2012—2022年冬季渤海遼東灣JZ9-3海域冰情分析

趙飛達(dá)，李澤民，董 睿，宋積文，姜 靜，王延林，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(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221 )

1 海冰定點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

渤海海域每年12月初開始結(jié)冰，翌年2月或3月消冰。經(jīng)歷初冰期、盛冰期及融冰期三個階段。受氣溫變化以及水文條件的影響，每年冰期數(shù)不等。歷年的冰期、冰厚、覆冰量等數(shù)據(jù)是分析海冰變化情況的重要參考。海冰現(xiàn)場監(jiān)測具有重要意義，其中海冰要素是描述海冰變化的重要指標(biāo)。海冰要素監(jiān)測內(nèi)容包括：冰厚、冰速、冰密集度、冰類型等[1-5]。

國際上很多早期的冰荷載現(xiàn)場原型測量由于缺少對海冰參數(shù)的測量結(jié)果，導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)無法解釋，給冰荷載的研究工作帶來了極大困難。所以采用適合渤海環(huán)境且能夠?qū)崟r準(zhǔn)確獲取海冰要素的方法和設(shè)備是十分重要的。此外氣象條件是影響冰情變化的重要因素，故現(xiàn)場監(jiān)測也包括氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測。針對上述信息，海冰管理項(xiàng)目組以JZ9-3海域的海洋平臺為基礎(chǔ)，在現(xiàn)場建立了海冰定點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，并對現(xiàn)場海冰要素監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

1.1 冰厚、冰速測量原理

項(xiàng)目組選擇圖像測量法作為測量冰厚的方法，冰與結(jié)構(gòu)作用發(fā)生破碎后，破碎的冰塊會翻轉(zhuǎn)然后掉落到水中，翻轉(zhuǎn)時候露出的斷面可以被攝像機(jī)捕獲到。利用已知尺寸的物體對攝像頭進(jìn)行標(biāo)定，攝像機(jī)的焦距一定，則可以根據(jù)標(biāo)定物的尺寸以及冰斷面像素點(diǎn)的大小來計(jì)算冰厚的大小，此方法不但能測量冰厚，同理可以測量冰速。

圖像法測量原理見式(1)：

(1)

式中：L為物體的真實(shí)長度，m；l為物體通過焦距為f的攝像機(jī)投影到圖像上的像素長度，m；H為攝像機(jī)的透鏡與真實(shí)物體距離，m；h為成像的距離，m；n為H/h的比例[6]。

在現(xiàn)場圖像測量應(yīng)用中，保持?jǐn)z像機(jī)的焦距不變，用已知長度L的物體對攝像頭進(jìn)行標(biāo)定，得到式(1)的比例n，則被測物體長度S與其圖像上的像素長度s的關(guān)系見式(2)：

(2)

被測物體的真實(shí)長度S，見式(3)：

S=n×s

(3)

現(xiàn)場實(shí)際測量如圖1所示，標(biāo)定物為錐體的防浪孔(如圖1(a)中AB所示位置)，孔徑為20 cm，其在圖像上的像素大小為Dh，圖像上的冰斷面像素大小為T(如圖1(b))，實(shí)際冰厚=20×T/Dh。

圖1 平臺定點(diǎn)觀測中的冰厚測量示意圖

1.2 海冰密集度測量原理

通過對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，生成二值圖，并進(jìn)行射影矯正。最后采用最大類別方差法對海冰二值圖像中的海冰和海水進(jìn)行分割處理，從而確定出海冰所占總面積的比例，即海冰密集度。

當(dāng)從海洋平臺上對海冰進(jìn)行圖像或視頻拍攝時，圖像會因拍攝角度的原因存在一定的射影失真，故需要進(jìn)行射影校正。此外，針對海冰圖像中存在海平面干擾的情況(如圖2)，在海冰密集度識別中增加了海平面提取功能，通過定義海天分界線，刪除圖像上的天空部分，僅對海冰圖像進(jìn)行處理，從而有效地解決將天空誤判為海冰的問題。

圖2 海冰圖像及密集度提取的二值圖(密集度測量值為82.7%)

2 渤海歷年冰情統(tǒng)計(jì)分析

JZ9-3海域位于渤海遼東灣西北部，位于北緯40°左右，每年冬季都有大量流冰生成，所處位置結(jié)冰嚴(yán)重，對平臺穩(wěn)定生產(chǎn)與船舶航行造成影響[7]。本文以JZ9-3海域現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整理了2012—2022年間的渤海海域冰情變化情況，從冰期時長、冰厚、氣溫及冰覆蓋率等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，總結(jié)近十年JZ9-3海域的海冰變化情況。

2.1 冰日及冰期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

海冰的冰日包括初冰日、盛冰日、融冰日和終冰日，冰期分為初冰期、盛冰期和終冰期。初冰日起到盛冰日止為初冰期，盛冰日起到融冰日止為盛冰期，融冰日起到終冰日止為終冰期。在此期間海冰經(jīng)歷生成-發(fā)展-相對穩(wěn)定-融化消失的過程。

將這十年JZ9-3海域冰日和冰期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。比較發(fā)現(xiàn)，初冰期較長，可達(dá)50 d左右；盛冰期為一年中冰最嚴(yán)重的時期，時長隨各年際冰期不同而變化；終冰期最短，僅5～7 d。受氣溫、潮汐、風(fēng)等環(huán)境因素影響，海冰經(jīng)常出現(xiàn)晨時有冰，下午無冰；漲潮有冰，退潮無冰；幾天冰重，幾天冰輕的情況，這種情況在初冰期與終冰期尤為明顯?？紤]到此種情況，有效冰期相較于總冰期能更好反映年際海冰情況。

表1 歷年冰期統(tǒng)計(jì)情況

JZ9-3海域一般于當(dāng)年12月開始結(jié)冰，于翌年2月或3月融冰。從圖4可以看出，根據(jù)歷年冰期嚴(yán)重程度不同，歷年冰期在50～90 d不等。近十年來冰期最長年份分別為2012—2013年與2017—2018年，總冰期分別達(dá)90 d與88 d，2016—2017年冰期較短，共54 d，其中有效冰期為40 d。近十年總冰期整體呈下降趨勢，有效冰期整體逐漸縮短，最近四年有回升的趨勢。

圖4 歷年冰期統(tǒng)計(jì)情況

2.2 冰厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)國家海洋局冰情劃分標(biāo)準(zhǔn)可將渤海海域冰情根據(jù)冰厚與范圍分為輕冰年、偏輕冰年、常冰年、偏重冰年及重冰年5種類型，如表2所示[8]，冰厚數(shù)據(jù)是分析歷年冰情變化的重要依據(jù)之一。

表2 渤海冰情等級標(biāo)準(zhǔn)

《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》提出海冰通常分為固定冰與流冰。固定冰多沿海岸形成，與海岸或海底一起凍結(jié)，不隨風(fēng)或流的作用力水平移動。而JZ9-3海域位于渤海灣中，多見流冰，會隨海風(fēng)、海浪、海流作用發(fā)生漂移，流冰根據(jù)厚度與形狀分為初生冰、冰皮、尼羅冰、蓮葉冰、灰冰、灰白冰與白冰7種冰型，如表3所示[9-10]。

表3 流冰分類

渤海海域在盛冰期多以尼羅冰、灰冰及灰白冰分布為主。外力作用下，海冰會堆積產(chǎn)生重疊冰與堆積冰，尼羅冰受風(fēng)浪及外力作用易發(fā)生彎曲破碎，并產(chǎn)生“指狀”重疊冰，灰冰在受擠壓時多發(fā)生重疊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海海域歷年單層冰厚度最大可達(dá)46 cm；重疊冰厚度最大可達(dá)787 cm。為了更好評估渤海海域冰情變化情況，本文主要考慮單層冰，將近十年JZ9-3海域海冰平均冰厚與最大冰厚進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示，繪制成曲線如圖5所示。

表4 歷年冰厚統(tǒng)計(jì)情況 cm

圖5 歷年最大冰厚與平均冰厚統(tǒng)計(jì)圖

圖5為分析JZ9-3海域歷年最大冰厚變化情況，發(fā)現(xiàn)近年最大冰厚大體呈下降趨勢。自2013年始，歷年最大冰厚不超過30 cm，平均最大冰厚均不超過20 cm。2015—2016年、2016—2017年、2018—2019年、2019—2020年四年際最大冰厚分別為15 cm、15 cm、16 cm、14 cm，平均冰厚不超過7.1 cm，可見冰情較輕。根據(jù)國家海洋局冰情劃分標(biāo)準(zhǔn)，從冰厚數(shù)據(jù)出發(fā)，2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018四年際冰情較其他年際嚴(yán)重，屬于偏輕冰年，其余各年際均屬于輕冰年。

2.3 海冰覆蓋率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海海域盛海冰覆蓋率平均可達(dá)75.1%，最大可達(dá)94.4%。海冰管理項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同年份渤海JZ9-3海域覆冰量的差異，將冰量按海冰覆蓋海域面積程度劃分為1成到10成十個等級，現(xiàn)將歷年盛冰期平均海冰覆蓋率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如下。

如圖6所示，近十年JZ9-3海域海冰最大覆蓋率多達(dá)九成及以上，基本實(shí)現(xiàn)JZ9-3海域全面覆冰。盛冰期平均覆蓋率多在7成及以上，其中2012—2013年、2013—2014年、2016—2017年、2017—2018年四年海域盛冰期平均覆冰達(dá)80%以上，對比同年份冰期及冰厚數(shù)據(jù)，2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年冰情較嚴(yán)重；而近兩年JZ9-3海域最大覆蓋率不足7成，盛冰期平均覆蓋率更低于60%，可見近兩年渤海海域覆冰程度較輕。

圖6 歷年最大覆蓋率與盛冰期平均覆蓋率統(tǒng)計(jì)圖

2.4 氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

渤海為典型的季風(fēng)氣候。在冬季主要受亞洲大陸高壓活動影響盛行偏北風(fēng)，伴隨寒潮暴發(fā)[11]。過冷空氣侵襲會導(dǎo)致氣溫劇烈下降，伴隨強(qiáng)風(fēng)，降雪等天氣現(xiàn)象，對海域結(jié)冰有重大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在極暖冬季，渤海結(jié)冰面積在15%以下；在嚴(yán)寒冬季，覆冰面積可占渤?？偯娣e80%以上。渤海海域一年之中1月氣溫最低，其次為2月。1月平均氣溫多在-4.0～-8.0 ℃之間?，F(xiàn)場實(shí)測JZ9-3海域1月平均氣溫在-7.0 ℃左右，整個冬季平均氣溫在-3 ℃左右。依據(jù)海冰管理項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將近十年JZ9-3海域平均氣溫變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而可以分析歷年平均氣溫變化對冰情變化的影響。

如圖7所示，JZ9-3海域近十年冬季平均氣溫變化范圍為-4.7～-2.4 ℃。2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年平均氣溫低至-4 ℃以下；2015—2016年、2019—2020年兩年高于平均溫度-3.0 ℃，分別為-2.6 ℃和-2.4 ℃。通過圖4～圖7對比歷年冰情情況，發(fā)現(xiàn)氣溫對海域結(jié)冰有明顯影響。平均氣溫低于-4 ℃時，該年海域覆冰量大，冰厚大，冰情較嚴(yán)重；反之，平均氣溫高于冬季氣溫平均值-3 ℃時，冰情會相對較輕。

圖7 歷年平均氣溫變化圖

2.5 實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)的對比分析

中國海洋石油總公司發(fā)布的《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》中對于冰日、冰期、冰厚、覆蓋率以及氣溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行了充分調(diào)研和準(zhǔn)確調(diào)查，本文將近十年JZ9-3海域的冰情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果分別與標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

其中初冰日、盛冰日整體推遲，最早融冰日和最晚融冰日小幅推遲，但平均融冰日提前，終冰日整體提前，說明整體冰期縮短，見表5。初冰期整體增長，盛冰期和總冰期整體縮短，但有效冰期增長，說明冰情整體減弱，但海冰存留時間加長，見表6。單層冰厚度降低，說明冰情減弱，海冰危害也相應(yīng)降低，見表7。盛冰期最大覆蓋率增大，盛冰期最小覆蓋率減小，盛冰期平均覆蓋率小幅減小，說明僅憑海冰覆蓋率并不能確定冰情的嚴(yán)重情況，見表8。冰期平均氣溫整體升高，也驗(yàn)證了冰情減弱與氣溫升高呈正相關(guān)，見表9。

表5 冰日對比情況 月-日

表6 冰期對比情況 d

表7 單層冰厚對比情況 cm

表8 盛冰期覆蓋率對比情況 %

表9 冰期平均氣溫對比情況 ℃

3 結(jié) 論

本文基于海冰管理項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的海冰監(jiān)測系統(tǒng)，將近十年來監(jiān)測到的JZ9-3海域的冰期、冰厚、覆冰量等海冰情況數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，并結(jié)合國家海洋局冰情劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析了歷年冰情情況及冰年等級。統(tǒng)計(jì)分析了近十年氣溫的變化情況，對照歷年冰情數(shù)據(jù)，分析了氣溫對冰情的影響規(guī)律，獲得如下結(jié)論：

(1)統(tǒng)計(jì)近十年JZ9-3海域海冰總冰期與有效冰期時長發(fā)現(xiàn)：總冰期和有效冰期均總體呈縮短趨勢，但有效冰期近四年有所回升。

(2)分析歷年冰厚數(shù)據(jù)得出：2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018年四年屬于偏輕冰年，其余各年屬于輕冰年。近十年冰厚整體呈下降趨勢，最大冰厚波動較大，平均冰厚變化趨勢較為平緩。

(3)分析歷年海冰最大覆蓋率與盛冰期平均覆蓋率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：冬季最嚴(yán)峻時基本可達(dá)到全面覆冰，盛冰期平均覆冰量多在7成及以上。近十年海冰覆蓋率整體呈下降趨勢，近兩年覆冰程度較輕。

(4)分析歷年氣溫變化情況并與歷年冰情情況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)平均氣溫低于-3 ℃時，該年冰情較嚴(yán)重，反之結(jié)冰較輕。近十年海域內(nèi)平均氣溫整體呈上升趨勢，冰情則逐漸減輕，故氣溫對冰情有很大影響。

本文通過對近十年渤海遼東灣JZ9-3海域現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了近十年該海域的冰期、冰厚、覆冰量及氣溫整體變化情況，得出了相應(yīng)的變化規(guī)律。雖然上述結(jié)論是基于JZ9-3海域的數(shù)據(jù)分析得到的，但有些結(jié)論是可以借鑒或延伸到渤海其他海域的，進(jìn)而為渤海新的海冰相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新與完善提供有效參考。