2012—2013年冬季渤海海冰数值预报

赵倩，刘煜，唐茂宁，隋俊鹏

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

1 引言

我国渤海是一个半封闭的内海，每年冬季都有结冰现象，冰期长达3—4个月。随着环渤海经济区的迅速发展，渤海海域的油气开发、航运、渔业等活动日趋活跃，结冰海域陆续建立了许多石油平台和港口，海冰给海洋经济活动和海上及岸边设施带来不同程度的影响。例如1969年冬季，整个渤海几乎完全被封冻，造成石油平台倒塌、轮船损毁、航运中断等严重灾害[1]；2010年冬季，渤黄海海冰灾害对沿海地区社会、经济造成严重影响，因灾直接经济损失达63.18亿元[2]。

经过多年研究，我国海冰数值预报技术不断发展[3-6]。目前国家海洋环境预报中心已投入业务化应用的海冰数值模式有粘-塑性海冰模式、质点-网格海冰模式、弹-粘-塑性海冰模式，正在发展分辨率高、时效长、精度高、产品种类多的海冰数值预报技术。在完成业务化海冰数值预报工作的同时，根据海上安全生产作业的需求，研发了适用于港口及工程作业点的小区域高精度海冰数值模式。

2 2012—2013年冬季渤海冰情概况

2.1 气温概况

2012年12月渤海沿岸整体气温较常年明显偏低，距平为-3.2℃；2013年1月渤海沿岸整体气温较常年偏低，距平为-1.2℃；2013年2月渤海沿岸整体气温较常年偏低，距平为-1.1℃；2013年3月渤海沿岸整体气温较常年偏低，距平为-0.9℃。

2.2 初冰期

2012—2013年冬季初冰日为2012年12月4日，较常年提前。12月6日，卫星遥感监测到辽东湾首次出现大面积浮冰，海冰范围10 n mile。自12月7日发布该年度冬季逐日海冰数值预报。12月8日渤海湾初冰，12月9日莱州湾初冰。12月10日，JZ9-3平台附近海域初冰，较去年初冰日提前5天；JZ20-2平台附近海域初冰，较去年初冰日提前15天。12月下旬冷空气活动频繁，辽东湾冰情发展迅速，12月23日、26日辽东湾海冰范围两次达到41 n mile。12月辽东湾最大海冰范围41 n mile是近十年来同期的次高值，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，辽东湾海冰维持较大范围，冰厚较大，是冰情最严重的时期，该年度辽东湾盛冰期长达52天，较常年偏长。1月16日辽东湾海冰范围达到69 n mile，国家海洋预报台发布辽东湾海冰蓝色警报。1月17日，辽东湾海冰范围62 n mile，莱州湾海冰范围28 n mile，均达到蓝色警报标准。1月下旬，渤海冰情维持稳定，辽东湾海冰范围较大，1月22—27日发布辽东湾海冰蓝色警报。

表1 2012—2013年冬季渤海沿岸各站气温距平（单位/℃）

2月7日受强冷空气影响，辽东湾冰情迅速发展，海冰范围达到77 n mile，较前一日增长20 n mile，国家海洋预报台发布辽东湾海冰黄色警报，启动海冰灾害Ⅲ级应急响应。2月7—22日，辽东湾维持较大海冰范围，发布海冰黄色警报16期。2013年2月8日是该年度辽东湾冰情最严重的一天，海冰范围达到89 n mile，海冰分布面积23041 km2，最大冰厚45 cm。

2.4 融冰期

2013年1月下旬渤海南部气温回升，莱州湾首先进入融冰期；2月中旬渤海湾进入融冰期。2月23日随着辽东湾海域气温持续回升，海冰面积有所减小，辽东湾湾底及东岸海域出现大面积水区，海冰厚度及密集度明显减小，国家海洋预报台将海冰黄色警报降为蓝色，辽东湾进入融冰期。2月25日辽东湾湾底及东岸海域的水区面积进一步增大，海冰密集度不足七成，国家海洋预报台解除辽东湾海冰蓝色警报。

2月下旬至3月上旬前期，辽东湾维持较大海冰范围，3月4日之后海冰融化迅速，3月4日—3月6日短短2天辽东湾海冰范围从40 n mile骤减至19 n mile，3月上旬后期至中旬，伴随气温的稳步回升，辽东湾海冰继续消融，海冰覆盖面积大幅缩减，冰厚和冰密集度持续减小。3月20日整个预报海域全部终冰。

2.5 冰情特点

通过对渤海海冰增长和消融过程以及各海区严重冰期冰情的综合分析，该年度冬季渤海冰情总体上较常年偏重，冰情主要特点如下：

（1）初冰日为2012年12月4日，终冰日为2013年3月20日，冰期长达106天，较常年偏长。

（2）初冰期冰情发展速度快、分布范围广。12月下旬冷空气活动频繁，辽东湾冰情发展迅速，12月辽东湾最大海冰范围是近十年来同期的次高值。

（3）辽东湾冰情较常年偏重，渤海湾、莱州湾冰情接近常年。2013年1月上旬至2月下旬前期，辽东湾海冰维持较大范围，最大冰厚达到45 cm，是冰情最严重的时期，该年度冬季辽东湾盛冰期长达52天，较常年偏长。

（4）辽东湾西岸冰情较常年偏重，东岸冰情较常年偏轻。融冰期辽东湾出现局部差异，辽东湾湾底及东岸海域出现大面积的水区，融化迅速。

2012—2013年冬季辽东湾逐日海冰范围与近三年对比见图1，该年度冰情总体上较2010—2011年和2011—2012年（常冰年，3.0级）偏重，较2009—2010年（偏重冰年，4.0级）偏轻。渤海冰情等级与冬季北极涛动指数存在负相关关系（见图2），2012—2013年冬季，北极涛动指数维持明显的负位相[7]，有利于极地冷空气南下影响欧亚大陆中高纬地区；西伯利亚高压强度呈现前冬强后冬弱的特点，共有10次明显的冷空气活动影响我国，较常年同期略偏多[8]；太阳黑子相对数处于峰值前期[9]；近年来气候变暖引发北极海冰大幅消减[10]，造成欧亚大陆极端冷事件频发[11]，以上几点可能是导致该年度冬季渤海冰情较常年偏重的主要因素。

3 海冰数值预报结果与客观检验

3.1 海冰数值预报

3.1.1 业务化海冰数值预报模式简介

图1 2012—2013年冬季辽东湾逐日海冰范围与近三年对比

图2 渤海冰情等级与冬季北极涛动指数的相关关系

业务化海冰数值模式采用国家海洋环境预报中心根据海冰热力学、动力学和流变学原理，结合渤海的水文、气象和冰情特点[5]，模拟渤海海冰漂移、堆积、增长和消融等过程。2012—2013年冬季的渤海海冰数值预报，首先提取HY-1B和MODIS遥感图像的海冰信息作为数值预报初始场的基础资料，通过人机结合的海冰反演系统，补充海上平台雷达监测、鲅鱼圈和白沙湾雷达监测、海洋站观测及海洋调查等资料，通过多源资料同化分析，得到客观化的冰厚和密集度的数值初始场。将数值天气预报模式与海冰数值模式联接，由气象模式提供风应力、气温、湿度、感热和潜热通量的预报场作为海冰模式的强迫场。建立业务化渤海海冰数值预报系统，数值产品包括：l—5天的冰厚、冰密集度、冰外缘线和冰速等。模式空间分辨率为6.0′×6.0′，经纬度网格，计算范围为 37.0—41.0°N 和117.5—127.0°E之间的渤海和黄海北部海域。

3.1.2 数值预报实例

2012—2013年冬季海冰数值预报实例见图3：a1—a3为2013年2月7日的未来1天、3天、5天的海冰数值预报结果；b1—b3为卫星遥感2013年2月8日、10日、12日的渤海海冰实况图像。数值预报海冰范围、冰厚等要素与海冰实况对比显示，1—5天数值预报结果与实况符合较好。

3.2 海冰数值预报客观检验

3.2.1 客观检验方法

为客观评价海冰数值预报精度，对2012—2013年海冰数值预报结果进行客观检验。检验结果为改进海冰数值模式，完善数值预报初值系统，提高海冰预报精度提供科学依据。数值预报结果的检验内容包括冰厚均方根误差、海冰外缘线平均误差、冰厚和冰外缘线的预报保证率。

图3 2012—2013年冬季渤海海冰数值预报实例

表2 2012—2013年冬季1—5天海冰数值预报客观检验结果

表3 2012—2013年冬季JZ9-3和JZ20-2平台1—5天冰厚预报平均误差（单位/cm）

（1）冰厚均方根误差（RMSE）

式（1）中，N为海冰覆盖格点总数，HOij和HFij分别表示冰厚的观测和预报值，其中冰厚的观测值采用的是辽东湾JZ9-3和JZ20-2平台的现场观测数据。

（2）海冰外缘线平均误差（ME）

式（2）中，NE表示冰-水边界的格点总数，d为计算格点的面积平方根。

（3）冰厚、冰外缘线预报保证率GR(η)

式（3）中，Fc为预报误差标准，其中，冰厚RMSE的Fc=5 cm；冰外缘线ME的Fc=5 n mile（9.3 km），如果预报误差小于等于预报误差标准，即F≤Fc，即认为预报结果满足预报标准，于是定义预报保证率为：

式（4）中，N为预报个例总数，即样本数。

3.2.2 客观检验结果

应用上述客观检验方法，对2012—2013年冬季海冰数值预报结果进行检验。不同预报时效海冰数值预报客观检验结果见表2，JZ9-3和JZ20-2平台的冰厚预报检验结果见表3。结果表明，2012—2013年冬季客观检验3天的冰外缘线预报误差小于等于9.3 km和冰厚预报误差小于等于5 cm的预报保证率分别为73.1%和71.0%，满足海冰业务化预报的精度指标；JZ9-3和JZ20-2平台5天的冰厚预报误差分别为3.21 cm和3.35 cm，预报结果与现场海冰实况符合较好。

2012—2013年冬季逐日海冰数值预报在不同预报时效的冰厚误差和冰外缘线误差见图4—5。各预报时效冰外缘线误差的逐日演变曲线表明，盛冰期的冰外缘线预报结果与海冰实况符合较好，预报误差较小；初冰期和融冰期尤其是冰情转折期的冰外缘线预报误差较大。主要原因是在冰情转折期，海洋、大气的动力和热力共同作用下，冰水交界线位置变动频繁[12]，准确预报海冰外缘线存在难度。各预报时效冰厚误差的逐日演变曲线表明，冰厚预报误差随着预报时效的延长而增加，24—72 h冰厚预报结果与海冰实况符合较好，预报误差较小；96—120 h冰厚预报误差较大。

4 小区域高精度海冰数值模式

为了进一步防止和减轻海冰灾害，保障冬季渤海海上安全生产，需要精确预报工程作业点及邻近海域的海冰厚度、冰密集度、冰速以及危险冰块的漂移轨迹。由于中尺度海冰预报模式分辨率较低，难以满足其精度要求，当前急需开发适用于港口及工程作业点的小区域高精度海冰数值预报模型，以满足海上安全生产作业的需求。根据工程作业点小区域冰情预报特点，通过对不同海冰模式的分析比较，确定利用较为成熟的弹-粘-塑性海冰模式[13]对工程作业点区域海冰进行数值模拟。该预报模式主要有以下特点：

图4 2012—2013年冬季逐日24—120 h冰外缘线预报误差（单位/km）

图5 2012—2013年冬季逐日24—120 h冰厚预报误差（单位/cm）

图6 JZ9-3、JZ20-2平台附近海域海冰数值预报（2013/02/08）

（1）考虑了海冰的弹性作用。因为对于小尺度海冰，弹性效应较为明显，应充分考虑海冰在小应变和小应变率条件下的弹性力学行为[14]，以提高海冰动力学的计算精度；

（2）对短时间的变化反映更为迅速和准确；

（3）分辨率较高，能更为准确地预报工程作业点区域海冰环境参数；

（4）利用嵌套技术解决小区域模式开边界问题；

（5）利用拉格朗日-欧拉方法，建立了二阶精度的冰块漂移路径模式；

小区域高精度海冰数值预报实例见图6，模式空间分辨率为0.01˚×0.01˚，经纬度网格，模拟区域为JZ9-3、JZ20-2平台附近海域（40.4°—40.9°N，121.2°—121.7°E）。

5 结语

通过对渤海海冰增长和消融过程以及各海区严重冰期冰情的综合分析，2012—2013年冬季冰情总体上较常年偏重。冰情的主要特点是：冰期106天，较常年偏长；初冰期冰情发展速度快、分布范围广；盛冰期辽东湾冰情较常年偏重，维持较大海冰范围和冰厚；融冰期辽东湾出现局部差异，辽东湾湾底及东岸海域出现大面积水区，融化迅速；渤海湾、莱州湾冰情接近常年。

该年度冬季自2012年12月7日—2013年3月12日，共发布逐日渤海海冰数值预报96期。1—5天的海冰数值预报结果与海冰实况符合较好，冰厚和冰外缘线的预报保证率均满足海冰业务化预报的精度指标。

针对海上生产需求研发的小区域高精度海冰数值模式预报结果合理，对工程作业区域具有较好的预报能力，对保障冬季海上生产安全发挥了积极作用。

通过对预报产品的客观检验，我们总结了目前业务化运行模式存在的不足和亟需解决的主要问题。如在延长报预报时效的同时保证预报准确率的问题，其关键在于发展制约着海冰预报精度的海面气象要素场（风、温、湿）的精确预报和应用。另外，目前海冰数值预报冰厚和密集度初始场主要通过卫星遥感反演获取，由于海洋观测资料逐年增加，岸站监测、平台监测、雷达监测、现场调查等数据越来越丰富，同化技术的发展是有效利用多种实测数据、提高海冰初始场准确性的前提。随着卫星监测数据的日益丰富，多源卫星海冰数据的融合分析也是我们需要解决的问题之一。

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