1.认识海冰

第七章　白色灾害——海冰

1.认识海冰

海冰是极地和高纬度海域所特有的海洋灾害，有“白色灾害”之称，也是海洋五种主要灾害之一(其他为风暴潮、灾害海浪、赤潮和海啸)。广义的海冰是海洋中和海陆边界的冰的统称，包括天气寒冷导致海水冻结形成的咸水冰，漂浮于海洋的源于陆地的冰川冰，以及流入海洋的河冰、湖冰。狭义的海冰仅指海水冻结形成的冰。海冰的主要危害是威胁船只和海上构筑物的安全，阻碍航运，破坏渔业、养殖业及其他海上活动。

2.海冰的形成与分布

海水结冰和淡水结冰的条件是不同的。每当初冬冷空气来临时，陆地浅水池塘很快冻结成一层薄冰;深冬时节，江河封冻，而海面却照样波涛汹涌，海浪起伏。只有在寒潮频频爆发，空气较长时间处于低温的情况下，海水才会出现结冰现象。海水结冰需要3个条件:①气温比水温低，水中的热量大量散失;②相对于水开始结冰时的温度(冰点)，已有少量的过冷却现象;③水中有悬浮微粒、雪花等杂质凝冻核。淡水在4摄氏度左右密度最大，水温降到0摄氏度以下即可结冰。海水中含有较多的盐分，结冰时所需的温度比淡水低，密度最大时的水温也低于4摄氏度。随着盐度的增加，海水的冰点和密度最大时的温度也逐渐降低。海冰初生时，呈针状或薄片状冰晶;继而形成糊状或海绵状;进一步冻结后，成为漂浮于海面的冰皮或冰饼，也叫莲叶冰;海面布满这种冰后，便向厚度方向延伸，形成覆盖海面的灰冰和白冰。

海冰是淡水冰晶、“卤水”和含有盐分的气泡混合体。按发展阶段，可分为初生冰、尼罗冰、饼冰、初期冰、一年冰和老年冰六大类;按运动状态可分为固定冰和流冰两大类。固定冰与海岸、海底或岛屿冻结在一起，能随海面升降，从海面向外可延伸数米或数百千米。流冰漂浮在海面，随着海面风向和海流向各处移动。海水含盐度很高，大约在34.5‰，这种盐度下的海水的冰点大约在－2摄氏度。即使达到－2摄氏度，由于表面海水的密度和下层海水的密度不一，造成海水对流强烈，也大大妨碍了海冰的形成。此外，海洋受洋流、波浪、风暴和潮汐的影响很大，在温度不太低的情况下，冰晶很难形成。现在常年存在海冰的地方是南极和北极。在北极，即使在夏天海冰的面积也有大洋洲那么大。而在南极，冬季被海冰覆盖的海洋面积比南极大陆本身面积还要大。

极区的海冰具有显著的季节和年际变化。北半球冰界以3～4月最大，面积约1100万平方千米，8～9月最小，面积约为700万～800万平方千米，流冰群主要绕洋盆边缘流动，多为3～4米厚的多年冰。北冰洋几乎终年被冰覆盖，冬季(2月)约覆盖洋面的84%，夏季(9月)覆盖率也有54%。因北冰洋四周被大陆包围着，流冰受到陆地的阻挡，容易叠加拥挤在一起，形成冰丘和冰脊。在北极海域里，冰丘约占40%。北冰洋的白令海、鄂霍次克海和日本海，冬季都有海冰生成;大西洋与北冰洋畅通，海冰更盛。在格陵兰南部，以及戴维斯海峡和纽芬兰的东南部都有海冰的踪迹，其中格陵兰和纽芬兰附近是北半球冰山最活跃的海区。南极洲是世界上最大的天然冰库，全球冰雪总量的90%以上储藏在这里。南大洋上的海冰，不同于格陵兰冰原上的冰，也不同于南极大陆的冰盖，只有环绕南极的边缘海区和威得尔海，才存在着南大洋多年性海冰。在南极的冬季，严寒的气候使南极周围海面结冰，海冰完全封住了整个大陆，并且可向北伸展到55°S。一般在每年的9月份，海冰的面积达到最大值，被海冰覆盖的海洋面积达2000万平方千米。每年夏天，一般是在2月底，海冰的范围达到最小值，85%的海冰漂流到不冻海域融化掉，甚至在许多地方，海冰一直融化到海岸，船舶可以直接航行到岸边。南极海冰每天最多可流动65千米。南极洲附近的冰山，是南极大陆周围的冰川断裂人海而成的。出现在南半球水域里的冰山，要比北半球出现的冰山大得多，长宽往往有几百千米，高几百米，犹如一座冰岛。

3.中国近海冰况

海冰对海洋水文要素的垂直分布、海水运动、海洋热状况及大洋底层水的形成有重要影响;对航运、建港也构成一定威胁。中国渤海和黄海北部，每年冬季皆有不同程度的结冰现象，且冰缘线与岸线平行;常年冰期3～4个月，盛冰期固定冰宽0.2～2千米;冰厚:北部多为20～40厘米，南部10～30厘米，对航行及海洋资源开发影响不大。

漂浮在海洋上的巨大冰块和冰山，受风和流作用而产生的运动，其推力与冰块的大小和流速有关。据1971年冬位于我国的新“海二井”平台上观测结果计算出，一块6平方千米，高度为1.5米的大冰块，在流速不太大的情况下，其推力可达4000吨，足以推倒石油平台等海上工程建筑物。

海冰的抗压强度主要取决于海冰的盐度、温度和冰龄。通常新冰比老冰的抗压强度大，低盐度的海冰比高盐度的海冰抗压强度大，所以海冰不如淡水冰密度坚硬，在一般情况下海冰坚固程度约为淡水冰的75%，人在5厘米厚的河冰上面可以安全行走，而在海冰上面安全行走则要有7厘米厚的冰。当然，冰的温度愈低，抗压强度也愈大。1969年渤海特大冰封时期，为解救船只，空军曾在60厘米厚的堆积冰层上投放30千克炸药包，结果还没有炸破冰层。

海冰对港口和海上船舶的破坏力，除上述推压力外，还有海冰膨胀压力造成的破坏。经计算，海冰温度降低1.5摄氏度时，1000米长的海冰就能膨胀出0.45米，这种胀压力可以使冰中的船只变形而受损;此外，还有冰的竖向力，当冻结在海上建筑物的海冰，受潮汐升降引起的竖向力，往往会造成建筑物基础的破坏。

海冰运动时的推力和撞击力都是巨大的，1912年4月发生的“泰坦尼克”号客轮撞击冰山，遭到灭顶之灾，是20世纪海冰造成的最大灾难之一。我国1969年渤海特大冰封期间，流冰摧毁了由15根2.2厘米厚锰钢板制作的直径0.85米、长41米、打人海底28米深的空心圆筒桩柱全钢结构的“海二井”石油平台，另一个重500吨的“海一井”平台支座拉筋全部被海冰割断。可见海冰的破坏力对船舶、海洋工程建筑物带来的灾害是多么严重。

有“中国北冰洋”之称的渤海及黄海北部的辽东半岛东侧沿岸海域，每年冬季的寒冷期间，其沿岸海域和各港湾、锚地、岛屿周围及狭窄水道等处，均有不同程度的海冰生成。辽河口、海河口、黄河口、鸭绿江口等河口附近，均为冰情严重的区域。常年，冰期约3个月，冰厚达20～40厘米，对航行和海洋资源开发影响不大;但在个别异常严寒的冬季(如1936年、1969年)，渤海曾出现严重的冰封现象，沿岸港口和航道封冻。在环渤海沿岸大中城市密集，航运繁忙，油气资源丰富，自北向南分布着辽河、大港和胜利三大油田。每年冬季渤、黄海的海冰对渤、黄海航运和油气生产具有重要影响。渤、黄海冰情具有显著的年际变化。重冰年的海冰严重威胁海上活动的安全，甚至造成重大的生命财产损失。

各年的冰情，主要取决于该冬的水文气象条件。以2003/2004年为例，冬季渤海及黄海北部的冰情偏轻。2004年1月下旬和2月上旬渤海和黄海北部的流冰达到最大范围，辽东湾沿岸最大流冰范围63英里，一般冰厚10～15厘米，最大40厘米;渤海湾沿岸最大流冰范围17英里，一般冰厚5～10厘米，最大20厘米;莱州湾沿岸最大流冰范围20英里，一般冰厚5 ～10厘米，最大15厘米;黄海北部最大流冰范围20英里，一般冰厚10～15厘米，最大冰厚30厘米。

在2004年冬季严重冰情期间，海冰对出入辽东湾沿岸港口的船只影响较为严重;进出渤海湾天津港的船只也受到一定影响;莱州湾冰期较短，对出入莱州湾沿岸港口的船只影响较小;黄海北部东港及鸭绿江口附近港口受海冰影响较为严重。

4.海冰的灾害及防御

海冰是极地海域和某些高纬度区域最突出的海洋灾害之一。海冰是由海水冻结而成的咸水冰，但也包括流入海洋的河冰和冰山等。大陆冰川或陆架冰滑入海洋后断裂而成的巨大冰块中，露出海面的高度在5米以上者称为冰山，高度大者可达几十米，长度一般为几百米至几十千米。海冰，特别是冰山，对航行船舶和海洋资源开发设施的安全构成很大的威胁。

海冰在全年覆盖约7%的海洋，现在人们普遍认为，海冰是影响大气和海洋动力和热力状况的非常重要的因子。作为海气之间的绝缘层和表面紊热流的交换台，在同一大气状况条件下海冰的活跃度比起周围开阔水域来，小了两个数量级。同样，海冰对太阳短波辐射的吸收远远小于开阔水域，在有海冰的地方，原本落到海里的降水直接落在浮冰表面。因此在冰区海洋表面热量和淡水平衡有着强烈的相关性。

海冰对海洋表面的物理性质具有鲜明的影响，因为其高的反照率和对海气之间动力、热量及物质交换的影响而改变了海洋表面的辐射平衡。海冰可以导致海冰覆盖区表面在冬天比无冰区表面更低的温度。海冰冻结过程释放的盐分，可加深海水表面混合层，并通过对流，影响南北半球的海水底部和顶部的组成。相反，融化时释放相对的淡水，并使海水表面成层(例如，混合层退却至较浅的深度)。和低纬度相反，在极地区域混合层的发展受控于海水表面的盐和淡水的通量。通过这些影响，海冰在全球热平衡和全球热盐的循环方面起到关键的作用。因为气候变暖海冰退缩以及各种变化的反馈过程会产生全球效应和作用，特别在高纬度地区增强气候变化。

海冰可以通过反照率来监测，海冰表面的反照率明显高于海水表面反照率，在水与冰的交界处，反照率有突变或存在极大的梯度。据此可以研究海冰的覆盖范围和流冰的密集程度。

海冰在南大洋的气候系统中所起的作用主要是改变了大洋表面的辐射平衡、能量平衡和物质平衡。海冰的覆盖可造成海洋表面反照率的改变，影响海洋表层对太阳辐射能量的吸收。通常无冰覆盖的海面反照率为10%～15%。在海冰区，有新雪的海冰表面，反照率可以达到90%。但反照率的变化与海冰厚度、冰间水域的面积、海冰表面雪盖的情况有很大的关系。

因为海冰盐度小于周围海水，其变形和衰退不仅强烈影响海气之间的热交换，而且影响海水表面水平衡，因此对全球海洋环流产生潜在的影响。

通过热力学和动力学过程，海冰对地区乃至全球的气候状态和可变性起至关重要的作用，在空间上和时间上形成一系列反馈作用机制主要是因为，冰表面反照率反馈，海冰绝缘作用，海冰生成时释放的盐分及海冰融化时表面海水淡化使得全球热盐环流受到较大影响。

由于海冰能大量反射太阳辐射，阻碍海气热量交换，故海冰的生消及数量多寡，既直接影响海况和海平面的变化，又影响大气环流和气候。海冰，特别是冰山，对航运和海洋资源开发的设施有很大的威胁。在北大西洋纽芬兰附近，每年3～7月冰山最多，为了保证航运安全，自1913年起，美国和加拿大等国组织了国际冰山巡逻队，用飞机、无线电、雷达等手段，侦察报告冰山的地点和活动情况，发布冰山警报。20世纪60年代以来，卫星、遥感技术的出现，可及时地、同步地和大范围地监视冰山的活动，为海冰的观测、预报和研究等开辟了新的途径。

海上冰况侦察通常由飞机执行，陆上的侦测单位，以及水面上工作的船只，如破冰船等都是可以通报的单位，而在加拿大有专门负责的机构，其如同气象预报般地报告冰况(ice condition)，对航行船只的安全颇有帮助。

海上冰况侦察时，通常如同气象般地需要预测，而海冰的移动，大部分是受到风力的影响，而海流当然也是影响因素之一。而漂冰的速度通常为风速的1/50，也就是说，当风速为50节时，漂冰的速度为1节。

在北半球，漂冰受风而移动，移动过程中又会向右边偏移约29度。漂冰之所以偏移方向，是由于漂冰本身对于其运动状态有一种阻抗力，此阻抗力与漂冰面积及漂流速度的平方成反比。

处理个别漂冰的问题，一般假设海水为静止状态、较薄的漂冰，各种应力(stress)均作用于平面上，稳定状态(steady state)，即加速度为零。其要点是风速小冰块厚，则偏离的角度大;漂流速度与风速成正比，且等于风速的2%;地球自转偏向力(Coriolis force)与冰层厚度成正比;漂流速度愈大，则偏离的角愈小;漂流速度与风力作用成正比，与海冰厚度成反比。