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)到達了渤海遼東灣的海冰邊緣區(qū)。我既興奮又緊張，因為這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，進一步推動了結(jié)冰過程?？梢韵胂螅诙镜暮L(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，造成運輸困難。對渤海沿岸的航運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和漁業(yè)造成較大影響。此外，海冰對海上油氣平臺的運營和維護也有重要影響。

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)的團隊仍在后甲板忙活。

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輔助牽拉著墨綠色的銅制采冰籠，科研人員控制主吊機轉(zhuǎn)動機械臂，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，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”。

盡管同樣是開展海冰研究，但不同團隊的研究側(cè)重點存在較大差異，我所在的中山大學(xué)極地遙感團隊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，我們將無人機上升到70米高度。由于無人機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，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，獨釣寒江雪”的孤寂感。

無人機搭載了光學(xué)相機和激光雷達：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)的科研團隊，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？因為海冰對我國冬季渤海地區(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到40厘米以上，特別是在近岸區(qū)域?！笨蒲腥藛T對這些海冰的密度、鹽度等數(shù)據(jù)也進行了進一步測驗，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，我們進行了專門的測量，發(fā)現(xiàn)渤海海冰的運動速度通常在0.1—0.5米/秒之間，但在強風(fēng)條件下可超過1米/秒，基本是強風(fēng)和潮汐共同導(dǎo)致的結(jié)果。海冰在快速運動狀態(tài)下會產(chǎn)生堆積和斷裂，對航運和海上設(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之一，此項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)機制進行了深入研究。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“維護者”和諸多動物的庇護所。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。我和幾名隊員正在前甲板上眺望風(fēng)景時，隊員吳家和表情激動，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。說實在的，別看海豹體型不小，但它在廣袤大海的掩護下，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。我們運氣屬實不錯，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，難以形成厚實的冰層，進一步抑制了其增厚。

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、人工智能等先進技術(shù)手段，更深入地認(rèn)知渤海海冰的變化機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