基于衛星遙感圖像的遼東灣海冰參數反演及空間分布特征分析

張樹德 蘭志剛

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335； 2.中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

受西伯利亞冷空氣影響，我國渤海特別是遼東灣海域，每年冬季都會覆蓋大量的海冰。海冰是影響該海域油氣開發安全的主要海洋環境條件，給該海域的油氣田開發、油氣生產和儲運帶來挑戰，并對海上工程結構設施造成威脅和影響。渤海海域曾出現過因海冰作用導致平臺被推倒、冰激振動導致平臺生產管線斷裂、嚴重冰封導致船只受阻、航運中斷等災害性事件。因此，全面了解和掌握海冰冰情數據，進而掌握該海域工程海冰環境條件，對于確保冰區油氣田開發建設和安全生產具有十分重要的意義。

衛星遙感和航空遙感技術的迅速發展，從技術上實現了大尺度空間的同步海冰觀測，以遙感圖像反演冰型、冰密集度、冰厚等海冰要素[1-3]，已成為海冰要素測量特別是獲取大區域海冰特征參數的有效技術手段[4]。近年來，國內學者還利用中分辨率成像光譜儀Modis獲取的衛星遙感影像，對渤海海冰的面積及凍結和融化過程進行了分析[5]；利用專題成像儀TM遙感資料測得的海冰面積來訂正從其他遙感資料中提取的海冰面積，并提出了相應的訂正模型[6]；利用反射率反演冰厚，并將反演結果與朱波夫模型進行了對比，比較結果顯示2種數據相關性好，一致性較高[7]。這些研究成果均為有效利用衛星遙感資料開展工程海冰應用奠定了堅實的基礎。

為了全面了解遼東灣冰情和海冰的時空分布，本文根據歷史海冰衛星遙感云圖、海洋站多年海冰觀測資料以及氣象站多年氣溫觀測資料，結合圖像處理技術，對遼東灣海冰參數進行了反演計算，并結合負積溫計算冰厚方法對反演結果進行了修正，最終利用極值分布函數分析給出不同重現期、不同厚度流冰的空間分布，可以為該地區海洋工程抗冰設計、冰區冬季安全生產決策以及海上航運等提供重要參考。

1 遼東灣海冰概況

本文的研究區域范圍為海岸交點A(119°E，39°12′N)與坐標點B(121°6′E,38°55′N)旅大連線和河北省、遼寧及遼東半島所圍成的海域，即圖1中AB連線以北的遼東灣海域。

遼東灣是渤海冰期最長、冰情最重的海域[8]，每年11月下旬至12月上旬，由北向南先從近岸淺水區開始結冰，1月中、下旬至2月上、中旬為盛冰期，2月下旬至3月中旬海冰由南往北逐漸消融，冰期為3～4個月。遼東灣冬季受偏北風或西南風控制，其潮流特征為右旋潮流系統，且存在順時針沿岸流。上述因素的綜合作用導致遼東灣東部海域的冰情通常較西部海域嚴重。由于浮冰大多被積壓到遼東灣東北部一帶海域，并沿東岸南下，除遼東灣北部沿岸及淺水區之外，西部沿岸海域很少見到大面積的浮冰。

圖1 研究區范圍Fig.1 The target sea area in this paper

輕冰年冰情最嚴重時，遼東灣流冰最大外緣線距遼東灣頂北部海岸約45～65 km。一般冰厚為5～15 cm，最大重疊冰為20～30 cm。 常冰年冰情最嚴重時，遼東灣流冰最大范圍在135～165 km，其中北部區域自12月下旬至1月末為盛冰期，一般冰厚為25～30 cm，最大重疊冰厚可達45 cm；中部區域自1月中下旬至2月上旬為盛冰期，該區域的海冰主要是鄰近海域凍結和東北部沿岸海域凍結冰破碎后，隨落潮流及北風作用下漂流而致的浮冰和本海域凍結的冰組成，一般冰厚為20～25 cm，最大重疊冰厚為35 cm，冰量多在70%～90%;南部區域自2月下旬至3月上旬是盛冰期，冰情較輕，主要來自北部及東北部海域隨落潮流和偏北大風共同作用下的南下的浮冰，一般冰厚多為8～15 cm，局部最大重疊冰厚可達30 cm,冰量40%～70%。在常冰年冰情最嚴重時，東、西部近岸海區流冰外緣線距岸約20～40 km。

重冰年渤海大部分海域幾乎被浮冰覆蓋。通常，遼東灣北部冰厚一般為25～45 cm，最大重疊冰厚一般為60～100 cm；遼東灣東岸附近海域冰厚一般為20～35 cm，最大重疊冰厚一般為60～80 cm；遼東灣西岸附近海域冰厚一般為20～30 cm，最大重疊冰厚一般為50～60 cm；遼東灣中部冰厚一般為25～35 cm，最大重疊冰厚一般為45～60 cm；遼東灣南部灣口冰厚為5～15 cm，重疊冰厚一般為15～30 cm。不同冰情等級下的遼東灣冰厚和冰范圍分布見表1。

表1 不同冰情等級下的遼東灣冰厚和冰范圍分布Table 1 Ice thickness and coverage of Liaodong Bay under various sea ice grades

2 海冰衛星遙感資料收集及冰厚、密集度反演

2.1 海冰參數估算的基本原理

研究表明，海冰、海水和其他地物之間的光譜特征有明顯差異，根據這一差異，可以利用統計估計方法判別海冰邊緣。對渤海海冰的反射光譜研究表明，反照率與冰厚之間有一定相關性，反射光譜的主反射峰與冰厚有明顯對應關系[9]。各種海冰的可見近紅外實測反射波譜也表明,海冰的反照率遠高于海水的反照率,兩者有很大的差異,由此可以利用遙感圖像像元灰階差異來判定海冰和海水,并由此可以確定海冰邊界、海冰范圍和海冰密集度[10]。

本文選取1989—2005年各年度在嚴重冰期期間冰情最嚴重、范圍最大時，質量較好的歷年海冰衛星遙感圖像，整理成圖像年序列以進行海水厚度和密集度的反演以及年最大海冰范圍的計算。

2.2 負積溫冰厚計算方法

遼東灣沿岸、海上海冰觀測資料極為匱乏，給衛星云圖冰厚的反演工作帶來較大的困難。因此，采用負積溫計算冰厚的經驗方法，作為衛星云圖反演冰厚資料的補充，并對海冰衛星云圖冰厚反演結果進行檢驗和修正。負積溫計算冰厚公式為[11]

(1)

式(1)中:H0為實測的初始冰厚，m；L0為初始實測冰厚H0處的離岸距離，m；h0為初始實測水深，m；T0j為初始實測空氣溫度，℃；W0j為初始表層海水溫度，℃；H、L、h分別為計算點冰厚、離岸距離和水深，m；Ti和Wi分別為計算點處空氣溫度和表層海水溫度，℃；n、m分別為取樣點數。

忽略水溫的影響，冰厚計算公式可以簡化為[11]

(2)

式(2)中:α為海冰增長系數，由觀測點實測冰厚及空氣與表層海水溫差的累加求得。

由于海上及沿岸海域海冰觀測資料十分匱乏，不足以用于對近30年遼東灣的冰情變化進行分析。因此,收集了遼東灣沿岸錦州、營口、綏中、秦皇島和大連等5個氣象臺站1975—2004年共30年冬季氣溫資料,首先計算出每日的平均氣溫，然后將小于-2 ℃的日均氣溫進行累加，并由此統計出上述5個臺站歷年年度最大負積溫序列(圖2)。

圖2 渤海5個區域1975—2004年冬季最大負積溫序列Fig.2 Maximum negative accumulated temperature series in five regions of Bohai sea from 1975 to 2004

圖3為錦州9-3海域負積溫計算冰厚和實測(目測)冰厚的對比，雖然僅有1998—1999至2004—2005年度的短序列實測數據，但可以看出兩者有較好的一致性,表明負積溫計算冰厚的方法可行，負積溫冰厚可以作為確測年份的補充數據，對衛星遙感測得的冰厚數據進行修正。

圖3 渤海錦州9-3海域目測最大冰厚及負積溫計算最大冰厚對比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 利用衛星云圖反演冰厚、冰密集度和海冰范圍

海冰光學性質的理論研究和實驗觀測表明，在一定的厚度范圍內，海冰的反照率隨冰厚的增加而增加，并遵循以下經驗關系式[12]：

α(X)=αmax(1-ke-μX)

(3)

式(3)中：X為冰厚，cm；α(X)為厚度為X的海冰對太陽光輻射譜段的反照率；αmax是當冰厚為無窮大時對應的反照率(取值為0.556)；μ為反照率衰減系數(取值為1.209)；k為相關系數，k=1-αsea/αmax，其中αsea為海水反照率，取值為0.06[12]。

為得到不同重現期的冰厚數據，選取遼東灣海域1988—2006年度在嚴重冰期期間冰情較重、范圍最大時的質量較好的衛星遙感圖像進行冰厚反演。首先,應用GIS地理信息系統對衛星遙感資料進行地理定標，得到包含地理信息的海冰圖像;在此基礎上，結合負積溫計算結果進行綜合冰厚反演計算，并利用該計算冰厚值對反演結果進行修正。將衛星遙感圖像反演冰厚值與對應的負積溫冰厚計算值比較，可以得出兩者符合以下關系：

y=1.05x-3.31

(4)

式(4)中：x為衛星遙感圖像反演冰厚值，cm；y為負積溫計算冰厚值，cm。表2中的數據是負積溫計算的冰厚以及對應的衛星遙感圖像反演的冰厚數據。圖4為該兩組數據的比較結果，從圖4上可以看出，兩者相關性R2達0.66，具有較好的一致性。

表2 1988—1989至2004—2005年間負積溫計算的遼東灣海域冰厚以及對應的衛星遙感圖像反演的冰厚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

圖4 1988—1989至2004—2005年間遼東灣海域衛星遙感圖像反演冰厚值與對應的負積溫冰厚計算值的比較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

將衛星遙感圖像換成0～255灰度值，根據海冰和海水反照率差異，選擇代表海水和各類冰型的灰階峰之間的灰階谷值作為區分海冰與海水的灰階閾值，并以此確定冰水邊界，繼而計算海冰密集度，具體反演算法為[10]

(5)

式(5)中:NIce為研究區域冰像素點的個數；NAll為研究區域所有像素點的個數。而對于冰水混合區域，其反照率將位于海冰特征反照率和海水特征反照率之間，因此將采用以下方法計算該像元的海冰密集度[10]：

(6)

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

圖5是2005年2月25日遼東灣的衛星圖像以及利用式(1)～(6)反演方法給出的遼東灣海冰冰厚和海冰冰密集度分布。

從海冰遙感圖像上可以直接算出遼東灣灣底沿灣中軸線到海冰外緣線的距離，給出海冰范圍值，由此得到1988—2006年遼東灣最大海冰范圍年變化曲線(圖6)，其中最大海冰范圍約210 km，發生在2001年；最小海冰范圍約75 km，發生在1995年。

圖5 2005年2月25日遼東灣海域海冰衛星云圖及其反演結果Fig.5 Sea-ice satellite image and its inversed results for Liaodong Bay on 2005-02-25

圖6 由衛星遙感圖片獲得的1988—2006年遼東灣最大海冰范圍變化曲線Fig.6 Variation of maximum sea ice range in Liaodong Bay obtained from satellite remote sensing images from 1988 to 2006

2.4 流冰冰厚的重現期計算

選取從1988年至2006年的每年海冰圖像處理資料,在歷年各年度流冰最大冰范圍時的海冰衛星云圖反演基礎之上以2′×2′網格劃分遼東灣海域，采用龔貝爾法進行冰厚的多年一遇重現期計算，由此得出遼東灣海域不同重現期的海冰冰厚分布(圖7)。

圖7 龔貝爾法計算出的不同重現期遼東灣冰厚極值分布Fig.7 Calculated extreme value of sea-ice thickness of Liaodong Bay with various return periods by Gumber method

從上述計算結果來看，灤河口南至芷錨灣沿岸海冰密集度為70%～80%，5年一遇的冰厚約為15 cm,10年一遇的冰厚為20～25 cm,25年一遇的冰厚為30～35 cm；芷錨灣至葫蘆島沿岸海冰密集度約為70%，5年一遇的冰厚約為25 cm,10年一遇的冰厚為30～35 cm,25年一遇的冰厚為40～45 cm；葫蘆島至營口沿岸海冰密集度在70%～80%，5年一遇的冰厚為30～35 cm,10年一遇的冰厚約為35 cm,25年一遇的冰厚為45～50 cm。營口至太平角沿岸海冰密集度約為90%，5年一遇的冰厚為30～35 cm,10年一遇的冰厚為35～40 cm,25年一遇的冰厚為45～50 cm；太平角至長興島沿岸密集度約為90%，5年一遇的冰厚約為35 cm,10年一遇的冰厚為40～45 cm,25年一遇的冰厚約為55 cm；長興島至旅大沿岸海冰密集度約在90%，5年一遇的冰厚為17～20 cm,10年一遇的冰厚為20～25 cm,25年一遇的冰厚為27～40 cm。

分析認為，由于遼東灣受潮汐右旋、沿岸流和偏北風共同作用的影響，遼東灣海面上的浮冰會不斷地向東岸和東南部海區堆積,造成很大一部分流冰集中在中東部和東南部，因此與遼東灣其他水域相比，該水域冰厚和冰密集度明顯加大。另外,黃海暖流余脈經過渤海海峽北部進入渤海后,首先向遼東灣西岸流去,使西部水溫較東部水溫高,這也是造成東部冰情重于西部的原因之一。從圖5和圖7可以看出，本研究反演結果也很好地反映出了遼東灣海冰的這一規律性分布特征。

3 結論

本文采用衛星圖像反演技術，利用多年的海冰衛星遙感云圖并結合實測冰厚資料對遼東灣海冰厚度、海冰密集度和海冰范圍進行了反演，并與負積溫方法計算出的冰厚進行了比較，兩者具有較好的一致性。同時將遼東灣以2′×2′網格劃分，由概率極值分布函數推算出遼東灣每個格點的5、10、15、20和25年一遇海冰冰厚分布。從冰厚和密集度反演結果可以看出,遼東灣海冰北部較南部嚴重,東岸較西岸嚴重,這與遼東灣海冰在空間上的實際分布特征相一致。因此，利用衛星遙感圖像可以較準確地對遼東灣海域海冰范圍、海冰厚度、海冰密集度等參數進行反演，并有效得出遼東灣海冰參數的空間分布特征，相關的計算結果可以為遼東灣海洋工程抗冰設計、冰區冬季安全生產決策以及海上航運等提供重要參考。