劉 煜，吳輝碇

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081）

海冰知識講座

第1講 渤、黃海的海冰

劉 煜，吳輝碇

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081）

介紹了渤、黃海海冰生消的演變過程、特點及影響因素，分析了不同的海冰類型和表面特征；對渤、黃海歷史冰情、等級劃分、冰期以及海冰漂移特點進行了簡要的回顧。

渤黃海；冰情；冰類型；冰漂移

1 引言

渤海和黃海北部，跨于37°—41°N之間，屬中緯度，每年11月末到12月初海水開始凍結(jié)，是世界上緯度最低的結(jié)冰海域。渤海及其灘涂區(qū)域業(yè)已發(fā)現(xiàn)豐富的油氣資源，而每年冬季海冰凍結(jié)和海冰漂移對油氣勘探生產(chǎn)、海上航運和海洋養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)生不同程度的影響和災害，歷史上已發(fā)生石油平臺倒塌，船只受損，航運受阻等嚴重災害。自1969年特大冰封以來，我國海冰的監(jiān)測、預報和研究開始較全面地開展起來。通過一些現(xiàn)場觀測和實驗對渤海海冰物理、力學性質(zhì)有了一定了解，對冰與海上結(jié)構(gòu)物相互作用的研究也有一定進展，并結(jié)合工程實際為我國海上工程提供了所需的海冰環(huán)境設(shè)計參數(shù)。在現(xiàn)場觀測基礎(chǔ)上，進一步開展了衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)和應用[1-11]。在海冰熱力學、動力學和流變學研究基礎(chǔ)上，發(fā)展了適合于渤海冰情的海冰動力-熱力學模式，建立海冰數(shù)值預報業(yè)務(wù)。隨著氣候變暖對渤海海冰的影響，近年來更關(guān)注海冰與氣候關(guān)系的研究。

本系列講座首先回顧渤、黃海海冰的生消演變過程和歷史冰情；然后概述海冰熱力學、動力學和流變學基本原理；以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的渤海海冰數(shù)值模式和冰-海洋耦合模式；進一步介紹我國渤、黃海海冰數(shù)值預報發(fā)展和業(yè)務(wù)化運行；并探索全球變暖背景下渤、黃海海冰變化趨勢。本文首先敘述渤、黃海海冰狀況、歷史冰情等級及特點。

2 渤海海冰狀況

每年入冬，我國渤海和黃海北部部分海域開始結(jié)冰，隨著一次次冷空氣不斷地入侵，特別是強寒潮的爆發(fā)和持續(xù)，海冰覆蓋面積越來越明顯地擴大、厚度不斷增加，翌年春季海冰逐漸融化，直至消失。渤海的局地氣候變化直接影響該海域海冰生消期和冰情強弱。很明顯，這類一年冰的凍結(jié)或融化，增長或減弱都直接與當年冬季氣候特征有著密切關(guān)系。渤海海域海洋和大氣相互作用的物理過程直接決定了冰情及其演變。根據(jù)1951—2002年歷史資料統(tǒng)計分析得到歷年冬季大連月平均氣溫與渤海歷年冰級對應關(guān)系（見圖1），明顯地表示兩者變化具有很強的相關(guān)。2001—2002年度大連冬季為50 a來第二個暖冬，對應冰級是最輕的一年。

通常認為海水溫度達到冰點海冰形成，從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。然而實際上海面冰的出現(xiàn)和分布，不僅由表面海水降溫所決定，而且與海水密度、鹽度、水深、海水的湍流運動和凍結(jié)核有密切關(guān)系。渤海的冰情顯示，水深的影響是非常明顯的，海水凍結(jié)都是從沿岸淺水海域開始，逐漸向深海發(fā)展。深海冰的形成和增長與海洋混合層的演變有密切關(guān)系。海洋邊界層湍流運動促使秋末混合層明顯加厚，直接影響冬初的海冰形成。

圖1 1951—2002年渤海歷年冰級（直方圖）和大連歷年冬季平均氣溫（曲線）對應關(guān)系（引自文獻[12]）

鹽度對海冰形成的影響更復雜。冬季，渤海表層海水鹽度一般在28～30之間，渤海中部鹽度較高，可達31以上，黃海北部表層海水鹽度約在29～31之間。渤海是超淺海，冬季很容易混合到底。海水能從海面到深層以至底層同時結(jié)冰。然而，渤海南部黃河口附近海域，雖然氣溫偏高，但鹽度低于24.695，表層海水容易凍結(jié)。渤海海冰形成過程很復雜，影響因子多。不僅直接依賴于冷空氣入侵，降溫強度、速率和持續(xù)時間，而且雪降落海面能加速海冰形成。不同海區(qū)，不同水文、氣象狀況，不同地理位置特點，皆直接影響該海區(qū)凍結(jié)和結(jié)冰速度。由觀測資料統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)各海區(qū)每年冬季第一次出現(xiàn)海冰的日期即初冰日對應的平均氣溫差別很大。例如北黃海小長山和大鹿島的初冰日的多年平均氣溫分別為-9.0℃和-6.5℃，而遼東灣北部鲅魚圈為-4.3℃，明顯小于北黃海，說明除氣溫降低促使海冰形成外，其它因子對海冰形成也具有顯著影響。

海冰按其生長過程、存在形態(tài)和表面特征等分成不同類型。我國對海冰分類和定義曾經(jīng)多次改變，根據(jù)我國海冰的特點，以世界氣象組織發(fā)布的國際海冰術(shù)語和我國的海冰觀測規(guī)范[2]為標準，海冰類型可歸納如下。渤海和北黃海冰皆屬一年冰，即每年入冬海冰形成，持續(xù)到次年春初完全消融。

圖2 渤海海冰幾種典型冰型的圖像（引自文獻[13]）。

根據(jù)冰的運動狀態(tài)，將海冰分為固定冰和流冰兩大類，海上最初出現(xiàn)的冰都是流冰，只有當冷空氣入侵，海水熱量散失到一定程度時，在海灣淺水處和岸邊附近才有固定冰出現(xiàn)。通常黃海北部海島附近固定冰很少，萊州灣龍口附近海區(qū)，固定冰也較少見。遼東灣各海洋站附近可明顯觀測到固定冰，且持續(xù)時間較長。

出現(xiàn)在渤海的流冰按其發(fā)展階段、形態(tài)和厚度可分為7種，即：初生冰、冰皮、尼羅冰、蓮葉冰、灰冰、灰白冰和白冰。其中后3種皆較厚，超過10 cm以上。利用“北京一號”小衛(wèi)星高分辨率海冰圖象[13]給出這幾種冰型的典型圖象（見圖2）。按其表面特征，具有未發(fā)生形變的“平整冰”；在風、浪、流、潮作用下形成堆積以及冰層相互重疊的“重疊冰”；任意雜亂無章堆積的“堆積冰”，堆積高度可達3 m；呈丘陵狀的堆積冰即“冰丘”，堆積高度可達3～5 m；另外在渤海也可觀測到典型的“冰脊”，其帆高與龍骨之比一般為1∶7。圖3是1988年在遼東灣采用聲納，觀測到的冰脊剖面，其比約為1∶3。

根據(jù)海冰表面特征，上述分類被用來推算海冰力學參數(shù)，估計海冰對結(jié)構(gòu)物的作用，并且被用于預報模式的設(shè)計。

3 渤海和黃海北部冰情

隨著海冰觀測和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，各種觀測手段所得渤海和黃海北部海冰資料被用于該海域冰情分析和物理力學性質(zhì)研究；并按WMO發(fā)布的國際海冰術(shù)語和我國冰情特點將渤、黃海海冰分成若干類型和形狀。研究了渤、黃海冰漂移、冰厚分布、冰脊形成以及冰情的年際變化等特性。國家海洋局制定了5個冰情輕重等級供日常業(yè)務(wù)預報使用[15-26]。

圖3 1988年2月8日遼東灣（40°20′N，121°41′E）冰脊剖面圖（引自文獻[14]）

3.1 冰情和等級

每年冬季，渤海和北黃海部分海區(qū)都被冰覆蓋。在渤海，每年從11月中旬—12月初由北開始凍結(jié)，然后向南擴展。翌年2月下旬—3月中旬，由南向北消失，冰期一般超過3個月。盛冰期間，渤海和黃海北部沿岸固定冰的寬度多在0.2～2 km之間，個別河口和淺灘區(qū)可達5～10 km。海中覆蓋的冰幾乎皆是流冰，在風、流和浪共同作用下漂移，在運動過程中形變，乃至破碎和堆積。冰間出現(xiàn)開闊水，稱為水道，大面積開闊水域，又稱為冰間湖。圖4是根據(jù)1996年1月27日渤海NOAA衛(wèi)星遙感圖象分析得到冰厚分布[27]。雖然該年是輕冰年，該圖仍清楚地顯示了渤海海冰分布的宏觀特點。由于其分辨率低，不可能給出大范圍海冰分布更細致的特點。圖5是利用機載側(cè)視雷達SLAR照片拼接成的1989年2月3日遼東灣海冰分布[][3]，清晰地展現(xiàn)出該海域冰厚及水道的分布實況，顯示出冰水相間的空間分布特點。除遼東灣外，渤海和黃海北部流冰外緣線大致沿10～15 m等深線分布。遼東灣流冰外緣線離北岸65～85海里，渤海灣和萊州灣離岸15～30海里，黃海北部離岸15～25海里。各海區(qū)流冰覆蓋范圍隨各年冰情輕重差別很大。隨著我國衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展，不斷獲得更清晰的，高分辨率的渤海海冰圖象[13]。利用“北京一號”小衛(wèi)星獲得2007年1月10日遼東灣清晰的海冰圖象（見圖6a），并給出當日冰型分布（見圖6b）。

圖4 1996年1月27日渤海NOAA衛(wèi)星遙感圖象分析冰厚分布（單位：m，引自文獻[27]）

圖5 機載側(cè)視雷達SLAR觀測1989年2月3日遼東灣海冰分布（引自文獻[3]）

渤、黃海冰情存在著顯著的日變化、月變化和年變化。冰情嚴重年份，冰對海上航運，開發(fā)等海上生產(chǎn)活動具有很大影響，甚至直接影響整個環(huán)渤海經(jīng)濟發(fā)展。為了提供海冰監(jiān)測、預報和研究工作以及生產(chǎn)部門分析和比較各年冰情的標準，國家海洋局于1973年，主要根據(jù)1963年以來的海冰連續(xù)觀測資料，參考近百年來的氣溫資料和歷史海冰資料等，以海冰范圍和厚度為標準，將渤海和黃海北部的冰情劃分為I～V級，即冰情輕年、偏輕年、常年、偏重年和重年共5個等級。冰情等級的劃分為海冰監(jiān)測和預報工作及生產(chǎn)部門分析和比較各年冰情提供了標準。根據(jù)衛(wèi)星遙感海冰圖像，以及沿岸觀測、飛機和船舶航測，綜合繪制了渤海冰情5個等級分布圖（見圖7），示意表示了這5種不同程度冰情的基本特征。

輕冰年的冰情偏輕，如1972/1973年冬季冰情很輕。而一般年份冰情往往給海上作業(yè)帶來一定影響。但在特別嚴寒的冬季是極為嚴重的。根據(jù)歷史記載，1936、1947和1969年渤海曾發(fā)生過3次特別嚴重的冰情。

1969年2月中旬—3月中旬長達一個月的時間內(nèi)，渤海發(fā)生本世紀有記載以來未曾有的特大冰封。從2月15日開始，流冰從渤海中部迅速向東擴展，2月20—23日流冰邊緣延伸到渤海海峽以西約35 km處，2月27日—3月15日，除老鐵山水道和猴磯水道外，整個渤海海面幾乎全被海冰覆蓋。根據(jù)當年幾次船舶和航空觀測的結(jié)果綜合繪制的冰情圖，定性地表示該年冰情嚴重時期的概況。進一步利用當年船舶與飛機實測資料和岸站觀測以及氣象資料，采用海冰動力-熱力模式[28]進行后報得到整個渤海冰厚分布，圖8定量地表示嚴重冰年的冰情特征。

圖6 “北京一號”小衛(wèi)星2007年1月10日遼東灣海冰圖象和冰型分布（引自文獻[13]）

圖7 渤海和黃海北部海冰冰情等級劃分示意圖

圖8 1969年2月21日渤海冰厚分布數(shù)值模擬(引自文獻[28])

3.2 冰期

渤海和黃海北部一年當中僅在冬季才出現(xiàn)海冰。每年初冬最早出現(xiàn)冰的日期成為初冰日，翌年初春冰最晚消失的日期稱為終冰日，其間稱為結(jié)冰期或總冰期或簡稱冰期。渤海和黃海北部的冰期約為3—4個月，其中以遼東灣冰期最長，黃海北部和渤海灣依次次之，萊州灣冰期最短。

遼東灣是渤海結(jié)冰最早的海域，也是終冰最晚的海域。初冰日最早出現(xiàn)于11月上旬，最晚出現(xiàn)于12月中旬，多年平均為11月下旬；終冰日最早為2月下旬，最晚為4月上旬，多年平均為3月中旬；冰期最長為150 d左右，其中1月中旬至2月中旬為盛冰期，最短為70 d左右，多年平均為100 d左右（見表1）。

按通常習慣，根據(jù)實測資料，考慮海冰和海上生產(chǎn)與航運的關(guān)系，冰期被劃分為3個階段，即初冰期、盛冰期和終冰期。初冰期是海冰形成和發(fā)展時期，對于渤黃海結(jié)冰各海區(qū)，在整個冰期，初冰期持續(xù)時間最長。它是指從初冰日到盛冰日時間間隔。所謂盛冰日通常定義為從這一天開始，海冰密集度（所考慮海區(qū)海冰覆蓋所占比例，以十分之幾表示，如全部被冰覆蓋，其密集度或冰量為10）或冰量首次連續(xù)3 d等于或大于8，同時這3 d冰厚持續(xù)達到15～30 cm。由于渤海灣和萊州灣冰情較輕，為實用需要，通常將上述定義對這兩個海區(qū)冰厚改為5 cm。

表1 1963—2010年遼東灣冰期要素統(tǒng)計表

盛冰期是從盛冰日到融冰日時間間隔。每年冬季最后一次冰量或冰密集度連續(xù)3 d大于或等于8，同時連續(xù)3 d出現(xiàn)上述厚度薄冰，此3 d最后一天定為融冰日。盛冰期是一年中冰情最嚴重時期，也是一年中海冰對航運和海上生產(chǎn)影響最大的時期。每年冬季盛冰期長短不一，出現(xiàn)時間遲早也不一。通常遼東灣的盛冰期出現(xiàn)于1月上旬—2月中旬，持續(xù)接近2個月，黃海北部從1月中旬—2月中旬持續(xù)約1個多月，渤海灣盛冰期從1月上旬—2月上旬約1個月，而萊州灣盛冰期最短，在1—2月期間不足一個月。

終冰期也稱融冰期，是指融冰日到終冰日之間時間間隔。它是整個冰期最短的一個階段。此期間需特別注意由于海冰漂移，往往造成局地海域海冰厚度和密集度增大。更需注意終冰期渤海有時發(fā)生“返凍”現(xiàn)象，對海上生產(chǎn)活動和航運產(chǎn)生不同程度影響，甚至造成海冰災害。

3.3 渤海海冰漂移

圖9 破冰船跟蹤所得流冰塊路徑

渤海和黃海北部除沿岸很少部分為固定冰所覆蓋外，其余大部分為不斷運動的流冰。不同尺度流冰在漂移過程中會產(chǎn)生形變，造成海冰斷裂、堆積和水道形成。渤海和北黃海海冰漂移主要受潮流和風的驅(qū)動，如不考慮冰內(nèi)應力的作用，即所謂“自由漂移”，但近岸冰漂移受海岸地形很大影響。圖9為破冰船跟蹤流冰塊路徑、清楚地顯示渤海流冰沿潮流橢圓主軸來回漂流。圖10是由MODIS衛(wèi)星遙感圖象反演獲得的渤海遼東灣冰速分布，并標出對應點風速矢星，清楚地顯示風速對冰的驅(qū)動作用，主要決定海冰漂移速度和方向[29]。根據(jù)1963年 11月—1978年3月16 a資料統(tǒng)計[1]，平均冰漂移速度0.2～0.4 m/s。遼東灣北部東岸附近(以鲅魚圈為例)，流冰漂移平均速度約為0.4～0.5 m/s；最大達0.7～0.9 m/s，有些區(qū)域最大漂移速度甚至超過1.0 m/s，遼東灣北部西岸附近的平均速度為0.3～0.4 m/s，秦皇島附近海域平均漂移速度僅為0.2 m/s，是各海區(qū)中最小的平均漂移速度，這主要由于該海區(qū)潮流速度較小。在渤海灣，各方向的平均速度較接近，均為0.3 m/s。而各方向最大冰速差別較大，大多為0.4～0.6 m/s，個別達1.1 m/s。萊州灣，以龍口附近海域為例，平均冰速多為0.2～0.4 m/s，最大為0.4～0.6 m/s，個別達1.0m/s，黃海北部以大鹿島附近海區(qū)為例，平均冰速多為0.2～0.3 m/s，最大為0.3～0.7 m/s，個別達1.1 m/s。

圖10 由MODIS圖像獲得的2003年1月渤海遼東灣冰速分布和相應點的風速矢量（引自文獻[29]）。

從一些海洋站觀測到漂移方向的頻率圖可以看到，遼東灣東北部以鲅魚圈海域為例，流冰漂移方向主要為NWW—SW。最大頻率SWW方向為34.2%。遼東灣西北部以葫蘆島為例，流冰主要漂移方向偏西，其次為偏東方向。最大流向SWW的頻率為19.7%。遼東灣的東南部，以長興島為例，流冰漂移主要方向為西南，頻率為65.2%。其次為向北，頻率為20.0%。遼東灣西南部，以秦皇島為例，冰漂移主要指向SW（頻率25.1%），其次為指向NEE（頻率17.0%），偏西南方向頻率顯著大于偏東北方向的頻率。渤海灣以塘沽為例，冰漂移方向比較分散，遍及各個方向。主要指向偏東南和西北方向，最大頻率東南向為20.3%。萊州灣東北部以龍口為例，漂移方向主要集中在北到東北方向之間，最大頻率NNE為34.1%，其次SWW方向頻率為9.1%。黃海北部大鹿島附近海域，主要漂移方向為偏西北和偏東南。最大頻率方向NNW的頻率為24.0%，SSE為15.0%。而小長山島附近海域，冰漂移主要集中在東南、東和西南3個方向，最大頻率SE為33.3%。

綜合結(jié)果指出流冰漂移方向與海岸走向有著密切關(guān)系。在潮流和地形作用下，在近岸淺海凍結(jié)的冰，大多漂離至較遠海域。在遼東灣沿岸流冰偏南方向頻率均超過偏北方向頻率，尤其東岸海域最明顯。例如每年融冰季節(jié)，很少結(jié)冰的長興島附近海域出現(xiàn)大范圍流冰。

4 討論

1969年幾乎整個渤海海域被冰覆蓋，嚴重的冰情造成了“海二井”油氣平臺被推倒，“海一井”遭受嚴重破壞；1987年“海四井”烽火臺被海冰推倒等嚴重冰災，迫使人們更加關(guān)注海冰對海上結(jié)構(gòu)的作用及其破壞。從20世紀80年代開始，開展了大量的海冰物理力學性質(zhì)調(diào)查、觀測和實驗研究。

為適應海洋工程設(shè)計和生產(chǎn)的需要，根據(jù)渤海的海冰物理力學性質(zhì)和環(huán)境條件制定了“海冰設(shè)計作業(yè)條例暫行規(guī)劃”，為我國渤海冬季海上工程的海冰設(shè)計和生產(chǎn)作業(yè)條件提供依據(jù)[4,11，30-32]。并且為本世紀環(huán)渤海經(jīng)濟圈冬季海上工程作業(yè)提供可靠的基礎(chǔ)資料，也為未來北極航道和經(jīng)濟開發(fā)提供相關(guān)的海冰物理力學性質(zhì)觀測和研究的參考。渤海海冰表面特征和物理力學性質(zhì)的觀測和研究以及所獲取的資料，不僅和冬季海上工程作業(yè)密切相關(guān)而且為海冰熱力學、動力學和流變學研究提供基本資料，并且為渤海海冰數(shù)值模式的發(fā)展，以及數(shù)值預報業(yè)務(wù)的建立奠定基礎(chǔ)。我們將在以下幾講較詳細地闡述。

渤、黃海處于中緯度東亞的局地海域，20世紀80年代以來，我國學者通過大量歷史資料分析，發(fā)現(xiàn)其生消冰期、覆蓋范圍和厚薄明顯受全球氣候變化影響，和AO與ENSO變化密切相關(guān)，而且更直接取決于東亞局地氣候變化。但是至今還不清楚影響全球氣候的AO和ENSO等因子如何改變西風帶環(huán)流，如何改變幾個活動中心環(huán)流變化的物理過程，從而決定東亞局地海域渤海海冰變化。

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[32]董須瑜,劉春厚.關(guān)于遼東灣JZ20-2海區(qū)海冰設(shè)計條件的修改意見[J].中國海上油氣(工程),1989,1(1):36-44.

Sea ice in the Bohai Sea and the northern Yellow Sea

LIU Yu,WU Hui-ding
（National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

The evolution process,characteristics and influencing factors of sea ice freezing and melting are introduced.Different sea ice types and surface features are also analyzed.Finally,the historical ice conditions, grades,glacial periods and sea ice drift characteristics are reviewed in the Bohai sea and the Yellow Sea.

the Bohai Sea and the northern Yellow Sea,ice condition,ice type,ice drift

P731.15

A

1003-0239（2017）03-0094-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.012

2017-04-23；

2017-06-14。

國家自然科學基金（41676189，41506109）；國家重點專項（2016YFC1401502）。

劉煜（1973-），男，副研究員，博士，主要從事海冰預報和研究工作。E-mail：liuyu@nmefc.gov.cn