我国北方的渤海和黄海北部, 由于冬季受寒潮影响, 每年都有不同程度的结冰现象, 冰期约3个多月(当年12月至后一年3月), 海洋学中常以冰期、冰厚、结冰范围等要素来定义冰情, 其中辽东湾海区冰情最为严重, 冰情最严重的年份整个辽东湾都为海冰所覆盖。海冰灾害的出现与恶劣的自然环境和人类活动有关, 海冰冰情等级和工业活动的频繁程度同海冰灾害发生率成正比, 人类重视程度同海冰灾害发生率成反比(李志军, 2010)。目前, 对渤海海冰的变化特征、形成原因和预测方法已经进行开展研究。如, 刘煜等(2013)认为渤黄海冬季冰情变化是与北大西洋涛动、北极涛动甚至南方涛动有密切关系, 郑冬梅等(2015)认为秋季副热带高压(简称副高)、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响, 可作为渤海海冰预报的指示因子。Gong等(2010)发现北极涛动与渤海冰情严重程度在过去的一百年间有显著的相关性, Zhang等(2016)利用非线性最小二乘法得到了累积冻冰温度、累积融冰温度、风速、风向与海冰面积的经验公式。唐茂宁等(2015)利用回归分析得到渤海冰情等级与西伯利亚高压、西太平洋副高之间的统计关系, 回归结果能够反映渤海冰情年际变化。然而, 大气环流因子与冬季我国渤海海冰之间的物理机制目前尚不完全清楚, 渤海海冰的短期气候预测仍有待深入探讨。除此之外, 由于实测数据缺乏, 研究对象多为整个渤海区每年一次的冰级数据以及各种数值模式结果, 前者时间以及空间代表性不够强, 且只能反映出冰情的年际变化; 后者在渤海区由于受温盐初始场及气象强迫场分辨率的限制, 仍存在较大误差, 只能作为大致参考。本文根据以上实际状况, 结合国家海洋局北海预报中心每日海冰业务化遥感监测结果及海洋站每日观测结果, 进一步探讨了辽东湾海冰日变化情况以及其与局地气温、影响东亚气候的重要因子以及北极海冰密集度间的相互关系。

1 资料来源

本文使用的气象观测资料取自国家海洋局北海预报中心海洋站实测数据, 其中日平均气温选取葫芦岛、鲅鱼圈两个海洋站, 初冰日、终冰日数据取自鲅鱼圈、秦皇岛、葫芦岛、塘沽、温坨子、芷锚湾和东港海洋站, 74项大气环流指数来自中国气象局国家气候中心, 2005/2006—2015/2016每日海冰面积与最大外缘线数据资料应用国家海洋局北海预报中心提供的可见光(MODIS、hj-1a/1b)及SAR业务化遥感监测结果, 海平面气压数据均来自于美国国家环境预报中心(NCEP)2.5°×2.5°网格的月平均再分析资料, 北极海冰密集度数据来自英国气象局Hadley中心的观测数据集。

2 海洋站历年冰情分析

根据鲅鱼圈、秦皇岛、葫芦岛、温坨子、芷锚湾、东港和塘沽七个海洋站的海冰监测及气温观测数据, 统计出了1995—2016年各海洋站初冰日、终冰日、冰期以及12月至1月平均气温距平(见表1、表2)。表中初冰日早于平均日期、终冰日晚于平均日期、冰期长于平均冰期、气温高于平均气温时为正直, 相反为负值, 其中塘沽海洋站部分年份缺测。各海洋站位置如图1所示, 塘沽海洋站位于渤海湾, 东港海洋站位于北黄海, 其余5个海洋站均位于辽东湾。

图2为气温距平与初冰日、终冰日、冰期距平散点图。结果显示, 初冰日早晚与局地气温相关性不明显(在四个象限均匀分布), 初冰日多与秋末冬初首次寒潮发生时间有关, 寒潮到来时气温迅速降低, 海表面形成少量初生冰, 厚度较小密度偏低, 随寒潮过后气温回升冰情消失, 待下一次强冷空气到来时再次形成大量浮冰, 且随着温度持续降低海冰范围持续增长; 在大多数年间终冰日早晚和冰期长短与局地气温呈负相关(多数分布在二、四象限), 即局地气温越低, 终冰日越晚, 冰期越长, 因此终冰日及冰期可用来表征当年渤海冰情严重程度。

3 数据统计分析 3.1 辽东湾遥感海冰资料分析

如图3所示, 在2006—2016年11年间, 除2007/2008年冬季辽东湾初冰日出现在12月下旬以外, 其余年间均出现在11月末和12月初。其中2015/2016年冬受强冷空气影响初冰日出现最早, 在11月24日; 终冰日普遍出现在3月中旬及上旬, 其中2005/2006年冬季终冰日出现的最晚, 在3月19日, 2006/2007年终冰日出现的最早, 在2月16日; 每年海冰面积最大日除2009/2010年较早, 出现在1月12日, 其余均出现在1月下旬和2月上旬, 2005/2006、2011/2012、2012/2013年海冰最大面积日均为2月8日。11年间海冰面积最大值出现在2012/2013年冬季, 因该年1月和2月渤海沿岸整体气温较常年偏低, 2006/2007年海冰面积最大值为11年中最小, 不足8500m²; 其中2009/2010年冬季辽东湾冰期最长, 为111天, 2007/2008年冬季冰期最短, 仅为66天, 其中冰期超过90天的年份有6年, 分别为2005/2006、2008/2009、2009/2010、2011/2012、2012/2013、2015/2016年。结合以上分析, 2006—2016年这11年间, 冰情最严重的为2009/2010年冬季, 因该年冬季冷空气活动频繁且影响范围广、持续时间长、极端天气事件多, 北方部分地区最低气温突破历史最低纪录(郭可彩等, 2011), 冰情最轻的年份为2007/2008年, 因该年1月和2月全国平均气温较常年同期偏高, 其中华北等地偏高2°C以上, 东北大部偏高4°C以上。

3.2 局地气温与冰情统计关系

选取葫芦岛海洋站和鲅鱼圈海洋站的气温表征辽东湾局地气温变化。用海冰面积及海冰外缘线距离来表征辽东湾海冰冰情。对海冰面积与时滞局地气温作相关性分析, 表3和表4分别给出了海冰面积与葫芦岛、鲅鱼圈两海洋站时滞局地气温的相关系数, 计算方法如下:

式中, x为局地气温, y为辽东湾海冰面积, d为滞后天数。结果显示辽东湾每日海冰面积与两个海洋站气温呈负相关, 且在滞后一天时最显著, 相关系数最大值分别超过-0.68和-0.64, 皆在2010/2011年份相关性最显著, 可能因为该年份辽东湾地区冷空气次数较少, 气温变化幅度较为稳定。

将辽东湾每日海冰外缘线距离与葫芦岛、鲅鱼圈两海洋站日平均气温做时滞相关分析, 表5和表6分别给出了外缘线距离与葫芦岛、鲅鱼圈海洋站日平均气温的时滞相关系数, (2010/2011年数据缺失)显示海冰外缘线距离与两个海洋站气温呈负相关, 且在滞后一天时最显著, 相关系数最大值分别超过-0.73和-0.77, 皆在2006/2007年份相关性最显著; 在2012—2013年两者几乎没有相关性, 可能因为该年份辽东湾初冰期和融冰期海冰发展和融化较迅速。

3.3 海冰面积(月最大)与气候因子关系

表7中给出海冰面积与各环流因子的滞后相关分析结果, 相关系数置信度超过98%是显著的。太平洋高压对我国气候有重要的影响, 其中副高的面积、强度、脊线以及北边界都是关键指标(符淙斌等, 1980)。采用西太平洋及北太平洋副热带高压的这些指数, 统计分析它们与辽东湾冰情的关系。

结果表明, 西北太平洋副高对渤海天气系统的影响较为显著。其范围、强度、脊线以及北边界对渤海冰情具有重要影响。超前16个月的北太平洋副高面积指数与月最大海冰面积呈最大负相关; 超前2个月的西太平洋副高强度呈最大负相关; 超前6个月的副高脊线位置指数呈最大正相关; 超前6、7个月左右的副高北界位置指数与月最大海冰面积呈最大正相关。这意味着前期副热带高压的面积越大, 强度越强, 副热带高压中心越往北, 当年冬季的渤海冰情偏轻; 反之亦然。

极涡指数常用于表示高纬冷空气动向。一般说来, 当该指数为负值且绝对值大时称为“冷空气积蓄期”, 当其为正值且绝对值大时, 称为“冷空气暴发期”(荒井康等, 1983)。本文采用北半球、亚洲和太平洋极涡的面积和强度研究它们与辽东湾冰情的相关性。结果表明, 极涡指数与辽东湾月最大海冰面积之间有较好的正相关性; 对于北半球极涡、亚洲区极涡和太平洋区极涡指数, 超前15月时相关系数最大, 超前3个月和9个月次之。即极涡越强, 辽东湾气候越冷, 海冰面积越大。

西太平洋暖池是热带太平洋海表面温度场的主要模态(李克让等, 1998), 其变化制约亚洲、太平洋区域甚至全球气候变化和某些重大自然灾害的形成与变化。结果显示, 西太平洋暖池指数与辽东湾月最大海冰面积之间的相关性较为显著, 正负相关的置信度皆超过98%。西太平洋暖池面积指数超前21个月时呈最大正相关, 超前0个月时呈最大负相关。

东亚大槽是东亚地区对流层中层的重要环流系统, 冬季东亚大槽强度变化对华中和东北地区冬季平均气温有较大影响, 东亚大槽典型强(弱)年, 华中和东北地区冬季平均气温偏高(低)(黄小梅等, 2013)。结果显示, 东亚槽强度指数与辽东湾月最大海冰面积之间的相关性较为显著, 正负相关的置信度皆超过98%。东亚槽强度指数超前1个月时呈最大负相关, 即东亚大槽偏弱时渤海冰清加重; 而东亚槽位置指数与海冰面积之间相关性不明显。

西太平洋遥相关型与西太平洋地区的气候有密切联系。结果显示, 太平洋遥相关型指数与辽东湾月最大海冰面积之间存在一定的相关性, 超前5个月时相关系数最大, 其中西太遥相关型指数与海冰面积与相关性为正, 北太遥相关型指数与海冰面积与相关性为负。

大气环流是制约局地气候特别是东亚气候的基本因子, 已有研究表明华北冬季偏冷期中、高纬纬向环流减弱, 经向环流明显增强, 暖期情况正好相反(申红艳等, 2010)。结果显示, 纬向环流指数与辽东湾月最大海冰面积之间的相关性较为显著, 正负相关的置信度皆超过98%。纬向环流指数超前1个月时相关系数最大, 相关性为负; 而经向环流指数与海冰面积之间相关性较弱。欧亚纬向环流减弱, 经向环流明显增强时, 极涡区的冷空气南下, 影响至渤海使得渤海冰清加重。

冬季北极涛动可以影响到西伯利亚高压, 从而影响到东亚冬季风, 进而影响到我国冬季气温。此外北大西洋涛动异常变化也与我国冬、夏季气候有一定关系。结果显示, 北极涛动与辽东湾月最大海冰面积之间有较好的相关性, 北极涛动指数超前1个月时呈最大负相关; 北大西洋涛动指数与南方涛动指数与海冰面积相关性不明显, 相关系数皆小于0.40; 此外超前9—10个月左右的Nino 3.4指数与海冰最大面积呈最大正相关, 相关系数为0.47。

综上可以得出, 辽东湾海冰冰情受太平洋副高、极涡、东亚槽和欧亚环流等气候因子的共同影响, 其中受太平洋副高北界位置指数、极涡面积指数、东亚槽强度指数、欧亚纬向环流指数影响最为显著, 相关系数皆超过0.70。

3.4 海冰面积(月最大)和北极海冰的统计关系

近十几年北冰洋海冰厚度的显著减少, 是北冰洋增暖的又一个重要现象, 对全球气候变化有深远影响(赵进平等, 2003)。已有研究表明秋冬季北极海冰密集度和海表温度异常的综合影响是导致西伯利亚高压和欧亚大陆中高纬度及东亚出现地面温度异常的原因(武炳义等, 2011)。本文对北极海冰月平均密集度与辽东湾冬季月最大海冰面积作时滞相关分析。图4给出2005/2006—2015/2016每年冬季(12月、1月、2月)辽东湾月最大海冰面积分别与当前月份至此前5个月的北极月平均海冰密集度的相关系数分布。结果显示辽东湾冬季冰情与同期的楚科奇海的海冰密集度显著相关(相关系数>0.70); 与此前1个月的楚科奇海及哈得孙湾的海冰密集度显著相关(相关系数>0.70); 与此前2个月的格陵兰海西岸、戴维斯海峡西北部、120°—180°W, 70°—73°N区域内的海冰密集度显著相关(相关系数>0.60); 与此前3个月的格陵兰海西岸海冰密集度显著相关(相关系数>0.70); 与此前5个月的戴维斯海峡西部及150°E—150°W, 70°—80°N区域的海冰密集度显著相关(相关系数<-0.70)。可以推测, 前期北极海冰密集度通过影响冬季西伯利亚高压强度进而影响辽东湾冬季冰情: 之前1—4个月的格陵兰海西岸海冰密集度的增加使得冬季西伯利亚高压加强, 进而加重了冬季辽东湾冰情; 之前5个月的150°E—150°W, 70°—80°N区域内海冰密集度的增加使得冬季西伯利亚高压减弱, 进而使冬季辽东湾冰情减弱。因此可以将前期北极海冰密集度作为渤海海冰预报的重要因子。

4 结论

本文在讨论了初冰日、终冰日、冰期与当年冬季气温的关系以及2005—2016年辽东湾冰情日变化及其与局地气温相关性的基础之上, 进一步分析了辽东湾月最大海冰面积与影响东亚的重要气候因子以及北极海冰之间的相互关系, 并对相关物理过程进行了假设, 得到的主要结论有以下几点:

(1) 终冰日及冰期可用来较好地表征当年渤海冰情严重程度, 在大多数年间冰情与局地气温呈负相关。

(2) 用辽东湾海冰面积和外缘线距离表征海冰冰情, 用鲅鱼圈和葫芦岛海洋站气温表征辽东湾局地气温, 辽东湾日海冰冰情与局地气温呈明显负相关, 且在滞后一天时最显著。

(3) 辽东湾海冰冰情受太平洋副高、极涡、东亚槽和欧亚环流等气候因子的共同影响, 其中受太平洋副高北界位置指数、极涡面积指数、东亚槽强度指数、欧亚纬向环流指数影响最为显著, 相关系数皆超过0.7。当太平洋副高强度较强时渤海冰情加重; 而当极涡面积增大、欧亚纬向环流减弱, 经向环流明显增强时, 极涡区的冷空气南下, 影响至渤海使得渤海冰情加重; 东亚大槽偏弱, 东北地区冬季平均气温偏低, 渤海冰情加重。

(4) 前期北极海冰密集度可作为辽东湾海冰预报的重要因子。