基于多源共享數(shù)據(jù)的北極航道海域冰情分析

邵 晨，蔣雪中，惲才興

（華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

基于多源共享數(shù)據(jù)的北極航道海域冰情分析

邵 晨，蔣雪中*，惲才興

（華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

隨著全球氣候變暖，北冰洋季節(jié)性大規(guī)模通航已經(jīng)可以預(yù)見(jiàn)。為開(kāi)辟北極航道服務(wù)，保障航道航行安全，采集航線所經(jīng)海域及沿岸國(guó)家和地區(qū)基礎(chǔ)地理信息，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是基礎(chǔ)。以東北航道所經(jīng)海域海冰覆蓋為例，獲取多國(guó)海洋信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的海冰共享數(shù)據(jù)，按照空間信息系統(tǒng)要求，相互校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)時(shí)效和空間覆蓋頻率，處理成適用于保障北極航道安全航行的信息，討論了東北航道所經(jīng)海區(qū)的海冰對(duì)航道開(kāi)通時(shí)間的影響，實(shí)現(xiàn)航道水域海冰信息的通航期（7月1日到11月30日）逐日發(fā)布，非通航期（12月1日到次年6月30日）半月發(fā)布一次，為北極航道大規(guī)模通航積累經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)信息。

北極航道；海冰；基礎(chǔ)地理信息；數(shù)據(jù)庫(kù)；多源數(shù)據(jù)；信息共享

北極航道指穿越北冰洋，連接大西洋和太平洋的海上通道，分為西北航道和東北航道[1]。東北航道連接大西洋和太平洋，是亞洲和歐洲之間的海上最短通道，從俄羅斯的摩爾曼斯克港到符拉迪沃斯托克港（海參崴），航道總長(zhǎng)約5620海里；西北航道東起巴芬島，西至波弗特海，地形復(fù)雜，有多條航道，從中國(guó)上海到格陵蘭的努克港，航程約6058海里。

近年來(lái)，全球氣候變暖導(dǎo)致北極地區(qū)的海冰不斷融化，海冰的融化使得北極航道的開(kāi)通成為可能。北極航道將大大縮減從大西洋經(jīng)北冰洋到太平洋的海上航程，并將遠(yuǎn)東、歐洲、北美、東亞等地區(qū)聯(lián)系起來(lái)，改變世界航運(yùn)格局[2]。

北極航道穿過(guò)北冰洋多個(gè)海域，航程長(zhǎng)、范圍大，且海洋環(huán)境具有動(dòng)態(tài)、復(fù)雜等特點(diǎn)，獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)困難。海洋航運(yùn)的快速發(fā)展對(duì)海洋信息采集、獲取、處理，海洋交通安全保障等技術(shù)提出了更高的要求。船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic Service, VTS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System, AIS）能獲取航船和航道的動(dòng)靜態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)船舶與船舶之間或者與岸之間數(shù)據(jù)的自動(dòng)交換，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間技術(shù)、信息技術(shù)和通訊技術(shù)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，為海洋航運(yùn)提供技術(shù)支持和安全保障[3～6]。隨著軟硬件水平的不斷發(fā)展，航道管理實(shí)現(xiàn)了智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化、虛擬化，已進(jìn)入“數(shù)字航道”時(shí)代[7]。

深海及極地研究是國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域[8～13]。隨著北極戰(zhàn)略意義的凸顯和北極航道的季節(jié)性通航，各國(guó)對(duì)北極環(huán)境的關(guān)注和投入日益加強(qiáng)[14～17]。我國(guó)已經(jīng)成為北極理事會(huì)正式觀察員，亟需獲取與北極和北極航道相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為數(shù)據(jù)和信息的共享提供了途徑，網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)是研究人員獲取北極環(huán)境信息的重要途徑[18,19]。本項(xiàng)研究即以北極航道所經(jīng)海域的海冰數(shù)據(jù)為例，嘗試了獲取多源共享數(shù)據(jù)，按照空間信息系統(tǒng)要求，處理成適用于保障北極航道安全航行的信息，并在空間覆蓋、時(shí)間頻率等特性上能夠相互校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確可靠，為北極航道大規(guī)模通航所需航道安全信息保障提供經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)信息。

1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

航道安全保障的影響因素包括通航尺度、氣象條件、水文條件和通航設(shè)施條件[20]。除了環(huán)境因素和助航設(shè)施對(duì)北極航道產(chǎn)生影響外，北極航道橫穿北極，所經(jīng)海區(qū)大部分屬于高緯度水域，與普通航道相比，北極航道所經(jīng)海區(qū)的海面通常覆蓋著大面積的海冰，天氣情況復(fù)雜惡劣，使得極地通航變得困難，海冰是最為重要的影響北極通航的因素[21]。

1.1 共享數(shù)據(jù)源

*通訊作者: 蔣雪中(博士/副教授): xzjiang@sklec.ecnu.edu.cn

目前，中國(guó)、日本、俄羅斯、丹麥、芬蘭、冰島、挪威、瑞典、加拿大、美國(guó)等國(guó)家的部分研究機(jī)構(gòu)都設(shè)有海冰服務(wù)，用于發(fā)布海冰數(shù)據(jù)，其中美國(guó)、俄羅斯、加拿大等環(huán)北極國(guó)家的海冰數(shù)據(jù)相對(duì)全面，包括實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)產(chǎn)品和實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些信息可為北極海冰研究和

海上活動(dòng)提供重要的參考依據(jù)。但是通過(guò)不同部門提供的信息還沒(méi)有與航道安全保障聯(lián)系起來(lái)，提供的數(shù)據(jù)覆蓋范圍較大，沒(méi)有針對(duì)北極航道的數(shù)據(jù)，無(wú)法為保障北極航道航行提供及時(shí)的信息。所以本文嘗試通過(guò)共享數(shù)據(jù)的信息再提取，圍繞海上航行安全，為北極航道安全保障提供針對(duì)性的信息。

以從中國(guó)天津港到德國(guó)漢堡港的東北航道所經(jīng)海區(qū)為例，自渤海出發(fā)，經(jīng)黃海、日本海、鄂霍次克海、白令海、楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海、挪威海，直至北海（圖1），各海區(qū)海冰信息可以由各國(guó)海冰服務(wù)機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息提供。表1為各國(guó)的海冰服務(wù)機(jī)構(gòu)的網(wǎng)址、數(shù)據(jù)時(shí)效，這些信息都可以自由訪問(wèn)。

圖1 天津港至漢堡港北極東北航道所在海域航線示意Fig.1 The northeast shipping route passes through the arctic seas from Tianjin (China) to Hamburg (Germany)

表1 北極東北航道所在海域海冰共享信息一覽Table 1 Sea-Ice information services for the northeast shipping route

1.2 數(shù)據(jù)處理

不同服務(wù)機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)在格式、內(nèi)容、時(shí)間間隔等方面都存在差異，不同信息源提供的同一海區(qū)同一時(shí)期的海冰形態(tài)和分布范圍也不盡相同。因此，根據(jù)各數(shù)據(jù)共享源的發(fā)布頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量、格式特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)時(shí)頻與空間格式處理，將不同數(shù)據(jù)源處理成適合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[22,23]。

（1）時(shí)頻處理

北極航道海域在不同季節(jié)的海冰覆蓋情況差異很大，根據(jù)海冰對(duì)北極航道的影響程度，按是否適航分為通航期和非通航期。通航期指每年的7月到11月，全線通航時(shí)間約2到3個(gè)月。在通航期，船舶需要根據(jù)實(shí)際的冰情，分析海冰動(dòng)態(tài)，規(guī)劃安全經(jīng)濟(jì)的航行方案，通航期的冰況預(yù)報(bào)應(yīng)做到及時(shí)、準(zhǔn)確，因此將通航期（7月1日到11月30日）的數(shù)據(jù)發(fā)布頻率定為每日一次。隨著全球氣候變暖導(dǎo)致北冰洋海冰大量融化，非通航期的海冰動(dòng)態(tài)可用以分析海冰的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，也應(yīng)保持監(jiān)測(cè)，將非通航期（12月1日到次年6月30日）預(yù)報(bào)頻率定為半月一次。

（2）空間格式處理

由于不同海冰服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)需求、獲取手段和平臺(tái)不同，且各機(jī)構(gòu)之間缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致多源空間數(shù)據(jù)的空間格式不同，需要統(tǒng)一投影坐標(biāo)系，并進(jìn)行空間數(shù)據(jù)拼接。采用墨卡托投影和WGS-84坐標(biāo)系，以適應(yīng)航海要求和對(duì)接全球定位系統(tǒng)。

矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式、空間基準(zhǔn)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)變換，處理成shapefile，以海區(qū)為組織單位，在顯示系統(tǒng)中自動(dòng)鑲嵌完成拼接。柵格數(shù)據(jù)、遙感圖像和可地圖化圖片產(chǎn)品則進(jìn)行空間配準(zhǔn)、裁剪等處理，形成影像地圖產(chǎn)品，或者經(jīng)過(guò)數(shù)字化生產(chǎn)制成矢量數(shù)據(jù)。對(duì)于港口或者沿途標(biāo)志物等參考圖片，則通過(guò)地點(diǎn)名稱與航道所經(jīng)地點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，提供查詢顯示。屬性數(shù)據(jù)通過(guò)文檔格式轉(zhuǎn)換或者手工錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

由于發(fā)布海冰服務(wù)的機(jī)構(gòu)比較多，對(duì)于同一個(gè)海域，不同機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)質(zhì)量上都存在差異，需要從數(shù)據(jù)來(lái)源、處理方法和覆蓋范圍上進(jìn)行對(duì)比，并參考相應(yīng)的實(shí)測(cè)資料，如當(dāng)日的氣象資料、海冰報(bào)表等，以選擇更準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

以美國(guó)國(guó)家冰情中心（The U.S. National Ice Center, NIC）和美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center, NSIDC）發(fā)布的數(shù)據(jù)為例，圖2是分別利用美國(guó)國(guó)家冰情中心（左）和美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心（右）發(fā)布的數(shù)據(jù)處理得到的喀拉海2014年9月1日的海冰覆蓋范圍。從圖中可以看出，兩個(gè)海冰服務(wù)發(fā)布的喀拉海中部和西南部同一時(shí)間的海冰覆蓋范圍存在很大差異，這是由于兩個(gè)服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)源和處理方式存在差異。美國(guó)國(guó)家冰情中心利用雷達(dá)、可見(jiàn)光和紅外成像技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，綜合浮標(biāo)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)船資料，并利用海冰模型得到海冰分析和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和處理方式。而冰雪數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)大多根據(jù)其他海冰服務(wù)提供的數(shù)據(jù)再制作的，在數(shù)據(jù)時(shí)效和準(zhǔn)確度上都和冰情中心存在差距。因此喀拉海的海冰覆蓋范圍數(shù)據(jù)應(yīng)以美國(guó)國(guó)家冰情中心為準(zhǔn)，冰雪數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)

可以作為參考校驗(yàn)。

此外，俄羅斯的北極南極研究中心（AARI）也提供了俄羅斯北極沿岸各海區(qū)的海冰月平均覆蓋范圍和密度數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)布頻率上不能滿足系統(tǒng)的需要，但可用于校驗(yàn)其他海冰服務(wù)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 喀拉海2014年9月1日海冰覆蓋范圍（上：美國(guó)國(guó)家冰情中心；下：美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心）Fig.2 Ice coverage of Kara Sea in September 1st, 2014 from NIC (upper) and NSIDC (below)

2 結(jié)果與討論

通過(guò)獲取共享海冰數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻處理、空間格式處理，形成了覆蓋整個(gè)東北航道的海冰信息。根據(jù)規(guī)定，在北極航道海域，冰量低于10%的海域稱為開(kāi)闊水域，船舶可以自由航行；冰量為10%～50%時(shí)稱為稀疏冰，船舶可以航行，但不能按照預(yù)定航向航行；冰量高于80%時(shí)稱為密集冰，船舶航行需要破冰船支援，否則無(wú)法航行。

圖3為從2010年到2014年?yáng)|北航道從白令海到巴倫支海的各海域月度冰量，從圖中可以看出，整個(gè)航道所經(jīng)海區(qū)在8月到10月的冰量都在50%以下，其他月份的冰量則相對(duì)較高，且越靠近北極的海區(qū)冰量越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。如白令海和巴倫支海等海區(qū)在夏季的冰量在10%以下，對(duì)航行影響很小，而楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海等海區(qū)一年中大部分時(shí)間的冰量都高達(dá)90%。

以喀拉海2014年9月的海冰為例（圖4），海冰的融化和凍結(jié)都有一定的規(guī)律，由于航道距離陸地不遠(yuǎn)，一般航道水域的海冰融化較北邊海域更早。

通過(guò)分析冰量的趨勢(shì)，可以分析海冰對(duì)航道的影響，以及航道開(kāi)通和關(guān)閉的時(shí)間。仍以喀拉海為例，圖5顯示了自2010年到2014年間的覆蓋海域的月度冰量，圖中顯示：期間除了若干年份的一些月份冰量可能稍早或者推遲封凍外，每年冰量的變化趨勢(shì)基本相同，即：每年5月份開(kāi)始融化，7到8月間冰量急劇減少，到9月份冰量最小，降至20%以下；8月至10月上旬的冰量常常低于50%；10月到11月冰量急劇增加，在12月份即達(dá)到90%左右，至3、4月份一直保持封凍狀態(tài)，5月又開(kāi)始融化。

圖3 東北航道所經(jīng)主要海區(qū)的海冰冰量（2010～2014）Fig.3 Ice coverage of the main sea along the northeast route

圖4 喀拉海2014年9月冰量Fig.4 Ice coverage of Kara Sea in September 2014

因此，在沒(méi)有破冰船的幫助下，喀拉海安全通航的時(shí)間大概是每年的8月上旬到10月；而其他時(shí)期，海冰冰量基

本都在60%以上，船舶航行既不安全也不經(jīng)濟(jì)。按照航行經(jīng)驗(yàn)，沿著東北航道中國(guó)上海港到俄羅斯摩爾曼斯克港之間的距離約6479海里，約45天。因此，船舶最早可以在7月初從上海出發(fā)，經(jīng)東北航道，當(dāng)?shù)竭_(dá)喀拉海時(shí)海冰對(duì)船舶的影響不大，可以大大節(jié)約航行成本。

圖5 2010年到2014年喀拉海冰量變化Fig.5 The change of ice coverage in Kara Sea from 2010 to 2014

3 結(jié)論

本文以東北航道為例，根據(jù)發(fā)布北極海冰信息的海冰服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以從我國(guó)天津港到德國(guó)漢堡港的沿途海域?yàn)槔?，?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其滿足北冰洋航線安全保障的需求。根據(jù)研究?jī)?nèi)容得到如下主要結(jié)論：

（1）北極航道航程長(zhǎng)、途徑多個(gè)國(guó)家和海域，保障航道安全所需的數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同國(guó)家的共享數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)具有多樣性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空處理后，可以形成供航行規(guī)劃的相關(guān)信息。

（2）海冰是影響北極航行安全的核心因素。通過(guò)不同國(guó)家的北極海冰共享數(shù)據(jù)，獲取航道通航期的海冰覆蓋信息，可為保障航行安全提供服務(wù)；而非通航期的海冰信息也可用于監(jiān)測(cè)海冰動(dòng)態(tài)。

（3）利用高時(shí)頻發(fā)布的海冰信息和影響航行的環(huán)境信息，可為船舶夏季走東北航道做好詳細(xì)的規(guī)劃和布置，確保在北極海域安全航行。

（4）雖然海冰是影響航道安全的重點(diǎn)，但航道所經(jīng)區(qū)域的水文（海浪、潮汐等）和氣象（風(fēng)、能見(jiàn)度、海溫、氣壓）等也會(huì)對(duì)船舶航行產(chǎn)生很大影響。若將海冰數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)等有機(jī)結(jié)合，更有助于為航行安全提供有力保障的基礎(chǔ)信息，這是本項(xiàng)工作進(jìn)一步研究的方向。

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A multi-parameter database for Arctic shipping routes: The example of sea ice

SHAO Chen, JIANG Xue-Zhong, YUN Cai-Xing
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Global warming and sea ice melt have made commercial navigation possible in the Arctic Ocean in summer. However, it is rare for Chinese commercial vessels to use an Arctic shipping route to travel from Asian harbors to Europe. Before establishing Arctic shipping routes, we must collect basic geographic information to establish a geodatabase for Arctic navigation. In this paper, sea ice data is obtained from open-access websites from countries such as the USA, Canada, Norway, and Russia. These data meet the spatial, temporal, and formatting demands of the geodatabase. Data from different sources also provide a way to check for data consistency in the same time periods and geographic areas.

the arctic shipping route; sea ice; geodatabase infrastructure; navigation insurance; multi-resources data; information sharing

P208

A

2095-1329(2015)01-0090-05

2015-01-28

2015-03-06

邵晨(1990-),女,碩士生,研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)研究與開(kāi)發(fā).

電子郵箱: ellashaochen@163.com

聯(lián)系電話: 021-62233843

國(guó)家海洋局委托項(xiàng)目

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.021