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

doi:10.6046/zrzyyg.2022441

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

郭玉娣^,¹, 王铁^,¹, 程善俊¹, 左涛²

1.天津市气候中心,天津 300074

2.天津海洋中心气象台,天津 300074

Sea ice in Bohai Sea:Spatio-temporal distribution and the forcing effects of atmospheric circulation

GUO Yudi^,¹, WANG Tie^,¹, CHENG Shanjun¹, ZUO Tao²

1. Tianjin Climate Center, Tianjin 300074, China

2. Tianjin Marine Meteorological Center, Tianjin 300074, China

通讯作者: 王铁(1977-),男,硕士,副研级高级工程师,主要从事生态遥感方面的研究。Email:stin.wang@gmail.com。

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2022-11-17 修回日期: 2023-03-22

基金资助:

环渤海区域科技协同创新基金项目“基于多源数据融合的北方海域海冰覆盖网格实况与预报关键技术研究”(QYXM202101)

Received: 2022-11-17 Revised: 2023-03-22

作者简介 About authors

郭玉娣(1988-),女,硕士,工程师,主要从事海洋遥感方面的研究。Email: guoyudi.0802@163.com。

摘要

海冰灾害是渤海冬季的主要海洋灾害,对石油开采、海上运输和海洋渔业造成很大的危害,因此对海冰的生消变化监测和预测尤其重要。利用2001—2020年MODIS数据、再分析格点资料和气象观测站数据,经卫星资料反演得到日尺度渤海海冰面积,统计分析渤海海冰面积的年际变化特征和不同冰情年在初冰期、盛冰期和消融期的变化特征,利用合成分析和相关分析方法探讨了渤海海冰偏重冰年和轻冰年的大气环流差异。结果表明: 20 a间渤海海冰冰情等级越高,平均冰期越长,海冰面积经历了“少-多-少”的变化过程,海冰面积与积温变化趋势相反; 年内海冰生消过程为单峰型和多峰型,多峰型年冰期和大面积冰封时间更长; 渤海海冰初冰期集中分布在辽东湾,偏重冰年比轻冰年海冰面积多一倍,盛冰期3个海湾基本能覆盖到海冰,偏重冰年全部覆盖,消融期海冰仍以辽东湾为主,呈“东北—西南”向分布; 偏重冰年较轻冰年的大气环流形势更有利于海冰生成,贝加尔湖至我国东北一线高空槽后冷空气更强,温度更低。渤海冬季海冰冰情与500 hPa位势高度有较强的负相关性,500 hPa位势高度的强弱决定了渤海海冰的冰情。

关键词： 渤海海冰; 海冰面积; 冰情; 大气环流

Abstract

Sea ice disasters, significant marine disasters in the Bohai Sea in winter, severely threaten oil exploitation, marine transportation, and fishery. Hence, it is particularly critical to monitor and predict the formation and melting of sea ice. Based on MODIS data, reanalysis grid data, and meteorological observation data from 2001 to 2020, this study derived the daily sea ice area of the Bohai Sea through the inversion of satellite data. Then, this study conducted a statistical analysis of changes in the sea ice area, including inter-annual variations and the variations during the freezing, severe ice, and melting periods in different years with sea ice disasters. Moreover, this study delved into the differences in the atmospheric circulation of the Bohai Sea between years with severe and mild sea ice disasters. The results show that: ① Over the past 20 years, higher sea ice grades in the Bohai Sea corresponded to longer ice periods, and the sea ice area experienced a decrease-increase-decrease process, which was opposite to the changes in accumulated temperature; ② Intra-annual sea ice formation and melting processes exhibited a single peak or multiple peaks, with the multi-peak type corresponding to a longer ice period and large-scale ice-bound time; ③ During the initial ice formation period, the sea ice in the Bohai Sea was primarily distributed in the Liaodong Bay, with the sea ice area in a year with severe sea ice disasters more than twice that in a year with mild sea ice disasters. During the ice period, the sea ice covered almost all three bays, completely covering the three bays in years with severe sea ice disasters. During the ice melting period, the sea ice still spread primarily in the Liaodong Bay, manifesting an EN-WS-directed distribution; ④ Compared to years with mild sea ice disasters, years with severe sea ice disasters showed more favorable atmospheric circulation for sea ice formation, accompanied by stronger and cooler cold air behind the upper-level trough along the area from Lake Baikal to Northeastern China. Furthermore, there is a strong negative correlation between the sea ice situation in the Bohai Sea and the 500 hPa geopotential height, with the latter determining the former.

Keywords： sea ice in Bohai Sea; sea ice area; sea ice condition; atmospheric circulation

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本文引用格式

郭玉娣, 王铁, 程善俊, 左涛. 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]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 242-249 doi:10.6046/zrzyyg.2022441

GUO Yudi, WANG Tie, CHENG Shanjun, ZUO Tao. Sea ice in Bohai Sea:Spatio-temporal distribution and the forcing effects of atmospheric circulation[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2024, 36(1): 242-249 doi:10.6046/zrzyyg.2022441

0 引言

渤海是北半球纬度最低的结冰海区^[1],属于半封闭海区,每年冬季渤海3个湾(辽东湾、渤海湾和莱州湾)都会有海冰发生,辽东湾冰情最重,每年有大面积固定冰出现,其中东岸比西岸重,渤海湾和莱州湾时有海冰发生,亦有年份无海冰发生。渤海海冰冰期3~4个月,为典型的一年冰,每年的12月为初冰期,1—2月中旬为盛冰期,2月下旬—3月初为融冰期。海冰灾害是渤海冬季的主要海洋灾害,给石油开采、海上运输和海洋渔业造成很大的危害。

自1969年渤海特大冰封后^[2],经过几十年的艰苦努力,我国的海冰监测取得较大进展,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立体检测网,可以及时获取多种海冰监测数据。由于卫星遥感具有覆盖面广、时间连续、分辨率高和时效性高等优点吸引了很多学者开展卫星遥感的海冰研究。在卫星遥感提取海冰参数方面^[3⇓⇓-6],主要包括海冰类型、海冰面积、海冰厚度、海冰冰缘线和海冰密集度分析; 在冰情影响因子方面^{[7⇓⇓⇓-11]},主要通过海温、气温、积温和环流因子等因素分析海冰冰情的影响机制,并开展海冰冰情预报; 在大气环流和气候因素的影响方面^{[12⇓⇓-15]},通过对渤海海冰异常年的大气环流特征分析,了解异常环流对海冰生消及冰情的影响作用。以上研究均在年尺度内利用最大海冰面积、冰级等单一要素开展对海冰的分布特征和影响因子研究,对海冰年内的变化特征研究较少,没有从面上开展对海冰在初冰期、盛冰期和消融期的分布特征研究。

本文利用MODIS卫星反演得到2000—2020年渤海海冰分布,分析了20 a间渤海海冰在初冰期、盛冰期和消融期的空间分布特征,并详细描述海冰的生消变化过程。结合盛冰日海冰面积和积温之间的关系,给出了海冰和积温的年际变化趋势之间的关系。通过合成分析和相关分析,分析轻冰年和偏重冰年的环流差异特征,获取海冰对大气环流的响应机制,以期为渤海海冰的短期预报提供科学依据。

1 研究区概况

渤海具体位置为N37°07'~41°00',E117°35'~121°10'。如图1所示,渤海主要可以分为4个海区,北面辽东湾,西面渤海湾,南面莱州湾以及渤海中部,其中辽东湾和渤海湾以滦河口为界(E119°18'~120°52',N39°24'~37°49'),渤海湾和莱州湾以老黄河口为界(E119°00'~120°00',N38°00'~39°00')。渤海地区属于典型的季风气候带,冬季受亚洲大陆高压控制,盛行偏北风。当冷空气过境,尤其当寒潮入侵时,伴随着强冷风气温急剧下降,海冰面积迅速发展。

图1

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图1 渤海划分示意图

Fig.1 Division diagram of Bohai Sea

2 数据与方法

2.1 MODIS数据

本文使用2000—2020年期间每年12月—翌年3月晴空MODIS卫星影像反演渤海海冰面积,得到空间分辨率为1 km的海冰数据。利用MODIS数据在短波红外通道区分海冰和低云或雾,利用可见光、近红外通道的冰水直方图统计和红外通道的亮温,区分海冰和海水,获得海冰判识阈值,根据海冰信息估算海冰面积。

海冰判识的主要条件为:

(1)ρ_2C≥ρ₂>ρ_2W且ρ_1C≥ρ₁>ρ_1W且T_31C≤T₃₁<T_31W,

式中: ρ_2C,ρ_1C,T_31C分别为近红外、可见光、热红外通道区分海冰与云的判识阈值; ρ₂,ρ₁,T₃₁分别为近红外、可见光、热红外通道的辐射亮度; ρ_2W,ρ_1W,T_31W分别为近红外、可见光、热红外通道区分海冰与海水的阈值。

2.2 再分析格点资料

利用美国国家环境预测中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP )提供的2001—2020年逐月位势高度和温度资料,空间分辨率为2.5°,网格点数为144×73,共12个等压面层,分别为1 000 hPa,925 hPa,850 hPa,700 hPa,600 hPa,500 hPa,400 hPa,300 hPa,250 hPa,200 hPa,150 hPa和100 hPa。

2.3 气象站点数据

气象站点资料来自逐日常规地面站点观测资料,时间为2001—2020年每年的12月—翌年3月。本文选择渤海海域周边葫芦岛、营口(辽东湾),塘沽、黄骅(渤海湾)和莱州、龙口(莱州湾)6个气象观测站,用到的气象要素主要是气温,用于计算海冰日对应的积温。

3 海冰时空变化特征

3.1 2001—2020年渤海海冰年际变化特征

2001—2020年冬季MODIS获取到的晴空卫星影像共计220幅,由卫星遥感反演计算得到渤海海冰面积。据统计渤海海冰初冰日出现在每年的12月初—中旬,盛冰日出现在1月底—2月中旬,消融日出现在3月初—中旬,渤海海冰平均冰期87 d,盛冰日海冰面积越大,冰期越长。

按照国家海洋局1973年制定的冰情等级标准将海冰冰情分为5个等级,即轻冰年、偏轻冰年、常冰年、偏重冰年和重冰年,分别用数字1~5表示。表1为2001—2020年渤海海冰统计表,经MODIS影像反演得到渤海海冰面积,统计出渤海每年12月—翌年3月的海冰面积,得到每年的初冰日、盛冰日和消融日,计算出盛冰日海冰面积、冰期,划分冰情等级。据统计2001—2020年渤海冰情为轻冰年4 a,偏轻冰年8 a,常冰年4 a,偏重冰年4 a,未出现重冰年。2001—2020年渤海海冰平均冰期为87 d,轻冰年、偏轻冰年、常冰年和偏重冰年的平均冰期分别为77 d,83 d,93 d和98 d,说明冰情等级越高,冰期越长。

表1 2001—2020年渤海海冰统计表

Tab.1 Statistical table of sea ice in Bohai Sea from 2001 to 2020

年份	初冰日	盛冰日	消融日	冰期/d	盛冰日海冰面积/km²	冰级	峰型
2001—2002年	2001/12/17	2002/2/1	2002/3/3	76	5 067	1	单峰
2002—2003年	2002/12/8	2003/1/5	2003/3/3	86	23 226	2	多峰
2003—2004年	2003/12/8	2004/1/27	2004/2/23	84	16 846	2	单峰
2004—2005年	2004/12/16	2005/2/11	2005/3/11	86	18 923	3	多峰
2005—2006年	2005/12/14	2006/1/18	2006/3/14	91	12 770	3	单峰
2006—2007年	2006/12/9	2007/2/2	2007/2/15	69	9 070	1	单峰
2007—2008年	2007/12/7	2008/2/4	2008/2/29	85	12 241	2	单峰
2008—2009年	2008/12/14	2009/2/20	2009/3/6	83	9 461	2	多峰
2009—2010年	2009/12/5	2010/1/15	2010/3/16	102	30 781	4	多峰
2010—2011年	2010/12/6	2011/1/29	2011/3/7	92	34 122	4	单峰
2011—2012年	2011/12/11	2012/2/2	2012/3/11	92	23 174	3	单峰
2012—2013年	2012/12/8	2013/2/8	2013/3/15	98	30 531	4	多峰
2013—2014年	2013/12/13	2014/2/11	2014/3/2	80	11 411	2	单峰
2014—2015年	2014/12/5	2015/1/31	2015/2/23	81	6 705	1	单峰
2015—2016年	2015/12/4	2016/2/2	2016/3/10	98	35 569	4	单峰
2016—2017年	2016/12/14	2017/1/24	2017/3/3	80	6 247	2	单峰
2017—2018年	2017/12/5	2018/2/6	2018/3/16	102	22 237	3	多峰
2018—2019年	2018/12/4	2019/2/13	2019/3/1	86	7 969	2	多峰
2019—2020年	2019/12/4	2020/2/3	2020/2/23	82	7 075	1	多峰
2020—2021年	2020/12/10	2021/1/7	2021/3/2	83	15 887	2	多峰

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图2为2010—2020年渤海冬季海冰历年变化曲线。海冰面积变化趋势多为单峰型,但受寒潮和冷天气的影响,海冰面积变化出现多峰型,经统计多峰值年数为9 a,其中2009—2010年尤为典型。单峰型年盛冰日出现在1月底—2月初,随后开始逐渐减少直至3月初消融; 多峰型年以双峰型为主,少数年份为三峰型,第一次海冰面积峰值出现在1月上旬,第二次出现在2月中上旬,随后开始消融减少。多峰型年平均冰期90 d,比单峰型年平均冰期多6 d,可见多峰型年份受寒潮和冷空气的影响,渤海大面积冰封时间增多约半个月,同时海冰冰期变长。

图2

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图2 2010—2020年渤海冬季海冰历年变化曲线

Fig.2 Annual variation curves of winter sea ice in the Bohai Sea during 2010—2020

图3(a)为逐年渤海盛冰日海冰面积,可以看出: 2001—2010年渤海盛冰日海冰面积逐年增多,2010—2020年盛冰日海冰面积逐年减少,盛冰日海冰面积最大的年份为2015—2016年,最大海冰面积达到36 308 km²。选取渤海海域周边葫芦岛、营口、塘沽、黄骅、莱州和龙口6个气象观测站,研究盛冰日海冰面积与积温之间的关系。图3(b)给出了盛冰日海冰面积与积温标准化后的关系,当标准化积温处于正值时,盛冰日海冰面积偏小; 当标准化积温处于负值时,盛冰日海冰面积偏大。20 a间渤海积温经历了高-低-高的过程,以高为主; 渤海盛冰日海冰面积经历了低-高-低的过程,以低为主。海冰面积与积温变化趋势相反,利用积温可以很好地预测海冰面积,继而预测海冰的冰情。

图3

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图3 2001—2020年渤海盛冰日海冰面积与积温年际变化

Fig.3 Interannual variation of sea ice area on ice-filled days and accumulated temperature in Bohai Sea from 2001 to 2020

3.2 不同冰级年海冰空间分布特征

图4统计了轻冰年、偏轻冰年、常冰年和偏重冰年渤海海冰出现的频率,将其大小规定为0~1,数值越大代表出现的频率越高。可以看出在不同冰级年,辽东湾东北部均出现海冰,且海冰出现的频率较高,可达0.9以上,随着冰级的加重,海冰覆盖范围呈“东北—西南”向海区蔓延; 渤海湾在轻冰年出现海冰的频率较低,小于0.1,随着冰级的加重,出现的频率逐级增高,最高可达0.4,覆盖的范围向海区内蔓延,呈南多北少的分布特征; 莱州湾在轻冰年几乎没有海冰出现,随着冰级的加重,湾内出现海冰,呈西多东少的分布特征,并在偏重冰年湾内会全部覆盖海冰。

图4

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图4 不同冰级年渤海海冰分布

Fig.4 Distribution of Bohai Sea ice in different ice class years

3.3 不同冰期海冰结冰频率分布特征

表2为不同冰级年海冰在初冰期、盛冰期和消融期的分布情况。从不同冰期海冰的分布情况来看,在初冰期海冰主要分布在辽东湾,随着冰情的加重,辽东湾海冰向海区蔓延,偏重冰年覆盖面积是轻冰年的2倍。盛冰期除轻冰年以外,辽东湾、渤海湾和莱州湾均出现海冰,偏轻冰年和常冰年海冰集中分布在辽东湾、渤海湾南侧和莱州湾西部,偏重冰年基本全部覆盖。消融期海冰集中分布在辽东湾东侧,呈“东北—西南”长条形分布; 渤海湾和莱州湾消融较早,约在2月底,因此在渤海消融期基本无海冰覆盖。渤海冬季盛行西北风,使得辽东湾东岸和渤海湾南侧迎风易于海冰堆积,加上黄海暖流余脉的影响,导致辽东湾东岸水温低于西岸,渤海湾南岸水温低于北岸,因此辽东湾东侧冰情较重,渤海湾南侧冰情较重。

表2 不同冰级年渤海海冰生消变化

Tab.2 Variation of sea ice growth and decline of Bohai Sea ice in different ice class years

类型	初冰期	盛冰期	消融期
轻冰年
偏轻冰年
常冰年
偏重冰年
图例

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4 大气环流分布特征

4.1 500 hPa位势高度场

在气象学中,为了理论计算和应用的方便,等压面上各个不同地点的高度不采用一般的几何高度,而采用位势高度。位势高度是以单位质量的物体从海平面上升到某高度克服重力所作的功来表示,位势高度的单位称作位势米,用gpm表示。

对比分析偏重冰年和轻冰年位势高度场的差异,从图5中500 hPa的位势高度差值场来看60°N以北为高正值,中心最大差值高于100 gpm,20°N~60°N为高负值,中心最小差值低于-40 gpm。此种环流与东北冷冬500 hPa高度距平场相似,表明偏重冰年较轻冰年,贝加尔湖至我国东北一线高空槽活动强度较大,槽后冷空气较强,此环流加重渤海海冰冰情。

图5

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图5 500 hPa位势高度场偏重冰年与轻冰年的差值图

Fig.5 Difference between heavy ice years and light ice years in the 500 hPa geopotential height field

4.2 盛冰日海冰面积与500 hPa位势高度场的相关性分析

对盛冰日海冰面积与冬季500 hPa位势高度进行相关性分析,从图6(a)结果来看高负相关区位于亚洲蒙古一带,位置和偏重冰年与轻冰年位势高度差值场的负值区一致。这表明渤海冬季海冰冰情与500 hPa位势高度有较强的负相关性,500 hPa位势高度的强弱决定了渤海海冰的冰情。结合图5中偏重冰年和轻冰年位势高度场的高低差值区,将图6(a)中盛冰日海冰面积与冬季500 hPa位势高度场中高正相关区定义为A区,高负相关区定义为B区,计算两区域在冬季的差值,并将之与渤海盛冰日海冰面积进行相关性分析,从图6(b)可以看出两者呈显著正相关,相关系数为0.37,超过90%置信度检验,表明A和B区域500 hPa位势高度差可影响渤海冬季的冰情。

图6

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图6 渤海盛冰日海冰面积与冬季500 hPa位势高度相关性分析

Fig.6 Correlation analysis between Bohai Sea ice area on ice-filled days and 500 hPa geopotential height in winter

4.3 温度场分析

图7为偏重冰年与轻冰年温度差在38°N纬向和120°E径向的垂直剖面图,从径向的垂直剖面可以看出,渤海海域偏重冰年冬季温度低空—高层均要低于轻冰年,且渤海位于温度差最大的区域; 从纬向的温度差垂直剖面可以看出偏重冰年渤海海面至500 hPa冬季温度均低于轻冰年,且渤海北部的温度差更大。结合纬向和径向的温度差之可以看出,冬季偏重冰年渤海的温度要低于轻冰年,冷空气强度较大,维持在较低水平,有利于海冰的大面积生成,辽东湾的地理位置更靠北,更靠近冷空气活动中心,辽东湾温度比渤海湾、莱州湾更低,因此辽东湾的海冰最多,莱州湾的海冰最少。

图7

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图7 偏重冰年与轻冰年温度差沿38°N纬向和120°E径向剖面图

Fig.7 Temperature difference between heavy ice years and light ice years along 38°N zonal and 120°E radial profiles

5 结论

通过对2000—2020年间的渤海海冰分布特征和大气环流特征分析,得到以下结论:

1)2000—2020年间渤海海冰面积平均冰期为87 d,不同冰情年的平均冰期不同,偏重冰年>常冰年>偏轻冰年>轻冰年。20 a间渤海海冰面积经历了“少-多-少”的变化过程,以少为主,积温经历了“高-低-高”的过程,以高为主,海冰面积与积温变化趋势相反。年内海冰变化为单峰型和多峰型,其中多峰型年冰期比单峰型年冰期多6 d,大面积冰封时间比单峰型增多约半个月。

2)渤海海冰在不同冰期具有不同的分布特征,辽东湾在不同冰情年渤海海冰的覆盖范围不同,随着冰情的加重,辽东湾海冰覆盖范围呈“东北—西南”向海区蔓延,渤海湾海冰覆盖范围呈南多北少的分布特征,莱州湾海冰覆盖范围呈东多西少的分布特征。

3)初冰期海冰主要分布在辽东湾,偏重冰年海冰覆盖范围是轻冰年的2倍; 盛冰期海冰基本覆盖到3个海湾,仍以辽东湾为主,偏重冰年湾内全部覆盖海冰; 由于渤海湾和莱州湾海冰消融较早,消融期海冰主要分布在辽东湾,呈“东北—西南”长条形分布。

4)偏重冰年较轻冰年的大气环流形势更有利于海冰生成,冷空气更强,温度更低。渤海冬季海冰冰情与500 hPa位势高度有较强的负相关关系,500 hPa位势高度的强弱决定了渤海海冰的冰情。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李剑, 黄嘉佑, 刘钦政.

黄、渤海海冰长期变化特征分析

[J]. 海洋预报, 2005, 22(2):22-32.