北極東北航道維利基茨基海峽海冰時空變化及適航性分析

李新情 慈天宇 羅斯瀚 惠鳳鳴 程曉

(1山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590;2北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國家重點實驗室，全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京100875)

0 引言

北極地區(qū)平均地面溫度上升幅度是全球平均溫度上升幅度的兩倍［1］。2012年是有衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以來北極夏季海冰總面積最低的一年，此前的最低記錄出現(xiàn)在2007年(http://nsidc.org/arcticseaicenews/2012/09/)。在過去的30年中，整個北極地區(qū)融化季節(jié)延長了近20 d［2］。在多種地球系統(tǒng)模式的預(yù)測中，2040-2050年間，北冰洋將在夏季迎來短暫的無冰期［3-4］。多年來的冰總量的減少意味著北極海冰冰厚降低、融化季延長、海冰范圍縮小，這些條件都為人類開發(fā)利用北冰洋航道提供了便利［5-7］。

北極航道主要包括大部分航段位于俄羅斯北部沿海的“東北航道”和大部分航段位于加拿大北極群島水域的“西北航道”［7-9］(圖1)。東北航道也稱“北方航道”(Northern Sea Route，NSR)，是我們主要的關(guān)注對象。東北航道從北歐出發(fā)，向東穿過巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亞海和楚科奇海五大海域，直到白令海峽。東北航道相比蘇伊士運河航線有著眾多優(yōu)勢。不僅可以在航程上縮短30%［9］，而且可以擺脫索馬里海盜和印度洋海盜的威脅。近年來隨著東北航道的進(jìn)一步開通，經(jīng)由東北航道的商業(yè)活動也越來越頻繁。北方航道信息中心(Northern Sea Route Information Office)2010-2013年的東北航道航運數(shù)據(jù)顯示2010-2013年4年間共有155艘商船在夏季期間通過了東北航道，船舶數(shù)量從2010年的4艘迅速增加到2013年的71艘，運送的貨物總量也逐年迅速增加，輸送的貨物種類也逐漸增多［6，8-9］。 中國遠(yuǎn)洋運輸公司的“永盛輪”于2013年夏季成功穿越東北航道，成為中國首艘經(jīng)北極航道達(dá)到歐洲的商船［10］，為中國遠(yuǎn)洋商業(yè)航運積累了寶貴的經(jīng)驗。東北航道越來越頻繁的商業(yè)運輸活動說明了近幾年北極航道通航條件有了極大的改善。2013年俄羅斯重新制定了《北方海航道水域航行規(guī)則》，新規(guī)則將之前的破冰船強制領(lǐng)航制度改為許可證制度，給出了具體的、可操作和可預(yù)期的獨立航行許可的條件，使得國外船只獨立航行成為可能［11］，這將大大增加?xùn)|北航道的可使用性。海冰的分布與變化是影響東北航道運營的關(guān)鍵因素。利用2002-2013年逐日6.25 km分辨率的海冰密集度數(shù)據(jù)分析東北航道維利基茨基海峽夏季海冰空間分布，主要研究內(nèi)容包括:(1)維利基茨基海峽基本海冰冰情;(2)維利基茨基海峽附近海域夏季適航時間長度變化;(3)研究區(qū)域夏季海冰空間分布規(guī)律。

圖1 北極航道及研究區(qū)概況圖Fig.1.Overview of the Northern Sea Route and study area

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

選取位于東北航道中段的北地群島及其附近海域作為研究區(qū)域，研究區(qū)東起115°E，西至90°E，緯度范圍為76°N-82°N，包括了喀拉海東部、拉普捷夫海西部、維利基茨基海峽以及北地群島以北北冰洋部分海域。北地群島主要由布爾什維克島、十月革命島、少先隊員島和北共青團島4個大島及許多小島組成。該研究區(qū)是北極航道上緯度最高的區(qū)域，共青團島北端的北極角緯度達(dá)到了82°N。而且研究區(qū)是東北航線上夏季無冰期最短，冰情最為嚴(yán)重的區(qū)域，是影響東北航道通航的關(guān)鍵區(qū)域。

通過拉普捷夫海和喀拉海既可以從群島北端繞過北極角，也可以穿過紹卡利斯基海峽或維利基茨基海峽，但北極角和紹卡利斯基海峽海域存在著大量浮冰和多年冰，冰況復(fù)雜而且有大的冰山增加了航行的危險性，所以這里僅僅是船只穿越喀拉海域與拉普捷夫海的一種選擇［7］。位于俄羅斯泰梅爾半島和布爾什維克島之間的維利基茨基海峽是連接拉普捷夫海和喀拉海的最短通道，并且航行標(biāo)志也相對齊全，所以該海峽成為通過喀拉海和拉普捷夫海之間的首選通道［7］。該海峽基本沿78°N緯線呈東西走向分布，長約104 km，最窄處約55 km，水深32-210 m，全年覆蓋浮冰，夏季多濃霧［7，12］。 本文將著重研究和分析維利基茨基海峽海冰分布情況其及通航性。

1.2 多年海冰密集度數(shù)據(jù)

由于缺少現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，本文選用了德國不萊梅大學(xué)發(fā)布的海冰密集度數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)集包括 AMSR-E(2002.6.1-2011.10.4)、SSMIS(2011.10.1-2012.7.31)和AMSR-2(2012.7.24-2013)傳感器反演的海冰密集度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的時間分辨均為逐日，空間分辨率為6.25 km×6.25 km。Spreen等［13］對AMSR-E數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了驗證，AMSR-E數(shù)據(jù)反演的海冰密集度產(chǎn)品誤差＜5%。SSMIS數(shù)據(jù)是用來填充AMSR-E和AMSR-2之間的數(shù)據(jù)空缺，SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)跟AMSR-E、AMSR-2海冰密集度數(shù)據(jù)都是采用ASI(ARTIST sea ice)算法反演得到的，其數(shù)據(jù)分辨率為6.25 km×6.25 km，是由格點大小為13.2 km×15.5 km的原始數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)插后得到的，這使得SSMIS數(shù)據(jù)在靠近陸地邊緣處存在較大的誤差(http://iup.physik.uni-bremen.de:8084/ssmis/。目前還沒有SSMIS和AMSRE、AMSR-2海冰密集度數(shù)據(jù)集之間的精度比較(https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/seaice-concentration-data-amsr-e-amsr2-ssmis-u-bremenand-u-hamburg-asi-algorithm)。以往大量相關(guān)研究都是基于這一海冰密集度數(shù)據(jù)產(chǎn)品［12，14-16］。

1.3 海冰密集度劃分和連通性分析方法

在影響北極航運的眾多自然因素中，海冰是最關(guān)鍵也是變化最大的一個因素。本文重點研究維利基茨基海峽的夏季海冰密集度變化并由此推斷在該區(qū)域航行的難易程度。參考WMO(1970年)給出的海冰密集度與海面狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系(表1)和SHIBATA(2013年)提出的通航海冰密集度分類方法，將海面通航狀態(tài)按照海冰密集度0%-30%、30%-70%、70%-100%分成三類:暢通、困難和非常困難。當(dāng)相鄰的兩個網(wǎng)格點海冰密集度均＜30%時，則認(rèn)為這兩個點是連通的。由此得出每一天從拉普捷夫海到喀拉海的航道連通狀態(tài)，并進(jìn)一步統(tǒng)計一年中的連通天數(shù)。

表1 海冰密集度與海面狀態(tài)及通航狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系表［12］Table 1.Relationship between stage of sea-ice concentration and state of the sea and navigation

2 結(jié)果

2.1 研究區(qū)域冰情概況

研究區(qū)總面積約350 000 km2，其中陸地面積約78 000 km2。冬季，整片海域被海冰覆蓋，非破冰船無法通行。每年的6月下旬海冰開始大量融化，到9月中旬海冰面積達(dá)到最小值，然后海面開始迅速凍結(jié)，到10月下旬再次被海冰完全覆蓋。每年的無冰期是北極航道中最短的［7，12］。

根據(jù)2002-2013年研究區(qū)7-10月海冰總面積柱狀圖(圖2)，可將2002-2013年這12年劃分為三個時間段:2002-2004年、2005-2008年、2009-2013年，以便于比較近十年研究區(qū)海冰面積的變化。從圖3中可以看出，近十年研究區(qū)域夏季海冰面積明顯減少，尤其是2009-2013年夏季海冰覆蓋面積遠(yuǎn)小于2002-2004年和2005-2008年的海冰面積。如果研究區(qū)域夏季覆蓋面積保持或者繼續(xù)下降，將對這一區(qū)域的通航帶來更大便利。

圖2 研究區(qū)2002-2013年7-10月海冰總面積Fig.2.Total sea ice area from July to October in period 2002-2013

圖3 研究區(qū)2002-2004年、2005-2008年、2009-2013年的7-10月份平均海冰面積日變化Fig.3.Averaged daily sea ice area from July to October in periods 2002-2004，2005-2008，2009-2013

2.2 維利基茨基海峽海冰覆蓋情況

2.2.1 研究區(qū)多年平均海冰分布分析

為了更細(xì)致地分析研究區(qū)夏季海冰密集度的變化及分布情況，計算了2002-2013年的7-10月份每7 d的多年平均海冰密集度，2011年10月到2012年7月使用的是SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)靠近陸地邊緣處誤差較大，會對平均值的計算產(chǎn)生影響，所以在計算平均值時沒有使用該數(shù)據(jù)，即2011年10月和2012年7月沒有數(shù)據(jù)參與計算。最后的結(jié)果如圖4所示。

圖4 2002-2013年的7-10月份每7天的多年平均海冰密集度Fig.4.Averaged sea ice concentration per seven days of July to October between 2002 and 2013

從多年平均圖中可以看出，7月份維利基茨基海峽海冰密集度高于70%，海面通航狀態(tài)非常困難，維利基茨基海峽東側(cè)海域海冰密集度較低，從7月中旬(圖4c、4d)海峽東側(cè)開始出現(xiàn)密集度低于30%的低密集度冰區(qū)，并隨時間逐漸擴大;8月中上旬(圖4e、4g)維利基茨基海峽上的海冰密集度降到30%-70%之間，船舶航行較困難，海峽東側(cè)的低密集度冰區(qū)范圍繼續(xù)增大，海峽西側(cè)也開始出現(xiàn)了低密集度區(qū)域，8月下旬(圖4h、4i)整個海峽及其東西兩側(cè)的海域海冰密集度都降至30%以下，海面狀況利于船舶航行;從(圖4j、4m)可以看出，整個9月份維利基茨基海峽及其東西兩側(cè)的海域都是開通的，船舶可以自由航行;10月份隨著北極溫度降低，海水開始凍結(jié)，開闊水面開始逐漸縮小，10月中上旬(圖4n、4o)維利基茨基海峽上只有在靠近俄羅斯大陸沿岸有一條很窄的水道可供船舶自由航行，海峽其他區(qū)域的海冰密集度在30%-70%之間，船舶航行困難。10月中下旬開始海峽上已完全被密集度大于30%的海冰覆蓋，并且海冰密集度隨著時間逐漸升高。通過對研究區(qū)海冰覆蓋情況的分析可得，9月份該區(qū)域處于完全開通狀態(tài);8月上半月因為有30%-70%的海冰存在，船舶航行困難，8月下旬航線已完全開通，非常利于船舶航行;10月份上半月航道依然處于開通狀態(tài)，但航道較窄且靠近俄羅斯一側(cè)陸地沿岸，下半月航線已被30%-70%的海冰覆蓋，船舶航行困難。

2.2.2 研究區(qū)海冰分布年際變化分析

盡管多年平均海冰密集度分析結(jié)果為該地區(qū)通航提供了參考意見，但是該區(qū)域海冰年際變化很大。由于分析中所用海冰密集度圖太多，不便全部給出，因此使用了2002-2013年每年8月份平均海冰密集度圖(圖5)來說明研究區(qū)海冰具有較大的年際變化。

圖5 2002-2013年研究區(qū)8月份平均海冰覆蓋情況Fig.5.Averaged sea ice condition in August from 2002 to 2013

由圖5可以看出2003、2004和2007年的8月份研究區(qū)冰情很嚴(yán)重，存在大面積的密集度大于70%的海冰，航道無法開通，但這三年海冰的分布存在明顯的差異，2003年海峽西側(cè)被高密集度海冰堵塞，2004年海峽兩側(cè)都有高密集度的海冰，而2007年的情況與2003年相反，高密集度的海冰集中在海峽東側(cè);2011年和2012年8月份冰情很輕，高密集度的海冰只分布在研究區(qū)的東北方向，海峽處于暢通狀態(tài);其他剩余年份中研究區(qū)的海冰密集度和海冰的空間分布也各不相同，年際間變化較大。因此，該區(qū)域?qū)嶋H通航天數(shù)應(yīng)該根據(jù)當(dāng)年海冰實際情況來確定。

2.3 航道連通性分析

統(tǒng)計了2002-2013年維利基茨基海峽每年的通航開始日期、通航結(jié)束日期和可通航天數(shù)(表2)，是否通航的判定是按照商業(yè)船舶(無破冰能力)在該區(qū)域航行狀態(tài)作出的，即海冰密集度＜30%時認(rèn)為船舶是可通航的。2003年和2004年夏季該海峽上一直有高密集度的海冰，航道未開通。由表2可以得出:(1)除2003、2004年不能通航外，近十年維利基茨基海峽夏季通航天數(shù)基本在40 d以上，特別是在2011和2012年通航天數(shù)達(dá)到了3-4個月。值得注意的是，2007年北極海冰面積是有記錄以來的第二低年，但維利基茨基海峽在當(dāng)年的通航天數(shù)僅為15 d，明顯低于其他年份的通航天數(shù)，從圖2可以看出2007年研究區(qū)海冰面積并不小，主要是因為當(dāng)年一直存在于波弗特海的高壓場和喀拉海的低壓場形成了一個持續(xù)的從白令海峽往北吹的風(fēng)場，從而推動了東西伯利亞海的海冰往北/西方向運動(http://nsidc.org/arcticseaicenews/2011/10/)，海冰受北地群島的阻擋在其東側(cè)形成堆積，從而嚴(yán)重影響了研究區(qū)航道的開通。而2011年和2012年分別是北極海冰面積第三低年和最小值年，研究區(qū)的海冰面積也達(dá)到了近十年的最低值，兩年的通航時間分別為130 d和88 d，2012年的通航時間小于2011年的主要原因是2012年8月份之前北地群島西側(cè)一直有高密集度的海冰聚集，阻礙了航道的開通;(2)維利基茨基海峽通航開始時間變化較大，最早為2011年的6月16日，最晚為2007年的9月25日，通航結(jié)束時間主要在10月份，時間分布較開通時間相對集中。這與整條東北航道通航開通、結(jié)束時間變化規(guī)律基本一致［1］。

表2 2002-2013年維利基茨基海峽通航時間表Table 2.Navigable time of Vilkitsky Strait in period 2002-2013

2.4 影響航道通航的其他因素討論

海冰是影響船舶航行的關(guān)鍵因素，但船舶的航行也會受到其他因素的影響，如風(fēng)向/風(fēng)力、溫度、海流等。

風(fēng)向和風(fēng)力會使維利基茨基海峽的海冰產(chǎn)生漂移，容易造成海峽上海冰的堆積或漂散，從而使得海峽的海冰冰情復(fù)雜，短時間內(nèi)海冰變化快速［10］。

溫度也會對船舶航行產(chǎn)生影響。低溫可能使海冰凍結(jié)，當(dāng)海水在船體結(jié)構(gòu)上結(jié)冰時，將對船舶的操縱性能產(chǎn)生影響，同時低溫也會影響船員的生活條件［17］。研究區(qū)溫度一般在6月中下旬達(dá)到0℃以上，然后逐漸升溫，一直到當(dāng)年9月初溫度開始持續(xù)低于0℃，并不斷降低。8月是全年平均氣溫最高的月份，其次是7月份。氣象數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站公布的Fedorova氣象站數(shù)據(jù)，該氣象站位于維利基茨基海峽南側(cè)沿岸。

海流對船舶航行有重要的影響［18］，特別是在狹窄的航區(qū)海流加速了逆流船舶船側(cè)及船底水流的相對速度，使船舶發(fā)生碰撞、擱淺等事故。北極航道上的海流，作為淺水大陸架沿岸流，受地形要素的支配，整體上自西向東流。島嶼之間的狹窄海峽中潮流顯著，水流強勁，維利基茨基海峽附近海流時速可達(dá) 5 節(jié)［17］。

3 結(jié)論

利用2002-2013年海冰密集度數(shù)據(jù)對維利基茨基海峽及其鄰近海域夏季海冰覆蓋情況及通航性進(jìn)行了分析，得到如下重要結(jié)論。

(1)從研究區(qū)夏季多年平均海冰密集度圖中可以看出，8月初維利基茨基海峽及其東西兩側(cè)的海冰密集度都降至70%以下，在海峽出現(xiàn)了一片開闊水域并不斷擴大，到8月中下旬海峽及其兩側(cè)海域已完全開通，一直到10月中旬再次被密集度低于70%的海冰覆蓋。

(2)研究區(qū)海冰冰情年際變化很大，對維利基茨基海峽通航天數(shù)有明顯的影響。

(3)除2003、2004年不能通航外，近十年維利基茨基海峽夏季通航天數(shù)基本在40 d以上。維利基茨基海峽通航開始時間變化較大，最早為2011年的6月16日，最晚為2007年的9月25日，通航結(jié)束時間主要在10月份，時間分布較開通時間相對集中。

致謝感謝德國不萊梅大學(xué)提供了海冰密集度數(shù)據(jù)、美國國家海洋和大氣管理局提供了氣象數(shù)據(jù)，同時非常感謝《極地研究》審稿專家給出的寶貴的意見和建議。

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