張樹德 蘭志剛

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

受西伯利亞冷空氣影響，我國渤海特別是遼東灣海域，每年冬季都會(huì)覆蓋大量的海冰。海冰是影響該海域油氣開發(fā)安全的主要海洋環(huán)境條件，給該海域的油氣田開發(fā)、油氣生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)帶來挑戰(zhàn)，并對(duì)海上工程結(jié)構(gòu)設(shè)施造成威脅和影響。渤海海域曾出現(xiàn)過因海冰作用導(dǎo)致平臺(tái)被推倒、冰激振動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)生產(chǎn)管線斷裂、嚴(yán)重冰封導(dǎo)致船只受阻、航運(yùn)中斷等災(zāi)害性事件。因此，全面了解和掌握海冰冰情數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握該海域工程海冰環(huán)境條件，對(duì)于確保冰區(qū)油氣田開發(fā)建設(shè)和安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

衛(wèi)星遙感和航空遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了大尺度空間的同步海冰觀測，以遙感圖像反演冰型、冰密集度、冰厚等海冰要素[1-3]，已成為海冰要素測量特別是獲取大區(qū)域海冰特征參數(shù)的有效技術(shù)手段[4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者還利用中分辨率成像光譜儀Modis獲取的衛(wèi)星遙感影像，對(duì)渤海海冰的面積及凍結(jié)和融化過程進(jìn)行了分析[5]；利用專題成像儀TM遙感資料測得的海冰面積來訂正從其他遙感資料中提取的海冰面積，并提出了相應(yīng)的訂正模型[6]；利用反射率反演冰厚，并將反演結(jié)果與朱波夫模型進(jìn)行了對(duì)比，比較結(jié)果顯示2種數(shù)據(jù)相關(guān)性好，一致性較高[7]。這些研究成果均為有效利用衛(wèi)星遙感資料開展工程海冰應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了全面了解遼東灣冰情和海冰的時(shí)空分布，本文根據(jù)歷史海冰衛(wèi)星遙感云圖、海洋站多年海冰觀測資料以及氣象站多年氣溫觀測資料，結(jié)合圖像處理技術(shù)，對(duì)遼東灣海冰參數(shù)進(jìn)行了反演計(jì)算，并結(jié)合負(fù)積溫計(jì)算冰厚方法對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了修正，最終利用極值分布函數(shù)分析給出不同重現(xiàn)期、不同厚度流冰的空間分布，可以為該地區(qū)海洋工程抗冰設(shè)計(jì)、冰區(qū)冬季安全生產(chǎn)決策以及海上航運(yùn)等提供重要參考。

1 遼東灣海冰概況

本文的研究區(qū)域范圍為海岸交點(diǎn)A(119°E，39°12′N)與坐標(biāo)點(diǎn)B(121°6′E,38°55′N)旅大連線和河北省、遼寧及遼東半島所圍成的海域，即圖1中AB連線以北的遼東灣海域。

遼東灣是渤海冰期最長、冰情最重的海域[8]，每年11月下旬至12月上旬，由北向南先從近岸淺水區(qū)開始結(jié)冰，1月中、下旬至2月上、中旬為盛冰期，2月下旬至3月中旬海冰由南往北逐漸消融，冰期為3～4個(gè)月。遼東灣冬季受偏北風(fēng)或西南風(fēng)控制，其潮流特征為右旋潮流系統(tǒng)，且存在順時(shí)針沿岸流。上述因素的綜合作用導(dǎo)致遼東灣東部海域的冰情通常較西部海域嚴(yán)重。由于浮冰大多被積壓到遼東灣東北部一帶海域，并沿東岸南下，除遼東灣北部沿岸及淺水區(qū)之外，西部沿岸海域很少見到大面積的浮冰。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 The target sea area in this paper

輕冰年冰情最嚴(yán)重時(shí)，遼東灣流冰最大外緣線距遼東灣頂北部海岸約45～65 km。一般冰厚為5～15 cm，最大重疊冰為20～30 cm。 常冰年冰情最嚴(yán)重時(shí)，遼東灣流冰最大范圍在135～165 km，其中北部區(qū)域自12月下旬至1月末為盛冰期，一般冰厚為25～30 cm，最大重疊冰厚可達(dá)45 cm；中部區(qū)域自1月中下旬至2月上旬為盛冰期，該區(qū)域的海冰主要是鄰近海域凍結(jié)和東北部沿岸海域凍結(jié)冰破碎后，隨落潮流及北風(fēng)作用下漂流而致的浮冰和本海域凍結(jié)的冰組成，一般冰厚為20～25 cm，最大重疊冰厚為35 cm，冰量多在70%～90%;南部區(qū)域自2月下旬至3月上旬是盛冰期，冰情較輕，主要來自北部及東北部海域隨落潮流和偏北大風(fēng)共同作用下的南下的浮冰，一般冰厚多為8～15 cm，局部最大重疊冰厚可達(dá)30 cm,冰量40%～70%。在常冰年冰情最嚴(yán)重時(shí)，東、西部近岸海區(qū)流冰外緣線距岸約20～40 km。

重冰年渤海大部分海域幾乎被浮冰覆蓋。通常，遼東灣北部冰厚一般為25～45 cm，最大重疊冰厚一般為60～100 cm；遼東灣東岸附近海域冰厚一般為20～35 cm，最大重疊冰厚一般為60～80 cm；遼東灣西岸附近海域冰厚一般為20～30 cm，最大重疊冰厚一般為50～60 cm；遼東灣中部冰厚一般為25～35 cm，最大重疊冰厚一般為45～60 cm；遼東灣南部灣口冰厚為5～15 cm，重疊冰厚一般為15～30 cm。不同冰情等級(jí)下的遼東灣冰厚和冰范圍分布見表1。

表1 不同冰情等級(jí)下的遼東灣冰厚和冰范圍分布Table 1 Ice thickness and coverage of Liaodong Bay under various sea ice grades

2 海冰衛(wèi)星遙感資料收集及冰厚、密集度反演

2.1 海冰參數(shù)估算的基本原理

研究表明，海冰、海水和其他地物之間的光譜特征有明顯差異，根據(jù)這一差異，可以利用統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法判別海冰邊緣。對(duì)渤海海冰的反射光譜研究表明，反照率與冰厚之間有一定相關(guān)性，反射光譜的主反射峰與冰厚有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。各種海冰的可見近紅外實(shí)測反射波譜也表明,海冰的反照率遠(yuǎn)高于海水的反照率,兩者有很大的差異,由此可以利用遙感圖像像元灰階差異來判定海冰和海水,并由此可以確定海冰邊界、海冰范圍和海冰密集度[10]。

本文選取1989—2005年各年度在嚴(yán)重冰期期間冰情最嚴(yán)重、范圍最大時(shí)，質(zhì)量較好的歷年海冰衛(wèi)星遙感圖像，整理成圖像年序列以進(jìn)行海水厚度和密集度的反演以及年最大海冰范圍的計(jì)算。

2.2 負(fù)積溫冰厚計(jì)算方法

遼東灣沿岸、海上海冰觀測資料極為匱乏，給衛(wèi)星云圖冰厚的反演工作帶來較大的困難。因此，采用負(fù)積溫計(jì)算冰厚的經(jīng)驗(yàn)方法，作為衛(wèi)星云圖反演冰厚資料的補(bǔ)充，并對(duì)海冰衛(wèi)星云圖冰厚反演結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。負(fù)積溫計(jì)算冰厚公式為[11]

(1)

式(1)中:H0為實(shí)測的初始冰厚，m；L0為初始實(shí)測冰厚H0處的離岸距離，m；h0為初始實(shí)測水深，m；T0j為初始實(shí)測空氣溫度，℃；W0j為初始表層海水溫度，℃；H、L、h分別為計(jì)算點(diǎn)冰厚、離岸距離和水深，m；Ti和Wi分別為計(jì)算點(diǎn)處空氣溫度和表層海水溫度，℃；n、m分別為取樣點(diǎn)數(shù)。

忽略水溫的影響，冰厚計(jì)算公式可以簡化為[11]

(2)

式(2)中:α為海冰增長系數(shù)，由觀測點(diǎn)實(shí)測冰厚及空氣與表層海水溫差的累加求得。

由于海上及沿岸海域海冰觀測資料十分匱乏，不足以用于對(duì)近30年遼東灣的冰情變化進(jìn)行分析。因此,收集了遼東灣沿岸錦州、營口、綏中、秦皇島和大連等5個(gè)氣象臺(tái)站1975—2004年共30年冬季氣溫資料,首先計(jì)算出每日的平均氣溫，然后將小于-2 ℃的日均氣溫進(jìn)行累加，并由此統(tǒng)計(jì)出上述5個(gè)臺(tái)站歷年年度最大負(fù)積溫序列(圖2)。

圖2 渤海5個(gè)區(qū)域1975—2004年冬季最大負(fù)積溫序列Fig.2 Maximum negative accumulated temperature series in five regions of Bohai sea from 1975 to 2004

圖3為錦州9-3海域負(fù)積溫計(jì)算冰厚和實(shí)測(目測)冰厚的對(duì)比，雖然僅有1998—1999至2004—2005年度的短序列實(shí)測數(shù)據(jù)，但可以看出兩者有較好的一致性,表明負(fù)積溫計(jì)算冰厚的方法可行，負(fù)積溫冰厚可以作為確測年份的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星遙感測得的冰厚數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖3 渤海錦州9-3海域目測最大冰厚及負(fù)積溫計(jì)算最大冰厚對(duì)比Fig.3 Comparison of maximum ice thickness calculated by negative accumulated temperature and those from eye-measurement in JZ9-3 area of Bohai sea

2.3 利用衛(wèi)星云圖反演冰厚、冰密集度和海冰范圍

海冰光學(xué)性質(zhì)的理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測表明，在一定的厚度范圍內(nèi)，海冰的反照率隨冰厚的增加而增加，并遵循以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[12]：

α(X)=αmax(1-ke-μX)

(3)

式(3)中：X為冰厚，cm；α(X)為厚度為X的海冰對(duì)太陽光輻射譜段的反照率；αmax是當(dāng)冰厚為無窮大時(shí)對(duì)應(yīng)的反照率(取值為0.556)；μ為反照率衰減系數(shù)(取值為1.209)；k為相關(guān)系數(shù)，k=1-αsea/αmax，其中αsea為海水反照率，取值為0.06[12]。

為得到不同重現(xiàn)期的冰厚數(shù)據(jù)，選取遼東灣海域1988—2006年度在嚴(yán)重冰期期間冰情較重、范圍最大時(shí)的質(zhì)量較好的衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行冰厚反演。首先,應(yīng)用GIS地理信息系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行地理定標(biāo)，得到包含地理信息的海冰圖像;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合負(fù)積溫計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合冰厚反演計(jì)算，并利用該計(jì)算冰厚值對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行修正。將衛(wèi)星遙感圖像反演冰厚值與對(duì)應(yīng)的負(fù)積溫冰厚計(jì)算值比較，可以得出兩者符合以下關(guān)系：

y=1.05x-3.31

(4)

式(4)中：x為衛(wèi)星遙感圖像反演冰厚值，cm；y為負(fù)積溫計(jì)算冰厚值，cm。表2中的數(shù)據(jù)是負(fù)積溫計(jì)算的冰厚以及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星遙感圖像反演的冰厚數(shù)據(jù)。圖4為該兩組數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，從圖4上可以看出，兩者相關(guān)性R2達(dá)0.66，具有較好的一致性。

表2 1988—1989至2004—2005年間負(fù)積溫計(jì)算的遼東灣海域冰厚以及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星遙感圖像反演的冰厚Table 2 Ice thickness calculated by negative accumulated temperature and those inversed from satellite remote sensing images of Liaodong Bay from 1988—1989 to 2004—2005

圖4 1988—1989至2004—2005年間遼東灣海域衛(wèi)星遙感圖像反演冰厚值與對(duì)應(yīng)的負(fù)積溫冰厚計(jì)算值的比較Fig.4 Comparison of ice thickness inversed from satellite remote sensing images with those inversed from negative accumulated temperature of Liaodong Bay from 1988—1989 to 2004—2005

將衛(wèi)星遙感圖像換成0～255灰度值，根據(jù)海冰和海水反照率差異，選擇代表海水和各類冰型的灰階峰之間的灰階谷值作為區(qū)分海冰與海水的灰階閾值，并以此確定冰水邊界，繼而計(jì)算海冰密集度，具體反演算法為[10]

(5)

式(5)中:NIce為研究區(qū)域冰像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)；NAll為研究區(qū)域所有像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。而對(duì)于冰水混合區(qū)域，其反照率將位于海冰特征反照率和海水特征反照率之間，因此將采用以下方法計(jì)算該像元的海冰密集度[10]：

(6)

式(6)中：C為冰水混合像元的海冰密集度；A為冰水混合像元的綜合反照率；Aw為冰水混合像元中海水的反照率；Ai為冰水混合像元中海冰的反照率。

圖5是2005年2月25日遼東灣的衛(wèi)星圖像以及利用式(1)～(6)反演方法給出的遼東灣海冰冰厚和海冰冰密集度分布。

從海冰遙感圖像上可以直接算出遼東灣灣底沿灣中軸線到海冰外緣線的距離，給出海冰范圍值，由此得到1988—2006年遼東灣最大海冰范圍年變化曲線(圖6)，其中最大海冰范圍約210 km，發(fā)生在2001年；最小海冰范圍約75 km，發(fā)生在1995年。

圖5 2005年2月25日遼東灣海域海冰衛(wèi)星云圖及其反演結(jié)果Fig.5 Sea-ice satellite image and its inversed results for Liaodong Bay on 2005-02-25

圖6 由衛(wèi)星遙感圖片獲得的1988—2006年遼東灣最大海冰范圍變化曲線Fig.6 Variation of maximum sea ice range in Liaodong Bay obtained from satellite remote sensing images from 1988 to 2006

2.4 流冰冰厚的重現(xiàn)期計(jì)算

選取從1988年至2006年的每年海冰圖像處理資料,在歷年各年度流冰最大冰范圍時(shí)的海冰衛(wèi)星云圖反演基礎(chǔ)之上以2′×2′網(wǎng)格劃分遼東灣海域，采用龔貝爾法進(jìn)行冰厚的多年一遇重現(xiàn)期計(jì)算，由此得出遼東灣海域不同重現(xiàn)期的海冰冰厚分布(圖7)。

圖7 龔貝爾法計(jì)算出的不同重現(xiàn)期遼東灣冰厚極值分布Fig.7 Calculated extreme value of sea-ice thickness of Liaodong Bay with various return periods by Gumber method

從上述計(jì)算結(jié)果來看，灤河口南至芷錨灣沿岸海冰密集度為70%～80%，5年一遇的冰厚約為15 cm,10年一遇的冰厚為20～25 cm,25年一遇的冰厚為30～35 cm；芷錨灣至葫蘆島沿岸海冰密集度約為70%，5年一遇的冰厚約為25 cm,10年一遇的冰厚為30～35 cm,25年一遇的冰厚為40～45 cm；葫蘆島至營口沿岸海冰密集度在70%～80%，5年一遇的冰厚為30～35 cm,10年一遇的冰厚約為35 cm,25年一遇的冰厚為45～50 cm。營口至太平角沿岸海冰密集度約為90%，5年一遇的冰厚為30～35 cm,10年一遇的冰厚為35～40 cm,25年一遇的冰厚為45～50 cm；太平角至長興島沿岸密集度約為90%，5年一遇的冰厚約為35 cm,10年一遇的冰厚為40～45 cm,25年一遇的冰厚約為55 cm；長興島至旅大沿岸海冰密集度約在90%，5年一遇的冰厚為17～20 cm,10年一遇的冰厚為20～25 cm,25年一遇的冰厚為27～40 cm。

分析認(rèn)為，由于遼東灣受潮汐右旋、沿岸流和偏北風(fēng)共同作用的影響，遼東灣海面上的浮冰會(huì)不斷地向東岸和東南部海區(qū)堆積,造成很大一部分流冰集中在中東部和東南部，因此與遼東灣其他水域相比，該水域冰厚和冰密集度明顯加大。另外,黃海暖流余脈經(jīng)過渤海海峽北部進(jìn)入渤海后,首先向遼東灣西岸流去,使西部水溫較東部水溫高,這也是造成東部冰情重于西部的原因之一。從圖5和圖7可以看出，本研究反演結(jié)果也很好地反映出了遼東灣海冰的這一規(guī)律性分布特征。

3 結(jié)論

本文采用衛(wèi)星圖像反演技術(shù)，利用多年的海冰衛(wèi)星遙感云圖并結(jié)合實(shí)測冰厚資料對(duì)遼東灣海冰厚度、海冰密集度和海冰范圍進(jìn)行了反演，并與負(fù)積溫方法計(jì)算出的冰厚進(jìn)行了比較，兩者具有較好的一致性。同時(shí)將遼東灣以2′×2′網(wǎng)格劃分，由概率極值分布函數(shù)推算出遼東灣每個(gè)格點(diǎn)的5、10、15、20和25年一遇海冰冰厚分布。從冰厚和密集度反演結(jié)果可以看出,遼東灣海冰北部較南部嚴(yán)重,東岸較西岸嚴(yán)重,這與遼東灣海冰在空間上的實(shí)際分布特征相一致。因此，利用衛(wèi)星遙感圖像可以較準(zhǔn)確地對(duì)遼東灣海域海冰范圍、海冰厚度、海冰密集度等參數(shù)進(jìn)行反演，并有效得出遼東灣海冰參數(shù)的空間分布特征，相關(guān)的計(jì)算結(jié)果可以為遼東灣海洋工程抗冰設(shè)計(jì)、冰區(qū)冬季安全生產(chǎn)決策以及海上航運(yùn)等提供重要參考。