基于岸基雷达数据的鲅鱼圈海域冰情基本特征

袁帅，刘永青，刘雪琴，宋丽娜，许宁，史文奇，王旭，陈伟斌

（1.国家海洋环境监测中心海洋动力室，辽宁大连116023；2.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连116319）

基于岸基雷达数据的鲅鱼圈海域冰情基本特征

袁帅1，刘永青1，刘雪琴1，宋丽娜1，许宁1，史文奇1，王旭2，陈伟斌1

（1.国家海洋环境监测中心海洋动力室，辽宁大连116023；2.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连116319）

以2010～2015年的岸基雷达海冰监测数据为基础，简要分析了鲅鱼圈海域的冰期、冰型和冰厚等冰情基本特征。近年来的海冰监测数据表明，鲅鱼圈海域的冰期明显偏短，冰期内不同阶段的冰型变化较明显，鲅鱼圈海域部分时段海冰分布比例变化较大，这主要归因于该区域的海冰运动。针对目前岸基雷达海冰监测的技术发展现状，提出了岸基雷达海冰监测技术研发的主要问题是雷达像元回波值不稳定与海冰实测样本量匮乏。

冰情特征；岸基雷达；海冰监测

我国的海冰灾害具有较强的突发特征，加之冰区海上经济社会活动的日益频繁，海冰对航运交通、渔业生产和海上结构物等都构成了较大的危害并造成了不同程度的损失（李志军等，1991；张方俭等，1994；刘钦政等，2004）。辽东湾作为我国最北的结冰海域，是我国海冰之发源地（唐茂宁等，2015），当冰情严重时，海冰可以封锁沿岸港口、海湾和航道，困住或阻挡进出港的船舶，使正常的港口作业停顿，海上交运中断（季顺迎等，2016）。

目前，我国的海冰灾害监测能力依然薄弱，缺乏先进的海冰监测手段，海冰监测技术相对落后，主要还是依靠岸边海洋观测站、少量的海洋调查船、海监飞机和光学卫星遥感数据进行监测，而光学卫星遥感数据受云雾天气影响严重，无法全天候监测（江崇波等，2013；罗亚威等，2005），而且海冰卫星遥感中，根据海冰的表面特征判断其厚度的方法正处于研究阶段（刘成玉等，2013；谭继强等，2014）。目前商用SAR卫星数据大多依赖国外卫星，价格昂贵，监测成本高，在我国现有条件下开展了一些星载SAR遥感等冰厚反演方法研究（张晰，2011），但现阶段渤海海冰卫星遥感监测主要以光学卫星遥感反演为主，SAR卫星一般用于特殊气象条件下的辅助监测（张娜等，2014；朱海天等，2011）。区别于极区固定冰，渤海海冰具有流动性强、厚度小的特点，不宜在冰面上进行接触式测量（季顺迎等，2011），岸基雷达的非接触式海冰监测在这方面具有一定的优势。Brown（1977）提出了雷达对粗糙表面的反演及其应用，这是根据海冰表面形态来进行雷达海冰分类研究的基本出发点。孙延维等（1992）提出的岸基雷达海冰分类研究方法是国内海冰厚度研究的先例，该研究认为冰表面粗糙度、冰厚以及海况是影响海冰散射的主要因素，并以海冰雷达散射系数为依据，对海冰进行了分类，在此基础上给出了对应海冰类型的厚度值。本文在上述方法的基础上，结合鲅鱼圈多年的岸基雷达海冰监测数据和实测海冰样本，提出了利用不同距离特定冰型样本回波归一化值来提取冰厚的方法，获取了鲅鱼圈附近海域的冰情信息并简要分析了该区域近年来的冰情基本特征。

1 数据来源与处理

数据来源：本文的数据来源主要是鲅鱼圈岸基雷达海冰监测数据，包括岸基雷达图像反演冰情信息和人工海冰监测信息。岸基雷达图像反演冰情信息，主要是根据浮冰表面粗糙程度与灰度值的基本关系进行的冰型提取信息（Shuai Yuan et al，2015）；人工海冰监测信息，主要是对岸边的固定冰进行的人工观测和近岸浮冰的人工比对观测。

数据处理：在特定冰型上释放多个定位跟踪器，跟踪器定时返回该冰型的定位坐标，通过该定位信息在岸基雷达图像上的位置变化来获取其在特定距离上的回波灰度值，将岸基雷达回波灰度值归一化处理后即可得出该冰型在不同波段下的变化情况，根据该回波灰度值（P）提取不同距离上的冰型，进而获取海冰厚度值。归一化处理过程为：式（1）中，Pi为岸基雷达像元灰度值，Pmax为灰度极值，取1 024，P为归一化后的灰度值。

时间长度：数据的时间长度为5个冬季，即2010-2011年、2011-2012年、2012-2013年、2013-2014年和2014-2015年冬季的岸基雷达海冰监测数据。岸基雷达海冰监测的基本区域如图1所示。

图1 岸基雷达海冰监测区域示意图

2 冰情基本特征

以2010～2015年岸基雷达海冰监测数据和现场人工观测数据为基础，鲅鱼圈海域冰情的基本特征主要体现在冰期、冰型、冰量与密集度、冰厚等方面。

2.1 冰期

鲅鱼圈位于辽东湾东北部，距离湾顶约12海里，其冰期长度（初冰日至终冰日）一般比辽东湾的冰期长度略短。辽东湾的冰期长度一般为105～130 d（丁德文等，1999），本文暂取112 d为辽东湾多年来的平均冰期长度，近年来鲅鱼圈海域的冰期长度变化见表1。

近5年来，鲅鱼圈海域2011-2012年冬季的冰期时间最长，为96 d，该年度的冰情等级为3（常冰年）。2014-2015年冬季的冰期时间最短，为74 d，该年度的冰情等级为1.0（轻冰年）。2011-2012年冬季以来，鲅鱼圈海域的冰期有逐年缩短的趋势，即使是冰期最长的年份，其冰期长度仍然比辽东湾多年来的平均冰期长度短了约半个月。

2.2 冰型

浮冰的冰型主要有初生冰（N）、冰皮（R）、尼罗冰（Ni）、莲叶冰（P）、灰冰（G）、灰白冰（Gw）和白冰（W）。将鲅鱼圈海域近几年的海冰监测分为初冰期、盛冰期和终冰期三个时段，分别统计了不同时段内的主要冰型和该冰型的平均分布比例，其统计结果见表2。

表1 鲅鱼圈近年来冰期长度统计表

表2 不同年份主要冰型及其平均分布比例统计表

从表2中可以看出，近几年来的初冰期主要以冰皮为主，其初冰期平均分布比例一般在56%以上，其次为初生冰，其平均分布比例为20%左右；对于盛冰期而言，冰情等级3.0以上时，冰型以灰冰为主，其平均分布比例在40%以上，冰情等级3.0以下时，冰型以尼罗冰为主，其平均分布比例亦在40%以上；终冰期的主要冰型以尼罗冰为主，其平均分布比例约50%，仅在冰情等级为3.5的2012-2013年，终冰期仍以灰冰为主，其平均分布比例约50%。

2.3 冰量与密集度

鲅鱼圈海域海冰监测数据中，冰量和冰密集度是表征海冰分布的重要海冰参数。为了比较近年来的海冰分布状况，根据海冰监测数据中的冰量和密集度（成数），定义海冰分布比例为：冰量（成数）×密集度（成数）/100。以每年度的12月27日为起始日期，次年的3月10日为终止日期，该时段内2010-2015年鲅鱼圈海域的海冰分布比例堆积折线图如下。

图2 海冰分布比例堆积折线图

从图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盖，在该年度的2月3日左右海面浮冰基本消失，之后海冰又逐渐覆盖全部海面，直至2月15日以后，海冰分布比例逐渐减少，直至基本消融。结合其他年度的海冰分布比例来看，不同年度的海冰比例在2月3日和2月14日附近均有一个谷值出现，这说明该时段内这一海域的海冰并未消融，而是大部分海冰都运动出了该区域的海冰监测范围。初冰期和盛冰期的海冰分布比例差异并不大，这说明对于辽东湾浮冰外缘线之内的海域而言，只有在浮冰外缘线基本抵达该海域的终冰期之时，其海冰分布比例才会出现明显变化。

2.4 冰厚

海冰厚度是海冰监测的重要参数，除了现场实地测量的冰厚之外，其他监测手段的冰厚测量或反演数据均有或大或小的误差。岸基雷达海冰监测一般以海冰表面粗糙程度与冰厚（或冰型）的基本关系进行海冰厚度反演（Toyota et al，2011），在排除监测设备硬件差异之外，典型实测海冰数据样本量的大小对岸基雷达海冰监测反演的冰厚具有较大影响。因此，在逐步扩充实测海冰数据样本量和研究岸基雷达海冰反演方法的同时，人工海冰观测数据仍然是岸基雷达海冰监测数据的主要参考和比对。

从近年来鲅鱼圈海域的海冰厚度统计表（表3）中可以看出，初冰期的冰厚一般在5 cm左右，最大冰厚约15 cm，盛冰期的冰厚一般在15 cm左右，最大冰厚约30 cm，终冰期的一般冰厚和最大冰厚均略大于初冰期。

表3 不同年份海冰厚度统计表

3 基本结论

鲅鱼圈海域近年来的海冰监测数据表明，与辽东湾多年来的平均冰期长度相比，该海域的冰期明显偏短。一般来说，常冰年冰期偏短半个月左右，轻冰年冰期偏短约40 d。

鲅鱼圈海域初冰期、盛冰期和终冰期的冰型变化较明显，初冰期主要以冰皮为主，其次为初生冰，盛冰期一般以灰冰为主，终冰期以尼罗冰为主。

初冰期和盛冰期的鲅鱼圈海域海冰分布比例变化不大，终冰期的海冰分布比例变化较大，尤其是一天之内的剧烈变化，主要是由该区域的海冰运动造成的。

4 问题与讨论

（1）岸基雷达回波信号最好的区域被掩盖。岸基雷达海冰监测在恶劣天气条件下具有光学遥感难以企及的优点，且具有全天候监测的高时间分辨率。但是，岸基雷达距离海岸线较远，其回波信号最好的区域（距离雷达辐射器约2海里范围内）却被掩盖了，这是岸基雷达海冰监测的弊端。

（2）岸基雷达海冰监测技术有待进步。多年来的岸基雷达海冰监测表明，磁控管雷达的回波值在像元级别的稳定性有待进一步研究，加之因实测海冰样本数据量的限制，根据海冰表面粗糙程度来反演冰厚的误差较大，而且岸基雷达对于表面光滑的平整冰和水区的区分度也较低，因此实际监测工作中较多的依赖于人工监测。

（3）鲅鱼圈海域冰情基本特征难以反映区域气候变化。鲅鱼圈海域开展了多年的岸基雷达海冰监测和现场海冰监测工作，但对不同的海冰参数而言，其对区域气候变化的响应是有差别的，尤其是浮冰外缘线之内的区域，其海冰面积变化对气候变化的响应并不明显。而海冰厚度的热力增长因为海冰运动导致的南北冰体输运而更加难以界定。

致谢：感谢海冰课题组成员在外业工作和数据处理方面的大力支持。

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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（圆园17）05原园528原04

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.007

2016-06-25；

2016-08-19

国家海洋公益性行业科研专项（201505019；201505005）；国家自然科学基金（41306091；41301583；41306087）；中国博士后面上基金（2014M551115）。

袁帅（1979-），博士研究生，副研究员，主要从事海冰监测与海冰资源利用研究，电子邮箱：syuan@nmemc.org.cn。

刘雪琴，电子邮箱：liuxueqin2009@126.com。

（本文编辑：袁泽轶）