引言

渤海地处中纬度季风气候带，是我国最北的内海，也是全球纬度最低的结冰海域之一，每年冬季都会有不同程度的结冰现象。海冰对渤海航运，海上油气勘探，生产和人民生活等都有不同程度的影响，即使在冰情较轻的年份，海冰依然会在个别海区造成灾害(Su et al，2013；郝天依等，2012)。

海冰的形成虽然与海水密度、盐度、水深、冻结等密切相关，但最主要的原因是大气和海水的热力和动力因素综合作用使表层海水温度降低至冰点；热力因素主要指温度的降低及低温的持续时间；动力因素指风速、风向以及海流等；可以说气温的降低幅度和低温的持续时间直接影响到海冰形成、发展、消融的全过程。海冰的变化一定程度上反映了所在海域天气的变化，长时间序列海冰资料对气候变化有一定的指示意义(刘钦政等，2004)。

渤海海冰是一年冰，冰期约3~4个月，由三部分组成：辽东湾、渤海湾和莱州湾，辽东湾是渤海最大的海湾，也是渤海海冰最发育的海区(史培军等，2003；Xu et al，2012)。每年冬季随着北方冷空气南下，海冰最先在辽东湾生成，之后随着气温降低和冷空气的不断侵袭，冰情越来越重，1月中下旬或2月上旬达到最重，随后冰情随天气转暖而减轻，2月中旬渤海南部海冰开始消融，并逐步向北部发展，直至消失，冰情随每年冬季气候差异而不同。营口位于渤海辽东湾底部，营口站气温变化较好地反映了渤海局地气候，冬季渤海的冰情变化与该站气温有着密切的联系(白珊等，2001；王圆圆等，2014)。

本文利用气象卫星资料，首先整理分析了1996—2011年冬季渤海海冰的时空分布变化；其次分析了渤海逐日冰面积与营口日均气温积温(≤-2℃)的关系，发现两者有很好的相关性；剔除融冰期样本，通过回归分析方法获得了渤海逐日冰面积与营口日均气温积温的线性回归方程；再次，对比分析了渤海逐日冰面积与营口日平均气温、渤海逐日冰面积与营口2日(当日与前一日)平均气温、渤海逐日冰面积与营口3日(当日与前两日)平均气温之间的关系，结果表明，日冰面积与当日平均气温的相关系数为-0.55，与2日平均气温的相关系数为-0.60，与3日平均气温的相关系数为-0.64；若以海冰发展期和融冰期分别进行分析，发现融冰期渤海逐日冰面积与营口3日平均气温的相关性为最显著；通过回归分析获取融冰期渤海逐日冰面积与营口3日平均气温的回归方程；最后，结合积温回归方程和3日平均气温回归方程，本文提出了分阶段海冰面积预报方程，并利用该方程对2013、2014年度冬季渤海冰面积进行了预报检验，检验结果证明上述方程具有一定的预报能力。

1 研究区和数据 1.1 研究区概况

渤海面积约7.7×10⁴ km²，平均水深18 m，其地理坐标为37°~41°N、117°~123°E(Shi et al，2012a；2012b；Zhang et al，2015；王云秀等，2010)，图 1所示。海区半封闭，由三部分组成：北部的辽东湾、西部的渤海湾和南部的莱州湾。其中辽东湾位于39°N以北，以40°00′N、121°00′E为中心，面积约2.8×10⁴ km²，最大水深达30 m，是渤海最大的海湾(尹尽勇等，2011)。

渤海地区属于典型的季风气候带，12月到翌年3月，平均气温在-4.0~8.0℃，最低达到-25℃(武晋雯等，2009)；平均风速为5.0~7.0 m·s^-1，最大风速为20~30 m·s^-1(白珊等，2001)。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。

1.2 数据来源

本文所采用的数据包括气象卫星数据和气象站点常规观测数据。气象卫星数据包括NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)14、NOAA16、NOAA18、FY3(风云三号)-A/B和EOS/MODIS，数据进行辐射校正、几何校正、投影转换和裁剪等预处理，利用人机交互方式提取海冰分布信息。气象站点常规观测数据为营口站日平均气温数据，来自国家气象信息中心。

海冰提取分以下3种情况：晴空无积雪覆盖，主要利用海冰与海水在可见光、近红外通道反射率的差异，以及红外通道亮温的不同提取海冰；晴空积雪覆盖，表面有积雪覆盖海冰的提取采用冰雪指数NDSI(Normalized Difference Snow Index)进行，

$ \begin{array}{l} \mathit{NDSI}{\rm{ = }}\left({\mathit{C}{\mathit{H}_{可见光}}{\rm{ - }}\mathit{C}{\mathit{H}_{短波红外}}} \right){\rm{/}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{(}}\mathit{C}{\mathit{H}_{可见光}}{\rm{ + }}\mathit{C}{\mathit{H}_{短波红外}}{\rm{)}} \end{array} $

其中NOAA和FY3系列卫星分别对应的是1通道和6通道，MODIS为4通道和6通道；低云覆盖，有低云覆盖时利用短波红外通道对冰雪的较强吸收有效地识别海冰信息。

2 1996—2011年渤海海冰的时空分布 2.1 海冰面积的年际变化

1996—2011年气象卫星监测的渤海海冰初生冰日期及融冰日期表中可见(表 1)，海冰一般12月上旬生成，2月底或3月上旬消融，冰期为82~102 d不等。图 2是1996—2011年渤海逐年日冰面积统计图。图中可见：冰面积最大的3个年份是2011、2010和2001年，冰面积最小的3个年份是1999、2002和2007年；其中2011年日最大海冰面积为32885 km²，2010年日最大海冰面积为33015 km²，2001年日最大海冰面积为31714 km²；冰面积最小3年中，1999年日最大海冰面积为6259 km²，2002年日最大海冰面积为9632 km²，2007年日最大海冰面积为7078 km²；表 1可见，冰面积最大的3个年份冰期相对较长，平均92 d，冰面积最小的3个年份冰期相对较短，平均86 d。

图 2不仅可以看出海冰面积的年际变化，还可以看到每年中不同月份的变化，且每年的变化规律是不同的。其中1997、1999、2001、2003和2010年存在相对明显的两个峰值，海冰面积先增加，之后略有减小，然后再增加，峰值分别出现在1和2月；1998、2000、2004、2006、2008、2009和2011年为一个峰值，峰值出现在1月底或2月初；1996、2002、2005和2007年海冰面积没有明显的峰值。

图 3是逐年12、1、2和3月日最大冰面积统计图，可见：12月海冰面积相对较小，平均5300 km²，最大不超过12000 km²；1月海冰面积最大，平均17000 km²，最大超过30000 km²；2月次之，平均16000 km²，最大超过30000 km²；3月海冰面积最小，平均仅1900 km²，且很多年份海冰已经完全消融。

2.2 海冰面积分区时空分布特征

从1996—2011逐年12、1、2和3月海冰分布频率图(图 4)分区统计来看，海冰主要集中在辽东湾，这与辽东湾位置偏北，冬季气温偏低有关；其次是渤海湾，莱州湾最小。将3个湾每年的冰面积进行平均求和，计算每个湾所占比例为辽东湾约占79%，渤海湾约占16%，莱州湾约占5%。

整体来看，辽东湾是从东北向西南，从海滨到远海，海冰的出现频率依次降低；渤海湾和莱州湾是从海滨到远海，海冰的出现频率逐渐降低。从时间上看，辽东湾出现海冰的频率最大，渤海湾和莱州湾出现海冰的频率较小；1和2月是辽东湾、渤海湾和莱州湾一年中海冰出现频率最高的时期。

3 气温、积温与海冰面积关系分析

众所周知，海冰的发展与该海区的天气变化密切相关(刘煜等，2009；Galbraith et al，2011)，如气温、日照、风等，其中气温起着决定性的作用，Yue等(2008)提出影响海冰面积变化的主要因素是气温。从海冰的空间分布可见，海冰主要集中在辽东湾，约占渤海海冰面积的79%；每年冬季，伴随着强冷风气温急剧下降，海冰自北向南逐渐发展；营口位于渤海辽东湾底部，营口站气温变化较好地反映了渤海局地气候，冬季渤海的冰情变化与该站气温有着密切的联系(白珊等，2001; 王圆圆等，2014)。本文以积温、气温为代表，探寻海冰变化与天气变化之间的关系。

3.1 积温

积温可以反映出各地气候对某一自然过程所能提供的温度条件或热量资源总量，气象上通常把小于0℃的日平均气温累加值称为负积温(顾卫等，2002；高苹等，2012)。由于海水的冰点在0℃以下[标准海冰的冻结温度是-1.8℃(王可光等，1999)]，海冰的形成与负积温的多少是有相关关系的。

本文以-2℃为基准，对1996—2011年连续16年冬季渤海逐日冰面积与营口气象站的日均气温积温(≤-2℃)进行了分析，图 5是这12年冬季逐日冰面积和营口日均气温积温的对应点图。从图中可以看到，在海冰发展期，即冰面积持续增长时，冰面积与营口日均气温积温对应点较为集中，大致呈线性关系；在海冰发展后期，冰面积与营口日均气温积温存在一定的波动；在融冰期，即冰面积持续减小时，积温值变化不大，冰面积迅速减小，不同年份的冰面积与积温对应关系差别较大，对应点较为离散。

如果剔除融冰期样本，营口气温积温(≤-2℃)与渤海冰面积相关系数为-0.90，样本容量为433，其相关性较好。通过回归分析，建立营口气温积温X(≤-2℃)与渤海冰面积Y之间的回归方程：

$ \mathit{Y}{\rm{ = - 1233}}{\rm{.03 - 39}}{\rm{.36}}\mathit{X} $

令Y=0，计算X约等于-31.3，其物理意义为当积温达到-31.3℃左右，理论上渤海即会有海冰生成。结合天气预报，利用营口预报气温，通过计算积温，用式(1) 即可预报发展期海冰面积。

图 6为剔除融冰期样本的营口(≤-2℃)日均气温积温与渤海冰面积最小二乘回归直线，从图中可见，营口日均气温积温与冰面积的回归效果比较好。

3.2 气温

气温作为天气变化的指示因子，理论上将对海冰面积的变化产生一定的影响，本文分析了冰面积与营口日平均气温之间的关系，分别选取以下3种情况进行对比分析：日冰面积与日平均气温，日冰面积与2日平均气温(当日与前一日)，日冰面积与3日平均气温(当日与前两日)。结果表明，日冰面积与当日平均气温的相关系数为-0.55，与2日平均气温的相关系数为-0.60，与3日平均气温的相关系数为-0.64，样本容量545个。上述分析表明，日冰面积与日平均气温、2日平均气温和3日平均气温之间为负相关关系，其中日冰面积与3日平均气温之间的负相关性最好，即温度降低冰面积增加，但冰面积对气温降低的反应有一定的滞后性。理论上，标准海冰的冻结温度是-1.8℃，日平均气温≤-1.8℃的气温条件均有利于渤海海水产生冻结，因此在通常情况下渤海海冰面积达到最大值的日期并不是日平均气温最低日，而是日平均气温稳定通过≤-1.8℃的终日，即表现为冰面积对气温降低的反应有一定的滞后性。

若以上述海冰发展期和融冰期分别进行分析，其结果如下：在海冰发展期日冰面积与当日平均气温的相关系数为-0.50，与2日平均气温的相关系数为-0.59，与3日平均气温的相关系数为-0.63，样本容量335个；在融冰期日冰面积与当日平均气温的相关系数为-0.65，与2日平均气温的相关系数为-0.77，与3日平均气温的相关系数为-0.84，样本容量210个。以上分析表明日冰面积与气温之间均存在负相关关系，尤其是在融冰期，日冰面积与3日平均气温之间的负相关性最好。

通过回归分析，建立融冰期营口3日(当日与前两日)平均气温X与渤海冰面积Y之间的回归方程：

$ \mathit{Y}{\rm{ = 1652}}{\rm{.97 - 1318}}{\rm{.83}}\mathit{X} $

令Y=0，计算X约等于1.25，其意义为当3日平均气温达到1.25℃左右，理论上渤海海冰即完全消融。结合天气预报，通过计算3日平均气温，用式(2) 即可预报融冰期冰面积。

图 7为营口3日平均气温与渤海日冰面积最小二乘回归直线，图 7中可见，营口3日平均气温与日冰面积的回归效果比较好。

4 冰面积预报检验探讨

上述积温、气温与冰面积的分析表明，冰面积与积温、气温之间均为负相关关系，其相关性在不同阶段表现不同。在海冰发展期，日冰面积与≤-2℃的积温之间的相关性最为显著，相关系数为-0.90，而日冰面积与日平均气温的相关系数为-0.50，日冰面积与2日平均气温的相关系数为-0.59，日冰面积与3日平均气温的相关系数为-0.63；在融冰期，即温度达到或者超过结冰点温度时，积温值变化不大，冰面积迅速减小，此时日冰面积与3日平均气温的相关性最为显著，相关系数为-0.84，而日冰面积与日平均气温的相关系数为-0.65，日冰面积与2日平均气温的相关系数为-0.77。

综上所述，本文提出了分阶段的渤海海冰面积预报方程：

$ \begin{array}{l} {\mathit{Y}_{\rm{1}}}{\rm{ = - 1233}}{\rm{.03 - 39}}{\rm{.36}}{\mathit{X}_{\rm{1}}}\;\;\;\;\;海冰发展期\\ {\mathit{Y}_{\rm{2}}}{\rm{ = 1652}}{\rm{.97 - 1318}}{\rm{.83}}{\mathit{X}_{\rm{2}}}\;\;\;\;海冰消融期 \end{array} $

其中X₁为营口气温积温(≤-2℃)，X₂为营口3日平均气温(预报当日与前两日)。结合营口预报气温，计算积温和3日平均气温，理论上即可实现对渤海海冰面积的完整预报。

利用上述预报方程，结合营口预报气温，通过计算积温和3日平均气温，对2013和2014年度渤海海冰面积进行了预报检验，结果如图 8所示。图中可见预报冰面积与卫星监测海冰面积尽管个别时段存在一定的差异，但整体趋势是一致的，对开展渤海海冰面积预报有一定的应用价值。

5 结论和讨论

本文利用1996。—2011年气象卫星监测渤海海冰面积和营口站实际观测气温资料，分析了海冰的时空分布变化，讨论了海冰面积与营口气温积温及气温之间的关系，并对海冰面积预测开展了研究，给出了海冰面积预测方程。

年际统计显示，1997、1999、2001、2003和2010年海冰面积存在相对明显的两个峰值，1998、2000、2004、2006、2008、2009和2011年海冰面积为一个峰值，1996、2002、2005和2007年海冰面积没有明显的峰值；单日海冰面积最大的3个年份是2011、2010和2001年，日最大冰面积均超过30000 km²；单日海冰面积最小的3个年份是1999、2002和2007年，日最大冰面积均不超过10000 km²。分区统计显示，海冰主要集中在辽东湾，其次是渤海湾，莱州湾最小；辽东湾海冰从东北向西南、从海滨到远海出现频率依次降低；渤海湾和莱州湾从海滨到远海，海冰的出现频率逐渐降低。

渤海逐日冰面积与营口日均气温积温(≤-2℃)及气温之间的分析对比表明：渤海逐日冰面积与营口日均气温积温及气温之间均为负相关关系，相关性在不同阶段表现不同。海冰发展期，冰面积与营口日均气温积温(≤-2℃)之间的相关性最为显著，相关系数达-0.90；在融冰期，冰面积与营口3日(当日与前两日)平均气温的相关性最为显著，相关系数为-0.84；通过回归分析方法获得了渤海逐日冰面积与营口日均气温积温及3日平均气温的线性回归方程。结合积温回归方程和3日平均气温回归方程，本文提出了分阶段的海冰面积预报方程，该方程对2013和2014年度渤海海冰面积的预报整体趋势一致，但由于影响海冰面积变化的因素众多，如气温、风速、大气环流因子等，单一要素的预测会有一定的误差，有待进一步完善。

本文探讨的预测方程对海冰的整体预报有一定的应用价值，但由于渤海三个湾的地理、水文、环境条件存在一定差异，其冰情发展变化也有不同，在冰面积的空间分布变化预测上有待进一步完善。