馬玉賢， 王 玉， 於 凡， 許 寧， 袁 帥， 史文奇

（1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000；3.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518049）

0 引言

紅沿河核電站是東北地區(qū)投資最大的核電能源項(xiàng)目，坐落于遼東灣東岸紅沿河鎮(zhèn)，對(duì)優(yōu)化東北電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。為最大限度節(jié)約能源，該電站采用海水直冷系統(tǒng)。鑒于遼東灣東岸的水文特征，電站取水口在冬季直接暴露在海冰與低溫的覆蓋之下。在海冰與低溫條件的共同作用下，核電取水口每年冬季都存在冰塊堵塞與取水系統(tǒng)凍結(jié)影響取水效率的風(fēng)險(xiǎn)。其中，遼東灣冰情嚴(yán)重程度是冰塊堵塞的重要原因，而低溫引起水溫降低對(duì)關(guān)鍵位置凍結(jié)產(chǎn)生重要影響。鑒于這一背景，基于氣溫與水溫關(guān)系研究的海冰冰情評(píng)價(jià)，對(duì)紅沿河核電運(yùn)營(yíng)管理具有重要實(shí)際意義。

表征冰情嚴(yán)重程度的參數(shù)包括浮冰范圍與冰厚。受連續(xù)數(shù)據(jù)獲取方式的限制，當(dāng)前研究大多基于海冰浮冰范圍進(jìn)行［1-5］，以海冰厚度為對(duì)象的研究較少。然而，浮冰范圍僅能在宏觀尺度上對(duì)冰情嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)評(píng)估海冰生消過(guò)程。為深入了解氣溫、水溫對(duì)海冰冰情的影響機(jī)理，有必要對(duì)海冰的熱力過(guò)程進(jìn)行探討。海冰熱力學(xué)生消過(guò)程中，海冰能量平衡主要受氣-冰熱通量、冰-水熱通量以及光通量影響。相比氣-冰熱通量與光通量，冰-水相互作用引起的熱通量表現(xiàn)出更強(qiáng)的區(qū)域差別。早期海冰模式中，海洋熱通量一般給定為常數(shù)［6-7］。隨著研究的深入，大量觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示海洋熱通量隨海區(qū)與季節(jié)的不同而不同。為明確冰底海洋熱通量的變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量工作，但主要針對(duì)南北極地區(qū)。渤海海域海冰表現(xiàn)出大面積固定海冰偏少、多為冰水混合區(qū)的特點(diǎn)，導(dǎo)致渤海海域冰底熱通量表現(xiàn)出獨(dú)有的特性。季順迎等［8］基于能量平衡剩余法對(duì)遼東灣冰底熱通量進(jìn)行了整冰期的評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其值在初冰期最大，然后隨時(shí)間逐漸減小，并在融冰期接近于0；劉欽政等［9］設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化的冰-海洋熱力耦合方案發(fā)現(xiàn)能夠較好地反映冰-海洋熱力相互作用；蘇潔等［10］采用塊體積法，通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn)，取熱輸送系數(shù)為2.2×10-5進(jìn)行海洋熱通量計(jì)算。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)不完善，目前渤海海域浮冰冰底熱通量的評(píng)價(jià)缺乏有效數(shù)據(jù)支撐，致使水溫對(duì)冰情的影響研究一直未能有效開(kāi)展。

一般而言，冰底熱通量的評(píng)價(jià)方法有渦動(dòng)法、剩余能量法、塊體積法。本文使用冰底混合區(qū)外水溫，結(jié)合塊體積法進(jìn)行觀測(cè)海域冰底熱通量評(píng)估。受觀測(cè)手段限制，冬季遼東灣海域連續(xù)水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，致使塊體積法評(píng)估冰底熱通量缺乏數(shù)據(jù)支撐。鑒于以上背景，以水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，使用氣溫進(jìn)行水溫評(píng)估，并進(jìn)行冰底熱通量評(píng)估成為可行的手段。對(duì)于水溫與氣溫關(guān)系，當(dāng)前研究主要有四種方法，包括完整熱平流-彌散傳輸模型［11］、表面熱交換過(guò)程的平衡溫度分析［12］、溫度變化的周期性分析［13］以及氣溫-水溫的線性回歸分析［11］。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)氣溫與水溫的相關(guān)性進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)海水溫度隨氣溫變化存在明顯相關(guān)性［14-18］。Cho等［19］用日本三河灣氣溫、水溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)和分析手段，對(duì)內(nèi)陸河流進(jìn)行水-氣溫度關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)河流溫度與空氣溫度在高于0℃具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。雖然相關(guān)研究已開(kāi)展近40年，但冬季遼東灣紅沿河海域的氣溫、水溫關(guān)系尚未有效開(kāi)展。

為明確紅沿河海域氣溫-水溫關(guān)系，并給出對(duì)冰情變化的影響。本文基于2017—2018年度冬季紅沿河附近海域海水溫度、氣溫、冰情（冰厚、冰量）數(shù)據(jù)，結(jié)合遼東灣海冰覆蓋面積數(shù)據(jù)，以相關(guān)性分析與一維高分辨率熱力學(xué)模式HIGHTSI計(jì)算為手段，對(duì)氣溫、水溫、冰情之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。上述結(jié)論可為核電冷源取水安全預(yù)警與冰情評(píng)估提供有益參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為保障遼東灣東岸重點(diǎn)工程的運(yùn)營(yíng)安全，每年冬季都會(huì)在紅沿河附近海域進(jìn)行全冰期海冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（圖1），觀測(cè)內(nèi)容包括氣象要素（氣溫、風(fēng)、云量等）、海洋水文要素（表層水溫、水位、海況等）、海冰要素（冰量、厚度、密集度）。其中，表層水溫（水下0.5 m）采集點(diǎn)布置在核電站取水口導(dǎo)流堤（取水涵洞粗格柵上部）、排水口導(dǎo)流堤以及核電站以北15 km的江石底港，采集位置水深均大于10 m，水溫測(cè)量?jī)x器為水溫表，測(cè)量范圍為-10～20℃，測(cè)量精度為±0.1℃；氣象數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置于海面上方6 m處，測(cè)量?jī)x器為直讀氣象站，云量系數(shù)依照海濱規(guī)范目測(cè)（最大值為1）；海冰數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)布置于取水口上方，觀測(cè)方法依規(guī)海濱觀測(cè)規(guī)范目測(cè)。其中，浮冰冰量為可視范圍內(nèi)海面浮冰所占可視總面積的成數(shù)（當(dāng)能見(jiàn)范圍內(nèi)海面全部被浮冰覆蓋時(shí)為10成）；浮冰冰厚以目測(cè)法（以冰型判斷冰厚）與近岸冰厚測(cè)量進(jìn)行判斷，觀測(cè)時(shí)主要記錄目視范圍內(nèi)一般冰厚、最大冰厚。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年1月5日至2018年3月14日，每日記錄時(shí)間為08：00與14：00（北京時(shí)間，下同）。

圖1 遼東灣紅沿河海冰觀測(cè)點(diǎn)Fig.1 Location of the sea ice observatory

為明確紅沿河氣溫與遼東灣整體冰情關(guān)系，本文基于紅沿河附近觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合遼東灣整體浮冰范圍數(shù)據(jù)，進(jìn)行海冰冰情嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)。遼東灣浮冰范圍數(shù)據(jù)由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)渤海海域進(jìn)行業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)與反演獲得。為準(zhǔn)確評(píng)估海冰面積變化，本文將冰情參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，用遼東灣海冰覆蓋面積與遼東灣海域總面積的比值作為表征浮冰范圍的參數(shù)。

2 觀測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 氣溫-水溫-浮冰范圍變化特征

水溫?cái)?shù)據(jù)分析前，需要明確核電站排水口的溫水排放是否對(duì)取水口水溫存在影響?；谶@一背景，首先對(duì)取水口、排水口、江石底海域水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。江石底海域距離排水口較遠(yuǎn)，認(rèn)為水溫不受溫排水影響。比對(duì)結(jié)果顯示，取水口水溫遠(yuǎn)低于排水口海域，整體與江石底水溫相當(dāng)，但有高水溫奇異點(diǎn)出現(xiàn)?？紤]到取水口觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性（取水口每日2次，江石底為間歇性觀測(cè)），且氣象觀測(cè)處于取水口上方，本文近似認(rèn)為溫排水對(duì)取水口水溫不造成影響。圖2為2017—2018年冬季觀測(cè)期間取水口海域每日08：00、14：00氣溫、水溫時(shí)間變化序列圖。觀測(cè)期間，氣溫極高值為2.8℃（1月19日14：00），極低值為-16.6℃（1月24日08：00）；水溫的極高值為1.2℃（1月18日14：00），極低值為-1.4℃（水溫冰點(diǎn)）。8時(shí)水溫高于氣溫共有57天，水溫低于氣溫共12天?？梢?jiàn)，取水口水體溫度在08：00大多高于其上方的空氣溫度。

圖2 水溫-氣溫隨時(shí)間變化序列Fig.2 The curves of air temperature and water temperature

對(duì)于氣溫與水溫的關(guān)系，分析圖2可以發(fā)現(xiàn)氣溫、水溫變化趨勢(shì)基本一致，即1月上旬波動(dòng)下降、1月下旬到2月上旬維持較低水平、2月下旬波動(dòng)升高。1月18—23日，觀測(cè)海域受強(qiáng)冷空氣影響，氣溫由1.4℃降至-12.6℃，水溫由1.2℃降至-1.4℃（部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1）；3月8—13日，氣溫由-6.4℃升至16.2℃，水溫由-1.2℃升至1.0℃。一般而言，渤海海域海冰冰情依據(jù)其演變過(guò)程分為初冰期、盛冰期與融冰期。初冰期是海冰形成和發(fā)展的時(shí)期，盛冰期是一年中冰情最嚴(yán)重的時(shí)期，融冰期是盛冰期之后海冰融化所對(duì)應(yīng)的時(shí)期。針對(duì)氣溫、水溫的波動(dòng)走勢(shì)，本文選擇三個(gè)情景進(jìn)行氣溫、水溫相關(guān)性分析，包括整個(gè)冰期（初冰日到終冰日）、初冰期（圖2中①，1月18—23日）與融冰期（圖2中②，3月8—13日），相關(guān)系數(shù)分別為0.425（整冰期）、0.940（初冰期）、0.864（融冰期），上述結(jié)果在5%水平上顯著。顯然，在初冰期（強(qiáng)冷空氣）與融冰期（強(qiáng)回溫），氣溫與水溫存在著明顯的正相關(guān)性。

表1 1月19—22日氣溫、水溫?cái)?shù)據(jù)Table 1 the value of air temperature and water temperature for January 19—22

遼東灣浮冰范圍與氣溫關(guān)系評(píng)估，大多依據(jù)環(huán)遼東灣周邊的氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行。由圖1地理位置可知，環(huán)遼東灣氣象站點(diǎn)直線距離較短，且該區(qū)域冬季氣溫多由北向冷空氣控制，各站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)存在明顯相關(guān)性。同時(shí)，為了明確本地氣溫與遼東灣浮冰覆蓋范圍的關(guān)系，本文認(rèn)為使用紅沿河氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遼東灣浮冰范圍評(píng)價(jià)是可行的。圖3給出紅沿河氣溫與遼東灣浮冰覆蓋面積（海冰覆蓋面積比遼東灣總面積比值）的序列圖。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，浮冰范圍與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.557（5%水平上顯著）。為明確氣溫與每天浮冰面積變化量的關(guān)系，本文繪制海冰浮冰面積日變化量與氣溫相關(guān)關(guān)系圖（圖4）。其中，浮冰面積每天變化量進(jìn)行了歸一化處理?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著氣溫的升降，浮冰面積的每天變化量可以縮小和增大，圖4給出變化量隨氣溫的線性擬合結(jié)果。根據(jù)圖4，當(dāng)浮冰面積日增量為0時(shí)，對(duì)應(yīng)紅沿河海域氣溫為-5℃。依據(jù)這一結(jié)論，運(yùn)用-5℃為臨界溫度建立盛冰期累積負(fù)氣溫與浮冰面積的關(guān)系圖（圖5）?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著負(fù)氣溫的累積，遼東灣浮冰面積逐漸增加，且二者表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)特征。

圖3 氣溫-浮冰面積變化序列Fig.3 The data of air temperature and ice area

圖4 浮冰面積日變化與氣溫的關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.4 The relationship between air temperature and daily variation of ice area

圖5 浮冰面積與累積負(fù)氣溫關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.5 The relationship between ice area and Negative accumulated temperature

2.2 紅沿河附近海域水溫與冰情的關(guān)系

渤海海域海冰冰情受熱力與動(dòng)力過(guò)程的共同影響。熱力因素包括氣溫、水溫、太陽(yáng)輻射等，影響海冰垂向的生長(zhǎng)與消融；動(dòng)力因素包括空氣動(dòng)力與水動(dòng)力，影響海冰輸運(yùn)、堆積等過(guò)程。基于這一基礎(chǔ)，當(dāng)前渤海冰情等級(jí)評(píng)價(jià)主要依據(jù)浮冰厚度與浮冰范圍決定。對(duì)于紅沿河附近海域冰情，初冰期時(shí)，由于近岸水深淺、熱容量低的緣故，附近海域冰情主要受本地生成海冰影響；盛冰期時(shí)，本地海冰生長(zhǎng)與北部海區(qū)浮冰輸運(yùn)共同影響附近海域冰情；融冰期時(shí)，除平整冰的消融過(guò)程外，還包括周邊海灣固定冰（盛冰期時(shí)北風(fēng)將海冰固定于近岸海灣內(nèi)）在高潮位與動(dòng)力作用下輸運(yùn)至觀測(cè)海域的消融過(guò)程，這也導(dǎo)致融冰期觀測(cè)海域海冰冰情受堆積冰影響。融冰期時(shí)雖然海冰厚度比平整冰大，但這一時(shí)段海面浮冰密集度偏下，對(duì)涉海經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響較小。總之，熱力過(guò)程對(duì)觀測(cè)海域初冰期、盛冰期的冰情的嚴(yán)重程度起到控制作用。由于現(xiàn)場(chǎng)海冰冰厚與冰量觀測(cè)主要針對(duì)可視范圍內(nèi)的平整冰，本文認(rèn)為垂向熱力學(xué)過(guò)程的模擬與現(xiàn)場(chǎng)海冰冰情觀測(cè)數(shù)據(jù)（海冰冰量、海冰冰厚）具有一致性，觀測(cè)數(shù)據(jù)可以為數(shù)值計(jì)算結(jié)果提供評(píng)價(jià)依據(jù)。鑒于上述背景，本文以一維高分辨率熱力學(xué)模式HIGHTSI為手段，進(jìn)行水溫與冰情關(guān)系研究。

海冰熱力學(xué)生消過(guò)程中，海冰能量平衡主要受氣-冰熱通量、冰-水熱通量以及光通量影響。相比氣-冰熱通量與光通量，冰-水相互作用引起的冰底海洋熱通量表現(xiàn)出更強(qiáng)的區(qū)域差別。同時(shí)，無(wú)論是大尺度的氣候模式還是小尺度海冰熱力學(xué)模式，冰-水相互作用所控制的冰底海洋熱通量都是關(guān)鍵參數(shù)。海洋熱通量是冰-水間由海洋對(duì)流和海洋垂直擴(kuò)散引起的熱輸送，其量值大小取決于海洋湍流的強(qiáng)弱和冰底與冰下海洋的溫差大小。通常海洋熱通量的確定方法有渦動(dòng)法、塊體積法、剩余能量法。渦動(dòng)法需測(cè)量冰水界面處的溫度、鹽度等參數(shù)，所以當(dāng)前被廣泛采用的海洋熱通量計(jì)算方法主要為塊體積法與能量法。塊體積法最先由Pease于1975年首先提出，他將海洋熱通量同冰下一定深度的海水溫度（Tw）與冰底溫度（一般為冰點(diǎn)Tf）之差建立正比關(guān)系［20］，即：Fw=k（Tw－Tf），k的取值在不同研究中差別很大。本論文采用類(lèi)似于冰-氣、水-氣界面常通量層輸送的塊體積公式來(lái)計(jì)算冰底熱通量，計(jì)算公式為：

式中：ρw和cp分別為海水的密度和定壓比熱容；Ch為冰水界面溫差為1℃時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量，即冰水間的熱傳遞系數(shù)，本文取2.2×10-5［10］；Uwi為海冰和海水的相對(duì)流速，以觀測(cè)站點(diǎn)附近海域流速與冰速歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)［21-22］，本文近似取0.3 m·s-1；Tw和Tm為水溫和冰點(diǎn)，本文取冰點(diǎn)為-1.4℃，水溫取本文測(cè)得的水溫?？梢园l(fā)現(xiàn)，式（1）中冰底熱通量與水溫有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，本文水溫與冰情關(guān)系評(píng)價(jià)可以使用冰底熱通量為中間變量進(jìn)行。紅沿河附近海域冰底熱通量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6（a）。

為明確水溫取值對(duì)海冰生消過(guò)程的影響，采用一維高分辨率熱力模式（HIGHTSI）進(jìn)行模擬計(jì)算。模式詳細(xì)參數(shù)化過(guò)程與關(guān)鍵參數(shù)取值已在文獻(xiàn)中給出［23-24］，模式輸入?yún)?shù)為紅沿河觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要包括氣溫、風(fēng)速等［圖6（c）、圖6（d）］，本文忽略降雪的影響；太陽(yáng)短波輻射數(shù)據(jù)采用參數(shù)化方法，云量系數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)確定［圖6（b）］；冰底熱通量以圖6（a）給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行；初始冰厚取0.05 m，冰點(diǎn)取-1.4℃，計(jì)算步長(zhǎng)為1小時(shí)。冰厚計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7的虛線。

圖6 輸入?yún)?shù)Fig.6 Input date

為了評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的可靠性，本文引入現(xiàn)場(chǎng)浮冰冰量與浮冰厚度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。浮冰冰量主要表征觀測(cè)海域海冰的多少，觀測(cè)方法為紅沿河觀測(cè)站點(diǎn)能見(jiàn)范圍內(nèi)浮冰覆蓋面積占能見(jiàn)總面積的份數(shù)，其中10成為能見(jiàn)范圍內(nèi)全部被浮冰覆蓋；海冰厚度代表能見(jiàn)范圍內(nèi)海冰的一般厚度（能見(jiàn)范圍內(nèi)分布最多的平整冰厚度），觀測(cè)方法為依據(jù)冰型反演，這一觀測(cè)方法的精度約為±5 cm。顯然，海冰冰量雖然受到動(dòng)力、熱力因素影響，但可以進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果的海冰演變趨勢(shì)評(píng)價(jià)；海冰厚度觀測(cè)結(jié)果雖然不是固定海冰的觀測(cè)厚度，但在初冰期與盛冰期主要表征能見(jiàn)范圍內(nèi)單層冰的一般厚度，因此本文認(rèn)為觀測(cè)冰厚數(shù)據(jù)可以對(duì)數(shù)值模擬的冰厚生長(zhǎng)過(guò)程與冰厚最大值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于上述原則，將2月20—27日模擬融冰過(guò)程與附近海域冰量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，使用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水溫獲得的冰底熱通量進(jìn)行熱力學(xué)生消模擬更能接近現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果。將HIGHTSI計(jì)算的冰厚結(jié)果與浮冰冰量（圖8）觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，模式很好重現(xiàn)了1月6日、1月12日、1月22日、3月1日開(kāi)始的海冰增長(zhǎng)趨勢(shì)，重現(xiàn)了2月1日、2月22日開(kāi)始的海冰消融趨勢(shì)。模式計(jì)算冰厚的變化趨勢(shì)與觀測(cè)海冰冰量變化趨勢(shì)有明顯的一致性。將數(shù)值模擬冰厚結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)冰厚（圖9）進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模式可以評(píng)價(jià)初冰期與盛冰期的冰厚發(fā)展，尤其對(duì)于單層冰冰厚的最大值；對(duì)于融冰期，由于附近海灣內(nèi)堆積冰輸運(yùn)的影響，導(dǎo)致冰厚觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯大于計(jì)算值。可見(jiàn)，一維熱力學(xué)高分辨率模式HIGHTSI能有效模擬觀測(cè)海域冰期、冰厚的發(fā)展過(guò)程，同時(shí)也證實(shí)了塊體積法計(jì)算冰底熱通量時(shí)冰水間的熱傳遞系數(shù)選取2.2×10-5是可行的。

圖8 紅沿河觀測(cè)點(diǎn)海冰冰量變化Fig.8 Data on the amount of ice at the observatory

圖9 紅沿河觀測(cè)點(diǎn)海冰冰厚變化Fig.9 Ice thickness data from the observatory

為明確水溫對(duì)冰情的影響，以上述方法進(jìn)行水溫敏感性分析。本文塊體積法計(jì)算冰底熱通量時(shí)將流速取為定值，水溫與冰底熱通量在數(shù)值上呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，敏感性分析要素可以以冰底熱通量進(jìn)行，即冰底熱通量分別選取2、5、10、15、20、25、30 W·m-2（對(duì)應(yīng)水溫-1.2、-0.8、-0.3、0.3、0.9、1.4、2.0℃）進(jìn)行海冰生消過(guò)程模擬，生消計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7實(shí)線結(jié)果。分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文冰底熱通量參數(shù)化方案計(jì)算結(jié)果處于冰底熱通量為2～5 W·m-2之間，水溫變化主要對(duì)最大冰厚與冰期產(chǎn)生影響，對(duì)小冰厚影響較小。這是因?yàn)楹１^薄時(shí)冰底熱通量相對(duì)其他參數(shù)較小，雖然此時(shí)冰底熱通量較大，但仍為次要因素。

圖7 不同冰底熱通量的海冰生消過(guò)程Fig.7 The process of sea ice production and dissipation of different heat flux

2.3 氣溫-水溫關(guān)系對(duì)冰情的影響

海水溫度與氣溫存在明顯正相關(guān)，海水溫度變化對(duì)冰情存在直接影響。由于遼東灣冬季有冰海域連續(xù)海水溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，致使冰底熱通量的選取缺乏數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致遼東灣海域海水溫度對(duì)冰情影響研究一直未能有效開(kāi)展。為明確冬季有冰海域水溫的變化規(guī)律，依據(jù)氣溫與水溫的相關(guān)關(guān)系，建立氣溫-水溫關(guān)系散點(diǎn)圖（圖10）。由于水溫受水動(dòng)力、溫排水等眾多因素影響，水溫?cái)?shù)據(jù)變化存在隨機(jī)性，分析時(shí)忽略個(gè)別奇異點(diǎn)。

顯然，水溫隨著氣溫的升高逐漸升高。在不同的氣溫區(qū)間，水溫表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：

（1）當(dāng)氣溫小于-10℃時(shí)，除個(gè)別奇異點(diǎn)，海水溫度基本維持在冰點(diǎn)（-1.4℃），結(jié)合圖2氣溫與水溫?cái)?shù)據(jù)，定義對(duì)應(yīng)氣溫區(qū)間為促進(jìn)海冰生長(zhǎng)的結(jié)冰區(qū)（圖10中區(qū)域①）；

（2）當(dāng)氣溫在-10～-5℃時(shí)，水溫分布于-1.4～-0.4℃，由圖2氣溫與水溫序列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)間水溫對(duì)應(yīng)的氣溫基本發(fā)生于初冰期末端（盛冰期前），或發(fā)生于融冰期早期（盛冰期后）。因此，定義該氣溫區(qū)間為既可能促進(jìn)海冰生成，又可能促進(jìn)海冰融化的過(guò)渡區(qū)（圖10中區(qū)域②）；

（3）當(dāng)氣溫高于-5℃時(shí)，對(duì)應(yīng)海水溫度均高于該海域海水冰點(diǎn)，且水溫隨氣溫升高逐漸升高，氣溫達(dá)到5℃時(shí)水溫已基本處于0℃以上。分析氣溫-水溫序列，該區(qū)間對(duì)應(yīng)的氣溫基本發(fā)生于融冰期?；诖?，定義該區(qū)間為促進(jìn)海冰融化的融冰區(qū)（圖10中區(qū)域③）。

為評(píng)估遼東灣其他有冰海域冰底熱通量，可以將本文氣溫-水溫分區(qū)與包絡(luò)線方程引入冰底熱通量參數(shù)化過(guò)程。針對(duì)不同評(píng)估需求，可以依據(jù)水溫分區(qū)進(jìn)行不同冰期的冰底熱通量選取，也可以依據(jù)包絡(luò)線函數(shù)與塊體積法給出連續(xù)冰底熱通量變化。對(duì)于水溫分區(qū)進(jìn)行的冰底熱通量評(píng)估：當(dāng)氣溫在結(jié)冰區(qū)時(shí)（小于-10℃），水溫基本維持冰點(diǎn)，冰底熱通量取0；當(dāng)氣溫在過(guò)渡區(qū)時(shí)（氣溫處于-10～-5℃），平均水溫為-0.9℃，冰底熱通量取4.4 W·m-2；當(dāng)氣溫在融冰區(qū)時(shí)（氣溫高于-5℃），平均氣溫為0.2℃，冰底熱通量取14.1 W·m-2。本文依據(jù)氣溫-水溫關(guān)系的冰底熱通量估算，可為遼東灣其他有冰海域的冰情評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文基于2017—2018年度冬季紅沿河附近海域海水溫度、氣溫、冰情（冰厚、冰量）數(shù)據(jù)，結(jié)合遼東灣海冰覆蓋面積數(shù)據(jù)，對(duì)氣溫、水溫、冰情之間的關(guān)系進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）水溫與氣溫變化具有明顯的相關(guān)性，整個(gè)冬季相關(guān)系數(shù)為0.425；初冰期氣溫、水溫相關(guān)系數(shù)為0.940；融冰期氣溫、水溫相關(guān)系數(shù)為0.864；遼東灣浮冰面積與氣溫、水溫存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，浮冰面積與氣溫負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.557；運(yùn)用-5℃臨界結(jié)冰溫度建立累積負(fù)氣溫與浮冰面積的關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)氣溫的累積遼東灣浮冰面積逐漸增加，且二者表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)。

（2）結(jié)合實(shí)測(cè)水溫與塊體積法獲得的冰底熱通量處于2～5 W·m-2之間，冰底熱通量變化主要對(duì)最大冰厚與冰期產(chǎn)生影響，對(duì)小冰厚影響較小。

（3）使用一維高分辨率熱力學(xué)模式HIGHTSI進(jìn)行紅沿河附近海域初冰期（初冰日）、盛冰期的模擬是可行的，模式可以有效模擬觀測(cè)海域冰厚的生長(zhǎng)與發(fā)展；不足的是，在融冰期，受觀測(cè)點(diǎn)附近海灣內(nèi)固定冰與動(dòng)力因素影響，堆積冰輸運(yùn)至觀測(cè)海域?qū)е掠^測(cè)結(jié)果明顯大于計(jì)算結(jié)果；上述結(jié)論證實(shí)塊體積法與水溫計(jì)算冰底熱通量時(shí)，冰水間熱傳遞系數(shù)選取2.2×10-5是可行的。

（4）分析水溫-氣溫散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)，氣溫變化對(duì)水溫影響具有明顯區(qū)域性。當(dāng)氣溫小于-10℃時(shí)，海水溫度處于結(jié)冰區(qū)，水溫基本維持在冰點(diǎn)（-1.4℃）；當(dāng)氣溫在-10～-5℃時(shí)，海水溫度處于過(guò)渡區(qū)，水溫分布在-1.4～-0.4℃區(qū)間內(nèi)；當(dāng)氣溫高于-5℃時(shí)海水溫度對(duì)應(yīng)融冰區(qū)，水溫隨氣溫的升高逐漸升高。

（5）將氣溫-水溫分區(qū)引入冰底熱通量參數(shù)化過(guò)程。對(duì)于水溫分區(qū)進(jìn)行的冰底熱通量評(píng)估：當(dāng)氣溫在結(jié)冰區(qū)時(shí)，水溫基本維持冰點(diǎn)，冰底熱通量取0；當(dāng)氣溫在過(guò)渡區(qū)時(shí)，平均水溫為-0.9℃，冰底熱通量取4.4 W·m-2；當(dāng)氣溫在融冰區(qū)時(shí)，平均氣溫為0.2℃，冰底熱通量取14.1 W·m-2。

本文提出的氣溫-水溫-冰情關(guān)系的研究結(jié)果與研究方法，同樣適用于遼東灣其他海域的冰底熱通量參數(shù)選取和冰情評(píng)估。目前該方法主要考慮到作為海冰增長(zhǎng)厚度主控因素的海冰熱力誘因，下一步將結(jié)合最新開(kāi)展的紅沿河周邊海域氣-冰-水現(xiàn)場(chǎng)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)建立包含動(dòng)力因素的冰情預(yù)測(cè)方法，為臨近海域的冬季涉?；顒?dòng)安全保障提供技術(shù)支撐。

致謝：感謝芬蘭氣象研究所程斌研究員在模式使用過(guò)程中的幫助。