北極東北航道海冰變化特征分析研究

孟上，李明，田忠翔，張林

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

近30年的觀測表明，北極海冰正在發(fā)生快速變化[1-3]。海冰覆蓋范圍從20世紀(jì)70年代開始減少，進(jìn)入21世紀(jì)后，其速率由每10年減少3%增至每10年減少10%[4]。同時，北極海冰厚度也明顯變薄[5-8]，多年冰也呈減少趨勢[9-10]。

隨著北極海冰的減少和變薄，北極航道的開通成為可能。北極航道[11]是指位于北冰洋的航海路線總稱，是聯(lián)系亞洲、歐洲和北美洲三大洲的海上通道，主要是指西起冰島，經(jīng)歐亞大陸北部沿海到達(dá)白令海的“東北航道”（Northeast Passage），和從白令海經(jīng)波弗特海和加拿大群島海域到達(dá)巴芬灣的“西北航道”（Northwest Passage）見圖1。東北航道具體分為兩個部分：第一部分是北歐部分，從摩爾曼斯克直達(dá)挪威的斯瓦爾巴群島、冰島的雷克雅未克和英國的倫敦等港口，該航道相對比較成熟，運(yùn)行時間長，基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，目前，北歐各國一直在使用。第二部分是從摩爾曼斯克港，經(jīng)北冰洋南部的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海和太平洋的白令海、日本海到俄羅斯東亞的符拉迪沃斯托克（海參崴）港，該航道屬季節(jié)性海上航線，全長約5620 n mile。

東北航道是連接北大西洋和北太平洋間的海上捷徑，也是聯(lián)系歐洲和東北亞地區(qū)潛在的經(jīng)濟(jì)航線。東北航道的開通，會極大地縮短東北亞和歐美地區(qū)的航線距離，形成一條快捷的海上運(yùn)輸通道，航程相比傳統(tǒng)航線要縮短15%—50%，極大地降低了我國與歐美國家的運(yùn)輸成本。2009年以來，德、挪、俄等國在前期冰區(qū)航行技術(shù)研發(fā)和試航基礎(chǔ)上，紛紛使用抗冰船成功運(yùn)送鐵礦石、液化天然氣經(jīng)東北航道到中國沿海和日本諸港。我國也于2012年7月第五次北極科學(xué)考察期間首次使用“雪龍”船進(jìn)行了東北航道適航，為將來的我國遠(yuǎn)洋商業(yè)航運(yùn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。分析多年來北極東北航道內(nèi)的海冰變化情況，尤其是近幾年東北航道的開通情況，能夠?yàn)槲磥砦覈帽睒O航道提供重要的借鑒作用。

本文利用國際浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的北極冰速數(shù)據(jù)和衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了北極東北航道內(nèi)的海冰運(yùn)動和變化情況，并對近幾年航道的開通情況進(jìn)行了分析。

圖1 北極航道路線示意圖

圖2 北極海冰運(yùn)動速度場及海表面氣壓場

2 數(shù)據(jù)

本文使用的北極海冰運(yùn)動數(shù)據(jù)和海平面氣壓數(shù)據(jù)都是北極國際浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的（http://iapb.apl.washington.edu），時間跨度為 1979—2006年。這兩種數(shù)據(jù)都是由浮標(biāo)數(shù)據(jù)通過最優(yōu)插值（OI）方法插值得到。海冰速度場的空間分辨率為100 km，全北極共有784個點(diǎn)。海平面氣壓場的空間分辨率相對較低，為10°×2°，覆蓋范圍70°N以北的區(qū)域。

SSM/I（Special Sensor Microwave/Imager）海 冰密集度數(shù)據(jù)由美國雪冰中心(NSIDC)提供，該密集度產(chǎn)品由Nimbus-7衛(wèi)星上的掃描式多通道微波輻射計(jì)（SMMR）和美國國防氣象衛(wèi)星中的F8，F(xiàn)11，F(xiàn)13和F17攜帶的多波段微波輻射掃描儀（SSM/I）提供的亮溫?cái)?shù)據(jù)，由NASA Team algorithm算法計(jì)算生成，數(shù)據(jù)覆蓋南北兩極，空間分辨率為25 km，時間范圍為1978年10月至今，有日平均和月平均兩套數(shù)據(jù)。

德國不萊梅大學(xué)的AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS）海冰密集度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用ARTIST sea ice algorithm（ASI 5）計(jì)算得到，數(shù)據(jù)的空間分辨率為6.25 km，時間范圍為2002年6月19日—2011年10月4日。

3 夏季東北航道海冰運(yùn)動特征分析

利用國際北極浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的1979—2006年夏季（8—10月）月平均北極海冰速度場和海平面氣壓場（SLP）數(shù)據(jù)，對北極東北航道夏季海冰運(yùn)動特征進(jìn)行分析。

圖2a是1979—2006年夏季平均海冰流場和海平面氣壓場，圖中顯示北極存在一個位于波弗特海域的高壓系統(tǒng)和一個位于歐亞海盆的低壓系統(tǒng)，在這兩個系統(tǒng)的控制下，海冰在相應(yīng)區(qū)域分別出現(xiàn)了反氣旋式的波弗特渦和氣旋式的渦旋。在巴倫支海和喀拉海，海冰處于氣旋式的渦旋中，由西向東運(yùn)動，但運(yùn)動速度較小。拉普捷夫海產(chǎn)生的海冰先隨氣旋式渦旋離岸運(yùn)動到北極中心，繼而隨穿極漂流流向北大西洋。對于東西伯利亞海，其西部海冰運(yùn)動速度較中東部大。西部的海冰離岸運(yùn)動至北極中心，最終隨穿極漂流流出北極，中東部的海冰運(yùn)動速度則非常小。總之，東北航道區(qū)域的海冰運(yùn)動速度相對于其它區(qū)域的速度較小。東北航道區(qū)域在8—10月份較低的海冰密集度、海冰的離岸運(yùn)動以及相對較低的運(yùn)動速度都為航道的開通和通行提供了前提條件。

8月份（見圖2b）在北極中心出現(xiàn)了較強(qiáng)的低壓系統(tǒng)，海冰也出現(xiàn)了較強(qiáng)的氣旋式運(yùn)動。此時，喀拉海和巴倫支海的海冰呈反氣旋式運(yùn)動。拉普捷夫海形成的海冰離岸運(yùn)動，隨著北極中心的氣旋式運(yùn)動漂流，進(jìn)入加拿大海盆之后，一部分隨著穿極漂流消亡在大西洋，一部分隨波弗特渦運(yùn)動。對于東西伯利亞海中西部，有一些海冰向岸運(yùn)動，這有可能會造成海冰在沿岸堆積，不利于東北航道的開通，而東部的海冰運(yùn)動速度非常小。

9月份（見圖2c）整個北極的海冰運(yùn)動特征與夏季平均非常相似。北極中心的低壓系統(tǒng)南移，北極中心的海冰氣旋式運(yùn)動向巴倫支海方向移動。巴倫支海和喀拉海的海冰由西向東運(yùn)動。拉普捷夫海生成的海冰沿著等壓線運(yùn)動，并最終隨氣旋式渦旋匯入穿極漂流。東西伯利亞海沿岸的海冰運(yùn)動速度相當(dāng)小。考慮到9月份東北沿岸的海冰密集度較低，所以比較小的海冰運(yùn)動速度以及海冰的離岸運(yùn)動會有利于東北航道的開通。

10月份（見圖2d）波弗特高壓進(jìn)一步加強(qiáng)，低壓系統(tǒng)繼續(xù)減弱并南移。在喀拉海和巴倫支海之間存在一個微弱的海冰氣旋式運(yùn)動。拉普捷夫海產(chǎn)生的海冰沿著等壓線運(yùn)動到北極中心，然后從弗雷姆海峽流出北極進(jìn)入北大西洋。但是拉普捷夫海東部海冰的離岸運(yùn)動有可能使海冰堆積在利亞霍夫群島南、北部的海峽，這將對東北航道的通行帶來一定的阻礙。東西伯利亞海的海冰運(yùn)動速度依然很小，但比8、9月份稍大。由于波弗特渦有所加強(qiáng)，并且靠近阿拉斯加一側(cè)海冰運(yùn)動速度較大，導(dǎo)致由波弗特海向楚科奇海運(yùn)動的海冰堆積在弗蘭格爾島以及楚科奇半島沿岸的可能性較大，阻礙東北航道的通航。

綜上所述，根據(jù)夏季（8—10月）海冰運(yùn)動特征發(fā)現(xiàn)，東北航道在9月份開通的可能性最大，8月份次之，10月份通航的困難較大。

4 近幾年北極東北航道的開通情況

4.1 2009—2011年東北航道開通情況

使用美國雪冰中心（NSIDC）的SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)，我們先對日平均海冰密集度數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均，得到了2009，2010和2011年7—10月份的月平均海冰密集度數(shù)據(jù)。

圖3為北極東北航道2009年7—10月平均海冰密集度分布圖。從圖上可以看到，2009年的冰情較重，東北航道在9月份可以通行，8月份在俄羅斯北地群島與大陸之間的海冰對航道的開通造成了較大的影響。

圖3 東北航道2009年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖4 東北航道2010年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖5 東北航道2011年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖4為東北航道2010年7—10月平均海冰密集度分布圖。2010年航道的冰情較2009年偏輕，雖然2010年7月份的海冰較多，但是海冰在8月份迅速消融。9月份的海冰達(dá)到了最小值，航道的運(yùn)行可以順利開展。10月份海冰開始快速凍結(jié)，東北航道的通航受到海冰的嚴(yán)重影響。

圖5是2011年7—10月平均海冰密集度的分布圖。2011年的海冰范圍更是達(dá)到了近幾年的極低值。據(jù)美國雪冰中心的研究結(jié)果表明，2011年9月9日海冰范圍達(dá)到該年度最低值，僅次于2007年9月份的歷史極小值。2011年10月份東北航道的冰情并不嚴(yán)重。

下面我們進(jìn)一步使用分辨率更高的AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)，來分析東北航道的開通情況。由該套數(shù)據(jù)，并綜合之前的海冰變化和運(yùn)動特征，我們對近三年來東北航道的開通情況進(jìn)行了初步分析。2009—2011年東北航道的完全開通的時間分別為9月初—10月初，8月底—10月初，7月底—10月初。航道受海冰變化的影響，每年的通航時間并不固定。東北航道的開通的關(guān)鍵在于東西伯利亞海和拉普捷夫海之間的德米特里拉普捷夫海峽（Dmitry Laptev Strait），喀拉海和拉普捷夫海之間的維利基茨基（Vilkitsky）海峽的海冰的融化，即俄羅斯新西伯利亞群島和北地群島與大陸之間的海冰嚴(yán)重影響著東北航道的開通。

4.2 2012年東北航道開通情況

圖6 第五次北極科考路線示意圖

2012年正值我國第五次北極科學(xué)考察之際，北極海冰的變化情況對考察船的航行意義更加重大。第五次北極科學(xué)考察，首次穿越東北航道航行，進(jìn)入極圈后具體的路線見圖6。紅線為“雪龍”船進(jìn)入東北航道的航線，藍(lán)線為“雪龍”船返航的路線。這次在東北航道的航行，有幾個關(guān)鍵事項(xiàng)。一個是東北航道的通行，必須由俄羅斯破冰船來引航，因此在冰情相對較重的7月份“雪龍”船隨破冰船編隊(duì)開始穿越東北航道。從AMSR-E衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)來看，東北航道的完全開通在8月中旬?！把垺贝緩綎|西伯利亞海，拉普捷夫海，7月29日穿越北地群島南部的維利基茨基海峽?！把垺贝谛碌貚u脫離破冰船編隊(duì)后，進(jìn)入巴倫支海。返航途中，8月23日進(jìn)人冰區(qū)，9月5日，圓滿完成所有科考任務(wù)。

根據(jù)美國雪冰中心的SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)，全北極的海冰范圍在今年持續(xù)突破歷史極低記錄，先是在今年的8月26日達(dá)到了歷史極低值（4.10×106km2），小于之前2007年9月18日的極低值（4.17×106km2），更是在 9月 16日達(dá)到了 3.41×106km2。雖然北極海冰范圍持續(xù)減小，但是海冰范圍的空間分布不同于往年。今年北極海冰在波弗特海偏少，而在西拉普捷夫海的海冰偏多，尤其是新西伯利亞群島周圍的海冰較多，形成一個“冰舌”延伸到陸地，影響了東北航道的開通。因此，北極海冰較大的年際變化，對東北航道的開通帶來了較大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

綜合以上分析結(jié)果，可以得如下結(jié)論：

（1）通過對夏季（8—10月）海冰運(yùn)動特征分析，東北航道在9月份開通的可能性最大，8月份次之，10月份通航的困難較大；

（2）根據(jù)衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)，東北航道近幾年的開通時間從7月底—9月初，一直到10月初，開通的起始時間變化較大；俄羅斯新西伯利亞群島和北地群島，與大陸之間的海冰對東北航道的開通起著關(guān)鍵作用；

（3）東北航道的海冰年際變化較大，這給未來北極航運(yùn)帶來較大的挑戰(zhàn)。

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