渤海和黄海北部工程设计冰厚变化趋势分析

王安良, 赵倩, 隋俊鹏, 唐茂宁, 王慧, 刘煜

(1.国家海洋环境预报中心 自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 北京 100081; 2.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410014)

近年来,风电、光伏和核电等清洁能源项目在渤海和黄海沿岸海域广泛兴起,这类工程在设计、建造和后期运营过程中将不同程度受到海冰的影响[1]。海冰厚度、速度和强度等工程设计参数的选取,会影响到工程建造和运维的成本。此类工程厂址一般离岸较近,海水深度较浅,水动力环境较为复杂,使得不同工程点间海冰的生消、漂移、重叠和堆积等热力学和动力学过程差异较大[2-3]。同时,在全球气候总体变暖的背景下,渤海和黄海北部的总体冰情也呈现减弱的趋势[4-5]。因此,合理选取工程作业点的海冰设计参数,不仅需要考虑场址附近独特的海冰热力和动力学过程,还需要评估最近几十年海冰冰情的变化趋势。

渤海和黄海北部海冰工程设计参数区划是各类海洋工程设计冰厚的主要参考依据。以渤海油气平台建设作为主要应用目标,吴辉碇等[6]和Yang[7]将渤海和黄海北部划分为21个冰区,每个冰区赋予不同的工程海冰设计参数[6-7]。随后,利用气温、冰温、冰期和冰厚换算得到的冰孔隙率,海冰物理和力学参数在渤海工程分区中得到了进一步的研究[8-9]。孙邵等[10-11]基于海冰对海上和沿岸经济活动的影响,利用权重分析方法将不同海域划分了风险等级。袁本坤等[12]利用相似的权重分析方法,以海冰厚度、密集度及冰期等数据为基础,把我国主要结冰海域综合划分为7个风险区,为我国的海冰灾害风险管理和防灾减灾规划等提供了依据。目前工程海冰参数设计区划在制定过程中大多依据2000年之前的数据,较难反映现阶段全球气候变暖背景下渤海和黄海北部冰情的变化规律。同时,受制于当时的观测条件和手段,在制定规范中所利用的数据较为有限,海冰灾害区划的客观性较差。近20年来,渤海沿岸大范围港口建设和围填海工程也会在局地影响海冰的热力-动力学过程[13]。

目前,渤海和黄海北部沿岸工程作业迫切需要发展一种海冰环境参数评估系统,为具体工程作业点提供工程海冰参数的精细化评估。综合考虑海冰冰期、厚度、速度和强度等参数的影响,Xu[14]等提出了一种针对冰区海洋平台结构的风险指数评估方法,但该方法主要关注已建成海洋平台在海冰作用下的结构响应,海冰环境参数仅作为输入变量而未展开相关研究。Wang[1]针对沿岸风电场设计,提出了一套工程海冰环境设计参数评估系统,集合了近20多年来卫星遥感、现场监测和数值预报等多源数据,对冰期、重现期冰厚和冰强度等参数进行评估,在工程应用中取得了良好效果。

本文基于精细化预报结果和卫星观测反演数据,利用工程海冰参数评估系统,统计分析渤海和黄海北部冰情整体变化特征;重点对设计冰厚近年来的变化趋势进行对比研究,为相关沿岸海洋工程海冰设计参数的确定提供依据。

1 重现期冰厚评估数据和方法

1.1 研究海域位置

本文比较分析渤海和黄海北部总体冰情变化趋势。然后,对近些年风电场建设活动开展较多的渤海莱州湾和黄海北部3个作业点进行分析,其位置分布如图1所示。其中,A点位于庄河海域,按照《渤海海冰设计作业条件》海冰区划边界,该点在19区一侧,接近18区和19区的分界线。莱州湾内B点和C点分别处于莱州海域和东营海域,但均处于海冰10区范围内。

1.2 海冰业务化预报和观测数据

本文冰厚数据主要来自于MODIS卫星海冰图像反演结果和国家海洋环境预报中心的业务化小区域高精度海冰数值预报[1,15]。搜集整理了1997-2022年渤海及黄海北部1 500多幅冬季卫星遥感图像,进行海冰分布和冰厚分析。同时,借助分辨率50 m的高清HY-1C和HY-1D海冰图像,对重叠冰和堆积的情况进行判别和分析。

目前,利用可见光和近红外通道大面反演冰厚在国际上仍然是一个难题。通常来讲,在没有雪覆盖的裸冰区域,厚冰反照率高,薄冰反照率低。但是反照率和冰厚并不存在固定的对应关系,且和冰类型密切相关。根据以往对MODIS各通道直方图分布分析研究表明,红光通道(645 nm)与蓝光通道(412 nm)海冰所对应的反射率变化范围较大[16],即这2个通道对海冰厚度或者类型有着较好的分辨能力。同时,卫星遥感图像上这2个通道在海冰区也显示出较好的层次变化。结合大量现场观测数据,本文通过MODIS图像反射与我国渤海相应海冰冰厚实测数据对比,确定了冰厚值所对应的反射率即分段线性节点,作为冰厚反演的默认值。此外,考虑渤海和黄海北部海冰区域和季节性差别,本文开发的业务化海冰厚度反演系统基于每日海洋平台和观测站点的冰厚,还可以对反演冰厚进行客观订正,如图2所示。该系统采用上述分段线性计算冰厚的方法,并在应用过程中考虑海冰类型与实测海冰数据,得出不同海冰类型的冰厚与反照率关系,以此提高海冰冰厚的反演精度,为渤海和黄海北部海冰数值模式提供准确的海冰厚度初始场。

图2 海冰厚度客观订正反演系统

国家海洋环境预报中心中尺度渤海和黄海北部海冰数值模式业务化运行了近30 a[1,15],为防止海冰灾害的发生提供了重要的保障,在此过程中也积累了大量的历史数据,如图3所示。

图3 海冰业务化数值预报产品

但中尺度海冰预报模式分辨率仍然难以满足冬季海上生产和局地海域经济活动对精度要求,为此该中心近年来开发了适用于工程作业保障的定点小区域高精度海冰数值预报模型。根据工程作业点小区域冰情预报特点,通过对不同海冰模式的分析比较,确定利用较为成熟的弹粘塑性海冰模式对工程作业点区域海冰进行数值模拟。该预报模式主要有以下特点:1)考虑了海冰的弹性作用。因为对于小尺度海冰,弹性效应较为明显,应充分考虑海冰在小应变和小应变率条件下的弹性力学行为,以提高海冰动力学的计算精度;2)对短时间的水文和气象强迫场变化反映更为迅速和准确;3)高分辨率可有效地预报工程作业点区域海冰环境参数。该模型可针对特定工程作业点及邻近海域,开展海冰厚度、密集度、冰速、海冰的物理力学性质等参数以及危险冰块的漂移轨迹等参数的预报。以上2种类型海冰模式数据相互补充,可为大面积平整冰和局地动力学作用下的海冰再分布评估提供准确可靠的数据支撑。

1.3 海冰厚度重现期极值统计

本文海冰厚度极值是指海冰厚度年度出现的极大值,其与海洋防灾减灾、海洋航行和海洋工程设计等有密切关系,是寒区海洋工程设计中重点关注的设计参数之一。以f(x)和F(x)分别代表海冰厚度随机变量极值海冰厚度X的概率密度函数和分布函数,以xp代表一个取值,则X>xp的概率为:

(1)

而X>xp的概率为:

(2)

则P(X>xp)的倒数:

N=1/p=1/(1-F(xp))

(3)

式中:N为事件X>xp的重现期;xp为重现期为N年的极值。

在工程设计上,p常称为X的设计频率,一般取p=0.1,0.05,0.02,0.01,相应的重现期为N=10,20,50,100 a。海洋工程设计上取冰厚的设计频率为0.01,则设计冰厚为重现期为100 a的年极值冰厚,俗称百年一遇冰厚。因此,海冰厚度重现期极值统计分析的主要任务是根据变量的特点和已有的计算能力选定年极值的分布形式,再以已有年极值的实测数据为统计样本来确定分布形式中的参量,然后按由指定的N=1/p计算重现期为N年的年极大值xp,或由指定的N计算重现期为N年的年极小值xp。

本文采用Weibull分布来研究海冰厚度重现期。相较于Pearson-III型分布和Gumbel分布,Weibull分布因多了一个参量自由度,从而有较大的灵活性和更适合于拟合实测数据的经验分布,适用范围较广。Weibull概率密度分布函数为:

(4)

式中a、b、c为待定拟合参量,且b,c≥0。本文将利用年最大冰厚进行拟合获取相关参数。

1.4 工程海冰设计参数评估方法

国家海洋环境预报中心以近20多年渤海和黄海北部海冰多源观测数据和多尺度海冰精细化数值预报资料为基础,建立了一套寒区工程海冰设计参数评估系统。该系统在典型海上风电工程海域进行了成功应用[1]。系统评估流程如图4所示。该系统有效集成了不同分辨率卫星图像、现场调查和视频监测数据,较为准确地评估作业海域冰日、浮冰分布和堆积重叠特征,利用20多年不同分辨率海冰业务化运行平台积累的海冰要素数据,分析作业点海冰的动力学特性,统计海冰厚度和海冰速度的联合概率密度函数;并结合海冰物理学性质试验结果,计算海冰重现期压缩强度和弯曲强度,实现对寒区海洋结构工程关键海冰环境参数的准确评估。

图4 工程海冰设计参数评估流程

本文利用该系统对工程场址的年最大平整冰厚进行评估,形成了1997-2022年26组年最大平整冰厚度时间序列,以此对海冰厚度重现期进行分析。从流程图4中可以看出,工程海冰参数设计系统综合了卫星、现场观测和数值模式等数据,其中最大平整冰厚是整个评估系统的关键一环。

2 海冰变化趋势及重现期冰厚分析

2.1 渤海和黄海北部海冰总体变化趋势

冰情等级是以海冰冰缘线作为主要判定依据,综合考虑辽东湾、渤海湾、莱州湾和黄海北部局地海冰冰情,在国家层面上发布用来衡量整个冰期冰情严重程度的指标,其中1级和5级分别代表最轻和最重冰情。渤海和黄海北部冰期通常跨越2个自然年,一般发生在11月底至次年3月初,严重冰期集中在1-2月。

本文共获取了72 a (1951-2022年)的海冰冰情等级数据,如图5所示。1990年后冰情等级存在明显下降的趋势,这期间3级以上的冰情仅仅发生在2001年、2010年和2013年。从2组数据统计箱型图中也可以发现,1990-2022年冰情中位数较1951-1989年降低了近1个等级,如图6所示。3级冰情在标准中属于平常年份,但近20 a出现的频率逐渐变低。以辽东湾最大浮冰外缘线为例(如图7所示),近20年来最严重的冰情发生在2009-2010年达到了4级,绝大部分最大浮冰外缘线距离在平均线以上。最近3个冰期最大外缘距离与同期相比,大多集中在平均线以下,均未达到海冰最低警报标准,这表明该海域整体冰情仍然处于一个下降的趋势中[4-5]。

图5 1950-2022年渤海和黄海北部冰级分布

图6 1990年前后海冰等级箱型图

图7 辽东湾浮冰范围变化趋势

需要指出的是,海冰等级标准主要是以海冰的覆盖范围作为衡量指标,受到监测手段的限制并未充分考虑海冰厚度的影响。因此即使相同等级的冰情,现实中也存在冰厚不同的现象。如图7所示,盛冰期持续时间存在缩短的趋势,同时在盛冰期内海冰经常会因短暂升温而剧烈消融至不足18.5 km的最大海冰缘线范围内。据此可以推测,近10 a来该海域海冰厚度总体较薄,在出现短暂回温时会出现大面的消融。因此,即使在相同冰情等级年份内,近些年来海冰的厚度也要相对较薄。

2.2 海冰重现期分析

本文主要利用业务化小区域高精度海冰数值预报数据获取工程作业点的年最大冰厚。同时,针对最大冰厚出现的时间段,综合考虑各类卫星数据和现场观测资料,对年冰厚最大值进行适当的修正。最终获得26组年最大冰厚数据进行Weibull重现期分析,分别得到5、10、20、50和100 a重现期冰厚分布如图8和图9所示。同时,将工程点所在《渤海海冰设计作业条件》分区中的重现期冰厚值也在图8和图9进行了比较。结果可见本文评估的重现期设计冰厚较海冰区划中的值明显偏低。以风电场设计常采用的20 a重现期冰厚为例,本文分析庄河点20 a一遇设计冰厚为25.2 cm,而海冰区划中给出的18冰区设计冰厚为27.3 cm,19冰区设计冰厚为40 cm。本文结果比海冰区划推荐设计值小37%。与庄河点评估结果类似,采用本文方法评估的设计冰厚结果在莱州点比海冰区划推荐结果降低了20%,在潍坊点降低了27%。

图8 庄河点海冰重现期厚度评估

图9 莱州点和东营点海冰重现期厚度评估

庄河点位置处在19区,较为接近18区和19区的分界线,但这2个冰区的重现期设计冰厚存在较大的差别,如图8所示。这种情况在风电场的设计过程中较为常见,同时也存在工程厂址区域跨越多个海冰分区的状况。此时,仅以海冰分区来选取冰厚参数会增加很大的工程量和建造成本,很难用单一的海冰区划线来界定工程海冰设计参数。尤其,在沿岸海域海冰动力和热力条件较为复杂,时常发生重叠和堆积等较为剧烈海冰再分布过程,需要针对特定的作业点开展设计冰厚的评估工作。

同一海冰分区内的工程作业点,设计海冰厚度也会存在一定差异。莱州点和东营点均处在海冰10区范围内,但该冰区跨度范围较大,而且所处沿岸海域岸线和水文条件较为复杂。从图(9)可以看出,这2个工程点的重现期冰厚参数存在差异,尤其在大于20 a重现期设计冰厚时差异较大。从本文卫星图像反演推算的年最大冰厚看(图10),2个工程点的最大冰厚总体趋势较为接近,说明该海域总体海冰生成条件较为接近。

图10 莱州点和东营点年最大冰厚分布

尽管如此,莱州海域水文条件影响下的海冰动力过程相对剧烈,在风和潮流潮汐作用下平整冰更容易发生堆积的现象(图11),从而在极端冰厚上表现为东营工程点年最大冰厚较大。莱州工程点更容易出现全年无冰的情况,而东营工程点不会出现全年无冰的状况。这主要与东营工程点所处的独特地理位置有关,其离岸距离相对较小,离黄河口较近,海水的盐度较低,在冷空气作用下较其他海域更容易形成5 cm左右冰皮[17]。此外,图11中的坝体在2007年前后建成,该坝体也在一定程度上影响到该海域与外界海洋的热交换过程,使得该工程点的水文条件趋于稳定。在以上条件综合作用下,东营点10 a重现期冰厚要较莱州点偏高。总体上来看,由于受到气候变化、海岸条件变迁和独特水文条件的影响,即使在同一冰区范围内,不同作业点也需要有针对性地开展海冰设计厚度的评估。

图11 莱州点和东营点典型海冰分布情况

3 结论

1) 在全球气候变暖大背景下,渤海和黄海北部冰情等级存在降低的趋势。从冰情等级分布上来看,1990-2022年海冰冰情等级中值要较1951-1989年降低了近1级,常冰年(3级)在最近20年逐渐成为出现频率较低的等级。

2) 海冰设计参数区划方式在具体工程应用时需要综合考虑多方面的因素。本文中特定工程作业点设计冰厚较之前区划中的数据明显偏低。此外,在工程作业点离岸距离较近,海冰动力和热力学过程较为复杂的海域,需要有针对性地开展工程设计冰厚的评估。