

4 問題與討論

（1）岸基雷達(dá)回波信號最好的區(qū)域被掩蓋。岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測在惡劣天氣條件下具有光學(xué)遙感難以企及的優(yōu)點，且具有全天候監(jiān)測的高時間分辨率。但是，岸基雷達(dá)距離海岸線較遠(yuǎn)，其回波信號最好的區(qū)域（距離雷達(dá)輻射器約2海里范圍內(nèi)）卻被掩蓋了，這是岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測的弊端。

（2）岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測技術(shù)有待進(jìn)步。多年來的岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測表明，磁控管雷達(dá)的回波值在像元級別的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究，加之因?qū)崪y海冰樣本數(shù)據(jù)量的限制，根據(jù)海冰表面粗糙程度來反演冰厚的誤差較大，而且岸基雷達(dá)對于表面光滑的平整冰和水區(qū)的區(qū)分度也較低，因此實際監(jiān)測工作中較多的依賴于人工監(jiān)測。

（3）鲅魚圈海域冰情基本特征難以反映區(qū)域氣候變化。鲅魚圈海域開展了多年的岸基雷達(dá)海冰監(jiān)測和現(xiàn)場海冰監(jiān)測工作，但對不同的海冰參數(shù)而言，其對區(qū)域氣候變化的響應(yīng)是有差別的，尤其是浮冰外緣線之內(nèi)的區(qū)域，其海冰面積變化對氣候變化的響應(yīng)并不明顯。而海冰厚度的熱力增長因為海冰運(yùn)動導(dǎo)致的南北冰體輸運(yùn)而更加難以界定。

致謝：感謝海冰課題組成員在外業(yè)工作和數(shù)據(jù)處理方面的大力支持。

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BasiccharacteristicsofseaiceintheBayuquanregionbasedonthedataof shore-based radar

YUAN Shuai1,LIU Yong-qing1,LIU Xue-qin1,SONG Li-na,XU Ning1,SHI Wen-qi1,WANG Xu2,CHEN Wei-bin1

(1.National Marine Environmental Monitoring Center,Dalian 116023,China;2.LiaoningHongyanhe Nuclear Power Co.,Ltd,Dalian 116319,China)

Based on the sea ice data of shore-based radar from 2010 to 2015,this paper comes up with a brief analysis on the basic characteristics of ice period,ice type and ice thickness of Bayuquan area.The recent monitoring data indicate that the ice period shortened,the ice type changed obviously in different phases of the ice period,the variation of sea ice area is large due to the movement of the sea ice.According to the status of shore-based radar monitoring technology on sea ice,this paper puts forward some problems for further study such as the instability of radar pixel and the deficiency of the first-hand sea ice data.

basic characteristics of sea ice;shore-based radar;sea ice monitoring

P731.15

A

1001原6932（圓園17）05原園528原04

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.007

2016-06-25；

2016-08-19

國家海洋公益性行業(yè)科研專項（201505019；201505005）；國家自然科學(xué)基金（41306091；41301583；41306087）；中國博士后面上基金（2014M551115）。

袁帥（1979-），博士研究生，副研究員，主要從事海冰監(jiān)測與海冰資源利用研究，電子郵箱：syuan@nmemc.org.cn。

劉雪琴，電子郵箱：liuxueqin2009@126.com。

（本文編輯：袁澤軼）