基于MODIS數(shù)據(jù)的遼東灣海冰面積特征分析及與氣溫關(guān)系的探討

左濤，郭玉娣，劉彬賢，王彩霞

（1.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津300074；2.天津市氣候中心，天津300074；3.天津市濱海新區(qū)氣象局，天津300457）

1 引言

遼東灣是我國(guó)海冰冰情最嚴(yán)重的海區(qū)，冬季受強(qiáng)冷空氣影響會(huì)有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，每年冬季結(jié)冰，次年春季融冰，為典型的一年冰，冰期可達(dá)3～4個(gè)月。海冰是冬季影響我國(guó)北方海洋最主要的災(zāi)害之一，嚴(yán)重的冰情會(huì)造成很大損失，如船只被凍在海上導(dǎo)致船體擠壓變形破裂進(jìn)水，港灣及航道被封凍，海上石油平臺(tái)和觀測(cè)平臺(tái)等建筑物遭到破壞[1]，海水養(yǎng)殖業(yè)損失嚴(yán)重[2]等。因此，開展海冰監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)尤為重要。

我國(guó)系統(tǒng)的海冰監(jiān)測(cè)工作開始于20世紀(jì)60年代初期，20世紀(jì)80年代后開始大量應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海冰，并獲得了長(zhǎng)期、連續(xù)、大范圍和同步實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)資料。基于衛(wèi)星遙感資料，眾多學(xué)者對(duì)渤海海冰的變化特征尤其對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的變化特征進(jìn)行了分析研究[3-6]。在海冰變化的影響因子方面，專家指出與海冰聯(lián)系最直接的是冬季氣溫[5,7]，海冰的發(fā)生和發(fā)展與降溫幅度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，海冰面積與氣溫之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[5,8]。負(fù)積溫作為衡量冬季寒冷程度的指標(biāo)，也是研究渤海海冰年際變化的重要因子。日平均氣溫≤-4℃的積溫[9-10]與渤海海冰變化存在一定的相關(guān)性。另外，副熱帶高壓[11-13]、極渦［11-12］、緯向環(huán)流［11,14］、北大西洋濤動(dòng)［15］、太平洋海溫［16］以及太陽(yáng)黑子［12,17］等都是與渤海海冰變化相關(guān)的因子。

以往研究多將渤海海冰變化作為一個(gè)整體，但實(shí)際上，3個(gè)海灣的地理、水文和環(huán)境條件存在一定差異，每年的冰情發(fā)展趨勢(shì)也不同。本文選取渤海海冰最發(fā)育的遼東灣海區(qū)作為研究海域，基于中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過人機(jī)交互方式提取渤海海冰信息，并分析遼東灣海冰面積的時(shí)空分布特征。在此基礎(chǔ)上，分析遼東灣海冰面積與短期氣溫和積溫的相關(guān)關(guān)系，并利用統(tǒng)計(jì)方法建立遼東灣海冰面積預(yù)測(cè)模型。

2 研究區(qū)概況

渤海屬于半封閉海區(qū)，結(jié)冰海域分為3個(gè)海區(qū)：遼東灣、渤海灣和萊州灣。本文的研究區(qū)域?yàn)檫|東灣，位于39°N以北，以（40°00′N，121°00′E）為中心，面積約2.8×102km2，是渤海最大的海灣。遼東灣屬于半封閉海區(qū)，有著特殊的海洋氣象條件。冬季受到南下的強(qiáng)冷空氣影響，海水熱量散失，水溫迅速降到冰點(diǎn)，且有遼河、大凌河和小凌河等注入，使得海水鹽度降低，更易于結(jié)冰。

3 數(shù)據(jù)來源及處理

3.1 MODIS遙感數(shù)據(jù)

本文海冰數(shù)據(jù)主要來自MODIS（包括AQUA和TERRA）衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演。MODIS數(shù)據(jù)通過輻射校正、幾何校正、投影轉(zhuǎn)換和裁剪等預(yù)處理，利用人機(jī)交互方式提取海冰信息，得到2002—2017年渤海逐日海冰面積等要素?cái)?shù)據(jù)。本文用到的是2002—2017年遼東灣16個(gè)冰期的逐日海冰資料，其中剔除了被云等覆蓋過度無(wú)法判識(shí)的日期。

利用MODIS數(shù)據(jù)在可見光和近紅外通道的冰水直方圖統(tǒng)計(jì)以及紅外通道亮溫值，可獲得海冰的判識(shí)閾值，用于判識(shí)海冰信息和生成海冰信息二值數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上估算海冰面積。海冰判識(shí)中需要去除云區(qū)的影響，高云可用遠(yuǎn)紅外通道亮溫區(qū)分冰與云；低云及霧的反射率和亮溫均與海冰相近，海冰在短波紅外通道（1.6μm）有較強(qiáng)的吸收，與低云或霧的較強(qiáng)反射有明顯差異，此時(shí)可用短波紅外通道區(qū)分海冰和低云或霧。

海冰判識(shí)的主要條件是：

式中，C H2C、C H1C和T4C分別為近紅外、可見光和遠(yuǎn)紅外通道區(qū)分海冰與云的判識(shí)閾值，C H2W、CH1W和T4W分別為近紅外、可見光和遠(yuǎn)紅外通道區(qū)分海冰與海水的閾值。NDSI（Normalized Difference Snow Index）為積雪指數(shù)，NDSIc為區(qū)分海冰與海水的NDSI閾值。

當(dāng)冰面覆有積雪時(shí)，對(duì)海冰的判識(shí)即成為對(duì)冰面上積雪的判識(shí)，因而可用積雪判識(shí)方法。

3.2 氣象常規(guī)觀測(cè)資料

氣象站點(diǎn)資料來自逐3 h常規(guī)地面站點(diǎn)觀測(cè)資料，時(shí)間為2001—2006年的11月—次年3月，經(jīng)過計(jì)算得到站點(diǎn)逐日平均氣象要素?cái)?shù)據(jù)。本文選擇營(yíng)口氣象站，用到的氣象要素主要是氣溫以及用氣溫計(jì)算的海冰日對(duì)應(yīng)的積溫（≤-4℃）。

4 2002—2017年遼東灣海冰面積時(shí)空特征分析

4.1 遼東灣海冰空間變化特征

遼東灣東西北三面被遼寧省環(huán)繞，受高緯度影響，冰情重于萊州灣和渤海灣，是渤海冰情最嚴(yán)重的海區(qū)。渤海海冰最早在遼東灣北部沿岸淺水區(qū)生成，隨著冷空氣不斷侵襲和氣溫降低，結(jié)冰范圍逐步由北向南，由沿岸淺水區(qū)向海上深水區(qū)發(fā)展；隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)暖，海冰開始消融，由南向北、由海上向岸邊淺水區(qū)融化，3月中上旬完全消融。冰情較輕的年份，整個(gè)渤海僅遼東灣海區(qū)有不足1/3面積的海冰生成，而冰情最重的年份，整個(gè)遼東灣均被海冰覆蓋。

4.2 遼東灣海冰年際變化特征

2002—2017年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的遼東灣海冰冰期統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，遼東灣初冰日通常出現(xiàn)在12月上中旬，平均日期為12月9日；融冰日多出現(xiàn)在3月上中旬，平均日期為3月9日，個(gè)別年份海冰消融較早，于2月下旬結(jié)束。與國(guó)家海洋局《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》對(duì)比發(fā)現(xiàn)，遼東灣海冰存在個(gè)別年份衛(wèi)星監(jiān)測(cè)初冰日偏晚、終冰日偏早和冰期相對(duì)偏短的現(xiàn)象，這與初冰日和終冰日前后海冰范圍小衛(wèi)星監(jiān)測(cè)不到有關(guān)，另外存在被云過度覆蓋無(wú)法判識(shí)的海冰日，也對(duì)結(jié)果造成一定的影響。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的遼東灣海冰冰期平均為88 d，最短76 d，最長(zhǎng)102 d。2002—2017年期間，遼東灣最大海冰日均出現(xiàn)在1月下旬或2月上旬，僅2002/2003年度最大海冰日出現(xiàn)在2003年1月上旬（1月5日）。日海冰面積最大值出現(xiàn)在2009/2010年度，約為28 582 km2，即整個(gè)遼東灣海區(qū)都是結(jié)冰狀態(tài)；最小值出現(xiàn)在2001/2002年度，約為5 067 km2，不足遼東灣總面積的1/5。最大海冰面積超過遼東灣面積一半以上的年份有2002/2003年度、2004/2005年度、2009/2010年度、2010/2011年度、2011/2012年度、2012/2013年度和2015/2016年度，除2004/2005年度為86 d外，其余均達(dá)到90 d以上。海冰面積小于遼東灣1/3面積的年份為2001/2002年度、2014/2015年度和2016/2017年度，對(duì)應(yīng)的冰期也較短，一般在80d以下（見表1）。

圖1為2002—2017年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的遼東灣最大日海冰面積距平和冰期距平變化曲線。圖中可以看出，最大海冰面積與冰期有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最大海冰面積偏大，冰期也偏長(zhǎng)，最大海冰面積偏小，結(jié)冰日數(shù)偏少。

新中國(guó)成立后經(jīng)過多年的建設(shè)，漢江中下游基本形成了以漢江下游堤防工程為基礎(chǔ)、丹江口水庫(kù)工程為骨干、包括杜家臺(tái)分洪工程和沙洋以上14個(gè)蓄洪民垸在內(nèi)的復(fù)雜的 “擋、攔、分、蓄”防洪工程體系，改變了漢江中下游地區(qū)過去三年兩潰的局面，漢江中下游的整體抗洪能力有所提高。目前，在運(yùn)用丹江口水庫(kù)工程攔洪錯(cuò)峰的條件下，單純依靠漢江下游堤防工程可基本解決10年一遇洪水，加上運(yùn)用杜家臺(tái)分洪工程可基本解決20年一遇洪水，再加上運(yùn)用沙洋以上蓄洪民垸可基本解決100年一遇洪水。

圖1 2002—2017年衛(wèi)星監(jiān)測(cè)遼東灣最大日海冰面積距平和冰期距平變化曲線

5 遼東灣海冰面積與氣溫、積溫的關(guān)系分析

5.1 海冰面積與氣溫的關(guān)系

渤海海冰為淺水內(nèi)陸海的海冰，受氣象條件的影響非常顯著，渤海冰情的輕重主要取決于11月—次年3月之間冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度[17]。冷空氣強(qiáng)度大小直接反映在氣溫上，冬季渤海的冰情變化與氣溫有著密切聯(lián)系[5,10,13]。

我們來分析營(yíng)口等單站氣溫與渤海海冰的關(guān)系。首先選擇營(yíng)口單站的氣溫與遼東灣海冰面積進(jìn)行相關(guān)分析，分別計(jì)算了當(dāng)日（0）、前1 d（-1）、前2 d（-2）、當(dāng)日與前1 d平均、當(dāng)日與前1 d及前2 d平均氣溫與遼東灣海冰面積的相關(guān)系數(shù)，樣本容量為162個(gè)，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，遼東灣海冰面積與上述5種情況下的氣溫均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且通過了99%顯著性檢驗(yàn)。營(yíng)口前2 d和前1 d氣溫與遼東灣海冰面積的相關(guān)性（-0.52和-0.55）大于當(dāng)日（-0.45），而營(yíng)口3 d平均氣溫與遼東灣海冰相關(guān)性最大，最大相關(guān)系數(shù)為-0.57，和王萌等[5]的研究結(jié)果相似。這說明日海冰面積變化不僅與當(dāng)日氣溫有關(guān)，和前幾日的氣溫相關(guān)性更大，海冰面積對(duì)氣溫的反應(yīng)有一定的滯后性，也說明達(dá)到海水凍結(jié)溫度的氣溫不斷積累更有利于海冰生成。

將冰期分為海冰發(fā)展期和融冰期分別進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示，海冰發(fā)展期氣溫與海冰面積存在負(fù)相關(guān)，3 d平均氣溫與遼東灣海冰面積負(fù)相關(guān)性最大，為-0.57，樣本容量為116個(gè)。融冰期氣溫與遼東灣海冰面積相關(guān)系數(shù)顯著增大，為-0.75，樣本容量為61個(gè)。

表2 營(yíng)口站氣溫與遼東灣海冰面積相關(guān)系數(shù)

根據(jù)上述分析，融冰期氣溫與海冰日面積具有更好的相關(guān)性。繪制海冰日面積與營(yíng)口站3 d平均氣溫的散點(diǎn)圖（見圖2），從圖上可以看出二者線性關(guān)系非常明顯，剔除離散度比較大的點(diǎn)，利用遼東灣融冰期海冰日面積與營(yíng)口站3 d平均氣溫，通過回歸分析，建立一元線性回歸方程：

圖2 2002—2017年遼東灣日海冰面積與營(yíng)口站3 d平均氣溫散點(diǎn)圖

樣本容量58個(gè)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0．803＞0．344=R0．01,56,通過99%信度檢驗(yàn)。令Y=0，計(jì)算X約為1.26，即當(dāng)營(yíng)口站平均氣溫達(dá)到1.26℃左右，遼東灣海冰完全消融。式（2）可以用來預(yù)報(bào)遼東灣海冰融冰期海冰面積。

5.2 海冰面積與積溫的關(guān)系

負(fù)積溫能夠較好反映出氣候?qū)δ骋蛔匀贿^程的溫度條件或熱量資源狀況，氣象上通常把低于0℃的日平均氣溫累加值稱為負(fù)積溫。研究證明，用日平均氣溫≤-4℃的積溫和日數(shù)作為分析研究渤海海冰的氣候指標(biāo)是可行的，因?yàn)椤?4℃積溫的初日與渤海的初冰日比較接近[10]。

以-4℃為基準(zhǔn)，對(duì)2003—2017年遼東灣海冰日對(duì)應(yīng)的營(yíng)口站積溫進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)其與遼東灣海冰面積進(jìn)行分析。營(yíng)口站-4℃氣溫積溫與遼東灣海冰面積相關(guān)系數(shù)為-0.52，樣本容量為158個(gè)。從逐年海冰與積溫對(duì)應(yīng)點(diǎn)圖（見圖3）中可以看到，在海冰面積增大的過程中，海冰面積與積溫大致呈線性關(guān)系，即負(fù)積溫值越大，海冰面積越大；而在海冰消融階段，即海冰面積減小，負(fù)積溫變化不大。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，海冰消融的時(shí)間和負(fù)積溫不再增長(zhǎng)的時(shí)間基本一致。營(yíng)口站-4℃氣溫積溫與遼東灣融冰期海冰面積的相關(guān)系數(shù)為-0.13，樣本容量為58個(gè)，沒有通過95%信度檢驗(yàn)，所以融冰期的-4℃積溫與海冰面積不存在顯著的相關(guān)性；而海冰發(fā)展期相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.89，樣本容量114個(gè)，具有顯著的相關(guān)性。

圖3 2003—2017年遼東灣逐日冰面積與營(yíng)口單站日平均氣溫積溫（≤-4℃）對(duì)應(yīng)點(diǎn)圖

從遼東灣海冰發(fā)展期日冰面積與營(yíng)口-4℃氣溫積溫的散點(diǎn)圖（見圖4）中可以看出，二者呈顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。剔除離散點(diǎn)，通過回歸分析，用遼東灣海冰發(fā)展期海冰日面積與營(yíng)口站-4℃氣溫積溫建立一元線性回歸方程：

圖4 2003—2017年遼東灣海冰發(fā)展期日冰面積與營(yíng)口站積溫散點(diǎn)圖

樣本容量為110個(gè)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0．908＞0．256=R0．01,100，通過99%信度檢驗(yàn)。令Y=0，計(jì)算X約為-26.86，即當(dāng)營(yíng)口站氣溫積溫達(dá)到-28.86℃左右，遼東灣開始結(jié)冰。式（3）可以用來預(yù)報(bào)遼東灣海冰發(fā)展期海冰面積。

5.3 遼東灣海冰面積預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

根據(jù)5.2節(jié)中的分析，分別利用營(yíng)口站≤-4℃氣溫積溫和氣溫建立遼東灣海冰發(fā)展期和融冰期的海冰面積預(yù)報(bào)方程：

式中，X1為營(yíng)口站氣溫積溫（≤-4℃），X2為營(yíng)口站3 d平均氣溫，結(jié)合營(yíng)口站預(yù)報(bào)氣溫，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)遼東灣海冰面積的預(yù)報(bào)。

利用上述預(yù)報(bào)方程，對(duì)2019/2020年度冬季遼東灣海冰面積進(jìn)行了預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。在海冰發(fā)展期（見圖5），當(dāng)海冰面積較大時(shí)預(yù)報(bào)效果較好，短期內(nèi)由于氣溫回升造成的海冰面積減小不能被很好地預(yù)測(cè)。融冰期（見圖6），盡管樣本容量較少，海冰面積存在一定的差異，但是海冰面積整體變化趨勢(shì)是一致的，對(duì)融冰期的海冰變化也具有一定的參考意義。

圖5 2019/2020年度冬季海冰發(fā)展期遼東灣海冰面積監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

圖6 2019/2020年度冬季融冰期遼東灣海冰面積監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

6 結(jié)論和討論

本文利用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演得到2002—2017年遼東灣海冰面積資料，分析了海冰面積的時(shí)空分布特征以及年際變化特征，討論了海冰面積與營(yíng)口站平均氣溫和氣溫積溫之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了遼東灣海冰面積預(yù)測(cè)方程。

在2002—2017年間，遼東灣初冰日出現(xiàn)在12月上中旬，終冰日出現(xiàn)在3月上旬或中旬，個(gè)別年份出現(xiàn)在在2月下旬。遼東灣最大海冰日出現(xiàn)在1月下旬或2月上旬，僅2002/2003年度最大海冰日出現(xiàn)在2003年1月上旬。遼東灣海冰面積最大時(shí)，整個(gè)遼東灣海區(qū)都是結(jié)冰狀態(tài)。最大海冰面積較大的年份，冰期也相對(duì)較長(zhǎng)，最長(zhǎng)出現(xiàn)在2009/2010年度，為102 d；冰期最短出現(xiàn)在2001/2002年冬季，為76 d。

遼東灣海冰面積與營(yíng)口站氣溫積溫（≤-4℃）相關(guān)系數(shù)為-0.52，在海冰發(fā)展期相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.89，利用這一關(guān)系建立海冰發(fā)展期遼東灣海冰面積的預(yù)測(cè)方程，效果較好。遼東灣海冰面積與環(huán)遼東灣氣象站的氣溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，海冰面積與營(yíng)口氣象站3 d平均氣溫之間的相關(guān)性為-0.57，而融冰期3 d平均氣溫與海冰面積的相關(guān)性達(dá)到-0.75，根據(jù)這一相關(guān)關(guān)系建立了融冰期遼東灣海冰面積的預(yù)測(cè)方程，對(duì)融冰期海冰面積有一定的參考。

本文從氣溫角度探討遼東灣海冰面積變化及預(yù)測(cè)，有一定的參考價(jià)值，但影響海冰的因素眾多，單一要素的探討存在一定的誤差。另外，由于現(xiàn)階段業(yè)務(wù)化運(yùn)行的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)產(chǎn)品無(wú)法剔除被云過度覆蓋的影響，人機(jī)交互方式判識(shí)海冰也存在一定的主觀性，導(dǎo)致部分衛(wèi)星反演結(jié)果與相關(guān)職能部門發(fā)布的海冰信息存在出入，有待進(jìn)一步完善。