基于卫星遥感图像的辽东湾海冰参数反演及空间分布特征分析

张树德 兰志刚

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335； 2.中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

受西伯利亚冷空气影响，我国渤海特别是辽东湾海域，每年冬季都会覆盖大量的海冰。海冰是影响该海域油气开发安全的主要海洋环境条件，给该海域的油气田开发、油气生产和储运带来挑战，并对海上工程结构设施造成威胁和影响。渤海海域曾出现过因海冰作用导致平台被推倒、冰激振动导致平台生产管线断裂、严重冰封导致船只受阻、航运中断等灾害性事件。因此，全面了解和掌握海冰冰情数据，进而掌握该海域工程海冰环境条件，对于确保冰区油气田开发建设和安全生产具有十分重要的意义。

卫星遥感和航空遥感技术的迅速发展，从技术上实现了大尺度空间的同步海冰观测，以遥感图像反演冰型、冰密集度、冰厚等海冰要素[1-3]，已成为海冰要素测量特别是获取大区域海冰特征参数的有效技术手段[4]。近年来，国内学者还利用中分辨率成像光谱仪Modis获取的卫星遥感影像，对渤海海冰的面积及冻结和融化过程进行了分析[5]；利用专题成像仪TM遥感资料测得的海冰面积来订正从其他遥感资料中提取的海冰面积，并提出了相应的订正模型[6]；利用反射率反演冰厚，并将反演结果与朱波夫模型进行了对比，比较结果显示2种数据相关性好，一致性较高[7]。这些研究成果均为有效利用卫星遥感资料开展工程海冰应用奠定了坚实的基础。

为了全面了解辽东湾冰情和海冰的时空分布，本文根据历史海冰卫星遥感云图、海洋站多年海冰观测资料以及气象站多年气温观测资料，结合图像处理技术，对辽东湾海冰参数进行了反演计算，并结合负积温计算冰厚方法对反演结果进行了修正，最终利用极值分布函数分析给出不同重现期、不同厚度流冰的空间分布，可以为该地区海洋工程抗冰设计、冰区冬季安全生产决策以及海上航运等提供重要参考。

1 辽东湾海冰概况

本文的研究区域范围为海岸交点A(119°E，39°12′N)与坐标点B(121°6′E,38°55′N)旅大连线和河北省、辽宁及辽东半岛所围成的海域，即图1中AB连线以北的辽东湾海域。

辽东湾是渤海冰期最长、冰情最重的海域[8]，每年11月下旬至12月上旬，由北向南先从近岸浅水区开始结冰，1月中、下旬至2月上、中旬为盛冰期，2月下旬至3月中旬海冰由南往北逐渐消融，冰期为3～4个月。辽东湾冬季受偏北风或西南风控制，其潮流特征为右旋潮流系统，且存在顺时针沿岸流。上述因素的综合作用导致辽东湾东部海域的冰情通常较西部海域严重。由于浮冰大多被积压到辽东湾东北部一带海域，并沿东岸南下，除辽东湾北部沿岸及浅水区之外，西部沿岸海域很少见到大面积的浮冰。

图1 研究区范围Fig.1 The target sea area in this paper

轻冰年冰情最严重时，辽东湾流冰最大外缘线距辽东湾顶北部海岸约45～65 km。一般冰厚为5～15 cm，最大重叠冰为20～30 cm。 常冰年冰情最严重时，辽东湾流冰最大范围在135～165 km，其中北部区域自12月下旬至1月末为盛冰期，一般冰厚为25～30 cm，最大重叠冰厚可达45 cm；中部区域自1月中下旬至2月上旬为盛冰期，该区域的海冰主要是邻近海域冻结和东北部沿岸海域冻结冰破碎后，随落潮流及北风作用下漂流而致的浮冰和本海域冻结的冰组成，一般冰厚为20～25 cm，最大重叠冰厚为35 cm，冰量多在70%～90%;南部区域自2月下旬至3月上旬是盛冰期，冰情较轻，主要来自北部及东北部海域随落潮流和偏北大风共同作用下的南下的浮冰，一般冰厚多为8～15 cm，局部最大重叠冰厚可达30 cm,冰量40%～70%。在常冰年冰情最严重时，东、西部近岸海区流冰外缘线距岸约20～40 km。

重冰年渤海大部分海域几乎被浮冰覆盖。通常，辽东湾北部冰厚一般为25～45 cm，最大重叠冰厚一般为60～100 cm；辽东湾东岸附近海域冰厚一般为20～35 cm，最大重叠冰厚一般为60～80 cm；辽东湾西岸附近海域冰厚一般为20～30 cm，最大重叠冰厚一般为50～60 cm；辽东湾中部冰厚一般为25～35 cm，最大重叠冰厚一般为45～60 cm；辽东湾南部湾口冰厚为5～15 cm，重叠冰厚一般为15～30 cm。不同冰情等级下的辽东湾冰厚和冰范围分布见表1。

表1 不同冰情等级下的辽东湾冰厚和冰范围分布Table 1 Ice thickness and coverage of Liaodong Bay under various sea ice grades

2 海冰卫星遥感资料收集及冰厚、密集度反演

2.1 海冰参数估算的基本原理

研究表明，海冰、海水和其他地物之间的光谱特征有明显差异，根据这一差异，可以利用统计估计方法判别海冰边缘。对渤海海冰的反射光谱研究表明，反照率与冰厚之间有一定相关性，反射光谱的主反射峰与冰厚有明显对应关系[9]。各种海冰的可见近红外实测反射波谱也表明,海冰的反照率远高于海水的反照率,两者有很大的差异,由此可以利用遥感图像像元灰阶差异来判定海冰和海水,并由此可以确定海冰边界、海冰范围和海冰密集度[10]。

本文选取1989—2005年各年度在严重冰期期间冰情最严重、范围最大时，质量较好的历年海冰卫星遥感图像，整理成图像年序列以进行海水厚度和密集度的反演以及年最大海冰范围的计算。

2.2 负积温冰厚计算方法

辽东湾沿岸、海上海冰观测资料极为匮乏，给卫星云图冰厚的反演工作带来较大的困难。因此，采用负积温计算冰厚的经验方法，作为卫星云图反演冰厚资料的补充，并对海冰卫星云图冰厚反演结果进行检验和修正。负积温计算冰厚公式为[11]

(1)

式(1)中:H0为实测的初始冰厚，m；L0为初始实测冰厚H0处的离岸距离，m；h0为初始实测水深，m；T0j为初始实测空气温度，℃；W0j为初始表层海水温度，℃；H、L、h分别为计算点冰厚、离岸距离和水深，m；Ti和Wi分别为计算点处空气温度和表层海水温度，℃；n、m分别为取样点数。

忽略水温的影响，冰厚计算公式可以简化为[11]

(2)

式(2)中:α为海冰增长系数，由观测点实测冰厚及空气与表层海水温差的累加求得。

由于海上及沿岸海域海冰观测资料十分匮乏，不足以用于对近30年辽东湾的冰情变化进行分析。因此,收集了辽东湾沿岸锦州、营口、绥中、秦皇岛和大连等5个气象台站1975—2004年共30年冬季气温资料,首先计算出每日的平均气温，然后将小于-2 ℃的日均气温进行累加，并由此统计出上述5个台站历年年度最大负积温序列(图2)。

图2 渤海5个区域1975—2004年冬季最大负积温序列Fig.2 Maximum negative accumulated temperature series in five regions of Bohai sea from 1975 to 2004

图3为锦州9-3海域负积温计算冰厚和实测(目测)冰厚的对比，虽然仅有1998—1999至2004—2005年度的短序列实测数据，但可以看出两者有较好的一致性,表明负积温计算冰厚的方法可行，负积温冰厚可以作为确测年份的补充数据，对卫星遥感测得的冰厚数据进行修正。

图3 渤海锦州9-3海域目测最大冰厚及负积温计算最大冰厚对比Fig.3 Comparison of maximum ice thickness calculated by negative accumulated temperature and those from eye-measurement in JZ9-3 area of Bohai sea

2.3 利用卫星云图反演冰厚、冰密集度和海冰范围

海冰光学性质的理论研究和实验观测表明，在一定的厚度范围内，海冰的反照率随冰厚的增加而增加，并遵循以下经验关系式[12]：

α(X)=αmax(1-ke-μX)

(3)

式(3)中：X为冰厚，cm；α(X)为厚度为X的海冰对太阳光辐射谱段的反照率；αmax是当冰厚为无穷大时对应的反照率(取值为0.556)；μ为反照率衰减系数(取值为1.209)；k为相关系数，k=1-αsea/αmax，其中αsea为海水反照率，取值为0.06[12]。

为得到不同重现期的冰厚数据，选取辽东湾海域1988—2006年度在严重冰期期间冰情较重、范围最大时的质量较好的卫星遥感图像进行冰厚反演。首先,应用GIS地理信息系统对卫星遥感资料进行地理定标，得到包含地理信息的海冰图像;在此基础上，结合负积温计算结果进行综合冰厚反演计算，并利用该计算冰厚值对反演结果进行修正。将卫星遥感图像反演冰厚值与对应的负积温冰厚计算值比较，可以得出两者符合以下关系：

y=1.05x-3.31

(4)

式(4)中：x为卫星遥感图像反演冰厚值，cm；y为负积温计算冰厚值，cm。表2中的数据是负积温计算的冰厚以及对应的卫星遥感图像反演的冰厚数据。图4为该两组数据的比较结果，从图4上可以看出，两者相关性R2达0.66，具有较好的一致性。

表2 1988—1989至2004—2005年间负积温计算的辽东湾海域冰厚以及对应的卫星遥感图像反演的冰厚Table 2 Ice thickness calculated by negative accumulated temperature and those inversed from satellite remote sensing images of Liaodong Bay from 1988—1989 to 2004—2005

图4 1988—1989至2004—2005年间辽东湾海域卫星遥感图像反演冰厚值与对应的负积温冰厚计算值的比较Fig.4 Comparison of ice thickness inversed from satellite remote sensing images with those inversed from negative accumulated temperature of Liaodong Bay from 1988—1989 to 2004—2005

将卫星遥感图像换成0～255灰度值，根据海冰和海水反照率差异，选择代表海水和各类冰型的灰阶峰之间的灰阶谷值作为区分海冰与海水的灰阶阈值，并以此确定冰水边界，继而计算海冰密集度，具体反演算法为[10]

(5)

式(5)中:NIce为研究区域冰像素点的个数；NAll为研究区域所有像素点的个数。而对于冰水混合区域，其反照率将位于海冰特征反照率和海水特征反照率之间，因此将采用以下方法计算该像元的海冰密集度[10]：

(6)

式(6)中：C为冰水混合像元的海冰密集度；A为冰水混合像元的综合反照率；Aw为冰水混合像元中海水的反照率；Ai为冰水混合像元中海冰的反照率。

图5是2005年2月25日辽东湾的卫星图像以及利用式(1)～(6)反演方法给出的辽东湾海冰冰厚和海冰冰密集度分布。

从海冰遥感图像上可以直接算出辽东湾湾底沿湾中轴线到海冰外缘线的距离，给出海冰范围值，由此得到1988—2006年辽东湾最大海冰范围年变化曲线(图6)，其中最大海冰范围约210 km，发生在2001年；最小海冰范围约75 km，发生在1995年。

图5 2005年2月25日辽东湾海域海冰卫星云图及其反演结果Fig.5 Sea-ice satellite image and its inversed results for Liaodong Bay on 2005-02-25

图6 由卫星遥感图片获得的1988—2006年辽东湾最大海冰范围变化曲线Fig.6 Variation of maximum sea ice range in Liaodong Bay obtained from satellite remote sensing images from 1988 to 2006

2.4 流冰冰厚的重现期计算

选取从1988年至2006年的每年海冰图像处理资料,在历年各年度流冰最大冰范围时的海冰卫星云图反演基础之上以2′×2′网格划分辽东湾海域，采用龚贝尔法进行冰厚的多年一遇重现期计算，由此得出辽东湾海域不同重现期的海冰冰厚分布(图7)。

图7 龚贝尔法计算出的不同重现期辽东湾冰厚极值分布Fig.7 Calculated extreme value of sea-ice thickness of Liaodong Bay with various return periods by Gumber method

从上述计算结果来看，滦河口南至芷锚湾沿岸海冰密集度为70%～80%，5年一遇的冰厚约为15 cm,10年一遇的冰厚为20～25 cm,25年一遇的冰厚为30～35 cm；芷锚湾至葫芦岛沿岸海冰密集度约为70%，5年一遇的冰厚约为25 cm,10年一遇的冰厚为30～35 cm,25年一遇的冰厚为40～45 cm；葫芦岛至营口沿岸海冰密集度在70%～80%，5年一遇的冰厚为30～35 cm,10年一遇的冰厚约为35 cm,25年一遇的冰厚为45～50 cm。营口至太平角沿岸海冰密集度约为90%，5年一遇的冰厚为30～35 cm,10年一遇的冰厚为35～40 cm,25年一遇的冰厚为45～50 cm；太平角至长兴岛沿岸密集度约为90%，5年一遇的冰厚约为35 cm,10年一遇的冰厚为40～45 cm,25年一遇的冰厚约为55 cm；长兴岛至旅大沿岸海冰密集度约在90%，5年一遇的冰厚为17～20 cm,10年一遇的冰厚为20～25 cm,25年一遇的冰厚为27～40 cm。

分析认为，由于辽东湾受潮汐右旋、沿岸流和偏北风共同作用的影响，辽东湾海面上的浮冰会不断地向东岸和东南部海区堆积,造成很大一部分流冰集中在中东部和东南部，因此与辽东湾其他水域相比，该水域冰厚和冰密集度明显加大。另外,黄海暖流余脉经过渤海海峡北部进入渤海后,首先向辽东湾西岸流去,使西部水温较东部水温高,这也是造成东部冰情重于西部的原因之一。从图5和图7可以看出，本研究反演结果也很好地反映出了辽东湾海冰的这一规律性分布特征。

3 结论

本文采用卫星图像反演技术，利用多年的海冰卫星遥感云图并结合实测冰厚资料对辽东湾海冰厚度、海冰密集度和海冰范围进行了反演，并与负积温方法计算出的冰厚进行了比较，两者具有较好的一致性。同时将辽东湾以2′×2′网格划分，由概率极值分布函数推算出辽东湾每个格点的5、10、15、20和25年一遇海冰冰厚分布。从冰厚和密集度反演结果可以看出,辽东湾海冰北部较南部严重,东岸较西岸严重,这与辽东湾海冰在空间上的实际分布特征相一致。因此，利用卫星遥感图像可以较准确地对辽东湾海域海冰范围、海冰厚度、海冰密集度等参数进行反演，并有效得出辽东湾海冰参数的空间分布特征，相关的计算结果可以为辽东湾海洋工程抗冰设计、冰区冬季安全生产决策以及海上航运等提供重要参考。