趙飛達，李澤民，董 睿，宋積文，姜 靜，王延林，張大勇

(1. 中海油信息科技有限公司，北京 100027；2. 大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221 )

1 海冰定點監(jiān)測系統(tǒng)

渤海海域每年12月初開始結冰，翌年2月或3月消冰。經歷初冰期、盛冰期及融冰期三個階段。受氣溫變化以及水文條件的影響，每年冰期數不等。歷年的冰期、冰厚、覆冰量等數據是分析海冰變化情況的重要參考。海冰現場監(jiān)測具有重要意義，其中海冰要素是描述海冰變化的重要指標。海冰要素監(jiān)測內容包括：冰厚、冰速、冰密集度、冰類型等[1-5]。

國際上很多早期的冰荷載現場原型測量由于缺少對海冰參數的測量結果，導致很多數據無法解釋，給冰荷載的研究工作帶來了極大困難。所以采用適合渤海環(huán)境且能夠實時準確獲取海冰要素的方法和設備是十分重要的。此外氣象條件是影響冰情變化的重要因素，故現場監(jiān)測也包括氣溫、濕度、風速、風向等氣象數據的監(jiān)測。針對上述信息，海冰管理項目組以JZ9-3海域的海洋平臺為基礎，在現場建立了海冰定點監(jiān)測系統(tǒng)，并對現場海冰要素監(jiān)測技術進行研發(fā)。

1.1 冰厚、冰速測量原理

項目組選擇圖像測量法作為測量冰厚的方法，冰與結構作用發(fā)生破碎后，破碎的冰塊會翻轉然后掉落到水中，翻轉時候露出的斷面可以被攝像機捕獲到。利用已知尺寸的物體對攝像頭進行標定，攝像機的焦距一定，則可以根據標定物的尺寸以及冰斷面像素點的大小來計算冰厚的大小，此方法不但能測量冰厚，同理可以測量冰速。

圖像法測量原理見式(1)：

(1)

式中：L為物體的真實長度，m；l為物體通過焦距為f的攝像機投影到圖像上的像素長度，m；H為攝像機的透鏡與真實物體距離，m；h為成像的距離，m；n為H/h的比例[6]。

在現場圖像測量應用中，保持攝像機的焦距不變，用已知長度L的物體對攝像頭進行標定，得到式(1)的比例n，則被測物體長度S與其圖像上的像素長度s的關系見式(2)：

(2)

被測物體的真實長度S，見式(3)：

S=n×s

(3)

現場實際測量如圖1所示，標定物為錐體的防浪孔(如圖1(a)中AB所示位置)，孔徑為20 cm，其在圖像上的像素大小為Dh，圖像上的冰斷面像素大小為T(如圖1(b))，實際冰厚=20×T/Dh。

圖1 平臺定點觀測中的冰厚測量示意圖

1.2 海冰密集度測量原理

通過對采集到的圖像進行預處理，生成二值圖，并進行射影矯正。最后采用最大類別方差法對海冰二值圖像中的海冰和海水進行分割處理，從而確定出海冰所占總面積的比例，即海冰密集度。

當從海洋平臺上對海冰進行圖像或視頻拍攝時，圖像會因拍攝角度的原因存在一定的射影失真，故需要進行射影校正。此外，針對海冰圖像中存在海平面干擾的情況(如圖2)，在海冰密集度識別中增加了海平面提取功能，通過定義海天分界線，刪除圖像上的天空部分，僅對海冰圖像進行處理，從而有效地解決將天空誤判為海冰的問題。

圖2 海冰圖像及密集度提取的二值圖(密集度測量值為82.7%)

2 渤海歷年冰情統(tǒng)計分析

JZ9-3海域位于渤海遼東灣西北部，位于北緯40°左右，每年冬季都有大量流冰生成，所處位置結冰嚴重，對平臺穩(wěn)定生產與船舶航行造成影響[7]。本文以JZ9-3海域現場監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數據為基礎，整理了2012—2022年間的渤海海域冰情變化情況，從冰期時長、冰厚、氣溫及冰覆蓋率等方面進行統(tǒng)計與分析，總結近十年JZ9-3海域的海冰變化情況。

2.1 冰日及冰期數據統(tǒng)計分析

海冰的冰日包括初冰日、盛冰日、融冰日和終冰日，冰期分為初冰期、盛冰期和終冰期。初冰日起到盛冰日止為初冰期，盛冰日起到融冰日止為盛冰期，融冰日起到終冰日止為終冰期。在此期間海冰經歷生成-發(fā)展-相對穩(wěn)定-融化消失的過程。

將這十年JZ9-3海域冰日和冰期進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計情況如表1所示。比較發(fā)現，初冰期較長，可達50 d左右；盛冰期為一年中冰最嚴重的時期，時長隨各年際冰期不同而變化；終冰期最短，僅5～7 d。受氣溫、潮汐、風等環(huán)境因素影響，海冰經常出現晨時有冰，下午無冰；漲潮有冰，退潮無冰；幾天冰重，幾天冰輕的情況，這種情況在初冰期與終冰期尤為明顯。考慮到此種情況，有效冰期相較于總冰期能更好反映年際海冰情況。

表1 歷年冰期統(tǒng)計情況

JZ9-3海域一般于當年12月開始結冰，于翌年2月或3月融冰。從圖4可以看出，根據歷年冰期嚴重程度不同，歷年冰期在50～90 d不等。近十年來冰期最長年份分別為2012—2013年與2017—2018年，總冰期分別達90 d與88 d，2016—2017年冰期較短，共54 d，其中有效冰期為40 d。近十年總冰期整體呈下降趨勢，有效冰期整體逐漸縮短，最近四年有回升的趨勢。

圖4 歷年冰期統(tǒng)計情況

2.2 冰厚數據統(tǒng)計分析

根據國家海洋局冰情劃分標準可將渤海海域冰情根據冰厚與范圍分為輕冰年、偏輕冰年、常冰年、偏重冰年及重冰年5種類型，如表2所示[8]，冰厚數據是分析歷年冰情變化的重要依據之一。

表2 渤海冰情等級標準

《中國海海冰條件及應用規(guī)定》提出海冰通常分為固定冰與流冰。固定冰多沿海岸形成，與海岸或海底一起凍結，不隨風或流的作用力水平移動。而JZ9-3海域位于渤海灣中，多見流冰，會隨海風、海浪、海流作用發(fā)生漂移，流冰根據厚度與形狀分為初生冰、冰皮、尼羅冰、蓮葉冰、灰冰、灰白冰與白冰7種冰型，如表3所示[9-10]。

表3 流冰分類

渤海海域在盛冰期多以尼羅冰、灰冰及灰白冰分布為主。外力作用下，海冰會堆積產生重疊冰與堆積冰，尼羅冰受風浪及外力作用易發(fā)生彎曲破碎，并產生“指狀”重疊冰，灰冰在受擠壓時多發(fā)生重疊。據統(tǒng)計，渤海海域歷年單層冰厚度最大可達46 cm；重疊冰厚度最大可達787 cm。為了更好評估渤海海域冰情變化情況，本文主要考慮單層冰，將近十年JZ9-3海域海冰平均冰厚與最大冰厚進行統(tǒng)計，如表4所示，繪制成曲線如圖5所示。

表4 歷年冰厚統(tǒng)計情況 cm

圖5 歷年最大冰厚與平均冰厚統(tǒng)計圖

圖5為分析JZ9-3海域歷年最大冰厚變化情況，發(fā)現近年最大冰厚大體呈下降趨勢。自2013年始，歷年最大冰厚不超過30 cm，平均最大冰厚均不超過20 cm。2015—2016年、2016—2017年、2018—2019年、2019—2020年四年際最大冰厚分別為15 cm、15 cm、16 cm、14 cm，平均冰厚不超過7.1 cm，可見冰情較輕。根據國家海洋局冰情劃分標準，從冰厚數據出發(fā)，2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018四年際冰情較其他年際嚴重，屬于偏輕冰年，其余各年際均屬于輕冰年。

2.3 海冰覆蓋率數據統(tǒng)計分析

據統(tǒng)計，渤海海域盛海冰覆蓋率平均可達75.1%，最大可達94.4%。海冰管理項目團隊根據不同年份渤海JZ9-3海域覆冰量的差異，將冰量按海冰覆蓋海域面積程度劃分為1成到10成十個等級，現將歷年盛冰期平均海冰覆蓋率進行統(tǒng)計分析如下。

如圖6所示，近十年JZ9-3海域海冰最大覆蓋率多達九成及以上，基本實現JZ9-3海域全面覆冰。盛冰期平均覆蓋率多在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達80%以上，對比同年份冰期及冰厚數據，2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年冰情較嚴重；而近兩年JZ9-3海域最大覆蓋率不足7成，盛冰期平均覆蓋率更低于60%，可見近兩年渤海海域覆冰程度較輕。

圖6 歷年最大覆蓋率與盛冰期平均覆蓋率統(tǒng)計圖

2.4 氣溫數據統(tǒng)計分析

渤海為典型的季風氣候。在冬季主要受亞洲大陸高壓活動影響盛行偏北風，伴隨寒潮暴發(fā)[11]。過冷空氣侵襲會導致氣溫劇烈下降，伴隨強風，降雪等天氣現象，對海域結冰有重大影響。據統(tǒng)計，在極暖冬季，渤海結冰面積在15%以下；在嚴寒冬季，覆冰面積可占渤?？偯娣e80%以上。渤海海域一年之中1月氣溫最低，其次為2月。1月平均氣溫多在-4.0～-8.0 ℃之間?，F場實測JZ9-3海域1月平均氣溫在-7.0 ℃左右，整個冬季平均氣溫在-3 ℃左右。依據海冰管理項目團隊監(jiān)測數據，將近十年JZ9-3海域平均氣溫變化情況進行統(tǒng)計，進而可以分析歷年平均氣溫變化對冰情變化的影響。

如圖7所示，JZ9-3海域近十年冬季平均氣溫變化范圍為-4.7～-2.4 ℃。2012—2013年、2013—2014年、2017—2018年三年平均氣溫低至-4 ℃以下；2015—2016年、2019—2020年兩年高于平均溫度-3.0 ℃，分別為-2.6 ℃和-2.4 ℃。通過圖4～圖7對比歷年冰情情況，發(fā)現氣溫對海域結冰有明顯影響。平均氣溫低于-4 ℃時，該年海域覆冰量大，冰厚大，冰情較嚴重；反之，平均氣溫高于冬季氣溫平均值-3 ℃時，冰情會相對較輕。

圖7 歷年平均氣溫變化圖

2.5 實測數據與標準中數據的對比分析

中國海洋石油總公司發(fā)布的《中國海海冰條件及應用規(guī)定》中對于冰日、冰期、冰厚、覆蓋率以及氣溫等數據進行了充分調研和準確調查，本文將近十年JZ9-3海域的冰情數據統(tǒng)計分析的結果分別與標準中的數據進行對比。

其中初冰日、盛冰日整體推遲，最早融冰日和最晚融冰日小幅推遲，但平均融冰日提前，終冰日整體提前，說明整體冰期縮短，見表5。初冰期整體增長，盛冰期和總冰期整體縮短，但有效冰期增長，說明冰情整體減弱，但海冰存留時間加長，見表6。單層冰厚度降低，說明冰情減弱，海冰危害也相應降低，見表7。盛冰期最大覆蓋率增大，盛冰期最小覆蓋率減小，盛冰期平均覆蓋率小幅減小，說明僅憑海冰覆蓋率并不能確定冰情的嚴重情況，見表8。冰期平均氣溫整體升高，也驗證了冰情減弱與氣溫升高呈正相關，見表9。

表5 冰日對比情況 月-日

表6 冰期對比情況 d

表7 單層冰厚對比情況 cm

表8 盛冰期覆蓋率對比情況 %

表9 冰期平均氣溫對比情況 ℃

3 結 論

本文基于海冰管理項目團隊研發(fā)的海冰監(jiān)測系統(tǒng)，將近十年來監(jiān)測到的JZ9-3海域的冰期、冰厚、覆冰量等海冰情況數據進行了整理分析，并結合國家海洋局冰情劃分標準，分析了歷年冰情情況及冰年等級。統(tǒng)計分析了近十年氣溫的變化情況，對照歷年冰情數據，分析了氣溫對冰情的影響規(guī)律，獲得如下結論：

(1)統(tǒng)計近十年JZ9-3海域海冰總冰期與有效冰期時長發(fā)現：總冰期和有效冰期均總體呈縮短趨勢，但有效冰期近四年有所回升。

(2)分析歷年冰厚數據得出：2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年、2017—2018年四年屬于偏輕冰年，其余各年屬于輕冰年。近十年冰厚整體呈下降趨勢，最大冰厚波動較大，平均冰厚變化趨勢較為平緩。

(3)分析歷年海冰最大覆蓋率與盛冰期平均覆蓋率數據發(fā)現：冬季最嚴峻時基本可達到全面覆冰，盛冰期平均覆冰量多在7成及以上。近十年海冰覆蓋率整體呈下降趨勢，近兩年覆冰程度較輕。

(4)分析歷年氣溫變化情況并與歷年冰情情況進行對比，發(fā)現平均氣溫低于-3 ℃時，該年冰情較嚴重，反之結冰較輕。近十年海域內平均氣溫整體呈上升趨勢，冰情則逐漸減輕，故氣溫對冰情有很大影響。

本文通過對近十年渤海遼東灣JZ9-3海域現場監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，總結了近十年該海域的冰期、冰厚、覆冰量及氣溫整體變化情況，得出了相應的變化規(guī)律。雖然上述結論是基于JZ9-3海域的數據分析得到的，但有些結論是可以借鑒或延伸到渤海其他海域的，進而為渤海新的海冰相關標準的更新與完善提供有效參考。