2012—2022 年冬季渤海遼東灣JZ20-2 海域冰情分析

趙飛達，董睿，吳琳，宋積文，姜靜，張大勇

1.中海油信息科技有限公司，北京 100027

2.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221

渤海具有豐富的油氣資源，我國渤海的遼東灣由于其地理、氣象和水文條件，歷年都存在海域覆冰現(xiàn)象[1]。典型的氣象條件如寒潮、過冷空氣等均會對海域覆冰有顯著影響。由于冬季海域結(jié)冰問題，海洋平臺勘探、海上航運等工作也會受到不同程度的影響[2]。歷史上因輕視海冰威脅而發(fā)生較多安全事故，如1969 年的渤海大冰封事件[3]，海冰漂移產(chǎn)生巨大推力導致平臺坍塌，對平臺上部設施有嚴重損壞，同時對作業(yè)人員造成安全隱患；2000 年遼東灣某油氣平臺因海冰作用造成上部管線斷裂，引發(fā)安全事故。嚴重的冰情對各類海上作業(yè)都存在一定程度的威脅[4-5]。

為規(guī)范歷年冰情研究，中國海洋石油總公司（China National Offshore Oil Corporation，CNOOC）在20 世紀初制定發(fā)布了《中國海海冰條件及應用規(guī)定》[6]（后文簡稱《規(guī)定》）。然而，近年來渤海的海冰條件發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的標準和經(jīng)驗無法應對新的海冰形勢。大連理工大學海冰管理項目組開發(fā)了一套完整的海冰監(jiān)測技術，于20 世紀末投入應用，為適應海冰新形勢與時代新的技術，不斷更新升級[7-8]。本文利用JZ20-2 點式平臺監(jiān)測的海冰數(shù)據(jù)，分析了2012—2022 年的海冰狀況，為更新和修訂渤海新的海冰標準提供依據(jù)。

1 海冰定點監(jiān)測系統(tǒng)

每年入冬，渤海的部分海域會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，隨著冷空氣不斷入侵，這些海域結(jié)冰情況愈發(fā)嚴重，海冰覆蓋面積明顯增大，冰厚不斷加厚，次年春季時海冰開始融化，直至消失。海冰的生消包括初冰期、盛冰期與融冰期3 個時期，在海冰監(jiān)測中現(xiàn)場監(jiān)測是一種傳統(tǒng)且關鍵的監(jiān)測手段，但在冰厚、冰速、冰密集度、冰類型等海冰要素的現(xiàn)場監(jiān)測方面仍舊存在很多困難[9-10]。由于海冰參數(shù)測量結(jié)果的缺失，早期的冰荷載原型測量實驗數(shù)據(jù)不能得到有效的解釋，對冰荷載的研究帶來巨大的挑戰(zhàn)，所以在研究過程中需使用適合海域環(huán)境且能準確獲得海冰要素的方法[11]。同時，冰情變化也受環(huán)境條件的影響，故對現(xiàn)場的溫度、風速等氣象數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，氣象數(shù)據(jù)由成熟完備的小型氣象站準確監(jiān)測?；谀壳暗难芯壳闆r，以JZ20-2 海域的海洋平臺為研究目標，海冰管理項目組設計海冰定點監(jiān)測系統(tǒng)，研發(fā)海冰要素監(jiān)測技術。

1.1 海冰要素監(jiān)測技術

海冰要素監(jiān)測主要為冰厚、冰速和冰密集度的監(jiān)測。海冰管理項目組依據(jù)圖像測距原理，設計開發(fā)了一套基于視頻圖像技術的海冰要素監(jiān)測系統(tǒng)，并已應用于渤海的海冰定點監(jiān)測中。

1.1.1 測量基本原理

1）冰厚、冰速測量

海冰冰厚測量方法包括目測法、實地測量法、遙感測量法等。實地測量可以通過人工取樣、圖像測量等方式開展，遙感測量可以通過雷達、聲吶、衛(wèi)星等方式開展。綜合考慮設備的測量精度、現(xiàn)場設備安裝可靠性等問題，研究采用圖像測量法測量冰厚，該方法的原理為

式中：L為物體的實際長度，l為物體的成像長度，H為攝像機的透鏡與物體的距離，h為攝像機的透鏡與成像的距離。

在現(xiàn)場圖像測量應用中，在攝像機焦距不變的情況下，首先標定攝像頭，通過式（1）計算出成像比例n，由此推導被測物體的實際長度S與其成像長度s的關系為

則被測物體的實際長度S為

海冰與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用后出現(xiàn)破碎，攝像機對掉落至海中的碎冰塊進行圖像采集，碎冰的斷面參數(shù)被捕獲，前期根據(jù)焦距不變對攝像機進行標定后，即可通過標定物的尺寸與海冰斷面像素點尺寸來計算冰厚，以上為圖像法測量冰厚的基本原理。海冰翻轉(zhuǎn)現(xiàn)場圖片如圖1 所示，以錐體的防浪孔為標定（如圖1（a）中AB），該孔的孔徑HD為20 cm，圖像上像素長度為Dh，海冰斷面像素尺寸為T（如圖1（b）），則實際冰厚Tice為

圖1 定點監(jiān)測時測量冰厚

此方法可以用來測量冰厚、冰速等海冰要素[12]。

2）海冰密集度測量

海冰的覆蓋率表明結(jié)冰區(qū)海冰的密集度，通過圖像分割方法確定海水和海冰的占比，來完成海冰密集度的圖像識別。首先預處理圖像；其次采用射影方法對圖像進行校正；最后通過最大類別方差法實現(xiàn)海水和海冰的分割，以確定海冰的占比面積。

其中，在海洋平臺上采集海冰圖像時，會因為拍攝角度出現(xiàn)射影失真，所以校正工作非常重要。與此同時，海冰圖像識別時容易受海平面的干擾，如圖2 所示，為避免誤差，在識別時添加海平面提取步驟，將圖像中天空部分刪除，以此實現(xiàn)對海冰圖像的單獨處理，從而有效避免將天空判定為海冰的情況。

圖2 海冰密集度圖像識別

1.1.2 海冰參數(shù)測量軟件

在海冰參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理的過程中，基于圖像測量原理，如果人工參與測量過程較多，會導致測量結(jié)果存在誤差，且工作量過大。因此，項目組設計開發(fā)了海冰參數(shù)自動測量軟件，用于實現(xiàn)海冰參數(shù)測量的半自動化，保證精確性，減少人力消耗。通過圖像射影矯正、圖像識別與匹配等方法對現(xiàn)場視頻進行分析與計算處理，計算所得結(jié)果與測量數(shù)據(jù)將同步存儲。歷年冰情分析依托于該軟件所測得的海冰參數(shù)數(shù)據(jù)，軟件界面如圖3 所示，今后將通過現(xiàn)場實際應用不斷完善。

圖3 海冰參數(shù)測量軟件界面

2 JZ20-2 海域歷年冰情統(tǒng)計分析

JZ20-2 隸屬的渤海海域位于北緯37°～41°，是全世界緯度最低的結(jié)冰海域，每年冬季都會出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，歷年冰情受氣候影響存在顯著不同。冰情嚴重年份對海上航運、石油開采、捕魚養(yǎng)殖等相關活動具有很大影響，甚至直接影響整個環(huán)渤海經(jīng)濟發(fā)展[13-14]。海冰的監(jiān)測、預報及研究工作能在一定程度上有益于海上作業(yè)，本文以JZ20-2 海域監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)為基礎，參考氣溫、冰期、冰厚、海冰覆蓋率等資料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計近10 a 中JZ20-2 海域的冰情變化趨勢。

2.1 冰期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

JZ20-2 海域一年中僅冬季出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，每年最早出現(xiàn)海冰的日期為初冰日，翌年海冰消融的日期為終冰日。從每年的初冰日到終冰日這段時期稱為該年的總冰期，總冰期內(nèi)海冰會經(jīng)歷從生成到發(fā)展再到相對穩(wěn)定，直至最后消融的過程。隨海冰的發(fā)展，總冰期又可分為初冰期、盛冰期以及終冰期3 個階段，其中海冰進入盛冰期的日期為盛冰日，進入終冰期的日期為融冰日。將近10 a 中JZ20-2 海域的冰情情況進行統(tǒng)計，如表1 所示，分析結(jié)果如圖4 所示。受環(huán)境影響，會出現(xiàn)總冰期內(nèi)海域不結(jié)冰的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，無冰日約占總冰期的1/10～1/5。因此，有效冰期的統(tǒng)計能更加精確有效地體現(xiàn)冰情。

表1 近10 a 中JZ20-2 海域冰期

據(jù)統(tǒng)計，JZ20-2 海域初冰日通常在初年12 月中下旬或翌年1 月上旬，于翌年2 月或3 月終冰。受冰情變化影響，歷年冰期不等。由圖4 可以看出，近10 a 中，JZ20-2 海域總冰期在40～80 d內(nèi)變動?？偙谟?012—2013 年際達到最長，為76 d，最短為2016—2017 年際，僅有41 d；有效冰期最長為72 d，最短為33 d，分別為2013—2014年際與2016—2017 年際。受歷年氣溫具體變化的差異影響，有效冰期小于總冰期2～14 d 不等。2012—2017 年冰期整體呈縮短趨勢，2017—2019 年冰期受氣溫影響有所波動，近4 a 逐漸產(chǎn)生回升趨勢。

圖4 近10 a 中JZ20-2 海域冰期統(tǒng)計

2.2 冰厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

國家海洋局根據(jù)中國海的結(jié)冰特點，依據(jù)結(jié)冰范圍和冰厚資料于1973 年研究制定了《中國海冰情預報等級》，將中國海冰情共劃分5 級，并規(guī)定這5 個等級作為海冰預報標準，如表2[15]。

表2 冰情預報等級

冰厚是歷年冰情分析的關鍵參數(shù)，現(xiàn)將近10 a 中JZ20-2 海域覆冰后的冰厚進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)以單層冰為主，如表3 所示，分析結(jié)果如圖5 所示。

表3 近10 a 中JZ20-2 海域冰厚 cm

分析圖5 可知，近10 a 中JZ20-2 海域冰厚變化整體呈下降趨勢。2012—2013 年際最大冰厚為30 cm，此后年際最大冰厚均未超過20 cm。歷年平均冰厚在3～11 cm 不等，最大時出現(xiàn)在2012—2013 年際，為10.7 cm；最小時出現(xiàn)在2018—2019年際，為3.3 cm。根據(jù)冰情預報等級，2012—2013年際冰厚較大，屬于偏輕冰年；其余各年際最大冰厚均小于20 cm，平均冰厚均小于10 cm，屬于輕冰年。

圖5 近10 a 中JZ20-2 海域冰厚統(tǒng)計

2.3 海冰覆蓋率數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

海冰的覆蓋率表明結(jié)冰區(qū)域海冰的密集度，根據(jù)不同年份JZ20-2 海域覆冰面積程度的不同將冰量劃分為10 個等級。現(xiàn)將近10 a 中JZ20-2海域的海冰覆蓋率進行統(tǒng)計，如表4 所示，分析結(jié)果如圖6 所示。

表4 近10 a 中JZ20-2 海域海冰覆蓋率 %

圖6 近10 a 中JZ20-2 海域海冰覆蓋率統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，近10 a 中JZ20-2 海域最大覆冰率多達八成及以上，平均最大覆冰率為84%，有時可實現(xiàn)海域全面覆冰。平均覆冰量為整個冰期每日覆冰量的平均值，可反映某冰年整體覆冰情況。近10 a 中JZ20-2 海域平均覆冰率最大可達88.1%，最低為42.1%，分別為2012—2013 年際與2020—2021年際。歷年平均覆冰率多浮動于60%～70%內(nèi)，近2 a 最大覆冰率與平均覆冰量均呈下滑狀態(tài)，海域整體覆冰量有下滑趨勢。

2.4 氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

JZ20-2 隸屬的渤海海域為典型的季節(jié)性結(jié)冰海域，受西伯利亞高壓影響，盛行寒冷干燥的西北風。每年冬季，渤海海域在過冷空氣不斷入侵下開始結(jié)冰，有時爆發(fā)寒潮會導致覆冰面積增大，海冰加厚。氣候變化直接影響著該海域海冰的生消與冰情強弱。據(jù)統(tǒng)計，渤海海域在冬季的平均氣溫在-3 ℃左右，1 月是最為嚴寒的月份，平均氣溫僅-7 ℃。現(xiàn)將近10 a 中JZ20-2 海域平均氣溫的變化情況進行統(tǒng)計，分析結(jié)果如圖7。分析圖7 得出，JZ20-2 海域近10 a 中冬季平均氣溫變化范圍為-5.5～-2.0 ℃。平均氣溫最低為2012 —2013年際，低至-5.5 ℃；2013 —2014、2014—2015、2016—2017 及2017—2018 這4 年際平均氣溫均不低于渤海海域冬季平均氣溫-3℃，分別為-2.5、-2、-3 及-2.8 ℃。結(jié)合冰期、冰厚與覆冰率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣溫對海域結(jié)冰有明顯影響。受全球變暖影響，近10 a 中JZ20-2 海域冬季氣溫整體呈回暖現(xiàn)象，又因歷年不同過冷空氣與寒潮影響有所波動。自2014—2015 年際始，平均氣溫有所下降且伴隨著小范圍回升。

圖7 近10 a 中JZ20-2 海域平均氣溫變化

2.5 實測數(shù)據(jù)與標準中數(shù)據(jù)的對比分析

《規(guī)定》中對于冰日、冰期、冰厚、覆蓋率以及氣溫等數(shù)據(jù)給出規(guī)范性建議[6]，本文將近10 a中JZ20-2 海域的冰情數(shù)據(jù)分析結(jié)果與《規(guī)定》進行對比。

對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冰日方面，初冰日、盛冰日、融冰日推遲，平均融冰日、終冰日提前，對比結(jié)果如表5 所示；在冰期方面，初冰期增長，盛冰期、融冰期縮短，總冰期縮短，有效冰期增長，對比結(jié)果如表6 所示；在冰厚方面，單層冰厚度降低，海冰危害降低，對比結(jié)果如表7 所示；在盛冰期海冰覆蓋率方面，最大覆蓋率提高，最小覆蓋率降低，平均覆蓋率小幅降低，冰情嚴重情況不好確定，對比結(jié)果如表8 所示；在氣溫方面，冰期平均氣溫整體升高，冰情情況與氣溫呈正相關，對比結(jié)果如表9 所示。

表5 冰日對比表

表6 冰期對比 d

表7 單層冰厚對比 cm

表8 盛冰期海冰覆蓋率對比 %

表9 冰期氣溫對比 ℃

3 結(jié)論

本文基于海冰監(jiān)測系統(tǒng)將近10 a 中JZ20-2 海域的冰期、冰厚、覆冰率、氣溫數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)合《規(guī)定》，分析近10 a 的冰情情況，得到結(jié)論如下：

1）統(tǒng)計近10 a 中JZ20-2 海域冰期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2012—2017 年冰期整體呈縮短趨勢，2017—2019年冰期受氣溫影響有所波動，近4 a 逐漸產(chǎn)生回升趨勢。

2）統(tǒng)計近10 a 中JZ20-2 海域冰厚數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冰厚整體變化情況呈下降趨勢，2012—2013 年際冰厚較大，屬于偏輕冰年；其余各年際最大冰厚均小于20 cm，平均冰厚均小于10 cm，屬于輕冰年。

3）統(tǒng)計近10 a 中JZ20-2 海域海冰覆蓋率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，覆冰率整體呈下降趨勢，最大覆冰量平均在6 成以上。

4）統(tǒng)計近10 a 中JZ20-2 海域氣溫數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，平均氣溫整體呈上升趨勢，低于-3 ℃的年際冰情嚴重，冰情受氣溫影響較大。

本文對JZ20-2 海域近10 a 的冰情數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結(jié)變化規(guī)律，為渤海海冰相關標準的更新與完善提供數(shù)據(jù)支持。