王安良, 趙倩, 隋俊鵬, 唐茂寧, 王慧, 劉煜

(1.國家海洋環(huán)境預報中心 自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室, 北京 100081; 2.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司, 湖南 長沙 410014)

近年來,風電、光伏和核電等清潔能源項目在渤海和黃海沿岸海域廣泛興起,這類工程在設計、建造和后期運營過程中將不同程度受到海冰的影響[1]。海冰厚度、速度和強度等工程設計參數的選取,會影響到工程建造和運維的成本。此類工程廠址一般離岸較近,海水深度較淺,水動力環(huán)境較為復雜,使得不同工程點間海冰的生消、漂移、重疊和堆積等熱力學和動力學過程差異較大[2-3]。同時,在全球氣候總體變暖的背景下,渤海和黃海北部的總體冰情也呈現減弱的趨勢[4-5]。因此,合理選取工程作業(yè)點的海冰設計參數,不僅需要考慮場址附近獨特的海冰熱力和動力學過程,還需要評估最近幾十年海冰冰情的變化趨勢。

渤海和黃海北部海冰工程設計參數區(qū)劃是各類海洋工程設計冰厚的主要參考依據。以渤海油氣平臺建設作為主要應用目標,吳輝碇等[6]和Yang[7]將渤海和黃海北部劃分為21個冰區(qū),每個冰區(qū)賦予不同的工程海冰設計參數[6-7]。隨后,利用氣溫、冰溫、冰期和冰厚換算得到的冰孔隙率,海冰物理和力學參數在渤海工程分區(qū)中得到了進一步的研究[8-9]。孫邵等[10-11]基于海冰對海上和沿岸經濟活動的影響,利用權重分析方法將不同海域劃分了風險等級。袁本坤等[12]利用相似的權重分析方法,以海冰厚度、密集度及冰期等數據為基礎,把我國主要結冰海域綜合劃分為7個風險區(qū),為我國的海冰災害風險管理和防災減災規(guī)劃等提供了依據。目前工程海冰參數設計區(qū)劃在制定過程中大多依據2000年之前的數據,較難反映現階段全球氣候變暖背景下渤海和黃海北部冰情的變化規(guī)律。同時,受制于當時的觀測條件和手段,在制定規(guī)范中所利用的數據較為有限,海冰災害區(qū)劃的客觀性較差。近20年來,渤海沿岸大范圍港口建設和圍填海工程也會在局地影響海冰的熱力-動力學過程[13]。

目前,渤海和黃海北部沿岸工程作業(yè)迫切需要發(fā)展一種海冰環(huán)境參數評估系統(tǒng),為具體工程作業(yè)點提供工程海冰參數的精細化評估。綜合考慮海冰冰期、厚度、速度和強度等參數的影響,Xu[14]等提出了一種針對冰區(qū)海洋平臺結構的風險指數評估方法,但該方法主要關注已建成海洋平臺在海冰作用下的結構響應,海冰環(huán)境參數僅作為輸入變量而未展開相關研究。Wang[1]針對沿岸風電場設計,提出了一套工程海冰環(huán)境設計參數評估系統(tǒng),集合了近20多年來衛(wèi)星遙感、現場監(jiān)測和數值預報等多源數據,對冰期、重現期冰厚和冰強度等參數進行評估,在工程應用中取得了良好效果。

本文基于精細化預報結果和衛(wèi)星觀測反演數據,利用工程海冰參數評估系統(tǒng),統(tǒng)計分析渤海和黃海北部冰情整體變化特征;重點對設計冰厚近年來的變化趨勢進行對比研究,為相關沿岸海洋工程海冰設計參數的確定提供依據。

1 重現期冰厚評估數據和方法

1.1 研究海域位置

本文比較分析渤海和黃海北部總體冰情變化趨勢。然后,對近些年風電場建設活動開展較多的渤海萊州灣和黃海北部3個作業(yè)點進行分析,其位置分布如圖1所示。其中,A點位于莊河海域,按照《渤海海冰設計作業(yè)條件》海冰區(qū)劃邊界,該點在19區(qū)一側,接近18區(qū)和19區(qū)的分界線。萊州灣內B點和C點分別處于萊州海域和東營海域,但均處于海冰10區(qū)范圍內。

1.2 海冰業(yè)務化預報和觀測數據

本文冰厚數據主要來自于MODIS衛(wèi)星海冰圖像反演結果和國家海洋環(huán)境預報中心的業(yè)務化小區(qū)域高精度海冰數值預報[1,15]。搜集整理了1997-2022年渤海及黃海北部1 500多幅冬季衛(wèi)星遙感圖像,進行海冰分布和冰厚分析。同時,借助分辨率50 m的高清HY-1C和HY-1D海冰圖像,對重疊冰和堆積的情況進行判別和分析。

目前,利用可見光和近紅外通道大面反演冰厚在國際上仍然是一個難題。通常來講,在沒有雪覆蓋的裸冰區(qū)域,厚冰反照率高,薄冰反照率低。但是反照率和冰厚并不存在固定的對應關系,且和冰類型密切相關。根據以往對MODIS各通道直方圖分布分析研究表明,紅光通道(645 nm)與藍光通道(412 nm)海冰所對應的反射率變化范圍較大[16],即這2個通道對海冰厚度或者類型有著較好的分辨能力。同時,衛(wèi)星遙感圖像上這2個通道在海冰區(qū)也顯示出較好的層次變化。結合大量現場觀測數據,本文通過MODIS圖像反射與我國渤海相應海冰冰厚實測數據對比,確定了冰厚值所對應的反射率即分段線性節(jié)點,作為冰厚反演的默認值。此外,考慮渤海和黃海北部海冰區(qū)域和季節(jié)性差別,本文開發(fā)的業(yè)務化海冰厚度反演系統(tǒng)基于每日海洋平臺和觀測站點的冰厚,還可以對反演冰厚進行客觀訂正,如圖2所示。該系統(tǒng)采用上述分段線性計算冰厚的方法,并在應用過程中考慮海冰類型與實測海冰數據,得出不同海冰類型的冰厚與反照率關系,以此提高海冰冰厚的反演精度,為渤海和黃海北部海冰數值模式提供準確的海冰厚度初始場。

圖2 海冰厚度客觀訂正反演系統(tǒng)

國家海洋環(huán)境預報中心中尺度渤海和黃海北部海冰數值模式業(yè)務化運行了近30 a[1,15],為防止海冰災害的發(fā)生提供了重要的保障,在此過程中也積累了大量的歷史數據,如圖3所示。

圖3 海冰業(yè)務化數值預報產品

但中尺度海冰預報模式分辨率仍然難以滿足冬季海上生產和局地海域經濟活動對精度要求,為此該中心近年來開發(fā)了適用于工程作業(yè)保障的定點小區(qū)域高精度海冰數值預報模型。根據工程作業(yè)點小區(qū)域冰情預報特點,通過對不同海冰模式的分析比較,確定利用較為成熟的彈粘塑性海冰模式對工程作業(yè)點區(qū)域海冰進行數值模擬。該預報模式主要有以下特點:1)考慮了海冰的彈性作用。因為對于小尺度海冰,彈性效應較為明顯,應充分考慮海冰在小應變和小應變率條件下的彈性力學行為,以提高海冰動力學的計算精度;2)對短時間的水文和氣象強迫場變化反映更為迅速和準確;3)高分辨率可有效地預報工程作業(yè)點區(qū)域海冰環(huán)境參數。該模型可針對特定工程作業(yè)點及鄰近海域,開展海冰厚度、密集度、冰速、海冰的物理力學性質等參數以及危險冰塊的漂移軌跡等參數的預報。以上2種類型海冰模式數據相互補充,可為大面積平整冰和局地動力學作用下的海冰再分布評估提供準確可靠的數據支撐。

1.3 海冰厚度重現期極值統(tǒng)計

本文海冰厚度極值是指海冰厚度年度出現的極大值,其與海洋防災減災、海洋航行和海洋工程設計等有密切關系,是寒區(qū)海洋工程設計中重點關注的設計參數之一。以f(x)和F(x)分別代表海冰厚度隨機變量極值海冰厚度X的概率密度函數和分布函數,以xp代表一個取值,則X>xp的概率為:

(1)

而X>xp的概率為:

(2)

則P(X>xp)的倒數:

N=1/p=1/(1-F(xp))

(3)

式中:N為事件X>xp的重現期;xp為重現期為N年的極值。

在工程設計上,p常稱為X的設計頻率,一般取p=0.1,0.05,0.02,0.01,相應的重現期為N=10,20,50,100 a。海洋工程設計上取冰厚的設計頻率為0.01,則設計冰厚為重現期為100 a的年極值冰厚,俗稱百年一遇冰厚。因此,海冰厚度重現期極值統(tǒng)計分析的主要任務是根據變量的特點和已有的計算能力選定年極值的分布形式,再以已有年極值的實測數據為統(tǒng)計樣本來確定分布形式中的參量,然后按由指定的N=1/p計算重現期為N年的年極大值xp,或由指定的N計算重現期為N年的年極小值xp。

本文采用Weibull分布來研究海冰厚度重現期。相較于Pearson-III型分布和Gumbel分布,Weibull分布因多了一個參量自由度,從而有較大的靈活性和更適合于擬合實測數據的經驗分布,適用范圍較廣。Weibull概率密度分布函數為:

(4)

式中a、b、c為待定擬合參量,且b,c≥0。本文將利用年最大冰厚進行擬合獲取相關參數。

1.4 工程海冰設計參數評估方法

國家海洋環(huán)境預報中心以近20多年渤海和黃海北部海冰多源觀測數據和多尺度海冰精細化數值預報資料為基礎,建立了一套寒區(qū)工程海冰設計參數評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)在典型海上風電工程海域進行了成功應用[1]。系統(tǒng)評估流程如圖4所示。該系統(tǒng)有效集成了不同分辨率衛(wèi)星圖像、現場調查和視頻監(jiān)測數據,較為準確地評估作業(yè)海域冰日、浮冰分布和堆積重疊特征,利用20多年不同分辨率海冰業(yè)務化運行平臺積累的海冰要素數據,分析作業(yè)點海冰的動力學特性,統(tǒng)計海冰厚度和海冰速度的聯合概率密度函數;并結合海冰物理學性質試驗結果,計算海冰重現期壓縮強度和彎曲強度,實現對寒區(qū)海洋結構工程關鍵海冰環(huán)境參數的準確評估。

圖4 工程海冰設計參數評估流程

本文利用該系統(tǒng)對工程場址的年最大平整冰厚進行評估,形成了1997-2022年26組年最大平整冰厚度時間序列,以此對海冰厚度重現期進行分析。從流程圖4中可以看出,工程海冰參數設計系統(tǒng)綜合了衛(wèi)星、現場觀測和數值模式等數據,其中最大平整冰厚是整個評估系統(tǒng)的關鍵一環(huán)。

2 海冰變化趨勢及重現期冰厚分析

2.1 渤海和黃海北部海冰總體變化趨勢

冰情等級是以海冰冰緣線作為主要判定依據,綜合考慮遼東灣、渤海灣、萊州灣和黃海北部局地海冰冰情,在國家層面上發(fā)布用來衡量整個冰期冰情嚴重程度的指標,其中1級和5級分別代表最輕和最重冰情。渤海和黃海北部冰期通?？缭?個自然年,一般發(fā)生在11月底至次年3月初,嚴重冰期集中在1-2月。

本文共獲取了72 a (1951-2022年)的海冰冰情等級數據,如圖5所示。1990年后冰情等級存在明顯下降的趨勢,這期間3級以上的冰情僅僅發(fā)生在2001年、2010年和2013年。從2組數據統(tǒng)計箱型圖中也可以發(fā)現,1990-2022年冰情中位數較1951-1989年降低了近1個等級,如圖6所示。3級冰情在標準中屬于平常年份,但近20 a出現的頻率逐漸變低。以遼東灣最大浮冰外緣線為例(如圖7所示),近20年來最嚴重的冰情發(fā)生在2009-2010年達到了4級,絕大部分最大浮冰外緣線距離在平均線以上。最近3個冰期最大外緣距離與同期相比,大多集中在平均線以下,均未達到海冰最低警報標準,這表明該海域整體冰情仍然處于一個下降的趨勢中[4-5]。

圖5 1950-2022年渤海和黃海北部冰級分布

圖6 1990年前后海冰等級箱型圖

圖7 遼東灣浮冰范圍變化趨勢

需要指出的是,海冰等級標準主要是以海冰的覆蓋范圍作為衡量指標,受到監(jiān)測手段的限制并未充分考慮海冰厚度的影響。因此即使相同等級的冰情,現實中也存在冰厚不同的現象。如圖7所示,盛冰期持續(xù)時間存在縮短的趨勢,同時在盛冰期內海冰經常會因短暫升溫而劇烈消融至不足18.5 km的最大海冰緣線范圍內。據此可以推測,近10 a來該海域海冰厚度總體較薄,在出現短暫回溫時會出現大面的消融。因此,即使在相同冰情等級年份內,近些年來海冰的厚度也要相對較薄。

2.2 海冰重現期分析

本文主要利用業(yè)務化小區(qū)域高精度海冰數值預報數據獲取工程作業(yè)點的年最大冰厚。同時,針對最大冰厚出現的時間段,綜合考慮各類衛(wèi)星數據和現場觀測資料,對年冰厚最大值進行適當的修正。最終獲得26組年最大冰厚數據進行Weibull重現期分析,分別得到5、10、20、50和100 a重現期冰厚分布如圖8和圖9所示。同時,將工程點所在《渤海海冰設計作業(yè)條件》分區(qū)中的重現期冰厚值也在圖8和圖9進行了比較。結果可見本文評估的重現期設計冰厚較海冰區(qū)劃中的值明顯偏低。以風電場設計常采用的20 a重現期冰厚為例,本文分析莊河點20 a一遇設計冰厚為25.2 cm,而海冰區(qū)劃中給出的18冰區(qū)設計冰厚為27.3 cm,19冰區(qū)設計冰厚為40 cm。本文結果比海冰區(qū)劃推薦設計值小37%。與莊河點評估結果類似,采用本文方法評估的設計冰厚結果在萊州點比海冰區(qū)劃推薦結果降低了20%,在濰坊點降低了27%。

圖8 莊河點海冰重現期厚度評估

圖9 萊州點和東營點海冰重現期厚度評估

莊河點位置處在19區(qū),較為接近18區(qū)和19區(qū)的分界線,但這2個冰區(qū)的重現期設計冰厚存在較大的差別,如圖8所示。這種情況在風電場的設計過程中較為常見,同時也存在工程廠址區(qū)域跨越多個海冰分區(qū)的狀況。此時,僅以海冰分區(qū)來選取冰厚參數會增加很大的工程量和建造成本,很難用單一的海冰區(qū)劃線來界定工程海冰設計參數。尤其,在沿岸海域海冰動力和熱力條件較為復雜,時常發(fā)生重疊和堆積等較為劇烈海冰再分布過程,需要針對特定的作業(yè)點開展設計冰厚的評估工作。

同一海冰分區(qū)內的工程作業(yè)點,設計海冰厚度也會存在一定差異。萊州點和東營點均處在海冰10區(qū)范圍內,但該冰區(qū)跨度范圍較大,而且所處沿岸海域岸線和水文條件較為復雜。從圖(9)可以看出,這2個工程點的重現期冰厚參數存在差異,尤其在大于20 a重現期設計冰厚時差異較大。從本文衛(wèi)星圖像反演推算的年最大冰厚看(圖10),2個工程點的最大冰厚總體趨勢較為接近,說明該海域總體海冰生成條件較為接近。

圖10 萊州點和東營點年最大冰厚分布

盡管如此,萊州海域水文條件影響下的海冰動力過程相對劇烈,在風和潮流潮汐作用下平整冰更容易發(fā)生堆積的現象(圖11),從而在極端冰厚上表現為東營工程點年最大冰厚較大。萊州工程點更容易出現全年無冰的情況,而東營工程點不會出現全年無冰的狀況。這主要與東營工程點所處的獨特地理位置有關,其離岸距離相對較小,離黃河口較近,海水的鹽度較低,在冷空氣作用下較其他海域更容易形成5 cm左右冰皮[17]。此外,圖11中的壩體在2007年前后建成,該壩體也在一定程度上影響到該海域與外界海洋的熱交換過程,使得該工程點的水文條件趨于穩(wěn)定。在以上條件綜合作用下,東營點10 a重現期冰厚要較萊州點偏高?？傮w上來看,由于受到氣候變化、海岸條件變遷和獨特水文條件的影響,即使在同一冰區(qū)范圍內,不同作業(yè)點也需要有針對性地開展海冰設計厚度的評估。

圖11 萊州點和東營點典型海冰分布情況

3 結論

1) 在全球氣候變暖大背景下,渤海和黃海北部冰情等級存在降低的趨勢。從冰情等級分布上來看,1990-2022年海冰冰情等級中值要較1951-1989年降低了近1級,常冰年(3級)在最近20年逐漸成為出現頻率較低的等級。

2) 海冰設計參數區(qū)劃方式在具體工程應用時需要綜合考慮多方面的因素。本文中特定工程作業(yè)點設計冰厚較之前區(qū)劃中的數據明顯偏低。此外,在工程作業(yè)點離岸距離較近,海冰動力和熱力學過程較為復雜的海域,需要有針對性地開展工程設計冰厚的評估。