, 车达升, 李晓东Sea ice distribution and influencing factors in the Yellow Sea and the Bohai Sea during winter 2018
LIUCheng, CHEDasheng, LIXiaodong通讯作者:
收稿日期:2018-08-8
修回日期:2019-01-25
网络出版日期:2019-06-25
版权声明:2019《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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1 引言
黄渤海位于41°N以南的亚欧大陆东侧,作为北半球最南端的季节性海冰区,黄渤海每年冬半年（11月至翌年3月）都会出现结冰现象[1]。海冰的存在能够减轻冬季风暴对黄渤海海岸的破坏,保护当地生态环境[2];海冰作为淡水资源加以开发利用,可以部分解决沿岸地区淡水缺乏问题[3,4,5];同时海冰一直是冬季影响中国渤海和黄海的最主要的海洋灾害之一[6],对渤海与黄海北部的水产养殖、海洋导航、海上石油生产和其他海事活动造成了严重危害[7]。为更加有效地利用海冰资源,减小海冰灾害造成的影响,众多****对黄渤海海冰时空分布特征、冰情影响因子和海冰灾害进行了卓有成效的研究。黄渤海海冰分布特征和冰情影响因子方面,如王萌等[8]利用卫星资料分析了1996—2011年冬季渤海海冰的时空分布,从多年平均状况来看,渤海海冰主要集中在辽东湾,且年际变化较大,单日海冰面积最大年份的日最大冰面积均超过3万km2,单日海冰面积最小年份的日最大冰面积均不超过1万km2,且海冰面积与营口站气温积温及气温之间均呈负相关关系;王相玉等[9]利用冬季大连和丹东气温,研究了黄渤海冰情的时空分布和年代际变化特征,指出受冬季气温升高的影响,20世纪80年代中期至21世纪初黄渤海冰情较轻;郑冬梅等[10]根据年尺度渤海冰情等级资料,探讨了ENSO和PSO对海冰的影响,指出春季ENSO和PSO是渤海冰情年代际变化的影响因素;刘钦政等[11]选取渤海冰情等级资料和大气环流74项指数逐月资料,研究该地区冰情年代际变化及冰情的气候成因,指出西太平洋副热带高压是影响渤海海冰冰情变化的主要因子。上述文献表明,黄渤海海冰表现出很大的年际或年代际变化,海洋大气强烈影响着黄渤海冰情。海冰灾害方面,王相玉等[12]给出了渤海、黄海60年来海冰灾害的基本状况,统计显示渤黄海严重和比较严重的海冰灾害大致每5~6年发生一次,而局部区域出现的海冰灾害几乎每年都会发生。以往研究大多利用卫星反演或冰情等海冰资料来分析黄渤海海冰的时空变化特征。考察海洋气象对海冰影响时,也多选用黄渤海近岸站点气温数据,关注的重点往往是年代际、年际时间尺度上海洋气象因子对黄渤海海冰的影响,这些研究为中期和长期黄渤海海冰预报奠定了基础;然而,短期内黄渤海海冰覆盖范围的时空分布和变化对海洋石油开采、交通运输和海上工程施工等人类活动的影响更为直接[1],目前,在天气尺度上,应用黄渤海海区海洋气象再分析资料研究海气界面热力和动力环境对黄渤海海冰影响的文献相对较少。另外,在海冰灾害研究中大多关注融冰期的海冰“返冻现象”,而对于海冰生成发展阶段海冰面积的异常减少研究极少。本文利用MASIE（Multisensor Analyzed Sea Ice Extent）多源数据合成海冰产品展示了2018年度黄渤海海冰空间分布特征;结合同期欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim再分析资料,通过相关性分析,研究了日尺度海冰面积与区域平均海表温度（Sea Surface Temperature, SST）、海面2 m气温（T2m）、海面10 m经向风（V10 m）和海面2 m气温<-2℃积温（Tc）之间的相关性;同时分析了海冰生成发展阶段日海冰范围异常减少的热力与动力归因。本文能够加深人们对黄渤海海冰短期时空变化规律的认识,可为黄渤海海冰短期预报提供参考。
2 研究区域概况、资料及方法
2.1 研究区域概况
渤海是一个陆架浅海盆地,凹入中国大陆,其东南有辽东半岛和山东半岛合围,海底地势从辽东湾、渤海湾、莱州湾向渤海中央及渤海海峡倾斜。渤海平均水深18 m,沿岸区水深均在10 m以内[13];黄海通过渤海海峡与渤海相连,黄海北部主要有朝鲜湾,朝鲜湾潮流沙脊群众多,0~40 m等深线呈同步场状分布,沙脊呈NE向排列[14]。渤海以及黄海北部沿岸海域,由于深度较浅,滩涂面积大,入海河流多,海水盐度较低,每年冬季该海域都会出现不同程度的结冰现象。2.2 资料
美国国家冰雪数据中心（NSIDC）MASIE海冰范围数据是基于被动式微波辐射计、可见光/近红外和合成孔径雷达等多种数据源的日尺度人工融合分析资料。本文选取其1 km2空间分辨率的数据集[15]。当一个像素点中有不少于40%的范围被海冰覆盖时,定义该像素点为有冰;当少于40%的范围被海冰覆盖时,定义该像素点为无冰;日海冰面积为所有有冰像素点面积之和。MASIE海冰产品基于多个数据源的人工手动同化而不是给定的自动算法,相对于SSM/I和SSMIS等其他单一来源的海冰范围数据,MASIE产品具有理想的时空分辨率和可信度,能够较好地解释季节内海湾、海峡、海岸线和边缘冰区的冰情及其变化[16,17,18]。本文选取2017年11月至2108年3月黄渤海日尺度海冰面积数据文件和显示海冰范围的可视化图像文件作为研究的数据源。海洋气象数据采用与海冰资料同期的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-interim日尺度再分析资料[19],其水平分辨率为0.125°;选用参数包括黄渤海海区海表温度（SST）、海平面2 m气温（T2m）和海平面10 m经向风（V10m）,各参数具体含义参阅Kalnay等的文献[20],这3种参数用于诊断海洋气象因子与海冰面积的关系。
2.3 方法
研究黄渤海海冰空间范围分布特征时,采用海冰覆盖率的方法。利用日尺度黄渤海海区MASIE图形（PNG）文件,考察每个像素点海冰有无情况,如果存在海冰,则记为1个海冰日,将该像素点的海冰日进行累积,然后求取累积海冰日数与年度冰期的百分比,得到各个像素点的年度海冰覆盖率,记为Pice,具体算法公式如下：式中：Di为第i日该像素点上海冰有无情况,如果存在海冰,则Di=1,否则,Di=0;N为年度冰期,为黄渤海海冰从出现到消失所经历的日数。
海冰面积日变化ΔSIE为当日海冰面积减去前一日海冰面积,ΔSIE正值表示日海冰面积增大,负值表示日海冰面积减小。
积温能够较好反映出气候对某一自然过程的温度条件或热量资源状况,特定区域海冰的形成与冰点以下海表气温积温有直接的关系[21];由于黄渤海年平均盐度值介于30.0‰~32.0‰,海水冰点可设定在-2.0℃[22],本文将区域日平均海面2 m气温<-2.0℃的温度累加值作为海面2 m气温积温（Tc）,研究其对海冰的影响。
为评估海冰与潜在海洋气象因子之间的相关关系,本文采用Pearson相关方法进行诊断分析。通过从逐日原始值中减去由线性最小二乘法确定的趋势值来计算海冰面积和潜在海洋气象因子去趋势时间序列的相关系数[23],其中区域海洋气象因子的日均值是研究区域ERA-interim数据各格点上的日算数平均值。
3 结果与分析
3.1 年度海冰覆盖率空间分布
黄渤海MASIE图形文件显示,2017年11月27日海冰首先在朝鲜湾新安州近岸的浅水低盐度水域形成,2018年1月28日黄渤海日海冰范围达到一年中的最大值46282 km2,整个辽东湾和朝鲜湾基本被海冰覆盖,渤海湾、莱州湾海冰离岸距离达到10 km以上,3月11日海冰从辽东湾完全消失,2018年黄渤海冰期结束,整个冰期为105天。图1展示了2018年度黄渤海各海区海冰覆盖率,2018年度海冰多存在于黄渤海的近岸和北部海湾,其中辽东湾和朝鲜湾海冰覆盖率最高,在渤海中部和39°N以南的黄海基本没有海冰出现。朝鲜湾海冰覆盖率呈平行于海岸线的条带状分布,随着海冰离岸距离的增加,海冰覆盖率逐渐降低。辽东湾海冰覆盖率最大出现在辽东湾湾底,其次是辽东湾东岸,辽东湾西岸海冰覆盖率远低于同纬度东岸的海冰覆盖率。辽东湾东岸海冰覆盖率高于西岸的原因可能是在渤海北部的辽东湾存在一顺时针方向的海流场,有助于辽东湾西岸海冰向东岸聚集[24];另外,渤海湾冬季盛行的北风和西北风驱动辽东湾西岸海冰作离岸漂移,辽东湾东岸海冰向近岸运动,西岸海冰飘移和东岸海冰堆积,从而造成海冰覆盖率在辽东湾东、西岸之间的差异。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12018年冬季黄渤海海冰覆盖率
-->Figure 1Spatial distribution of sea ice in the Yellow Sea and the Bohai Sea, winter 2018
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3.2 日海冰面积与海洋气象因子的关系
图2展示了2017年11月27日至2018年3月11日黄渤海逐日海冰面积。2018年黄渤海日海冰面积呈现出先增大后减小的趋势,整体上可分为3个阶段：第一阶段,从海冰在朝鲜湾出现至2018年1月28日海冰面积达到年度最大值,共经历60天左右,属于年度海冰的形成和发展阶段;第二阶段,从2018年1月28日至2月7日,日海冰面积在最大值附近波动,处于一年中的盛冰期;第三阶段,从2018年2月7日持续到3月12日,日海冰面积随着时间推移迅速减少,属于融化期,融化期持续35天。2018年冬季黄渤海冰生长发展期明显长于其融化期,表明2018年黄渤海海冰形成和融化在时间上的不对称,这与渤海海冰多年平均生长期、融化期比例关系一致[25]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22017年11月27日—2018年3月11日年黄渤海日海冰面积
-->Figure 2Daily sea ice extent in the Yellow Sea and the Bohai Sea, 2017.11.27-2018.3.11
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分析日尺度海冰面积与海洋气象因子的关系。由图1可知,2018年黄渤海海冰集中在39°N以北的辽东湾和朝鲜湾,本文使用39°N以北黄渤海海区的海洋气象再分析资料研究其对海冰面积的影响。图3给出黄渤海日海冰面积SIE和39°N以北黄渤海日均SST、T2m、Tc和V10m时间序列。2017年11月27日至2018年2月7日,区域日平均SST呈单调的线性降低趋势,其下降速率维持在-0.12℃/天;2018年2月7日,39°N以北黄渤海日均SST降至-1.1℃,达到整个冰期的SST低值,区域日平均SST持续降低的时段与黄渤海海冰发展和维持的时期相吻合,表明：39°N以北黄渤海SST的降低有利于黄渤海海冰的发展和维持;2018年2月8日至3月12日,区域日平均SST维持在-1℃上下,日变化不明显。该时段区域日平均SST没有出现明显升高趋势,其原因可能是海冰融化从海表吸收了热能,这种反馈对SST维持在一定水平起到促进作用。区域日平均T2m在整个冰期大部分时间内通常<0℃,对比逐日区域平均T2m与SIE,发现：SIE对T2m变化的响应比较直接,通常T2m升高（降低）时SIE将减小（增大）;当区域日均T2m处于-5℃以下时,无论T2m升高还是降低,海冰面积都会持续扩大,这说明当T2m在低位震荡时,海冰面积会持续增加。区域平均<-2℃积温Tc在2017年11月底到2018年1月中旬降低相对平缓,此时段,海冰面积缓慢增加;2018年1月下旬,积温Tc降低至-120℃以下,此后积温降低速度加快,与之相对应,海冰面积迅速扩大,达到年内最大值;区域平均<-2℃积温Tc达到一定值后的迅速降低对海冰面积的快速增加起到了促进作用。区域日平均V10m在整个冰期呈现两种形式,2018年2月7日之前,以北向风（负值）为主,南向风（正值）出现次数较少,北向风与南向风出现日数的比值大约是3:1,即使出现南向风,其持续时间也较短;北向风的存在不仅能将高纬度的冷空气带到黄渤海海区,而且还可以促使辽东湾和朝鲜湾的海冰作离岸运动,使海冰范围不断扩大;2018年2月7日之后,南向风明显增多,北向风与南向风日数之比降至2:1,与之相对应,海冰面积呈现减少的趋势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3海冰面积、海表温度、海面2 m气温、海面2 m气温积温和海面10 m经向风时间序列
-->Figure 3Time series of SIE, SST, T2m ,Tc, and V10m, 2017.11.27-2018.3.11
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进一步考察黄渤海日海冰面积与海洋气象因子的相关性,计算去除趋势后SIE与SST、T2m、Tc及V10m的相关系数,结果见表1（括号内为P值）。2018年黄渤海日海冰面积与同期39°N以北海区平均SST、T2m和Tc相关系数分别为-0.61（P<0.01）、-0.52（P<0.01）和-0.50（P<0.01）,呈显著负相关关系,说明SST、T2m和Tc是影响海冰面积的重要因子。日海冰面积与海区平均V10m相关系数仅为-0.11（P=0.30）,表明二者之间缺少关联;这主要是由于风场自身随机性较强,它会随天气系统的移动和大气环流的转变而发生迅速的变化,其空间分布并不像温度那样具有明显的规律性。
Table 1
表1
表1海冰面积SIE与SST、T2m、Tc和V10m 的Pearson相关系数（括号内为P值）
Table 1Pearson correlations between SIE and SST, T2 m , Tc, V10 m （P values are in parentheses）
| 变量 | SST | T2 m | Tc | V10 m |
|---|---|---|---|---|
| 相关系数（P值） | -0.61（<0.01） | -0.52（<0.01） | -0.50（<0.01） | -0.11（0.30） |
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3.3 日海冰面积异常减小原因分析
从海冰面积日变化曲线来看（图4）,无论在海冰发展阶段还是在融化阶段,海冰面积都不是线性递增或递减的;海冰发展阶段存在日海冰面积的减少,同样海冰融化阶段也存在日海冰面积增大的情况。以往文献[12,26]表明：黄渤海海冰在融化阶段会出现“返冻现象”,即在海冰融化的海区重新出现海水凝结成冰,从而造成海冰异常扩大的情况。那么黄渤海海冰在发展阶段是否也存在日海冰的异常减少?研究日海冰面积的异常减少,可为海上作业、舰船航行时机的选择提供参考。图4中虚线是日海冰面积变化的标准偏差（δ=2591 km2）指示线,可见,2018年黄渤海海冰发展阶段日海冰面积出现过两次异常减少,分别是2017年12月21日—22日和2018年1月7日—8日;日海冰面积分别减少了4992 km2和2937 km2。图5给出了这两次海冰范围减少发生的区域,实线表示当日海冰外缘线,虚线表示前一日海冰外缘线,2017年12月21日—22日海冰范围减少出现在辽东湾湾底附近和辽东半岛至朝鲜半岛的黄海北部近岸,2018年1月7日—8日海冰范围减少的区域主要集中在辽东湾。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42018年黄渤海日海冰变化
-->Figure 4Daily variation of sea ice extent （SIE） in the Yellow Sea and the Bohai Sea, 2018
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5海冰范围日变化
-->Figure 5Daily change of the sea ice extent （SIE）
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从海温、气温及海面风场等因素分析日海冰面积异常减少的可能原因。这两次日海冰面积异常减少前两天,39°N以北黄渤海平均SST在2℃以上（图3所示）,辽东湾和黄海北部海冰融化区SST相对稳定,日变化小于0.1℃（图略）。黄渤海日平均T2m（图6）显示：2017年12月20日—22日,黄海北部和渤海绝大部分海区T2m在0℃以上;从20日—21日辽东湾和黄海北部T2m升高3℃左右,但在海冰异常减少的当日（22日）,这两个海区T2m较前一日未出现显著升高,相反出现2℃的降温。第二次海冰面积异常减少过程中,T2m变化特征与第一次相似,表现为：2018年1月7日较6日黄渤海T2m升高2~3℃,海冰明显减少的辽东湾T2m升高至0℃以上,海冰范围无明显变化的朝鲜湾T2m维持在-1℃以下,1月8日,辽东湾和朝鲜湾T2m较前一日降低明显。可见,海冰对T2m的响应存在滞后性,日海冰的异常减少与冰区前一日升温关系密切。海冰发展阶段的两次海冰异常减少均发生在T2m>0℃且T2m由升高向降低转变的时期。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6黄渤海海面2 m日平均气温（审图号: GS(2016)2933号）
-->Figure 6Daily T2m in the Yellow Sea and the Bohai Sea
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图7是与图6对应时间的海面10 m风场。海冰异常减少的前两天,2017年12月20日和2018年1月6日黄渤海海面风场差异较大。前一天,2017年12月21日辽东湾和朝鲜湾是一致的西南风,风速在6 m/s以上,2018年1月7日辽东湾海面风场也是西南风,风速5~6 m/s,朝鲜湾呈反气旋风场,风速较小,不足2 m/s;虽然上文分析表明39°N海区平均V10m与海冰范围相关性不明显,但在这两次海冰异常较少个例中,前一日辽东湾和朝鲜湾一致的西南风直接作用于海冰,推动海冰向近岸收缩,同时将暖湿空气向北输运,促使海面升温,增大空气向海面的热量通量,利于海冰的融化。海冰异常减少的当日,辽东湾开始转为东北风,表明北部冷空气逐渐影响黄渤海海区。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7黄渤海海面10 m风场（审图号: GS(2016)2933号）
-->Figure 7Wind at 10 meter height in the Yellow Sea and the Bohai Sea
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4 结论
海冰是中国黄渤海冬季主要海洋灾害之一,本文利用高时空分辨率的美国MASIE海冰产品对2018年黄渤海海冰时空分布及日变化特征进行了细致分析,并结合欧洲ERA-interim再分析资料,深入探讨了海冰发展阶段2次海冰面积异常减少过程的动力热力原因,结果表明：（1）2018年黄渤海海冰冰期始于2017年11月27日,终于2018年3月11日,2018年1月28日海冰面积最大,达46282 km2;2018年黄渤海海冰主要集中在辽东湾和朝鲜湾,海冰覆盖率随离岸距离的增加而降低;海冰变化经历了生成、维持和融化三个阶段,其中生成阶段（约60天）明显长于融化阶段（约35天）。这些研究与前人研究结论比较一致,也表明MASIE海冰产品用于黄渤海海冰研究有较好的应用价值。
（2）2018年黄渤海日海冰面积与39°N海区平均海表温度、海面2 m气温、海面2 m气温<-2℃积温存在明显的相关性;本研究表明：39°N以北黄渤海海气界面的热力环境是影响黄渤海海冰面积的重要因素。
（3）在海冰日变化方面,前人研究多关注于海冰消融阶段的“返冻”现象,本文分析发现海冰在发展阶段也存在异常减少现象,这种异常现象应引起有关部门和研究人员的高度重视。在2018年黄渤海海冰发展阶段,出现过两次日海冰的异常减少,这两次海冰异常减少是由海区前一日明显的升温和偏南风等热力动力因素造成的。
海冰的分布及演变是海洋气象和海洋水文等多种因素共同作用的结果,未来可利用海浪、海流等资料进一步探讨其机理,为海冰的短期预报提供理论支撑。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
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