2012—2022年冬季渤海辽东湾JZ9-3海域冰情分析

赵飞达，李泽民，董 睿，宋积文，姜 静，王延林，张大勇

(1. 中海油信息科技有限公司，北京 100027；2. 大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221 )

1 海冰定点监测系统

渤海海域每年12月初开始结冰，翌年2月或3月消冰。经历初冰期、盛冰期及融冰期三个阶段。受气温变化以及水文条件的影响，每年冰期数不等。历年的冰期、冰厚、覆冰量等数据是分析海冰变化情况的重要参考。海冰现场监测具有重要意义，其中海冰要素是描述海冰变化的重要指标。海冰要素监测内容包括：冰厚、冰速、冰密集度、冰类型等[1-5]。

国际上很多早期的冰荷载现场原型测量由于缺少对海冰参数的测量结果，导致很多数据无法解释，给冰荷载的研究工作带来了极大困难。所以采用适合渤海环境且能够实时准确获取海冰要素的方法和设备是十分重要的。此外气象条件是影响冰情变化的重要因素，故现场监测也包括气温、湿度、风速、风向等气象数据的监测。针对上述信息，海冰管理项目组以JZ9-3海域的海洋平台为基础，在现场建立了海冰定点监测系统，并对现场海冰要素监测技术进行研发。

1.1 冰厚、冰速测量原理

项目组选择图像测量法作为测量冰厚的方法，冰与结构作用发生破碎后，破碎的冰块会翻转然后掉落到水中，翻转时候露出的断面可以被摄像机捕获到。利用已知尺寸的物体对摄像头进行标定，摄像机的焦距一定，则可以根据标定物的尺寸以及冰断面像素点的大小来计算冰厚的大小，此方法不但能测量冰厚，同理可以测量冰速。

图像法测量原理见式(1)：

(1)

式中：L为物体的真实长度，m；l为物体通过焦距为f的摄像机投影到图像上的像素长度，m；H为摄像机的透镜与真实物体距离，m；h为成像的距离，m；n为H/h的比例[6]。

在现场图像测量应用中，保持摄像机的焦距不变，用已知长度L的物体对摄像头进行标定，得到式(1)的比例n，则被测物体长度S与其图像上的像素长度s的关系见式(2)：

(2)

被测物体的真实长度S，见式(3)：

S=n×s

(3)

现场实际测量如图1所示，标定物为锥体的防浪孔(如图1(a)中AB所示位置)，孔径为20 cm，其在图像上的像素大小为Dh，图像上的冰断面像素大小为T(如图1(b))，实际冰厚=20×T/Dh。

图1 平台定点观测中的冰厚测量示意图

1.2 海冰密集度测量原理

通过对采集到的图像进行预处理，生成二值图，并进行射影矫正。最后采用最大类别方差法对海冰二值图像中的海冰和海水进行分割处理，从而确定出海冰所占总面积的比例，即海冰密集度。

当从海洋平台上对海冰进行图像或视频拍摄时，图像会因拍摄角度的原因存在一定的射影失真，故需要进行射影校正。此外，针对海冰图像中存在海平面干扰的情况(如图2)，在海冰密集度识别中增加了海平面提取功能，通过定义海天分界线，删除图像上的天空部分，仅对海冰图像进行处理，从而有效地解决将天空误判为海冰的问题。

图2 海冰图像及密集度提取的二值图(密集度测量值为82.7%)

2 渤海历年冰情统计分析

JZ9-3海域位于渤海辽东湾西北部，位于北纬40°左右，每年冬季都有大量流冰生成，所处位置结冰严重，对平台稳定生产与船舶航行造成影响[7]。本文以JZ9-3海域现场监测系统监测到的数据为基础，整理了2012—2022年间的渤海海域冰情变化情况，从冰期时长、冰厚、气温及冰覆盖率等方面进行统计与分析，总结近十年JZ9-3海域的海冰变化情况。

2.1 冰日及冰期数据统计分析

海冰的冰日包括初冰日、盛冰日、融冰日和终冰日，冰期分为初冰期、盛冰期和终冰期。初冰日起到盛冰日止为初冰期，盛冰日起到融冰日止为盛冰期，融冰日起到终冰日止为终冰期。在此期间海冰经历生成-发展-相对稳定-融化消失的过程。

将这十年JZ9-3海域冰日和冰期进行统计分析，统计情况如表1所示。比较发现，初冰期较长，可达50 d左右；盛冰期为一年中冰最严重的时期，时长随各年际冰期不同而变化；终冰期最短，仅5～7 d。受气温、潮汐、风等环境因素影响，海冰经常出现晨时有冰，下午无冰；涨潮有冰，退潮无冰；几天冰重，几天冰轻的情况，这种情况在初冰期与终冰期尤为明显。考虑到此种情况，有效冰期相较于总冰期能更好反映年际海冰情况。

表1 历年冰期统计情况

JZ9-3海域一般于当年12月开始结冰，于翌年2月或3月融冰。从图4可以看出，根据历年冰期严重程度不同，历年冰期在50～90 d不等。近十年来冰期最长年份分别为2012—2013年与2017—2018年，总冰期分别达90 d与88 d，2016—2017年冰期较短，共54 d，其中有效冰期为40 d。近十年总冰期整体呈下降趋势，有效冰期整体逐渐缩短，最近四年有回升的趋势。

图4 历年冰期统计情况

2.2 冰厚数据统计分析

根据国家海洋局冰情划分标准可将渤海海域冰情根据冰厚与范围分为轻冰年、偏轻冰年、常冰年、偏重冰年及重冰年5种类型，如表2所示[8]，冰厚数据是分析历年冰情变化的重要依据之一。

表2 渤海冰情等级标准

《中国海海冰条件及应用规定》提出海冰通常分为固定冰与流冰。固定冰多沿海岸形成，与海岸或海底一起冻结，不随风或流的作用力水平移动。而JZ9-3海域位于渤海湾中，多见流冰，会随海风、海浪、海流作用发生漂移，流冰根据厚度与形状分为初生冰、冰皮、尼罗冰、莲叶冰、灰冰、灰白冰与白冰7种冰型，如表3所示[9-10]。

表3 流冰分类

渤海海域在盛冰期多以尼罗冰、灰冰及灰白冰分布为主。外力作用下，海冰会堆积产生重叠冰与堆积冰，尼罗冰受风浪及外力作用易发生弯曲破碎，并产生“指状”重叠冰，灰冰在受挤压时多发生重叠。据统计，渤海海域历年单层冰厚度最大可达46 cm；重叠冰厚度最大可达787 cm。为了更好评估渤海海域冰情变化情况，本文主要考虑单层冰，将近十年JZ9-3海域海冰平均冰厚与最大冰厚进行统计，如表4所示，绘制成曲线如图5所示。

表4 历年冰厚统计情况 cm

图5 历年最大冰厚与平均冰厚统计图

图5为分析JZ9-3海域历年最大冰厚变化情况，发现近年最大冰厚大体呈下降趋势。自2013年始，历年最大冰厚不超过30 cm，平均最大冰厚均不超过20 cm。2015—2016年、2016—2017年、2018—2019年、2019—2020年四年际最大冰厚分别为15 cm、15 cm、16 cm、14 cm，平均冰厚不超过7.1 cm，可见冰情较轻。根据国家海洋局冰情划分标准，从冰厚数据出发，2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018四年际冰情较其他年际严重，属于偏轻冰年，其余各年际均属于轻冰年。

2.3 海冰覆盖率数据统计分析

据统计，渤海海域盛海冰覆盖率平均可达75.1%，最大可达94.4%。海冰管理项目团队根据不同年份渤海JZ9-3海域覆冰量的差异，将冰量按海冰覆盖海域面积程度划分为1成到10成十个等级，现将历年盛冰期平均海冰覆盖率进行统计分析如下。

如图6所示，近十年JZ9-3海域海冰最大覆盖率多达九成及以上，基本实现JZ9-3海域全面覆冰。盛冰期平均覆盖率多在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达80%以上，对比同年份冰期及冰厚数据，2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年冰情较严重；而近两年JZ9-3海域最大覆盖率不足7成，盛冰期平均覆盖率更低于60%，可见近两年渤海海域覆冰程度较轻。

图6 历年最大覆盖率与盛冰期平均覆盖率统计图

2.4 气温数据统计分析

渤海为典型的季风气候。在冬季主要受亚洲大陆高压活动影响盛行偏北风，伴随寒潮暴发[11]。过冷空气侵袭会导致气温剧烈下降，伴随强风，降雪等天气现象，对海域结冰有重大影响。据统计，在极暖冬季，渤海结冰面积在15%以下；在严寒冬季，覆冰面积可占渤海总面积80%以上。渤海海域一年之中1月气温最低，其次为2月。1月平均气温多在-4.0～-8.0 ℃之间。现场实测JZ9-3海域1月平均气温在-7.0 ℃左右，整个冬季平均气温在-3 ℃左右。依据海冰管理项目团队监测数据，将近十年JZ9-3海域平均气温变化情况进行统计，进而可以分析历年平均气温变化对冰情变化的影响。

如图7所示，JZ9-3海域近十年冬季平均气温变化范围为-4.7～-2.4 ℃。2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年平均气温低至-4 ℃以下；2015—2016年、2019—2020年两年高于平均温度-3.0 ℃，分别为-2.6 ℃和-2.4 ℃。通过图4～图7对比历年冰情情况，发现气温对海域结冰有明显影响。平均气温低于-4 ℃时，该年海域覆冰量大，冰厚大，冰情较严重；反之，平均气温高于冬季气温平均值-3 ℃时，冰情会相对较轻。

图7 历年平均气温变化图

2.5 实测数据与标准中数据的对比分析

中国海洋石油总公司发布的《中国海海冰条件及应用规定》中对于冰日、冰期、冰厚、覆盖率以及气温等数据进行了充分调研和准确调查，本文将近十年JZ9-3海域的冰情数据统计分析的结果分别与标准中的数据进行对比。

其中初冰日、盛冰日整体推迟，最早融冰日和最晚融冰日小幅推迟，但平均融冰日提前，终冰日整体提前，说明整体冰期缩短，见表5。初冰期整体增长，盛冰期和总冰期整体缩短，但有效冰期增长，说明冰情整体减弱，但海冰存留时间加长，见表6。单层冰厚度降低，说明冰情减弱，海冰危害也相应降低，见表7。盛冰期最大覆盖率增大，盛冰期最小覆盖率减小，盛冰期平均覆盖率小幅减小，说明仅凭海冰覆盖率并不能确定冰情的严重情况，见表8。冰期平均气温整体升高，也验证了冰情减弱与气温升高呈正相关，见表9。

表5 冰日对比情况 月-日

表6 冰期对比情况 d

表7 单层冰厚对比情况 cm

表8 盛冰期覆盖率对比情况 %

表9 冰期平均气温对比情况 ℃

3 结 论

本文基于海冰管理项目团队研发的海冰监测系统，将近十年来监测到的JZ9-3海域的冰期、冰厚、覆冰量等海冰情况数据进行了整理分析，并结合国家海洋局冰情划分标准，分析了历年冰情情况及冰年等级。统计分析了近十年气温的变化情况，对照历年冰情数据，分析了气温对冰情的影响规律，获得如下结论：

(1)统计近十年JZ9-3海域海冰总冰期与有效冰期时长发现：总冰期和有效冰期均总体呈缩短趋势，但有效冰期近四年有所回升。

(2)分析历年冰厚数据得出：2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018年四年属于偏轻冰年，其余各年属于轻冰年。近十年冰厚整体呈下降趋势，最大冰厚波动较大，平均冰厚变化趋势较为平缓。

(3)分析历年海冰最大覆盖率与盛冰期平均覆盖率数据发现：冬季最严峻时基本可达到全面覆冰，盛冰期平均覆冰量多在7成及以上。近十年海冰覆盖率整体呈下降趋势，近两年覆冰程度较轻。

(4)分析历年气温变化情况并与历年冰情情况进行对比，发现平均气温低于-3 ℃时，该年冰情较严重，反之结冰较轻。近十年海域内平均气温整体呈上升趋势，冰情则逐渐减轻，故气温对冰情有很大影响。

本文通过对近十年渤海辽东湾JZ9-3海域现场监测数据进行统计分析，总结了近十年该海域的冰期、冰厚、覆冰量及气温整体变化情况，得出了相应的变化规律。虽然上述结论是基于JZ9-3海域的数据分析得到的，但有些结论是可以借鉴或延伸到渤海其他海域的，进而为渤海新的海冰相关标准的更新与完善提供有效参考。