海上結(jié)冰，中國哪里可以看？

2025年1月，遼東灣的一處海濱，成片的海冰已經(jīng)覆蓋海面。海冰的形成與海水的溫度、鹽度、海表風(fēng)力以及水流等因素密切相關(guān)。它并非簡單的凍結(jié)現(xiàn)象，而是一個動態(tài)的過程，既受大氣的影響，又和海洋的循環(huán)密切相連。攝影：左凌仁

說起海冰，人們總是聯(lián)想到位于地球兩端的南北極——作為全球冰凍圈的重要組成部分，南北極擁有地球上絕大部分海冰儲量。其實(shí)在我國渤海，冬季也能看到“冰、?！惫泊娴钠嬗^。渤海是北半球緯度最低的大面積結(jié)冰海域之一，每年11月末到次年3月，都會出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。也因此，這里孕育出了與海冰密不可分的獨(dú)特生態(tài)和人文習(xí)俗。

隨“中山大學(xué)極地”號逐冰而行

“轟隆隆……轟隆隆……”耳邊突然傳來船體被輕微撞擊的聲音，躺在房間里的我趕緊跑到窗邊，映入眼簾的是連綿不絕的白色海冰。我意識到，科考船已經(jīng)到達(dá)了渤海遼東灣的海冰邊緣區(qū)。我既興奮又緊張，因?yàn)檫@是我第一次親眼見到海冰，也意味著我的科考任務(wù)即將到來。

故事要從2025年1月4日講起，我有幸與來自全國多所高校和科研院所的33名師生共同搭乘“中山大學(xué)極地”號，從廣州市南沙區(qū)出發(fā)前往渤海遼東灣，開展為期44天的渤海冬季冰—海系統(tǒng)關(guān)鍵過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)重大科學(xué)考察。本航次的科考隊(duì)員們背景各異，涉及海冰、水文、生態(tài)、化學(xué)等多個領(lǐng)域，從剛?cè)雽W(xué)的碩士研究生，到從事相關(guān)研究幾十年的教授，都將以船為“家”，在一年中最冷的時節(jié)在渤海逐冰而行，為渤海海冰和海水開展全方位的“體檢”。

在2025年1月啟動的冬季渤海冰區(qū)綜合調(diào)查期間，調(diào)查人員完成了衛(wèi)星遙感—無人機(jī)航飛—科考船協(xié)同觀測，以便于深入理解和認(rèn)識冬季渤海海冰生消過程及其對渤海生態(tài)環(huán)境特征與調(diào)控機(jī)理。

圖源：張智倫

這是科學(xué)家們首次深入到渤海遼東灣海冰發(fā)育區(qū)域開展持續(xù)觀測。在我國冬季，一般的科考船由于缺乏破冰能力，只能到達(dá)渤海海冰外圍區(qū)域作業(yè)，而“雪龍”號和“雪龍2”號在此期間基本都已開赴南極開展科學(xué)考察，無暇顧及渤海。因此，深入渤海海冰區(qū)域事宜始終無法提上日程。“中山大學(xué)極地”號于2024年正式交付使用，是我國第三艘、高校第一艘具有南北極全域破冰能力的科考船。借助于“中山大學(xué)極地”號強(qiáng)大的破冰能力，科學(xué)家們親臨渤海密集冰區(qū)開展科學(xué)研究的愿望終于實(shí)現(xiàn)了。

北半球緯度最低的海冰

渤海海冰

提到海冰，可能很多人會覺得它跟河冰、湖冰，甚至北方冬季家門口的“冰溜子”一樣都是冰塊，但其實(shí)并非如此。海冰是海水表面凍結(jié)而成的冰層，它隨風(fēng)漂浮、隨水流轉(zhuǎn)，隨著氣溫的變化而生長或消融。不同于河冰和湖冰，海冰更具流動性，甚至能夠承載動物、船只在其上移動。

海冰的形成與海水的溫度、鹽度、海表風(fēng)力以及水流等因素密切相關(guān)。它并非簡單的凍結(jié)現(xiàn)象，而是一個動態(tài)的過程，既受大氣的影響，又和海洋的循環(huán)密切相連。海冰多在南北兩極形成，而渤海是北半球緯度最低的海冰區(qū)，原因有三：一是渤海冬季常年受到西伯利亞寒潮和大陸性季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響，氣溫常降至零度以下，這是其可結(jié)冰的必要條件；二是渤海海水鹽度較低，平均鹽度約為24.7‰，遠(yuǎn)低于全球海水平均鹽度（34.48‰），使其冰點(diǎn)相比全球海水更高（約-1.3℃），更容易在低溫條件下結(jié)冰；三是渤海水深較淺、海洋熱容量較小，且渤海三面被陸地包圍，限制了外部暖流的進(jìn)入，這些原因共同導(dǎo)致海水溫度更容易受冷空氣影響而降低，進(jìn)而結(jié)冰。

20世紀(jì)八九十年代，渤海海冰在2月份的覆蓋面積通常能穩(wěn)定在約3萬平方公里，接近于一個海南省的面積。然而，21世紀(jì)以來，渤海海冰面積出現(xiàn)顯著退縮，多在2萬平方公里以下。圖源：卜洪權(quán)

渤海海冰主要出現(xiàn)在冬季12月到次年3月之間。冬季氣溫驟降，海水逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，海冰的“誕生”便從這一刻開始。

渤海的海水與氣候特點(diǎn)使得海冰在北部的遼東灣尤為常見。每年冬天，冷空氣從北方襲來，氣溫驟降，當(dāng)海水表面溫度降到-1℃左右時，海水開始結(jié)冰。在這個過程中，海水中的鹽分一部分進(jìn)入冰晶結(jié)構(gòu)中，形成“鹵泡”；另一部分析出到周圍的水中，形成了鹽分濃度較高的海水，進(jìn)一步推動了結(jié)冰過程?？梢韵胂?，在冬季的寒風(fēng)中，渤海的海面上從北部邊緣開始悄悄“長出”一層薄薄的冰層，像是海洋穿上了第一層冬裝。這時海冰的厚度只有幾厘米，表面像油脂一樣潤滑，被稱為脂狀冰。

海水開始結(jié)冰后，風(fēng)力和海流開始發(fā)揮作用。渤海冬季常刮寒冷的北風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)每秒12米，它與海流一起把剛形成的海冰推向不同區(qū)域。隨著海冰之間的碰撞和摩擦，每塊海冰會呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形或橢圓形，并且邊緣會出現(xiàn)一圈隆起，看起來像荷葉一樣，也被叫做荷葉冰。在偶爾風(fēng)平浪靜的時候，海冰則會快速生長并在水平方向上相互連接，形成大面積、光滑的冰面，這種冰叫做尼羅冰。荷葉冰和尼羅冰的厚度往往小于10厘米，是渤海常見的海冰類型。

隨著溫度持續(xù)降低，渤海海冰通常會在2月達(dá)到最大厚度，約10—20厘米厚。在氣溫、風(fēng)、浪、流的共同作用下，海冰也會不斷經(jīng)歷融化與再凍結(jié)、破裂與重組等過程，最終形成形態(tài)各異的冰層。此后，隨著氣溫逐漸回暖，渤海海冰也進(jìn)入了一個漫長的消融階段。海冰開始變薄，最終在春季完全消失。這一過程中，海水逐漸恢復(fù)了它的流動和波瀾，渤海的“冰雪奇緣”也因此畫上了句號。

為渤海海冰做“體檢”

渤海是我國北方重要的航運(yùn)通道之一，由渤海灣、遼東灣和萊州灣組成。在冬季，渤海海冰通常是由沿岸地區(qū)向遠(yuǎn)海區(qū)域生長，特別是在遼東灣和渤海灣，厚重的冰層會使得港口和航道封閉，造成運(yùn)輸困難。對渤海沿岸的航運(yùn)工作者和漁民們來說，海冰的出現(xiàn)為冬季的工作按下了暫停鍵。商船和漁船不得不停止航行，提前回港停泊，等待冰層融化。近年來，由于氣候變暖，渤海海冰厚度有所減薄，渤海的航運(yùn)和漁業(yè)活動有了較大改善，但極端天氣年份，海冰突然增厚仍會對航運(yùn)和漁業(yè)造成較大影響。此外，海冰對海上油氣平臺的運(yùn)營和維護(hù)也有重要影響。

雖然海冰的出現(xiàn)會為渤海區(qū)域的人類生活和生產(chǎn)帶來麻煩，但對科研人員來說卻是難得的研究機(jī)會。本次科考可以說是渤海海冰前沿研究的縮影，科學(xué)家們使出十八般武藝，不分晝夜地為海冰做“體檢”。

渤海冬季海冰高密集度冰區(qū)的觀測數(shù)據(jù)稀缺，限制了對渤海冰下海洋環(huán)境與生化要素變化過程的認(rèn)識和理解。所以在冬季渤海冰區(qū)開展海冰—海洋—生態(tài)綜合調(diào)查十分有必要，有助于我們更好地認(rèn)識海冰對渤海生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)變化的潛在影響。攝影：左凌仁

夜晚的渤海像一個無邊的黑洞，科考船好似漂浮在一片虛無中。船體四周只聞寒風(fēng)咆哮，浪濤洶涌，伴隨著海冰與船體碰撞的聲音。在這樣嘈雜而又寧靜的夜里，我聽見船上隱隱傳來大型機(jī)械作業(yè)的聲音，循聲而去，發(fā)現(xiàn)是大連理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)仍在后甲板忙活。

來自不同方位的數(shù)盞大功率照明燈將后甲板周圍約30米范圍內(nèi)大塊海冰照得清晰可見，甲板尾端一左一右兩臺吊機(jī)輔助牽拉著墨綠色的銅制采冰籠，科研人員控制主吊機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)械臂，將幾十公斤的采冰籠“砸入”冰面。一時間海水四濺，海冰被突如其來的大力擊碎，部分海冰順勢被框入籠中。待吊機(jī)將“獵物”拉回甲板，蓄勢待發(fā)的科研人員又轉(zhuǎn)頭操作起鋸骨機(jī)，把這些海冰樣本精密地分割成巴掌大的冰立方體。聽大連理工大學(xué)的汪天祥老師介紹，“這些海冰樣本將用于厚度、密度、鹽度等海冰物理參數(shù)測量以及化學(xué)元素化驗(yàn)”。

盡管同樣是開展海冰研究，但不同團(tuán)隊(duì)的研究側(cè)重點(diǎn)存在較大差異，我所在的中山大學(xué)極地遙感團(tuán)隊(duì)主要是利用多種空天遙感手段研究更大范圍的海冰分布信息。本航次途中，我們將無人機(jī)上升到70米高度。由于無人機(jī)每次只能掃描一個條帶，而最終的數(shù)據(jù)需要覆蓋一整片區(qū)域，因此只能操控?zé)o人機(jī)，在以船體為中心的方形作業(yè)區(qū)域內(nèi)走“之”字形，如此往復(fù)，以開展海冰的測繪遙感工作。盡管數(shù)據(jù)采集的過程十分枯燥，但當(dāng)我第一次通過無人機(jī)看到科考船扎入茫茫冰海之中的壯觀景象時，突然覺得這一切都是值得的。

夜間，遼東灣海冰的結(jié)冰狀況良好，所以“中山大學(xué)極地”號上的科研人員在甲板上進(jìn)行CTD觀測及采冰作業(yè)，以獲取海水溫度和鹽度，海冰溫度、鹽度和厚度等物理、化學(xué)及生態(tài)參數(shù)。圖源：張智倫

“中山大學(xué)極地”號排水量近六千噸，長約80米，寬約18米，破冰能力位于世界前列。毫無疑問，這是一艘體型十分龐大的科考船。但從70米高空往下看時，磅礴的海冰在無際海面綿延數(shù)百公里，這只紅白配色的巨物則好似滄海一粟，讓人心中不由升起“星垂平野闊，月涌大江流”的震撼，又同時不免產(chǎn)生“孤舟蓑笠翁，獨(dú)釣寒江雪”的孤寂感。

無人機(jī)搭載了光學(xué)相機(jī)和激光雷達(dá)：前者就像人眼一樣，能夠時刻記錄渤海海冰的“顏色”；而后者就像是在冰面撒下了無數(shù)顆“種子”，每個種子都會記錄其三維位置信息，這些“種子”連成一片，就能構(gòu)成海冰表面的數(shù)字化模型。無人機(jī)在航飛作業(yè)的同時，還有一雙雙“天眼”在監(jiān)控著渤海海冰的動態(tài)，他們就是遙感衛(wèi)星。這些衛(wèi)星能在更大的范圍內(nèi)記錄渤海海冰對電磁波的反射、發(fā)射和散射信號，通過建立一系列海冰物理模型和人工智能模型，并結(jié)合精細(xì)的無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)，我們可以獲得渤海海冰密集度、厚度、粗糙度等一系列物理參數(shù)信息。

此外，船上還有中國海洋大學(xué)和天津大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，他們利用溫鹽深儀、垂直網(wǎng)、采泥器等多種設(shè)備“打撈”海水和海底泥。中國海洋大學(xué)的陳顯堯老師告訴我們：“這些樣品將用于測量海水的溫度、鹽度、密度、營養(yǎng)鹽濃度、顆粒有機(jī)物含量等參數(shù)，為深入理解渤海海冰生消過程對海洋能量和物質(zhì)遷移、生態(tài)效應(yīng)影響等提供數(shù)據(jù)支撐?！?/p>

渤海海冰為何重要

科學(xué)家們?yōu)槭裁慈绱岁P(guān)注渤海海冰？因?yàn)楹１鶎ξ覈静澈５貐^(qū)的氣候、生態(tài)和人類活動都有著十分重要的影響。

相比海水，海冰更“亮”（即反射率更高），它減弱了海水對太陽輻射能量的吸收，結(jié)冰過程中析出的高鹽度、高密度海水也會影響渤海表層的環(huán)流。海冰可以看作渤海表面的“蓋子”，既減弱了海水的蒸發(fā)，又阻止了海洋熱量的損失，還抑制了海浪的傳播。上述多種過程綜合在一起，共同影響渤海地區(qū)的大氣和海洋狀態(tài)。因此，海冰研究屬于多學(xué)科交叉型研究，包括海冰物理學(xué)、海冰動力學(xué)、海冰對氣候變化的響應(yīng)等多個方向。

遼東灣的海冰絕大多數(shù)都屬于浮冰，按其形成和發(fā)展階段，海冰可以分為初生冰、尼羅冰等幾大類。尼羅冰厚度小于10厘米，是有彈性的薄冰殼層，在波浪和外力作用下易于彎曲和破碎，并能產(chǎn)生“指狀”重疊現(xiàn)象。攝影：左凌仁

海冰物理學(xué)主要研究海冰的形成、生長、消融過程及其物理性質(zhì)，而海冰的物理特性受氣溫、水溫、風(fēng)速等多種因素影響。科考船途經(jīng)遼東灣海域時，開年的一次寒潮為我們送來了形態(tài)各異的“新鮮”海冰。我們在距離鲅魚圈西南方向約15海里的區(qū)域停船，利用無人機(jī)拍攝了海冰的分布狀態(tài)，隨后又一路向北，扎入更密集的冰區(qū)，用吊籠采集了大片海冰樣本，厚度多在5—15厘米之間。船上來自大連理工大學(xué)、進(jìn)行長時序渤海海冰研究的學(xué)生告訴我：“極端寒冷年份，渤海海冰厚度甚至可以達(dá)到40厘米以上，特別是在近岸區(qū)域。”科研人員對這些海冰的密度、鹽度等數(shù)據(jù)也進(jìn)行了進(jìn)一步測驗(yàn)，以分析海冰的動力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。

海冰動力學(xué)則主要研究海冰在風(fēng)、浪、流等外力作用下的運(yùn)動規(guī)律。這次科考中我留意到，渤海海冰的漂移速度遠(yuǎn)比想象中快得多。當(dāng)我們停船作業(yè)時，我在甲板上眺望船首的一塊形變冰，僅不到兩分鐘的時間，這塊冰就匆匆漂到船尾去了（約80米）。對此，我們進(jìn)行了專門的測量，發(fā)現(xiàn)渤海海冰的運(yùn)動速度通常在0.1—0.5米/秒之間，但在強(qiáng)風(fēng)條件下可超過1米/秒，基本是強(qiáng)風(fēng)和潮汐共同導(dǎo)致的結(jié)果。海冰在快速運(yùn)動狀態(tài)下會產(chǎn)生堆積和斷裂，對航運(yùn)和海上設(shè)施造成安全隱患。

在波動的海面上，結(jié)冰過程比較緩慢，會凍結(jié)成蓮葉冰。蓮葉冰的邊緣由于與其他冰塊碰撞，而形成一圈凸起，仿佛海面上的一朵朵蓮葉。圖源：張智倫

氣候變化對渤海海冰的影響是近年來的研究熱點(diǎn)之一，此項(xiàng)研究對于渤海海冰災(zāi)害預(yù)警和海上交通管理也具有重要意義。隨著全球氣候變暖，渤海海冰的范圍和厚度都呈減少趨勢。近年來，學(xué)者們通過長期遙感觀測和數(shù)值模擬，對渤海海冰對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，渤海海冰的變化與北極海冰的變化具有一定的相關(guān)性，但其響應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜，仍有待明確。

盡管海冰對于人類而言是一種災(zāi)害，但將視角放到更廣闊的生物層面來看，渤海海冰同時也是渤海生態(tài)系統(tǒng)的“維護(hù)者”和諸多動物的庇護(hù)所。海冰為許多海洋生物提供種群恢復(fù)空間和捕食場所，其凍結(jié)過程中析出的鹽分是海藻等初級生產(chǎn)力的重要營養(yǎng)源，對整個渤海的食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要影響，還與一些特定的生物習(xí)性有直接關(guān)聯(lián)，比如斑海豹在冰上產(chǎn)仔育兒等。這次科考過程中，我們便有幸遇到了國家珍稀保護(hù)動物斑海豹。

2月9日上午，天氣晴好，海面能見度很高，科考船暫停在遼東灣海冰邊緣區(qū)休整。我和幾名隊(duì)員正在前甲板上眺望風(fēng)景時，隊(duì)員吳家和表情激動，興奮又焦急地呼喊我們過去：“快來，海里有海豹！”大家紛紛跑到后甲板上，又控制著動靜怕嚇走了這些大自然的小精靈。只見離船八九十米處，海面露著半只黑色的小腦袋，正好奇地往這邊看。說實(shí)在的，別看海豹體型不小，但它在廣袤大海的掩護(hù)下，不仔細(xì)看還真注意不到。它大概遲疑了十來秒，就又悠哉游哉地潛入水下游走了?！斑@小東西本來趴在海冰上，發(fā)現(xiàn)我在看它后，不知道是怕人還是害羞，下到水里了，還露半個頭出來暗中觀察?！眳羌液托χv起剛剛的神奇經(jīng)歷。我們運(yùn)氣屬實(shí)不錯，后面又與可愛的海豹打了兩次照面，也算是這趟略顯枯燥的科研旅程中難得的樂趣。

正在消失的渤海海冰

40年減少50%

“中山大學(xué)極地”號于1月14日就進(jìn)入了渤海遼東灣海域，然而卻一直未能見到本次的研究對象——海冰的蹤影。大家焦灼地等待了半個月，經(jīng)歷了兩輪寒潮，直至1月30日，海冰才姍姍來遲，并且絕大部分海冰的厚度小于10厘米，覆蓋范圍也比往年更小，更偏北。據(jù)中國自然資源部北海區(qū)海洋預(yù)報臺發(fā)布的詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示，遼東灣冰情于2月9日達(dá)到峰值，然而當(dāng)日渤海海域海冰總面積僅約16633平方公里。

已有的研究表明，過去40年間，隨著全球氣候變暖，渤海海冰的面積和厚度均出現(xiàn)了不同程度的縮減。20世紀(jì)八九十年代，渤海海冰在2月的覆蓋面積通常能穩(wěn)定在30000平方公里，接近于一個海南省的面積，海冰厚度穩(wěn)定在10—20厘米。然而，21世紀(jì)以來，渤海海冰面積出現(xiàn)顯著退縮，多在20000平方公里以下，海冰厚度也縮減至5—10厘米。

除了長期的趨勢性變化，渤海海冰的極端年份事件在近20年也有所增加。例如，2010年和2017年，渤海出現(xiàn)了異常的寒冷天氣，海冰的覆蓋面積在短期內(nèi)出現(xiàn)了大幅度增加。2010年1月，渤海的海冰覆蓋面積一度達(dá)到40000平方公里，創(chuàng)下近十年的新高。盡管如此，這些極端現(xiàn)象通常與短期的氣候異常相關(guān)，并不能改變渤海海冰的長期變化趨勢。

全球變暖很可能是導(dǎo)致近40年來渤海海冰退縮的直接原因。更為溫暖的氣候使得渤海地區(qū)的氣溫和水溫上升，海水結(jié)冰的條件變得不再理想，導(dǎo)致海冰的形成周期縮短，厚度減薄。在此基礎(chǔ)上，海風(fēng)和海流的作用使得渤海海冰更不穩(wěn)定，更易破碎和流動，難以形成厚實(shí)的冰層，進(jìn)一步抑制了其增厚。

全球變暖很可能是導(dǎo)致過去40年間渤海海冰面積和厚度縮減的直接原因，海冰的形成周期縮短，厚度減薄。在此基礎(chǔ)上，海風(fēng)和海流的作用使得海冰更不穩(wěn)定，更易破碎和流動，難以形成厚實(shí)的冰層。攝影：左凌仁

對于科研工作者而言，未來需要開展更多的渤海海冰綜合調(diào)查工作，并結(jié)合空天遙感、數(shù)值模擬、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段，更深入地認(rèn)知渤海海冰的變化機(jī)制及其對氣候和生態(tài)環(huán)境的影響，為渤海的海冰冰情保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等工作提供科學(xué)力量。

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報道河流地理與水文化

責(zé)編：周伊萌 王旭輝

美編：李彥霖

校對：段海英

審核：任紅

來源：《中國三峽》雜志 2025年第11期 有刪改