渤海海冰精细化分区及特征分析.pdf

第卷第 期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年 月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gO c t,尹汉军,刘涛,陈雪,等渤海海冰精细化分区及特征分析J水利科学与寒区工程,():渤海海冰精细化分区及特征分析尹汉军,刘涛,陈雪,赵一丁,阮成卿,黎舸,付迪(中海油研究总院有限责任公司,北京 ;自然资源部北海预报减灾中心,山东 青岛 )摘要:渤海海域每年冬季都有海冰出现,严重的海冰灾害不仅影响沿岸人民群众的生活安全,同时会对海上结构物和生产活动构成不同程度的威胁,制约海洋经济发展.目前普遍使用的(中国海海冰条件及应用)Q/H s n 规定中的分区划分较粗,对海上平台等工程项目的指导性和分区的精细化程度有待提升.本文建立在 年后报数据补全的基础上,本文在渤海海域建立了新的海冰精细化分区,并分析了海冰精细化分区的海冰空间分布特征、物理参数及不同重现期冰厚分布,研究结果可为渤海地区海洋工程建设、环境保护及冬季海冰应对工作提供重要参考.关键词:海冰;海冰分区;渤海;重现期分布中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:基金项目:中海油重大科研项目(K J G G )作者简介:尹汉军(),男,辽宁抚顺人,正高级工程师,主要从事海洋工程方面的研究工作.E m a i l:y i n h j c h o o c c o m c n.我国海冰区划自 世纪 年代开始发展.年,美国A R C T I C公司首次提出划分结果,把渤海划分为渤海湾冰区、渤中冰区和莱州湾冰区三个冰区 ;杨国金()通过海洋调查,掌握中国海域海冰资料,进行烈度区划,将渤海划分为个冰区,重点考虑了海上油气开发前景;年,吴辉碇根据中国海冰分布及变化的基本特征,同时考虑到工程设计和生产作业部门的使用方便,将渤海和黄海北部近岸区划分为 个冰区,同一冰区内冰情基本一致.近年来,海冰总体冰情减弱,但冬季强寒潮等事件逐渐增多,随着渤海冬季海上活动的增加,海冰的潜在灾害日渐突出.采用经济有效的抗冰减灾工程措施,需要进行大量设计和论证工作,基础就是海冰特征参数,依据数十年前海洋环境调查数据推算的海冰特征参数和冰区划分不能满足当前工 程 设 计 和 海 冰 研 究 的 需 要.本 文 利 用 年MO D I S卫星遥感海冰观测数据,对海冰模式后报/分辨率冰厚及密集度数据进行了同化,并利用沿岸海洋站长期观测资料、辽东湾锦州海域石油平台 年逐日海冰人工观测资料,对海冰模式后报数据进行了对比检验.在此基础上,渤海区域按照/分辨率进行了空间区划,进而通过计算获得的多年长序列/海冰参数,分析/精细化分区内海冰的厚度、密集度、冰期等海冰特征要素,并与中海油标准中 个冰区的海冰特征进行了比较.最后,计算了不同重现期的平整冰冰厚.数据与方法 数据类型自 年渤海特大冰封后,经过几十年的艰苦努力,海冰监测取得了较大的进展,初步建立了海洋站、现场勘察、调查船、飞机雷达和卫星遥感的海冰立体监测网.本文使用或参考资料包括:年海洋站海冰观测资料、年逐年冬季渤海海冰船舶调查资料、年可见光卫星遥感资料、年中国海洋灾害公报、年北海区海洋灾害公报等历史监测资料,结合 年模式后报数据开展海冰精细化分区及冰区内海冰特征研究.模式设置本文 所 使 用 的 海 冰 后 报 数 据 来 源 于 基 于N EMO模式建立的渤黄海的海洋海冰降尺度预报模式,网格范围为 E E,N N,能够覆盖整个渤海和北黄海.模式网格基于O R C A全球三极网格系统制作,分辨率/,能精细模拟复 杂 岛 屿 和 岸 线 附 近 的 海 洋 环 境,输 出 年的逐日海冰厚度、密集度、海冰漂移速度及方向、海冰温度、海冰盐度,分辨率为/.N EMO模式采用集合调整卡曼滤波(E AK F)同化方法进行同化,同化数据源为自然资源部北海预报减灾中心在冬季逐日开展的的卫星遥感海冰密集度数据,同化频率为冰期内每周一次.以 /年冬季冰期为例,同化卫星遥感海冰监测产品后,模式预报准确性明显提高,海冰覆盖范围误差 ,海冰密集度误差 .模式验证 石油平台观测数据验证锦州和 平台位于渤海辽东湾北部海域,图为 年两个石油平台的海冰厚度监测数据与模式得到的海冰冰厚情况,O B S代表监测海冰厚度,MO D代表模式输出的海冰厚度.在锦州平台位置,模式海冰厚度与观测的相关系数为 ,绝对误差为 c m.锦州 平台位置,模式海冰厚度与观测的相关系数为 ,绝对误差为 c m,模式能较好地反映强弱冰年的不同冰情.图 年锦州 和 平台冰厚对比图海洋站模式总冰期与监测总冰期对比 海洋站冰期数据验证应用渤海沿岸有人值守观测站的海冰观测记录与相邻评估单元网格的后报数据开展了冰期的对比分析,比较了鲅鱼圈海洋站(B YQ)、塘沽海洋站(T GU)、温坨子海洋站(WT Z)的模式总冰期和监测总冰期,三角线条代表监测冰期,方形线条代表模式后报冰期.由图可知,各站区域的监测冰期长度总体大于模式后报,这主要考虑初冰期的海冰主要形成于近岸的浅滩和半封闭海湾内,并于春季回暖后在这些近岸区域最终消融,因此在近岸开展的人工监测冰期长度较数值模式模拟后报的海上分区冰期普遍略长.在鲅鱼圈海洋站、温坨子海洋站这类位置偏北,海冰冰期较长的海洋站数据连续,模式结果与监测冰期的一致性良好,模式能 够 较 好 地 反 映 强 弱 冰 年 的 冰 期 长 短分布.结果与分析 分区划定本文拟建立海冰精细化分区位于 E E,N N区域,以/分辨率将渤海分为共 个冰区,相较于标准Q/H s n 的 个冰区能够更精细的区分沿岸与内海、浅水与深水以及各海上工程设施之间海冰的不同分布特征与时空变化.如图所示.水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图渤海/海冰分区 海冰空间分布特征图为 年渤海各冰区内的最大冰厚、平均冰厚.最大冰厚和平均冰厚均显示出较为一致的空间分布特征,即辽东湾、渤海湾和莱州湾的湾底均为各自海域的高冰厚分布区域,东岸的海冰厚度高于西岸,与水深的分布较为一致.辽东湾的海冰结冰范围最大,与外海热量交换缓慢,加之冬季冷大陆的热力作用,十分利于海冰的生长与盘踞,在西北季风的作用下海冰向东部集聚.当冬季偏北和偏东的季风连续吹刮时,在顺时针回流的作用下,可使流冰始终存在于鲅鱼圈、长兴岛一带.图为海冰最大冰厚及平均冰厚与标准:Q/H s n 中冰厚的距平值,渤海海域大部分地区最大冰厚有所下降,辽东湾东侧最大冰厚略有上升,整体上升幅度约为 c m左右,渤海中部 区附近海冰厚度下降最为显著.海冰平均厚度与最大厚度分布类似,除辽东湾东部外,渤海湾中部也有轻微的上升.图海冰冰厚图海冰冰厚与中海油原标准冰厚距平 海冰物理参数海冰温度指冰层内部的温度.实际天然海冰中,冰的类型及其垂直温度分布变化极其复杂,受到气温、水温、冰厚、冰的传热系数等因素影第 期尹汉军,等渤海海冰精细化分区及特征分析响.在工程设计中,需要确定代表这些因素的单一冰温设计值,即工程设计冰温.工程设计冰温是相对于年气温最低时的冰体平均温度,在假设无相变发生时,计算如式():Ti(Ti aTi w)/()式中:Ti为海冰设计温度,;Ti a为冰层上界面温度,;Ti w为冰层下界面温度,.冰层上、下界面温度与气温、冰盖传热系数、海水结冰温度和冰盖放热系数相关.海冰盐度指海冰融化后所得的海水盐度,海冰盐度的高低主要取决于冻结前海水的盐度和冻结速度.海冰盐度计算如式():Si H ()式中:Si为海冰盐度,;H为海冰厚度,c m.计算发现,海冰下界面温度基本等同于海水结冰温度,不同冰区的海冰下界面温度差距不大,海冰上界面温度主要受气温影响,海水结冰温度渤海海域各冰区平均冰温呈现出南部冰区高于北部冰区的分布状态,与气温分布较为一致,辽东湾湾底海冰平均温度最低.海冰冰盐是海冰厚度的函数,海冰较厚处海冰盐度较低,盐度分布呈现出辽东湾东部、渤海湾南部、莱州湾南部冰区低于其他冰区的特点.如图.图海冰平均冰温与冰盐 海冰冰厚重现期推算在海洋环境荷载的长期预测中,我国规范建议采 用P 型 分 布 进 行 推 算,也 可 以 采 用G u m b e l分布、W e i b u l l分布或对数正态分布进行优选.在确定设计冰厚时,过低的估计值可能导致海岸或近海工程的破坏;而以过高估计值设计则会造成成本的增加.P 型分布最大的优点是弹性大,多数情况下能通过反复适线或适当调整离差系数和均值,使理论曲线与经验频率点拟合较好,但不适用于较短的资料序列.W e i b u l l分布由理论与经验数据相结合得出,应用比较灵活,可以由概论图上直接定出斜率和截距,也可以用最小二乘法来确定这两个参数.G u m b e l分布理论依据充分、无任意性,且对中值附近的经验点拟合程度较好,但与P 方法相同存在特大值处理困难的问题.对数正态分布是假设变量取对数后变成正态分布,可以避免选适线参数的麻烦且计算简便,较为适合变量值接近于平均值的场合,但在数据不充分长时推算结果分布偏大.综上,并考虑到目前中海油在设计推算中更常使用P 和W e i b u l l的推算方法,因此本文使用这两种推算值的平均值,推算各冰区 年一遇、年一遇、年一遇、年一遇的海冰厚度,如图.不同重现期海冰厚度主要表现为辽东湾最厚,渤海湾及莱州湾次之,中心海域基本没有海冰分布.年一遇海冰厚度中,辽东湾东部最厚达到 c m,出现在辽东湾东北部的第 号冰区;在年一遇海冰厚度中,仅在辽东湾及渤海湾固定存在海冰分布.与中海油标准中的冰厚重现期值相比,新分区不同重现期海冰厚度在各海域总体呈下降趋势,海冰厚度 年一遇及 年一遇值在西岸较中海油标准下降十分显著,沿岸冰区下降幅度最大可达到 c m,下降幅度最大的区域主要分布在天津唐山、秦皇岛锦州的近海以及莱州湾西岸,如图.水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图不同重现期海冰厚度图不同重现期海冰厚度与中海油标准距平第 期尹汉军,等渤海海冰精细化分区及特征分析与中海油标准中的冰厚重现期值相比,辽东湾东部海域略有上升,这一区域重现期冰厚值上升主要有两个原因,一是辽东湾海冰分布愈发呈现出西轻东重的趋势,这是由于海冰由西向东漂移聚集导致的;二是中海油标准中的分区多用沿岸冰情代表整个冰区冰情,新的精细化分区的方式更能够突出刻画沿岸与海上各冰区之间的变化及差异.结论本文应用近三十年海冰监测数据及N EMO海冰海洋耦合模式的后报数据,建立了渤海海冰精细化分区,并分析了新分区的海冰空间特征、设计冰温和设计盐度等物理参数、以及由P 和W e i b u l l两种推方法的平均值所构建的不同重现期平整冰冰厚分布.根据分析,渤海的设计冰温呈现西南暖、东北冷的分布态势,设计冰盐呈现辽东湾、渤海湾南部、莱州湾南部这三个海湾底部的低盐分布.冰温和冰盐的分布均与冰厚分布密切相关,即低冰温、低冰盐和高冰厚区有分布一致性.平整冰冰厚的不同重现期推算结果和与中海油现行标准的对比分析显示,渤海西岸冰厚呈现明显下降,体现出受人类活动与气候变暖的影响,辽东湾东岸冰厚推算值呈现上升,体现出细分区与粗分区的相比具有更精细化的评估结论,同时也是对辽东湾冰情西轻东重分布规律的展现.参考文献:杨国金海冰工程学M北京:石油工业出版社,申媛媛渤海及黄海北部海冰烈度的聚类区划D青岛:中国海洋大学,吴 辉 碇渤 海 海 冰 设 计 作 业 条 件 M北 京:海 洋 出 版社,郭玉娣,王铁,程善俊,等渤海海冰时空分布特征和大气环流对渤海海 冰的强迫作用 J/O L自 然 资 源 遥 感:h t t p:/k n s c n k i n e t/k c m s/d e t a i l/P h t m l 耿姗姗,韩春花,杨扬,等渤海海冰灾害经济损失分析及防灾减灾的思考J海洋经济,():马玉贤,关湃,许宁,等辽东湾海洋工程可靠性设计的海冰参数选取J海洋工程,():中华人民共和国交通运输部海港水文规范:J T J S北京:人民交通出版社陶山山,董胜渤海北部冰厚重现值的极大似然法区间估计J工程力学,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷