氣候變化背景下北極航線綜合評(píng)估模型研究

汪楊駿，張韌，2，王哲，朱穎倩

(1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210044； 3.南京師范大學(xué)文學(xué)院 南京 210023)

氣候變化背景下北極航線綜合評(píng)估模型研究

汪楊駿1，張韌1，2，王哲1，朱穎倩3

(1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210044； 3.南京師范大學(xué)文學(xué)院 南京 210023)

在全球持續(xù)變暖的影響下,北極部分地區(qū)夏季出現(xiàn)無(wú)冰期，北極航線具有更短的航運(yùn)距離和相對(duì)穩(wěn)定的地緣政治人文環(huán)境。文章從氣候變化角度出發(fā),構(gòu)建包含航行環(huán)境模塊、航跡規(guī)劃模塊和航線經(jīng)濟(jì)效益模塊在內(nèi)的綜合評(píng)估模型,評(píng)估北極地區(qū)海冰、風(fēng)、浪、流等氣象水文地理要素對(duì)船舶航速的影響,確定北極地區(qū)的可航行天數(shù)；在此基礎(chǔ)上,利用A-Star算法尋找北極航線的最優(yōu)路徑,并分析該路徑上的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益；采用該評(píng)估模型對(duì)比在RCP4.5情景下2050年船舶往返歐亞大陸之間經(jīng)東北航線與經(jīng)蘇伊士運(yùn)河航線的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明，蘇伊士運(yùn)河航線的經(jīng)濟(jì)效益更高，北極航線可作為替補(bǔ)航線。

北極航線;氣候變化;航行速度;航線規(guī)劃;經(jīng)濟(jì)效益

1 引言

海洋貿(mào)易是世界貿(mào)易中最主要的組成部分，近年來(lái)隨著貿(mào)易運(yùn)輸需求的進(jìn)一步增大，傳統(tǒng)航線變得擁堵，加之自然災(zāi)害、地緣政治沖突、海盜襲擊等的影響，人們開(kāi)始尋找新的航運(yùn)通道。20世紀(jì)80年代初，Young等[1]就提出了“北極的生命周期”概念，強(qiáng)調(diào)了北極地區(qū)的戰(zhàn)略重要性。21世紀(jì)以來(lái)，在全球氣候持續(xù)變暖的影響下，北極部分地區(qū)出現(xiàn)無(wú)冰，更短的航運(yùn)距離和相對(duì)穩(wěn)定的地緣政治人文環(huán)境，激發(fā)起人們探索開(kāi)發(fā)北極航線的熱情。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，在極端情景下，到21世紀(jì)中葉北極夏季海域海冰將完全融化，到21世紀(jì)70年代末冬季海冰也將完全融化，北極實(shí)現(xiàn)通航不再是夢(mèng)想。

北極航線，通常指穿過(guò)北冰洋，連接太平洋和大西洋的海上通道[2]。主要分為3條航線：東北航線、西北航線以及中央航線。其中，東北航線從北歐出發(fā)，途經(jīng)北冰洋的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海，穿過(guò)新西伯利亞海和楚科奇海，抵達(dá)白令海峽；西北航線從白令海峽出發(fā)，沿阿拉斯加北岸，加拿大北極群島，抵達(dá)戴維斯海峽；中央航線從白令海峽出發(fā)，直接穿越北冰洋中心區(qū)域抵達(dá)格陵蘭海和挪威海(圖1)。

圖1 北極航道

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)北極航線進(jìn)行了研究，研究成果主要有2類：①?gòu)暮暧^角度綜合研究北極航線問(wèn)題。Trausti等[3]針對(duì)北極海冰融化的情景，分析了世界航運(yùn)業(yè)格局的變化；戴晉[4]對(duì)東北航道的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了東北航道開(kāi)通后我國(guó)航運(yùn)業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)；Hong等[5]分析了北極航道開(kāi)通對(duì)中國(guó)海運(yùn)的影響及相關(guān)對(duì)策；解國(guó)強(qiáng)[6]闡述了東北航線關(guān)鍵海區(qū)水文氣象地理要素分布情況，并分析了影響船舶在該水域安全航行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，在此基礎(chǔ)上提出若干安全航行的建議。②從經(jīng)濟(jì)成本、海冰條件等要素出發(fā)，研究其對(duì)北極航道的影響。Stroeve等[7]基于CMIP5、CMIP3及觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了北極地區(qū)海冰的年代際變化趨勢(shì)及季節(jié)性變化規(guī)律，為研究北極通航提供了豐富的海洋數(shù)據(jù)；挪威船級(jí)社[8]基于北極當(dāng)前氣候條件，對(duì)未來(lái)北極地區(qū)船舶活動(dòng)量及二氧化碳的排放量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Somanathan等[9]分析了不同情景下船只通過(guò)西北航道和巴拿馬運(yùn)河時(shí)的運(yùn)費(fèi)率和航行成本；Liu等[10]比較了干散貨運(yùn)輸在東北航道和蘇伊士運(yùn)河的經(jīng)濟(jì)效益；Way等[11]采用概率方法對(duì)不同航速下通過(guò)北極航道與蘇伊士運(yùn)河的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了模擬，分析得到最優(yōu)的航行速度。

綜上所述，對(duì)于北極航線自然環(huán)境(氣象水文地理?xiàng)l件)的評(píng)估主要以描述為主，側(cè)重于揭示北極航線上自然環(huán)境的現(xiàn)狀與未來(lái)變化趨勢(shì)。而對(duì)船舶在北極航線上的經(jīng)濟(jì)效益的分析中，自然環(huán)境常常只是假定的情景，少有文獻(xiàn)進(jìn)一步考慮自然環(huán)境變化對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)效益的直接影響。

本研究從氣候變化角度出發(fā)，構(gòu)建包含航行環(huán)境模塊、航跡規(guī)劃模塊、經(jīng)濟(jì)效益模塊在內(nèi)的綜合評(píng)估模型，用以評(píng)估海冰、風(fēng)、浪、流等氣象水文地理要素對(duì)船舶航速的影響，判斷北極可航行的天數(shù)；并在此基礎(chǔ)上利用A-Star算法，尋找北極航行的最優(yōu)路徑；最后對(duì)該條最優(yōu)路徑上的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

2 模型構(gòu)建

本評(píng)估模型主要分為3個(gè)模塊：航行環(huán)境模塊、航跡規(guī)劃模塊、航線經(jīng)濟(jì)效益模塊(圖2)。在航行環(huán)境模塊中，海冰情況、氣象水文等要素被輸入模型中，作為背景場(chǎng)分析其對(duì)不同類型船只航速的影響，同時(shí)輸出北極航線可航行的天數(shù)。在航跡規(guī)劃模塊中，根據(jù)背景場(chǎng)修正的不同區(qū)域船只標(biāo)準(zhǔn)航速結(jié)合局地地理信息進(jìn)行航跡規(guī)劃，優(yōu)選出航行時(shí)間最短的最優(yōu)航線。最后，綜合北極可航行天數(shù)以及最優(yōu)航線，對(duì)北極航線的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

圖2 北極航線綜合評(píng)估模型

2.1 航行環(huán)境模塊

采用加拿大交通部1998年提出的北極冰況運(yùn)輸系統(tǒng)(AIRSS)，用以評(píng)估不同類型的船舶(表1)在北極地區(qū)不同海冰狀況下(表2)的航行情況。

表1 船舶類型

表2 海冰類型

在這套系統(tǒng)中，綜合考慮了能見(jiàn)度、航行速度、破冰船的能動(dòng)性、工作人員的熟練度等，并采用IN指數(shù)反映特定船只在特定冰況下當(dāng)日可航行情況：

IN=(CaIMa)+(CbIMb)+…+(CnIMn)

(1)

式中：Ca代表a類海冰密度；IMn代表n類海冰的海冰乘子，用以計(jì)算該類海冰在影響船舶可航行時(shí)的權(quán)重(表3)。當(dāng)IN指數(shù)大于0時(shí)，表示該類船舶可在該類海冰區(qū)域中安全航行；當(dāng)IN指數(shù)小于0，則該類船舶不能在該類海冰區(qū)域中航行。

表3 海冰乘子 kn/h

2.2 航跡規(guī)劃模塊

基于全球氣象水位地理要素建立船舶航行速度在全球范圍內(nèi)的分布，基于航行時(shí)間最短的判別準(zhǔn)則，采用A-Star算法尋找目的地間的最優(yōu)航線。

2.2.1 海冰條件對(duì)航速的影響

海冰條件是影響船舶在北極地區(qū)航行速度的關(guān)鍵因素。海冰越厚、海冰越密集對(duì)船舶航行速度的減弱程度越大。最糟糕的航行情景是不得不租用破冰船來(lái)幫助航行，這無(wú)疑會(huì)增加整個(gè)航線的航運(yùn)成本。海冰密度和海冰厚度與航速之間的關(guān)系如表4所示。其中，DS指船舶的設(shè)計(jì)速度，在無(wú)冰或者海冰密度小于30%的水域，不考慮其他氣象水文要素，船舶以設(shè)計(jì)速度航行；此外斜體部分的數(shù)值是指在采用破冰船引航后船舶的航速。

表4 海冰條件與船速的關(guān)系[12]

2.2.2 海流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、浪高對(duì)船速的影響

在北極地區(qū)的無(wú)冰水域，船舶航速還受到環(huán)境要素，如風(fēng)、浪、流的影響。這些影響因子對(duì)船速的影響取決于這些影響因子的數(shù)值大小以及其與船舶航行方向之間的夾角。如，若船舶航行方向與風(fēng)和流的方向一致，則風(fēng)和流對(duì)航速起著促進(jìn)作用；反之，則阻礙船舶航行。此外，浪越高，船舶航行越困難，航速越慢。風(fēng)、浪、流與船速之間的關(guān)系如表5所示。其中，DS指設(shè)計(jì)速度，VC指洋流速度，順向指的是船速與風(fēng)向的夾角小于30°，逆向指船速與風(fēng)向的夾角大于150°，其余都為側(cè)向；此外，當(dāng)海冰密度超過(guò)30%時(shí)，這些要素的影響可以被忽略。

表5 海流、風(fēng)速風(fēng)向、浪高等要素與船速的關(guān)系

2.2.3 A-Star算法

A-Star算法是由P.E.Hart，N.J.Nilsson和B.Raphael共同提出的一種靜態(tài)路網(wǎng)中尋找最優(yōu)路徑的有效搜索方法[13]。常規(guī)算法(如Dijkstra算法)能夠確保找到最短路徑但需要遍歷整個(gè)網(wǎng)格，效率較低；貪心算法搜索速度快，但并不能保證尋找到最優(yōu)路徑。相比于Dijkstra算法和貪心算法，A-Star算法建立在啟發(fā)式算法之上，既能保證搜索速度，也能在啟發(fā)式算法的基礎(chǔ)上保證搜索的全局最優(yōu)性，其算法具體流程為6步。

(1)確定起始點(diǎn)start，目標(biāo)點(diǎn)end，開(kāi)啟列表open，閉合列表close。

(2)使用啟發(fā)式算法計(jì)算start點(diǎn)的效用函數(shù)f(n)，并將start點(diǎn)存入open列表中。

f(n)=g(n)+h(n)

(2)

式中：f(n)是從初始狀態(tài)經(jīng)由狀態(tài)n到目標(biāo)的估計(jì)代價(jià)值；g(n)是在狀態(tài)空間中從初始狀態(tài)到狀態(tài)n的真實(shí)代價(jià)值；h(n)是從狀態(tài)n到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)路徑估計(jì)代價(jià)值。

(3)將open列表中效用函數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)取出，作為當(dāng)前狀態(tài)n節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)存入close列表中。

(4)若n節(jié)點(diǎn)就是end節(jié)點(diǎn)，則算法結(jié)束，退出算法。否則，繼續(xù)執(zhí)行。

(5)考察n節(jié)點(diǎn)的所有可通行鄰節(jié)點(diǎn)，若close表中存在該節(jié)點(diǎn)，則跳過(guò)；若open表中不存在該節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)f，該節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)賦值為n節(jié)點(diǎn)，并將該節(jié)點(diǎn)加入open列表中；若open列表中已存在該節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)f，比較2次的效用函數(shù)f，用較小的f值替換較大的f值，并將父節(jié)點(diǎn)設(shè)為n節(jié)點(diǎn)。

(6)若open列表不空，則回到步驟(3)。否則，路徑尋找失敗，起始點(diǎn)與目的地之間沒(méi)有可通行路徑。

2.3 航線經(jīng)濟(jì)效益模塊

經(jīng)濟(jì)效益從運(yùn)費(fèi)、燃油費(fèi)、船舶折舊費(fèi)、常規(guī)費(fèi)用及過(guò)路費(fèi)5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定，即

經(jīng)濟(jì)效益=運(yùn)費(fèi)-燃油費(fèi)-船舶折舊費(fèi)-

常規(guī)費(fèi)用-過(guò)路費(fèi)[10]

(3)

式中：運(yùn)費(fèi)由貨物裝載量及在不同航道下年往返次數(shù)所決定。不同航道中的往返次數(shù)又與通過(guò)各航道的等待時(shí)間、船速及不同航道的路程所決定。北極海域海冰條件決定了北極航道的通航時(shí)間及航道積冰情況，與船舶性能共同決定了航速的快慢，從而影響航道總的航行路程和年往返次數(shù)。各要素計(jì)算方法為：

(4)

(5)

運(yùn)費(fèi)=載貨量×年往返次數(shù)×運(yùn)費(fèi)單價(jià)

(6)

總?cè)加唾M(fèi)由航行中燃油消耗量與燃油單價(jià)共同決定，其中燃油消耗量是船速和航行總路程的函數(shù)。關(guān)系表達(dá)為：

(7)

式中：N為年往返次數(shù)。

總?cè)加唾M(fèi)=燃油消耗量×燃油單價(jià)

(8)

船舶折舊費(fèi)指的是船舶在使用過(guò)程中的年折損費(fèi)用。常規(guī)費(fèi)用是指船舶航行過(guò)程中的管理維修費(fèi)用、保險(xiǎn)費(fèi)用及人工費(fèi)用。而過(guò)路費(fèi)是指通過(guò)不同航道所需繳納的費(fèi)用，如經(jīng)過(guò)東北航道要繳納破冰費(fèi)，而經(jīng)過(guò)蘇伊士運(yùn)河也要繳納一定的過(guò)路費(fèi)。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

海冰密度和海冰厚度數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)中心(NCAR)提供的CCSM4模式在RCP4.5情景下的2006—2010年逐日數(shù)據(jù)，格點(diǎn)數(shù)為360×180。

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(NOAA)提供的GFDL-ESM2G模式在RCP4.5情景下的2006—2010年逐月數(shù)據(jù)，格點(diǎn)數(shù)為360×210。

流場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自于1993—2014年法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CNRS)提供的AVISO+多衛(wèi)星融合逐日數(shù)據(jù)，格點(diǎn)數(shù)為480×241。

海浪資料來(lái)自于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的1979—2017年全球大氣再分析產(chǎn)品ERA-Interim逐日數(shù)據(jù)，精度為0.125°×0.125°。

地形數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)地球物理中心(NGDC)提供的ETOPO數(shù)據(jù)，精度為30′。

船舶信息、燃油費(fèi)、過(guò)路費(fèi)、日常運(yùn)營(yíng)費(fèi)用以及航運(yùn)收費(fèi)數(shù)據(jù)來(lái)自于北極航線相關(guān)文獻(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由于不同氣象數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)的精度不同。首先要對(duì)數(shù)據(jù)的空間尺度進(jìn)行歸一化處理。本研究以地形數(shù)據(jù)空間尺度為基準(zhǔn)，將不同空間尺度的氣象水文要素?cái)?shù)據(jù)插值到地形數(shù)據(jù)中。

4 數(shù)值仿真

本研究以蘇伊士運(yùn)河航線作為對(duì)照組，運(yùn)用上述模型，對(duì)北極航線東段即東北航線進(jìn)行評(píng)估。

航行方案設(shè)定為：①船舶只在蘇伊士運(yùn)河航線航行;②在北極航線開(kāi)通的時(shí)間內(nèi)在北極航線上航行，其余時(shí)間在蘇伊士運(yùn)河航線上航行。起點(diǎn)和終點(diǎn)為大連(亞洲)—鹿特丹(歐洲)。

以4 300TEU的集裝箱船為例，具體評(píng)估流程為：①利用全球氣象水文地理環(huán)境數(shù)據(jù)建立影響船舶航行的環(huán)境背景場(chǎng)。②利用航跡規(guī)劃模塊優(yōu)化從大連到鹿特丹的東北航線(圖3)，得到航線距離和各水域航速。③利用航行環(huán)境模塊，計(jì)算該優(yōu)化航線上的年均可航行天數(shù)(在本研究中，當(dāng)且僅當(dāng)最優(yōu)航線上所有格點(diǎn)的IN指數(shù)均大于0時(shí)，才可被記為可安全航行)。④利用航線經(jīng)濟(jì)效益模塊分析航行采用方案1與方案2的經(jīng)濟(jì)效益(表6)。

圖3 氣候變化背景下2050年?yáng)|北航線航跡規(guī)劃(最優(yōu)航線)

參數(shù)東北航線蘇伊士運(yùn)河可航行天數(shù)/d152365距離/nmile8056(7931)10907單次航行時(shí)間/d35(33)48船舶類型ICE1B集裝箱船常規(guī)集裝箱船船舶基準(zhǔn)航速/(kn·h-1)1414船舶折舊費(fèi)/(萬(wàn)美元·a-1)528440燃油費(fèi)/(美元·t-1)350350過(guò)路費(fèi)/(美元·t-1)—240800破冰費(fèi)/(美元·t-1)446000—常規(guī)費(fèi)用/(美元·d-1)89256100航運(yùn)收費(fèi)/(美元·TEU-1)12001200經(jīng)濟(jì)效益/(美元·a-1)43984004623100

注：東北航線中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為2013年中遠(yuǎn)集團(tuán)永盛輪從中國(guó)大連出發(fā)到荷蘭鹿特丹，順利完成北極東北航道首航任務(wù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

綜合評(píng)估模型模擬的結(jié)果顯示：在RCP4.5情景下，2050年該條北極航線在1 a中有152 d可航行；最優(yōu)航線長(zhǎng)度為8 056 n mile，相比于蘇伊士運(yùn)河10 907 n mile，該航線距離更短，航行時(shí)間可節(jié)省13 d。這與2013年中遠(yuǎn)集團(tuán)永盛輪從中國(guó)大連出發(fā)到荷蘭鹿特丹，順利完成北極東北航線首航任務(wù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)接近。經(jīng)濟(jì)效益方面：采用方案1的年收益為4 623 100美元，而采用方案2的年收益為4 398 400美元。因此，在RCP4.5情景下，2050年從大連(亞洲)到鹿特丹(歐洲)，蘇伊士運(yùn)河航線仍然是主要航運(yùn)樞紐，比北極航線有更高的經(jīng)濟(jì)效益；但未來(lái)北極航線在可航行時(shí)段將成為重要的替補(bǔ)航線，用以緩解蘇伊士運(yùn)河航線日益擁擠的情況。

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IntegratedAssessmentModelofArcticRouteswithClimateChange

WANG Yangjun1，ZHANG Ren1，2，WANG Zhe1，ZHU Yingqian3

(1.Institute of Meteorology and Oceanology，National University of Defense Technology,Nanjing 211101,China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China； 3.College of Liberal Arts，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China)

With the impact of global warming, parts of the Arctic region become ice free in summer. Comparing to the traditional sailing routes, the Arctic routes have shorter distance, more relatively stable geopolitical environment, which have stimulated people to explore the Arctic routes enthusiastically. This paper, from the perspective of climate change, built an integrated assessment model which contains navigation environment module, route planning module and economic profits module to assess the impact of meteorological and hydrological features such as the Arctic sea ice, wind, wave, flow and depth etc. on the sailing speed, to count the number of days that ships can navigate at the north pole. In the model, an A-Star algorithm was used to find the optimal path of Arctic routes and the economic profits of sailing on the Arctic routes had been calculated. The proposed model and algorithm was used to simulate an existing scenario (RCP4.5). The results showed that in the year of 2050, the economic benefits of the route through the Suez Canal will be higher, and the Arctic route can be used as a substitute route.

Arctic routes, Climate change, Navigation speed, Optimal routes, Economic profits

2017-08-10；

2017-11-17

“全球變化與海氣相互作用”國(guó)家專項(xiàng).

汪楊駿,博士研究生,研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張韌,教授,博士生導(dǎo)師,博士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境影響評(píng)估與決策

P731；U697

A

1005-9857(2017)12-0118-07