渤海海冰儲量測算與品質評價（簡體書）

《渤海海冰儲量測算與品質評價》是在完成國家自然科學基金委員會重點基金項目“渤海海冰作為
淡水資源的儲量測算”(40335048)和科技部國家科技支撐重大項目課題
“渤海海冰資源開發利用關鍵技術及試驗研究”(2006BAB03A03)部分工
作基礎上撰寫而成的?《渤海海冰儲量測算與品質評價》采用遙感和地理信息系統技術,結合海上和沿
岸海冰調查以及海冰凍結實驗等數據,提出了海冰面積和厚度的信息提取
方法,完成了渤海海冰資源儲量的測算,分析了海冰儲量的時空分布規律,
指出了海冰作為淡水來源的品質特點,探討了海冰開采對沿岸氣候和海水
鹽度的可能影響,評價了渤海不同海區海冰資源開發的適宜性?

《渤海海冰儲量測算與品質評價》是海冰資源開發利用的理論基礎,可作為物理海洋?海冰工程?海
冰災害等領域專業人員的參考書,也可作為海洋科學與工程?資源科學與工
程等專業研究生的教學參考書?

前言
第1章渤海與渤海海冰概況(1)
1.1渤海概況(1)
1.2渤海冬季的氣候特點(2)
1.3渤海海冰的形成與發展(2)
1.3.1渤海海冰形成的因素(2)
1.3.2渤海海冰的發展過程(4)
1.4渤海冰情特征(6)
1.4.1渤海冰情的空間特征(6)
1.4.2渤海冰情的時間特征(8)
1.4.32009~2010年冬季渤海冰情(9)
1.5海冰監測(19)
1.5.1傳統的海冰監測方法(19)
1.5.2衛星遙感監測技術(20)
1.6本章小結(22) 前言
第1章渤海與渤海海冰概況(1)
1.1渤海概況(1)
1.2渤海冬季的氣候特點(2)
1.3渤海海冰的形成與發展(2)
1.3.1渤海海冰形成的因素(2)
1.3.2渤海海冰的發展過程(4)
1.4渤海冰情特征(6)
1.4.1渤海冰情的空間特征(6)
1.4.2渤海冰情的時間特征(8)
1.4.32009~2010年冬季渤海冰情(9)
1.5海冰監測(19)
1.5.1傳統的海冰監測方法(19)
1.5.2衛星遙感監測技術(20)
1.6本章小結(22)
參考文獻(22)
第2章渤海結冰范圍信息提取(24)
2.1低空間分辨率影像中渤海結冰范圍的信息提取(24)
2.1.1海陸分離處理(24)
2.1.2常規結冰范圍信息提取方法的結果分析(25)
2.1.3影像分析(29)
2.1.4基于分區閾值法的結冰范圍信息提取(29)
2.1.5基于局地對比度的低空間分辨率影像結冰范圍信息的提取(30)
2.2低空間分辨率影像中偽海冰像元的剔除(46)
2.2.1偽海冰像元的存在及其影響(46)
2.2.2“偽海冰像元”剔除算法的原理(49)
2.2.3剔除算法的實施步驟(54)
2.2.4剔除方法的分析(56)
2.3低空間分辨率影像中冰水混合像元的線性分解(57)
2.3.1冰水混合像元的存在及其影響(57)
2.3.2混合像元分解模型(58)
2.3.3冰水混合像元分解模型的實現(60)
2.4本章小結(65)
參考文獻(65)
第3章渤海海冰面積量算與海冰面積動態(67)
3.1渤海海冰面積量算(67)
3.2渤海海冰面積動態(77)
3.3本章小結(80)
參考文獻(81)
第4章渤海海冰厚度光譜信息特征(82)
4.1海冰厚度參數(82)
4.2海冰反射光譜的室內試驗(82)
4.3鹽池海水冰的室外光譜試驗(87)
4.4渤海海冰的現場光譜試驗(89)
4.5數字相機在現場平整冰光譜試驗研究中的應用分析(97)
4.5.1必要性分析(97)
4.5.2可行性分析(98)
4.5.3數字相機在冰面成像的要求分析(99)
4.6渤海海冰反射光譜特征(103)
4.6.1渤海海冰的反射光譜特征研究現狀(103)
4.6.2渤海一年生平整冰的反射光譜特征(104)
4.7本章小結(112)
參考文獻(113)
第5章渤海海冰厚度信息提取方法(114)
5.1基于冰型-反射率相互關系的海冰厚度信息提取方法(114)
5.1.1衛星過境同步光譜試驗(114)
5.1.2渤海海冰厚度高時間分辨率遙感的最佳波段選擇(119)
5.1.3遙感數據的大氣輻射校正(122)
5.1.4基于遙感數據提取海冰厚度相關信息的步驟(124)
5.1.5針對MODIS數據的渤海海冰厚度信息提取方法的驗證(129)
5.1.6NOAA/AVHRR影像的冰厚信息提取分析(130)
5.1.7渤海北部典型冰情分析(131)
5.2基于冰厚-反射率相互關系的海冰厚度信息提取方法(133)
5.2.1海冰厚度的反演原理與方法(133)
5.2.2海冰厚度反演公式的參數(135)
5.2.3反演結果驗證評價(136)
5.3基于多角度光學和熱紅外遙感的冰厚信息提取(139)
5.3.1渤海海冰表面粗糙特征觀測試驗(139)
5.3.2平整海冰多角度反射光譜觀測試驗(147)
5.3.3粗糙海冰表面的多角度輻射特征(152)
5.4本章小結(164)
參考文獻(166)
第6章渤海海冰厚度的時間變化特征(168)
6.1室內凍結試驗(168)
6.2現場觀測試驗(170)
6.2.1遼東灣長興島觀測試驗(170)
6.2.2遼東灣鲅魚圈觀測試驗(173)
6.2.3渤海灣黃驊觀測試驗(175)
6.3歷史資料分析(177)
6.4海冰再生周期(180)
6.5本章小結(181)
參考文獻(182)
第7章渤海海冰資源儲量估算及時空分布特征(183)
7.1渤海海冰資源儲量的估算方法(183)
7.1.1數據來源及處理方法(183)
7.1.2海冰面積提取方法(183)
7.1.3海冰厚度提取方法(186)
7.1.4海冰資源儲量時間序列的建立(187)
7.1.5海冰資源儲量時間序列的延長(189)
7.2渤海海冰資源儲量的時空變化特征(194)
7.2.1時間變化特征(194)
7.2.2空間變化特征(198)
7.2.3再生周期與潛在資源儲量(206)
7.2.4極端年份的最大可能資源儲量(207)
7.2.52009~2010年冬季渤海海冰資源儲量特征(207)
7.3本章小結(213)
參考文獻(214)
第8章渤海海冰開發對周邊生態環境的影響評價(215)
8.1渤海海岸小氣候的觀測試驗(215)
8.1.1研究背景及觀測點布設(215)
8.1.2海陸風時空分布特征(218)
8.1.3海岸氣溫時空分布特征(226)
8.2渤海與環渤海地區年平均降水量的統計分析(234)
8.2.1研究區概況(235)
8.2.2資料來源與研究方法(237)
8.2.3主要結論(239)
8.3海冰開采對渤海周邊地區冬季氣候影響的數值試驗(241)
8.3.1數值試驗設計(242)
8.3.2模式驗證——控制試驗反映的模擬方案模擬能力說明(243)
8.3.3海冰變化對試驗區氣候影響的數值試驗結果分析(246)
8.3.4主要結論(249)
8.4渤海海冰資源利用對海水鹽分影響的數值模擬(250)
8.4.1渤海大范圍結冰期鹽分擴散的數值模擬(250)
8.4.2渤海海冰大規模開采后鹽分擴散的數值模擬(260)
8.4.3主要結論(263)
8.5本章小結(264)
參考文獻(265)
第9章渤海海冰資源品質分析(267)
9.1海冰主要成分檢測指標(267)
9.2海冰樣品采集地點(267)
9.3海冰樣品理化成分分析(269)
9.4本章小結(274)
參考文獻(274)
第10章渤海海冰資源開發區位評價(275)
10.1開發利用渤海海冰資源的基本區位要求(275)
10.1.1具備對海冰資源進行開發的區域需求(275)
10.1.2開發區域擁有優越的海冰資源及良好的資源生成條件(277)
10.1.3適于海冰資源開采的自然環境條件(278)
10.2影響渤海海冰資源開發區位的自然因素及其分布(279)
10.2.1海冰資源狀況(279)
10.2.2海岸帶及海底形態(280)
10.2.3海洋水文(285)
10.2.4區域氣候(287)
10.3渤海海冰資源開發區位評價(291)
10.3.1渤海海區海冰資源開發適宜性評價(291)
10.3.2渤海海岸條件對海冰資源開發適宜性的影響分析(293)
10.3.3渤海各區域適宜性綜合評價(295)
10.4本章小結(300)
參考文獻(300)
彩圖

第 1章 渤海與渤海海冰概況
1.1 渤海概況
渤海是深入中國大陸的內海,它三面被陸地(遼寧省?河北省?天津市?山東省)所
環抱,僅東部以渤海海峽與黃海相通,其具體地理位置為37°07′~41°0′N,117°35′~122°15′E?渤海面積約為82700km,大陸海岸線長2668km?平均深度18m,最大水
深78m,20m以上的淺海域占渤海面積的一半以上?
渤海地處北溫帶,多年平均氣溫10.7℃,年降水量500~600mm?渤海水溫變化受
北方大陸性氣候影響,2月為0℃左右,8月約為21℃?嚴冬來臨,除秦皇島?大連等以
外,沿岸大都冰凍,3月初融冰時還常有大量流冰發生?大陸河川大量淡水的注入,使
渤海海水鹽度降低,表層鹽度年平均值為29.0‰~30.0‰?
渤海主要可以分為4個海區:北面的遼東灣?西面的渤海灣?南面的萊州灣以及渤
海中部(圖1-1)?渤海各個海區的基本特征如下?
1.遼東灣
遼東灣位于渤海北部,水深較大,最大水深可達30m,面積約為28000km
,是渤海最大的海灣?遼東灣呈東北-西南走向,大部分位于遼寧省境內,西南部屬于河北省,
有遼河?灤河等大型河流流入,主要海洋要素受陸地與河流的影響較大?
2.渤海灣
渤海灣位于渤海的西部,最大水深為28m左右,面積約為14000km?渤海灣呈
東-西走向,沿岸分別屬于河北省?天津市和山東省,有海河?薊運河等大型河流流入,
主要海洋要素受陸地與河流的影響較大?
3.萊州灣
萊州灣位于渤海的南部,最大水深為18m多,面積約為11000km?萊州灣呈東
北-西南走向,全部位于山東省境內,有黃河?小清河等大型河流流入,特別是黃河對萊
州灣影響較大?
4.渤海中部
渤海中部是渤海中面積最大?水深最深的海區,最大水深為78m,面積約為
29800km?渤海中部距離大陸以及河口相對較遠,因此主要海洋要素受到陸地與河流
的影響較小,而渤海之外的黃海對其有重要影響(楊國金,2000)?
1.2 渤海冬季的氣候特點
海冰是海水在低溫條件下的凍結物?渤海海冰的形成,與渤海冬季氣候密切相關?
從氣候學上講,冬季是指連續5天的平均溫度在10℃以下的時段?在渤海不同海區,冬
季的起止時間不盡相同?遼東灣冬季大致是從10月中旬開始,至4月中旬結束,其間約180
天;渤海灣冬季大致是從10月下旬開始,至4月上旬結束,其間約160天;萊州灣大致是從
11月上旬開始,至4月上旬結束,其間約150天(國家氣象信息中心氣象資料室,2002)?
渤海冬季最冷的月份是1月,平均氣溫為-9~-3℃,平均最低氣溫為-14~-6℃,氣
溫日較差為8~10℃?其中,遼東灣底部的營口氣溫最低,1月平均氣溫為-9℃,萊州灣
底部的濰坊氣溫最高,1月平均氣溫為-3℃?渤海平均年極端最低氣溫達-24~-14℃?
渤海冬季盛行偏北風,以北風?西北風為主,1月平均風速為3~5m/s?渤海冬季降
水量較少,1月降水量為5~10mm?
1.3 渤海海冰的形成與發展
1.3.1 渤海海冰形成的因素
海冰形成和發展顯然與海區狀況和大氣條件有關?影響海冰出現和分布的因素可概
括為氣象要素和物理海洋要素兩大類?氣象要素包括氣溫?風向?風速和降雪量;物理
海洋要素包括海水的溫度?密度?鹽度?水深?湍流等?
氣溫是最直接的因素,持續地低于冰點水溫和過冷水溫的累計負氣溫是海冰形成和
發展的必要條件?凍結指數越大,海冰形成和發展得越快?
季風和回轉流的方向是使初生冰晶在沿岸聚散的條件,當風向和流向有利于冰晶的
聚集,海冰形成和發展得就快,否則海冰難以形成或形成得緩慢?沿岸冰腳帶海冰的形
成?堆積主要是風和流的作用?
頻繁降雪和大量降雪,是海冰快速形成和發展的重要原因之一,大量降雪可直接形
成海冰晶核和間接助長海冰的發展?特別是在潮間帶的海水中,大量的雪晶會直接形成
油脂狀冰,漲潮時在岸邊冰腳帶可形成很高的冰壩;退潮時油脂狀冰在潮間帶可快速形
成厚的單層冰,這種現象遠遠超過凍結指數的影響?
水深的影響較為明顯,淺水域熱容量小,而深水處熱容量大,在淺水域或混合層內,
充分發展的湍流運動使整層的海水溫度幾乎一致,因此海冰的凍結都是從沿岸淺水海域
開始,逐漸向深水海域擴展?
鹽度對海冰形成的影響很復雜?一方面冰點是鹽度的函數,冰點隨著鹽度的增大而
降低,因此鹽度低的表層海水先結冰,鹽度高的表層海水后結冰,所以河流入海口處,
大量淡水的加入使海水鹽度較低,是造成該區早于其他海區結冰并且冰情較重的一個原
因?另一方面,水密度達到最大時的溫度隨鹽度的增大而很快地降低,比冰點降低得
快?當鹽度大于24.6‰時,海水最大密度時的溫度低于冰點;而鹽度小于24.6‰時,海
水最大密度時的溫度高于冰點?假設初始均勻的水柱內鹽度超過24.6‰,表層海水受大
氣等要素冷卻降溫變冷,直至結冰?變冷的表層海水溫密度大于下層的海水密度,這樣
冷卻的表層海水不斷下沉,形成對流,使表面海水凍結,整層海水降溫到或接近冰點?
因此在此情況下表面海水一旦凍結,就迅速發展向下伸展?由于對流的形成,結冰之前
需要冷卻更多的海水,這延遲了結冰的時間?另外,海冰形成時在冰晶?冰針和冰片的
合并過程中,一部分鹽水被包圍在合并時形成的冰穴內;而另一部分則析出下沉到下面
的海水中,析出的鹽水使冰層下海水的鹽度和密度增加,加劇了下層海水的對流運動?
同時,鹽度的增加使冰點進一步降低,更加延緩了結冰的速度?
凝結核對海冰形成的作用同樣明顯?達到冰點的海水含有很多凝結核時會很快凍
結,而沒有或凝結核很少時,常有過冷卻水出現,特別是在平靜的海面上?但這種條件
下一旦有冰晶生成,生成的冰晶就會成為凝結核而使海水很快凍結?
海冰形成后的進一步發展同樣依賴于海洋和大氣條件?大氣通過各種物理過程造成
海冰表面的降溫或升溫,進而通過海冰內部的物理過程而影響海冰的生消和發展?冰厚
通過影響冰層中的導熱通量而影響海冰的發展?在其他條件相同的情況下,海冰的增長
速率隨冰厚增大而減慢?因為冰層越厚,向上的導熱通量越小?海洋中海冰下表面的熱
平流和湍流熱交換也影響著海冰的進一步發展?
一般海冰的融化過程比其形成過程要快得多?海冰融化的詳盡物理過程尚不明晰?一
個較為明顯的事實是,融冰期中白晝變長,太陽輻射加強,引起冰面融化和融冰加快,表面
反照率減小,吸收更多的太陽輻射?隨著海冰的融化,開始出現水道?垂直融洞和分散的
融坑?融化到一定程度后,侵蝕作用加強,沿著水道縫出現冰裂?由于浪?流和風的作用,
冰裂進一步加劇,冰面積減少,冰動力和熱動力相互作用加強,海冰加速崩潰,直至消失?
1.3.2 渤海海冰的發展過程
海水冷卻引起的垂直對流,使對流層的海水達到冰點溫度之后進一步冷卻,海面開
始結冰?冷卻使表面薄層海水過冷產生結晶核,然后生成很小的冰晶,稱之為冰針?剛
生成的冰針很小,用肉眼不易分辨?
當冰在平靜無浪的冷水中形成時,冰針在整個生長過程中可由極小的冰球體發展成
六角星形晶粒(Arawaka,1954)?六角星形晶粒彼此凍結在一起,最終就形成表面光滑
的冰皮,以后厚度逐漸增加?這些冰皮隨著厚度的增大從而形成比較硬的尼羅冰?尼羅
冰繼續增厚而不產生變形,被稱為平整冰?大冰盤平整冰或冰皮斷裂后,可形成中冰盤
平整冰?小冰盤平整冰或冰塊?碎冰?平整冰或冰皮在風和流的作用下容易發生單層重
疊和多層重疊,這種冰被稱為重疊冰和多層冰?
在多數情況下,形成冰晶的初期海面有波浪?風越大,冷卻就越快,單位體積內就
產生更多的冰晶,并且形不成六角星形冰晶,而是雜亂無章的像沙子似的粒晶冰?另
外,波浪很大時,不僅海面而且海水內部也會產生粒晶冰,并上浮到表面?這樣,在海
面的一定水深范圍內,破碎的粒晶冰就更為集中,漂在水面上成為油脂狀冰?
油脂狀冰和冰塊在岸邊可隨海浪而被堆積到岸上和礁石上形成較寬的冰腳帶?按堆
積程度和形狀,可形成冰墻?冰壩?
油脂狀冰形成后,如果海面平靜,退潮時會部分滯留在沙灘上?初期其表面平整?
冰質松軟,稱之為海綿狀冰?在持續低溫以及海水多次反復漲落潮的浸入下,海綿狀冰
逐漸可形成堅實的平整冰或平整固定冰?
油脂狀冰在涌的作用下可不斷地做上下運動?在運動過程中,大小約為波長一半的
油脂狀冰就被集合凍結在一起形成小冰盤或冰塊?這些油脂狀冰形成的初始冰盤一般強
度較低且較柔軟,相互碰撞和摩擦后邊緣易卷曲形成圓盤狀的冰塊,其邊緣微有上卷,
這種冰被稱為蓮葉冰?
蓮葉冰如果在潮間帶擱淺,在冷空氣和淺水浪?流的作用下,很容易形成形狀不規
則的堆積冰或大小不等的冰丘?由于潮流的作用,在厚冰塊和冰丘之間常出現水面相對
平靜的水坑?水池或冰間湖?在冷空氣作用下,水坑可迅速發展成較厚的平整冰?這些
冰與周圍的厚冰塊?冰丘?冰壩以及礁石凍結在一起,在岸邊可形成一定寬度的固定冰
區,固定冰寬度與地形變化有關?
在離岸海域,如果海面氣溫繼續降低,蓮葉冰本身變硬,互相凍結在一起,形成表
面略微粗糙且尺度各異的冰盤?隨著冰盤厚度的變化,常用灰冰?灰白冰和白冰描述這
些冰盤?
在(渤海)離岸較近的海域,冰的重疊和破碎如果發生在大冰盤之間,或發生在大冰
盤與岸邊平整固定冰之間,由于碎冰的堆積就有可能形成冰脊,冰脊特征通常用帆高和
龍骨深度描述?
渤海海冰按其生長過程?存在形態?表面特征?冰塊尺寸?晶體結構等分類存在的
類型如下所述?
按其生長過程存在的冰型有初生冰(冰針?油脂狀冰?海綿狀冰)?尼羅冰(包括冰
皮)?蓮葉冰?灰冰?灰白冰?白冰(表1-1)?
按存在形態的分類有固定冰和流冰,固定冰包括沿岸冰?冰腳?錨冰?擱淺冰等?
按海冰表面特征分類有平整冰?重疊冰?堆集冰?冰脊?冰丘等?
按冰塊尺寸分類有冰原冰?大冰盤?小冰盤?蓮葉冰?冰塊?碎冰?
按晶體結構分類有柱壯冰和粒狀冰?
由表1-1中定義可見,冰型的差異不是由于海冰本身的差異造成的,而是由于冰厚
度的差異引起的形態差異?從宏觀上來看,渤海海冰的形成?發展乃至消失對應的就是
渤海海冰的不同冰期?渤海主要海區冰期的劃分如表1-2所示?
根據海冰觀測規定,表1-2中海冰的初冰日和終冰日分別指的是觀測海區范圍內海
冰最早出現或者最晚消失的日期?從初冰日到終冰日的這段時間被稱為冰期,也稱為總
冰期?從表1-2中看出,遼東灣的冰期最長,大約為4個月?
1.4 渤海冰情特征
1.4.1 渤海冰情的空間特征
海冰的形成和分布是區域氣象要素和物理海洋要素共同作用的結果,具有明顯的區
域差異性?渤海冰情的空間特征主要表現在不同海區的冰情差異(遼東灣?渤海灣?萊
州灣以及渤海中部),除冰情很重的年份之外,渤海中部很少有海冰分布,因此渤海冰情
的空間分布總體特征是:近岸冰厚,北多南少,主要集中在遼東灣?渤海灣和萊州灣?
遼東灣的海冰范圍最大,在冬季風的作用下,不斷向灣口擴展?海冰的輸送一方面
擴展了海冰的外緣線;另一方面輸出的海冰不斷降低海水溫度,使之更容易結冰?受逆
時針沿岸流的影響,海冰被從北岸向東輸送,在東岸鲅魚圈外海形成大范圍的堆積冰
區?西岸主要是平整冰,以單層冰為主,厚度不大?
渤海灣的海冰受環流的影響主要沿15m等深線分布,但在河口附近冰區范圍較大?
在冬季風作用下,海冰被不斷向渤海灣的西部和南部輸送,在這里形成重疊和堆積的冰
區?由于氣象條件有利于海冰維系在渤海灣,歷史上渤海灣曾出現嚴重的冰情?近年來
由于氣候變暖的因素,渤海灣冰情不重?
萊州灣結冰晚?融冰早,冰情不重,一般12月開始結冰,2月底海冰全部融化?萊
州灣西部靠近黃河三角洲的海域冰情較重,主要是那里的海水鹽度低?海岸地形和風場
相互作用有利于堆積以及三角洲沿岸淺灘面積大等原因?而東部海區各種因素都不利于
海冰累積,冰情較輕?在河口和淺灘區,極端年份的海冰堆積高度可以達到3m,海上
固定冰厚度可以達到40cm?萊州灣融冰雖早,但冰情不穩定,容易發生反復?
冰情的空間特征是由多種因素決定的?國家海洋局于1973年制定了《中國海冰冰情
預報等級》,渤海和北黃海輕冰年?偏輕年?常冰年?偏重年?重冰年的海冰分布范圍如
圖1-2(a)所