2021—2022年冬季辽东湾海冰冰情动态和模拟研究

马龙，宋革，邴磊，徐进，曹亮，赵志强，王丽娜

（广东海洋大学船舶与海运学院，广东 湛江 524088；2.烟台海事局，山东 烟台 264000；3.大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116600）

辽东湾是我国海冰灾害最为严重的水域，每年冬季12月至翌年3月都会有不同程度的结冰现象[1,2]，给该水域船舶航行、石油勘探、水产养殖等生产活动带来不同程度的影响[3,4]，因此，有必要开展辽东湾海冰冰情动态和模拟研究。

渤海海冰研究主要涉及海冰面积、冰缘线离岸距离[5]、海冰厚度[6–8]和冰情等级。目前国内相关标准中没有将海冰厚度列为调查要素，海冰面积预测一直是研究的重点。温度被认为是影响海冰发展的重要因素，对日平均温度[9]、多日平均温度[10,1]、积温[11,12]和累积冻冰度日[13]与海冰面积的相关性都作了探讨。研究表明利用一个函数关系对整个冰期进行建模，温度和海冰面积难以有很好的相关性，同样利用一个函数关系也难以对整个渤海海冰的发展进行有效模拟[11]。

研究以2021-2022年度辽东湾冬季海冰为研究对象，以海冰面积和冰缘线离岸距离作为冰情要素，将冰期分为发展期和融冰期，分析气温、积温、累积冻/融冰度日与冰情要素的相关性，模拟建立冰情要素和温度的模拟预测关系。

1 冰情和气温时间序列构建

卫星观测表明2021-2022年辽东湾初冰日为2021年12月17日，终冰日为2022年3月4日，冰期78 天，受云的影响，13 天没有海冰观测信息。参考李彦青等的工作[5]，引入候的概念，以三天为一候，整个冰期共有26 候。对于发展期和融冰期的划分；参考孙静琪等的工作[3]，确定1候-13候为发展期（初冰日-1月24日），14 候-26 候为融冰期（1月25日-终冰日）；营口气象站气温记录显示自2021年12月17日起气温稳定低于-2℃。气温时间序列的建立与候对应，分别为候气温、候积温（从温度稳定低于-2℃至冰期结束）、发展期累积冻冰度日（从温度稳定低于-2℃至发展期结束）和融冰期累积融冰度日（从融冰期至冰期结束）。

图1显示海冰面积和冰缘线离岸距离时间序列具有一致的消长趋势。海冰发展期，海冰面积和冰缘线离岸距离持续扩大，15 候第一次达到极大值；其后辽东湾明显升温，后续出现强冷空气，海冰面积和冰缘线离岸距离在19 候出现一次极低值，21 候出现冬季海冰面积最大值。在融冰期19 候的气温低值和21 候的气温高值与同期冰情的极值有较好地对应，表明可能利用融冰期的候气温对同期冰情进行模拟。

图1 候气温与海冰冰情

根据图2，候积温趋势表现为发展期线性增加，进入融冰期增幅平缓。结合叠加的冰情变化曲线，表明发展期的候积温与冰情变化有较好的相关性；融冰期由于出现气温增高造成冰情呈双峰特征，降低了融冰期候积温与冰情的相关性。

图2 候积温与海冰冰情

实际上，累积冻/融冰度日和候积温都是进行了温度累加，所以发展期累积冻冰度日、融冰期累积融冰度日与海冰冰情的关系与候积温和冰情相关性方面表现类似，文中不再增加图形说明。

2 冰情模拟

目前关于冰情发展的模拟主要是针对海冰面积，本研究将冰缘线离岸距离也列入模拟对象，分别针对海冰发展期和融冰期探讨冰情要素与温度要素的函数关系。结果表明，发展期，采用指数函数的积温、累积冻冰度日与海冰面积和冰缘线离岸距离相关性最高（候积温/海冰面积：y = 625.25e-0.01x（0.8762）；累积冻冰度日/海冰面积：y = 672.03e0.0125x（0.8772）；候积温/冰缘线离岸距离：y = 10.248e-0.005x（0.8463）；累积冻冰度日/ 冰缘线离岸距：y = 10.672e0.0066x（0.8463））。融冰期，采用指数函数都候气温与海冰面积和冰缘线离岸距离相关性最高（候气温/海冰面积：y = -782.71x+3109.8（0.6707）；候气温/冰缘线离岸距离：y = -4.1259x+16.26（0.8001））。

根据模拟结果，发展期积温和累积冰冻度日能够较好地拟合海冰面积变化。庞海洋等[14]对渤海海冰时空变化研究中指出，海冰发展面积与积温在初冰期至盛冰期阶段吻合度较高；同样，苏华[13]也指出海冰面积与累积冻冰度日变化趋势一致，融冰期候气温能够较好地拟合海冰面积变化；左涛等[1]同样指出融冰期气温与海冰日面积具有更好的相关性。

同样地，发展期积温和累积冰冻度日能够较好地拟合冰缘线离岸距离变化，融冰期候气温能够较好地拟合冰缘线离岸距离。

2021—2022，研究获得发展期、融冰期的海冰面积和冰缘线离岸距离与温度的函数关系，有关结论得到前人研究的支持。同时，对于冰情模拟获得了一些新的认识。根据模拟结果，对于发展期冰情的模拟采用指数函数效果更好；此外，研究获得了辽东湾冰缘线离岸距离和温度参数的函数关系，这对于未来渤海海冰研究提供了一个新路线。需要说明的是，受限于数据和研究区，本研究的函数关系和相关结论适用于辽东湾的偏轻冰年。

3 结论

研究关于冰缘线离岸距离的分析和模拟，对于冬季渤海水域的船舶航行安全具有重要意义，未来可以针对港口航道，利用气温观测预测航道的海冰影响。总的来说，关于渤海水域冬季海冰的模拟预测，很难用单一公式模拟整个冰期的冰情；由于辽东湾、渤海湾和莱州湾的地理环境条件的差异，也很难用单一公式模拟整个渤海的冰情；再者，由于每年气象条件不同，冰情发展也不同，用单一公式模拟不同冰情年份，也会造成模拟结果不准确。因此，未来应针对不同冰情年份，分别为辽东湾、渤海湾和莱州湾，建立发展期和融冰期的海冰模拟预测函数。此外，也注意到本研究的融冰期，由于气温的升高和降温造成了冰情的一个低值和一个高值，对于这种情况的模拟预测是比较困难的，只能针对性地根据当前气象资料实况进行短期判断和预测。