基于遙感數(shù)據(jù)的北極西北航道海冰變化以及通航情況研究

汪楚涯 楊元德 張建 田彪 丁明虎

研究論文

基于遙感數(shù)據(jù)的北極西北航道海冰變化以及通航情況研究

汪楚涯1, 2楊元德1張建1田彪2丁明虎2

(1武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心, 湖北 武漢 430079;2中國(guó)氣象科學(xué)研究院青藏高原與極地氣象科學(xué)研究所, 北京 100081)

使用不萊梅大學(xué)AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度數(shù)據(jù), 計(jì)算了2002—2018年加拿大北極群島7—9月的平均海冰面積, 研究了9月份平均海冰密集度變化特征; 結(jié)合商船破冰能力確定海冰密集度閾值, 選取西北航道關(guān)鍵區(qū)域, 統(tǒng)計(jì)了西北航道的通航窗口, 探討了西北航道在實(shí)際商業(yè)通航方面的可能性。研究發(fā)現(xiàn), 在過(guò)去17年加拿大北極群島的7—9月海冰面積整體呈下降趨勢(shì)但有明顯波動(dòng)性, 9月份的海冰分布年際變化復(fù)雜, 差異較大; 在西北航道可通航的年份中, 可通航的開(kāi)始日期一般在8月份, 結(jié)束日期在9月底至10月初, 南路可通航時(shí)間最短14天, 最長(zhǎng)達(dá)到80天?？偟膩?lái)說(shuō), 西北航道可通航年份和時(shí)間缺乏規(guī)律性。

加拿大北極群島 海冰變化 西北航道 北極航運(yùn)

0 引言

2014年加拿大商船“Nunavik”號(hào)成功通過(guò)西北航道到達(dá)中國(guó), 成為首艘獨(dú)立通過(guò)完整的西北航道運(yùn)輸貨物的商船, 跟通過(guò)巴拿馬運(yùn)河、蘇伊士運(yùn)河甚至非洲南部好望角的傳統(tǒng)路線相比, 此次通航的成功使大西洋港口和太平洋港口之間的距離縮短了約9 000 km, 大大降低了航線的經(jīng)濟(jì)成本和政治風(fēng)險(xiǎn)。可以預(yù)見(jiàn), 在全球持續(xù)變暖的背景下, 未來(lái)西北航道在夏季通航的可能性越來(lái)越大。西北航道和傳統(tǒng)航線相比的地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)能夠帶來(lái)巨大的航運(yùn)利潤(rùn)[1], 同時(shí)作為我國(guó)《“一帶一路”建設(shè)海上合作設(shè)想》中三大海上通道的北極航道的重要一環(huán), 西北航道的開(kāi)通能有效推進(jìn)我國(guó)與沿線國(guó)家的的戰(zhàn)略合作[2-3]。西北航道的航線從白令海峽離開(kāi)太平洋, 向東沿著美國(guó)阿拉斯加北部海岸, 穿過(guò)加拿大北極群島水域, 最后從蘭開(kāi)斯特海峽進(jìn)入巴芬灣。然而影響整個(gè)西北航道能否開(kāi)通的一個(gè)重要因素是加拿大北極群島區(qū)域的海冰條件, 水道內(nèi)海冰的時(shí)空分布直接關(guān)系著西北航道商業(yè)航行的安全及通航的時(shí)間, 海冰條件的監(jiān)測(cè)是了解西北航道通航的關(guān)鍵[4-5]。

20世紀(jì)70年代末, 遙感技術(shù)的迅速發(fā)展讓人們對(duì)海冰的監(jiān)測(cè)能力有了很大的提高, 如今遙感已成為監(jiān)測(cè)全球海冰變化的最有效的手段之一。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用遙感對(duì)北極地區(qū)海冰變化的研究較多, 但是很少關(guān)注到區(qū)域海冰變化對(duì)于商業(yè)航線的影響, 尤其是冰情較為復(fù)雜的西北航道區(qū)域。雖然Granberg[6]早在1998年便討論過(guò)有關(guān)北極航道商業(yè)用途的趨勢(shì)和前景, 但由于西北航道在2005年以前實(shí)際通航情況較少, 專門(mén)針對(duì)其海冰變化以及通航條件的研究不多。Howell和Yackel[7]、Haas和Howell[8]用加拿大冰服務(wù)中心數(shù)據(jù)及被動(dòng)微波數(shù)據(jù)分析了西北航道上海冰和航運(yùn)活動(dòng)的關(guān)系以及加拿大北極群島整體海冰的變化, 研究指出在2003年以前西北航道都未曾通航, 即使在2015年的極暖氣候條件下, 西北航道的海冰依舊很密集。Pizzolato等[9]利用加拿大北部地區(qū)一年和多年冰數(shù)據(jù), 結(jié)合觀測(cè)船舶的運(yùn)輸數(shù)據(jù)集進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 指出船舶交通量在年和月尺度統(tǒng)計(jì)上都出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng), 這和航運(yùn)季節(jié)海冰面積的下降同時(shí)發(fā)生; 他們還指出, 旅游和資源勘探等需求也是導(dǎo)致北極航運(yùn)活動(dòng)增加的原因。蘇潔等[10]用AMSR-E海冰密集度遙感數(shù)據(jù)研究了2002—2008年西北航道海冰分布情況, 統(tǒng)計(jì)分析了沿西北航道各線路冰障代表站點(diǎn)的融化期、輕冰期、無(wú)冰期、無(wú)冰天數(shù)和輕冰天數(shù), 并以此為衡量通航程度的指標(biāo), 指出了海冰通常是從冰間湖及固定冰與流冰間的水道開(kāi)始融化。付強(qiáng)[11]研究了2003—2011年西北航道的關(guān)鍵區(qū)域在7、8、9月固定日期的通航情況, 提出用關(guān)鍵區(qū)域判斷整條航道通航條件的研究方式。李春花等[12]通過(guò)AMSR-E和AMSR2遙感數(shù)據(jù)分析匯總了2002—2013年西北航道的開(kāi)通狀況并給出了影響通航的主要區(qū)域?yàn)榫S多利亞海峽、皮爾海峽、麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽。Liu等[13]用定義“通航窗口”的方法研究了2006—2015年西北航道各路線開(kāi)始通航和結(jié)束通航的日期及通航時(shí)間, 為北極商業(yè)航運(yùn)提供了時(shí)間信息支持。

在上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究中, 部分目前已缺少時(shí)效性, 且只關(guān)注了西北航道內(nèi)海冰的時(shí)空變化特征, 沒(méi)有給出選擇航線的標(biāo)準(zhǔn), 同時(shí)缺少對(duì)商業(yè)運(yùn)輸需求的考慮。雖然Liu等[13]提出的“通航窗口”在航線選擇和通航時(shí)間信息方面能夠?yàn)樯虡I(yè)航運(yùn)提供很好參考, 但是由于西北航道內(nèi)冰情變化復(fù)雜, 每年具體開(kāi)通的日期都不同, 通航的平均起止日期(通航窗口)有較大的標(biāo)準(zhǔn)差, 這在實(shí)際考慮船行安全的通航計(jì)劃下意義不大。

綜上所述, 將北極西北航道冰情時(shí)空信息與商業(yè)航運(yùn)如何更好地結(jié)合起來(lái)是目前研究所關(guān)心的。本文利用2002—2018年的海冰密集度產(chǎn)品分析了加拿大北極群島的海冰變化, 并結(jié)合商業(yè)航運(yùn)所需基本條件來(lái)評(píng)估西北航道的主要通航路線, 較全面地了解最近17年西北航道的海冰和商業(yè)航運(yùn)路線情況, 為未來(lái)發(fā)展和利用西北航道提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 西北航道及其水路條件

西北航道是由羅伯特·麥克盧爾(Robert M'Clure)爵士在19世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的, 是連接北大西洋和北太平洋之間的各種海上航線的總稱, 航道橫跨了加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago, CAA)。CAA水域島嶼密集, 水道眾多, 冰情復(fù)雜, 西南側(cè)為波弗特海及加拿大的西北部沿岸, 東南側(cè)為巴芬灣和格陵蘭島, 經(jīng)緯度范圍在60°W—130°W、65°N—84°N之間。在“北極海運(yùn)2009評(píng)估報(bào)告”(Arctic Marine Shipping Assessment 2009 Report, AMSA_2009)中列出了5條具有可行性的西北航道路線[14](表1), 這些路線幾乎包含了波弗特海南部到巴芬灣之間的所有連通水道(5號(hào)路線通向?？怂篂扯前头覟?。

表1 AMSA_2009報(bào)告中提供的西北航道路線[14]

續(xù)表1

除了表1中的5條路線外, Sou和Flato[15]在研究中還給出了另一條線路, 即不走PS而從威爾士王子群島西側(cè)繞行, 通過(guò)麥克林托克海峽(M’Clintock Channel, MCC)從帕里水道進(jìn)入維多利亞海峽(VS)。這條線比PS線路的路程更遠(yuǎn), 并且冰情也更重, 實(shí)際航行中基本不考慮選擇這條航線。雖然AMSA報(bào)告中給出的西北航道水路眾多, 但這些水路并不一定都滿足普遍的商業(yè)航運(yùn)條件, 我們有必要對(duì)水路的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)一步了解和說(shuō)明。西北航道的各線路如圖1所示。

Fig.1. Water routes of the Northwest Passage. The red dotted line is an alternative to the main routes, and the solid red lines are the main routes

通過(guò)AMSA提供的航道信息[14], 3B線路中JRS區(qū)域受到眾多島嶼的限制, 具有大量的淺灘, 與其相連的RS航道的中央最大深度僅有5—18 m, SS處的通道約3 km, 是整條航線上最狹窄和危險(xiǎn)的區(qū)域。因此線路3B只能通過(guò)吃水深度較淺的船, 且需要繞行, 相較之下3A路線通過(guò)的VS區(qū)域水更深, 且路線更直接, 商業(yè)航運(yùn)的價(jià)值更高, 不過(guò)冰情也相對(duì)嚴(yán)重。3B路線通常作為3A路線的備用路線, 本文不作更多分析研究。線路4和線路5都通過(guò)貝洛特海峽(BTS), 該海峽長(zhǎng)度短, 寬度非常狹窄(在被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)中無(wú)法直接觀察其冰情), 伴隨著方向不斷變化的強(qiáng)大水流, 這些因素都會(huì)對(duì)通過(guò)這里的船只造成危險(xiǎn), 不利于普遍的航運(yùn)。其中線路4的PRI路段有較好的冰情, 能滿足一定的商業(yè)航運(yùn)需求, 可作為3A路線的另一種備選方案。線路5的路線最長(zhǎng), FHS十分狹窄并有快速的水流, 對(duì)于中度到深度吃水的船舶來(lái)說(shuō), 這條線路不被認(rèn)為是可行的商業(yè)通道, 并且由于該路線深入加拿大國(guó)土內(nèi)部, 容易在政治因素上受制。雖然容易受到海冰條件的影響, 但是對(duì)中度到深度吃水的船只而言, 1號(hào)線和2號(hào)線在深度、寬度及路程上都是首選; 3A路線的PS水道也有超過(guò)400 m深度, 同時(shí)整條路線的冰情相對(duì)1、2號(hào)線路更輕, 所以我們認(rèn)為這3條航線是目前最值得期待的西北航道線路。

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的主要數(shù)據(jù)為德國(guó)不萊梅大學(xué)提供的2002—2018年高分辨率逐日海冰密集度產(chǎn)品(https://seaice.uni-bremen.de/start/data-archive/), 該產(chǎn)品由PHAROS(Physical Analysis of Remote Sensing images)小組利用AMSR-E和AMSR2衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)ASI(Artist Sea Ice)算法反演得到[16], 空間分辨率為6.25 km, 2011年10月份空缺部分用不萊梅大學(xué)提供的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager/Sounder)數(shù)據(jù)補(bǔ)充。其中AMSR-E搭載在NASA衛(wèi)星Aqua上, 其數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2002—2011年。AMSR2作為AMSR-E的繼任者搭載在衛(wèi)星Shizuku(GCOM-W1)上, 于2012年起提供數(shù)據(jù)至今。AMSR2和AMSR-E作為被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù), 具有全天時(shí)、全天候觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn), 與美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的空間分辨率為25 km的SMMR、SSM/I和SSMIS被動(dòng)微波數(shù)據(jù)產(chǎn)品相比, AMSR-E和AMSR2雖然時(shí)間跨度不夠長(zhǎng), 但是有更高的空間分辨率。

需要注意的是, 被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)在海冰生長(zhǎng)期往往無(wú)法分辨出新冰和開(kāi)闊水域, 并且在夏季海冰融化期容易受到融池影響, 導(dǎo)致低估實(shí)際的海冰密集度, 這在Agnew和Howell[17]的研究中有詳細(xì)的說(shuō)明。

2 西北航道的海冰條件

有不少研究報(bào)告[18-21]指出過(guò)去幾十年間北極海冰范圍有顯著的下降趨勢(shì)。加拿大北極群島水域的海冰約占夏季北極海冰的15%, Tivy等[22]的研究表明其海冰范圍在1968—2008年期間每10年減少2.9%±1.2%, Howell等[23]還指出在1979—2008年期間加拿大北極群島9月份平均海冰面積每10年減少8.7%。隨著加拿大北極群島海冰覆蓋范圍和面積的縮減, 該區(qū)域的商業(yè)利用將會(huì)急劇增加, 尤其在夏季[24]。由于近年來(lái)有關(guān)西北航道的海冰條件的研究較少, 我們利用海冰密集度數(shù)據(jù)對(duì)加拿大北極群島區(qū)域2002—2018年海冰條件進(jìn)行了分析, 這里得到的結(jié)果將是我們用來(lái)評(píng)估和選擇西北航道商業(yè)航線的依據(jù)。

2.1 7—9月加拿大北極群島海冰面積年際變化

人們一般認(rèn)為北極海冰面積最低值出現(xiàn)在9月份, 但是區(qū)域性海冰面積也許會(huì)受到如地形等因素影響而導(dǎo)致其最低值出現(xiàn)時(shí)間不確定。因此, 針對(duì)加拿大北極群島水域, 計(jì)算了其2002—2018年間的7、8、9月份的平均海冰面積, 具體的計(jì)算區(qū)域如圖2a所示。

Fig.2. Interannual variation of sea ice area in Canadian Arctic Archipelago. a) sea ice calculation area in CAA ( blue lines are sea ice main input channel, the black dotted line is the Parry Channel); b) the variations in average sea ice area of CAA from 2002 to 2018 in July, August and September

通過(guò)加拿大北極群島海冰面積的時(shí)間序列(圖2b)可以看出, 加拿大北極群島7、8、9月份海冰面積呈現(xiàn)出振蕩減少的趨勢(shì)。其中7月的海冰面積相較于8、9月份的年際變化振蕩幅度小, 其海冰面積下降的線性趨勢(shì)比較明顯(2=0.493); 8、9月份的平均海冰面積較為接近, 而8月份和7月份則相差較大, 這說(shuō)明了8月份是該區(qū)域每年海冰融化最多的月份, 而9月份是該區(qū)域每年海冰面積最小的月份。8、9月份的海冰年際變化表現(xiàn)出波動(dòng)較大且有一定規(guī)律性的特點(diǎn), 海冰面積在出現(xiàn)極低值后往往會(huì)有恢復(fù)上升的趨勢(shì)(例如2002年、2007年、2012年和2015年), 這可能是多種因素綜合作用的結(jié)果, 用更長(zhǎng)的時(shí)間序列或許能夠更好地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題, 對(duì)此本文不做更詳細(xì)研究。

通過(guò)最近17年加拿大北極群島的海冰面積變化可知, 雖然海冰面積在逐漸減少, 但是并沒(méi)有明顯趨勢(shì)說(shuō)明海冰會(huì)一直保持在一個(gè)極低的水平, 最近幾年較高的海冰面積說(shuō)明了西北航道的冰情依舊很嚴(yán)重。不過(guò), 如果西北航道要實(shí)現(xiàn)商業(yè)航運(yùn), 海冰面積最低的9月份將是首先需要考慮通航的月份。

2.2 9月份加拿大北極群島海冰分布及年際變化

在9月份平均狀態(tài)下的整條西北航道上, 巴芬灣區(qū)域和波弗特海南部區(qū)域幾乎沒(méi)有海冰, 所以加拿大北極群島中海冰的分布是對(duì)西北航道商業(yè)航運(yùn)最直接的影響。圖3為加拿大北極群島區(qū)域2002—2018年9月的平均海冰密集度分布圖, 反映了西北航道在最易通航月份的海冰分布情況。

圖3 加拿大北極群島2002—2018年9月平均海冰密集度

Fig.3. Mean sea ice concentration in CAA in September during 2002—2018

加拿大北極群島內(nèi)水道會(huì)受到北冰洋海冰動(dòng)力流入的影響, 多年冰的流入和局地海冰生成共同導(dǎo)致包括帕里水道在內(nèi)的西北航道冰情復(fù)雜[25]。麥克盧爾海峽(MCS)以及伊麗莎白女王群島(QEI)的幾個(gè)北門(mén)通道(圖2a藍(lán)色劃線部分)是北冰洋和加拿大北極群島海冰交換的主要通道, 因此加拿大北極群島的西北側(cè)表現(xiàn)出較重冰情, 通常海冰密集度在80%以上(圖3)。2007年以來(lái), MCS開(kāi)始出現(xiàn)少冰(如2007年)甚至無(wú)冰(如2011年)的情況, 其直接原因是波弗特海和加拿大盆地的海平面高壓異?；顒?dòng)自2007年開(kāi)始更加頻繁, 北冰洋多年冰流入MCS的速度變慢[26]。這種狀況給了我們通過(guò)蘭開(kāi)斯特海峽(LS)和帕里水道直接穿越加拿大北極群島的可能。與南側(cè)彎曲復(fù)雜的并且水深較淺的水道相比, 這條航路能大大節(jié)約航行時(shí)間、提高商船運(yùn)力、增加安全系數(shù)和經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。

有研究[22,27]指出, 除了MCS外, 拜厄姆馬丁海峽(Byam Martin Channel, BMC)同樣能通過(guò)多年冰的流入影響帕里水道的海冰狀況, 從而影響該西北航道線路的開(kāi)通。Howell等[5,22]通過(guò)研究2007年和2011年西北航道的海冰狀況, 發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)天氣形勢(shì)不利于多年冰通過(guò)BMC, 且局地甚至北極地區(qū)的異常增暖使得海冰快速融化, 加拿大北極群島的多年冰明顯減少, 帕里水道才能完全開(kāi)通。

Howell等[22,25]的研究中還表示, 西帕里水道的多年冰能夠繼續(xù)沿水道流入加拿大北極群島南部, 使MCC和VS的海冰增加。東帕里水道主要為BS和LS。在CAA冰情嚴(yán)重的年份BS的海冰密集度通常達(dá)到40%以上(如2003年); 而LS由于受到北大西洋暖流的影響, 通常處于無(wú)冰狀態(tài), 其冰情最嚴(yán)重的年份為2003年, 平均海冰密集度達(dá)到30%—40%。另外, 加拿大Bedford海洋研究所在BS處的觀測(cè)結(jié)果表明[26], BS北部表流層在夏季由東向西, 而B(niǎo)S南部表流層則全年為由西向東, 這在很大程度上解釋了帕里水道表現(xiàn)出的北側(cè)冰輕, 南側(cè)冰重的現(xiàn)象[10](如2004年)。

上述提到的現(xiàn)象及其相關(guān)研究大多是觀察或分析2013年以前CAA的海冰分布情況得出的, 而關(guān)于2013年以后CAA的海冰分布情況的研究還較少。通過(guò)觀察最近5年(2014—2018年)的海冰分布圖, 我們發(fā)現(xiàn)2014年和2018年VS海冰相比其他年份有明顯增多, VS自2004年后再次完全被海冰堵塞, 這大大影響了船舶在CAA南路的航行; 另外, 2015年西帕里水道的海冰分布表現(xiàn)為VMS區(qū)域海冰較多而MCS和BMC海冰較少, 這和2013年和2016年的海冰分布情況恰好相反; 除2015年外, 西帕里水道均表現(xiàn)出較重冰情, 其中2017年西帕里水道冰情主要表現(xiàn)為北重南輕, 而2018年西帕里水道冰情表現(xiàn)為北輕南重。這些現(xiàn)象說(shuō)明了最近5年CAA海冰分布依舊復(fù)雜多變, 年際差異較大, 而帕里水道海冰變化的機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

我們對(duì)研究區(qū)域2002—2018年的9月平均海冰密集度再進(jìn)行了多年平均, 得到2002—2018年9月氣候平均海冰密集度(圖3)。從氣候平均下的海冰密集度分布圖可以直觀地看出加拿大北極群島的普遍冰情, MCS海冰密集度為50%—80%, VMS至MCC的海冰密集度為50%—60%, BS為10%—30%, 而VS以南的區(qū)域基本上處于無(wú)冰或密集度很低的情況(小于10%), BS至VS之間的PS是西北航道南側(cè)路線的重要區(qū)域, 其氣候平均下的海冰密集度在10%—20%?？偟膩?lái)看, 加拿大北極群島的冰情自2005年以來(lái)明顯變輕, 但是帕里水道的海冰密集度依然很高。

3 航線討論

3.1 西北航道航線開(kāi)通條件

針對(duì)表1中的3條重要西北航道路線1號(hào)線、2號(hào)線和3A路線, 結(jié)合近17年海冰密集度分布情況以及蘇潔、李春花等人的研究結(jié)果[10-13], 我們選取了幾個(gè)影響西北航道通航的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn), 量化了其海冰密集度作為整條線路能否通航的判斷條件, 并以此統(tǒng)計(jì)了西北航道在過(guò)去17年的可通航狀況, 研究過(guò)程中我們以從西向東作為船舶前行的方向進(jìn)行說(shuō)明。1、2號(hào)路線上我們選取了MCS區(qū)域、PWS區(qū)域、VMS區(qū)域以及VMS—BS區(qū)域中間部分4個(gè)節(jié)點(diǎn), 3A路線我們選取了CG—QMG區(qū)域水路的拐角部分、VS區(qū)域、PS區(qū)域以及BS區(qū)域4個(gè)節(jié)點(diǎn), 以上區(qū)域海冰較多且地理?xiàng)l件復(fù)雜, 均為影響航線通航的關(guān)鍵區(qū)域。盡管BS區(qū)域也在1、2號(hào)線路上, 但由于西帕里水道冰情明顯要比東帕里水道嚴(yán)重, 在前面4個(gè)區(qū)域可通航的情況下BS區(qū)域通常也處于可通航狀態(tài), 所以我們不將BS區(qū)域作為1、2號(hào)線路上的判斷節(jié)點(diǎn)。具體的選取區(qū)域如圖4所示。其中我們將1、2號(hào)線, 即沿N1—N3—N4和N2—N3—N4線路統(tǒng)稱為北路, 3A號(hào)線沿S1—S2—S3—S4稱為南路。

圖4 西北航道南北路節(jié)點(diǎn). 圖中藍(lán)線為北路, 紅線為南路

Fig.4. North and south route nodes of the Northwest Passage. Blue line is north route and red line is south route

對(duì)于商業(yè)航運(yùn)的通航評(píng)估條件, 我們將15%海冰密集度作為閾值來(lái)區(qū)分航道有冰和無(wú)冰。Liu等[13]和馬龍等[28-29]的研究表示, 中國(guó)商船“永盛”輪的破冰能力(Arc4)能夠在東北航道40%海冰密集度下不需要破冰船援助航行。西北航道和東北航道不同, 西北航道海冰多為多年冰, 對(duì)商船的破冰能力要求更高。根據(jù)國(guó)際海事組織(Interna-tional Maritime Organization, IMO)的極地操作限制評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)引系統(tǒng)(POLARIS)標(biāo)準(zhǔn)[30], 無(wú)冰條件下的船舶航行風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為3, 多年冰條件下PC6冰級(jí)的船舶航行的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為–3, 當(dāng)冰區(qū)只有多年冰和無(wú)冰兩種情況時(shí), 以40%海冰密集度為閾值計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)果值(Risk Index Outcome, RIO, 每個(gè)冰區(qū)現(xiàn)有冰類的密集度乘以相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值之和)為0.6, RIO大于0表明船舶可以正常操作。因此, 在西北航道上我們以PC6破冰能力的商船作為參考, 同樣選擇40%海冰密集度作為商船能破冰航行的閾值條件。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的平均海冰密集度小于閾值連續(xù)3天時(shí), 可認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)可通航, 連續(xù)3天大于閾值則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不可通航。當(dāng)沿航線上所有節(jié)點(diǎn)均為可通航時(shí)則認(rèn)為整條航線處于可通航狀態(tài), 并以航線連續(xù)3天處于可通航狀態(tài)的第1天為通航窗口起始日, 連續(xù)3天處于不可通航狀態(tài)的最后1天為通航窗口結(jié)束日。圖5展示了2007年和2014年西北航道9月份南北路各節(jié)點(diǎn)的平均海冰密集度變化。

圖5 2007年和2014年西北航道南北路節(jié)點(diǎn)每日海冰密集度變化. 紅色虛線表示15%的海冰密集度, 藍(lán)色虛線表示40%的海冰密集度

Fig.5. Variations of daily sea ice concentration of the north and south route nodes of the Northwest Passage in 2007 and 2014. The red dotted line represents 15% sea ice concentration, and the blue one represents 40% sea ice concentration

從圖5中可以看出, 2007年南路各節(jié)點(diǎn)的海冰密集度在整個(gè)9月份都處于15%以下, 北路只有N4節(jié)點(diǎn)的平均海冰密集度在整個(gè)9月處于15%以下, N1、N2和N3的海冰密集度在9月20日前處于15%—40%之間, 9月20日之后N1、N2和N3的海冰密集度均開(kāi)始上升, 其中N3上升得最快, 在9月25日后全部超過(guò)40%。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的海冰密集度變化可知, 2007年西北航道南路基本處于無(wú)冰開(kāi)通狀態(tài), 商船不需要破冰能力即可通行, 在2007年9月20日前, 西北航道北路的1號(hào)路線(N2—N3—N4)和2號(hào)路線(N1—N3—N4)都對(duì)PC6破冰能力的商船開(kāi)通, 20日以后由于VMS海冰增多而航線封閉。2014年的海冰冰情比2007年嚴(yán)重, 西北航道北路僅N2節(jié)點(diǎn)在9月4日—9月22日之間處于40%海冰密集度以下, N3和N4節(jié)點(diǎn)的高海冰密集度讓北路的兩條路線在整個(gè)9月均無(wú)法開(kāi)通; 南路S1和S4節(jié)點(diǎn)在整個(gè)9月基本處于15%海冰密集度以下, 9月14日以前南路對(duì)PC6破冰能力的商船可通航, 但15日以后S2節(jié)點(diǎn)處海冰密集度突然上漲, 切斷了整條南路航線。我們通過(guò)2007年和2014年9月的日尺度海冰密集度數(shù)據(jù)可以直觀地看到西北航道航線冰情的前后變化(圖6),圖6中2007年9月23日VMS處已經(jīng)封閉, 2014年9月19日VS處已經(jīng)封閉。

圖6 2007年和2014年西北航道冰情變化過(guò)程

Fig.6. The changes of the sea ice condition in the Northwest Passage in 2007 and 2014

3.2 2002—2018年西北航道通航窗口統(tǒng)計(jì)

我們采用上述相同的方法, 定量得出各節(jié)點(diǎn)2002年—2018年8—10月每日的平均海冰密集度(2011年10月缺少的數(shù)據(jù)采用SSMIS數(shù)據(jù)代替), 并以15%和40%為閾值統(tǒng)計(jì)了西北航道北路和南路通航窗口(表2), 和過(guò)去研究中采用目視解譯來(lái)判斷航道能否通航的方法相比, 我們根據(jù)節(jié)點(diǎn)具體的平均海冰密集度數(shù)值來(lái)說(shuō)明航道的可通航狀況的方法更加有效和客觀。針對(duì)選取的這幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn), 我們發(fā)現(xiàn)北路4個(gè)區(qū)域在過(guò)去17年中海冰密集度變化沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系(圖未給出), 其中N2區(qū)域相對(duì)而言比較穩(wěn)定, 平均海冰密集度通常在40%以下, 而N4區(qū)域的變化最為復(fù)雜, 4個(gè)節(jié)點(diǎn)均對(duì)航線的通航窗口有明顯影響。對(duì)于南路, S1區(qū)域在8月份和9月份基本保持在15%海冰密集度以下, 可以認(rèn)為S1區(qū)域基本不會(huì)影響每年的航線的開(kāi)通。S3和S4區(qū)域是決定南線開(kāi)通的最關(guān)鍵區(qū)域, 尤其是S3區(qū)域, 海冰密集度通常是4個(gè)節(jié)點(diǎn)中最高的; S2區(qū)域的密集度變化最不穩(wěn)定, 通常在20%以下, 但在個(gè)別年份會(huì)受到多年冰流入的影響, 海冰密集度上升至50%左右, 進(jìn)而切斷了南路的通航。

表2 2002—2018年西北航道北路和南路通航窗口

我們用表2中15%密集度條件下的可通航時(shí)間和李春花等[12]統(tǒng)計(jì)的2002—2013年的西北航道開(kāi)通記錄比較, 結(jié)果相當(dāng)一致。從我們得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看, 在商船沒(méi)有破冰能力的情況下, 西北航道北路僅在2010、2011、2012和2015年開(kāi)通, 其中2015年僅開(kāi)通了17天。而西北航道南路從2006年起, 除了2013、2014和2018年外都有開(kāi)通, 開(kāi)通時(shí)間除了2009年較短(12天), 其他年份均在40天以上。

在擁有破冰能力后, 商船在西北航道的可通航次數(shù)明顯增加。從表2中可知, 若商船具備PC6級(jí)破冰能力, 西北航道南路在2002年9月就滿足40%海冰密集度下破冰通航的條件, 從2005年開(kāi)始, 最短通航時(shí)間為2014年的14天, 最長(zhǎng)時(shí)間為2012年的80天。西北航道北路由于MCS和VMS的海冰密集度通常在60%以上, 即使商船具備PC6破冰能力, 能夠通過(guò)破冰通航的年份也只有2007年、2008年和2016年。

總的來(lái)看, 最近幾年西北航道可通航時(shí)間沒(méi)有上升的趨勢(shì), 2018年西北航道幾乎不能通航。西北航道的可通航開(kāi)始日期通常在8月, 結(jié)束日期通常在9月底至10月初, 一般而言南路最先開(kāi)通并最后關(guān)閉。

圖7統(tǒng)計(jì)了西北航道2002—2018年在兩種條件下商船能夠通航的總天數(shù), 可以看出對(duì)于具有破冰能力的商船, 可通航時(shí)間有一定提升。在冰情較重的年份, 西北航道通過(guò)破冰能有2周左右的通航時(shí)間, 在冰情較輕的年份, 航線開(kāi)通時(shí)間能在60天以上, 無(wú)冰天數(shù)在50天以上。不過(guò), 西北航道北路可通航年份和時(shí)間缺少規(guī)律性, 這和西帕里水道復(fù)雜的海冰條件有關(guān), 即使在商船有破冰能力的條件下, 北路也還需要等待北冰洋進(jìn)一步向夏季無(wú)冰狀態(tài)過(guò)渡才有可能穩(wěn)定開(kāi)通?？偠灾? 以上的數(shù)據(jù)說(shuō)明了西北航道南路是目前比較可行的線路, 預(yù)計(jì)也將最先開(kāi)通投入商業(yè)航運(yùn), 近幾年來(lái)西北航道無(wú)冰通道出現(xiàn)次數(shù)不多, 為了確保正常的航行, 西北航道上的商船有必要具有較好的破冰能力。

圖7 2002—2018年西北航道可通航天數(shù)

Fig.7. Days of navigation of the Northwest Passage from 2002 to 2018

4 討論與結(jié)論

隨著全球持續(xù)變暖, 有研究[31]表明1990—2015年間加拿大北極地區(qū)船只行駛量增加了近3倍, 其中加拿大商船“Nunavik”號(hào)在2014年冰情較為嚴(yán)重的條件下順利通過(guò)了西北航道, 這些結(jié)果讓我們相信隨著未來(lái)商船破冰能力的普遍提高, 西北航道將成為一條穩(wěn)定的航線。不過(guò), 西北航道要實(shí)現(xiàn)全面開(kāi)通依舊還面臨很多問(wèn)題, 例如由于西北航道緊鄰加拿大海域, 航道未來(lái)的開(kāi)通必然會(huì)引發(fā)一系列政治問(wèn)題[32]; 其次, 目前西北航道的海冰厚度信息較少, 獲取西北航道持續(xù)和準(zhǔn)確的海冰厚度信息對(duì)夏季冰情以及夏季航運(yùn)季節(jié)海冰危害的評(píng)估有重要意義, 這也是后續(xù)需要進(jìn)一步展開(kāi)的工作。

本文通過(guò)使用AMSR-E和AMSR2衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)反演得到的6.25 km分辨率日尺度海冰密集度產(chǎn)品較全面地研究了2002—2018年加拿大北極群島9月海冰面積和海冰分布的變化, 結(jié)合商業(yè)運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)條件選取了3條主要西北航道路線, 并選取路線上的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分析, 統(tǒng)計(jì)了2002—2018年9月西北航道南北路可通航的基本情況。下面是我們得到的幾點(diǎn)結(jié)論。

1. 加拿大北極群島7—9月的海冰面積在2002—2018年期間總體呈下降趨勢(shì), 但有明顯的年際變化; 在2002—2018年的氣候平均下, MCS處海冰密集度在50%—80%之間, 西帕里水道VMS區(qū)域海冰密集度在40%—60%之間, VMS至BS之間同樣有接近60%的海冰密集度, MCC處海冰密集度在50%左右, VS、PS和BS區(qū)域海冰密集度均在30%以下, 而CAA南部水道基本上處于無(wú)冰狀態(tài)。CAA冰情自2005年以來(lái)明顯變輕, 但最近5年的海冰分布圖表明西北航道海冰分布年際變化依舊復(fù)雜, 西帕里水道的海冰密集度仍然很高。

2. 商船的破冰能力是決定西北航道能否通航的重要因素之一, 以PC6破冰能力的商船作為參考, 將15%和40%海冰密集度作為閾值, 統(tǒng)計(jì)分析了2002—2018年8—10月西北航道通航窗口。分析表明, 在西北航道可通航的年份中, 可通航的開(kāi)始日期一般在8月份, 結(jié)束日期在9月底至10月初, 南路可通航時(shí)間最短為14天, 最長(zhǎng)達(dá)到80天, 年際差異較大; 在過(guò)去17年里, 商船無(wú)破冰能力條件下西北航道南路可通航次數(shù)為10次, 北路可通航次數(shù)為4次; 商船具備PC6破冰能力條件下, 南路可通航次數(shù)為15次, 北路可通航次數(shù)為7次, 商船的破冰能力能顯著增加西北航道可通航的次數(shù)和時(shí)間。由于西北航道海冰年際變化復(fù)雜, 其可通航年份和時(shí)間依舊缺少規(guī)律性, 要想形成穩(wěn)定的商業(yè)航運(yùn)還需要等待北冰洋進(jìn)一步向夏季無(wú)冰狀態(tài)過(guò)渡。

1 夏一平, 胡麥秀. 北極航線與傳統(tǒng)航線地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)的比較分析[J]. 世界地理研究, 2017, 26(2): 20-32.

2 劉惠榮. “一帶一路”戰(zhàn)略背景下的北極航線開(kāi)發(fā)利用[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2016, 18(2): 111-118.

3 楊魯慧, 趙一衡. “一帶一路”背景下共建“冰上絲綢之路”的戰(zhàn)略意義[J]. 理論視野, 2018(3): 75-80.

4 LALIBERTé F, HOWELL S E L, KUSHNER P J. Regional variability of a projected sea ice-free Arctic during the summer months[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(1): 256-263.

5 HOWELL S E L, WOHLLEBEN T, KOMAROV A, et al. Recent extreme light sea ice years in the Canadian Arctic Archipelago: 2011 and 2012 eclipse 1998 and 2007[J]. The Cryosphere, 2013, 7(6): 1753-1768.

6 GRANBERG A G. The northern sea route: Trends and prospects of commercial use[J]. Ocean & Coastal Management, 1998, 41(2): 175-207.

7 HOWELL S E L, YACKEL J J. A vessel transit assessment of sea ice variability in the Western Arctic, 1969—2002: implications for ship navigation[J]. Canadian Journal of Remote Sensing, 2004, 30(2): 205-215.

8 HAAS C, HOWELL S E L. Ice thickness in the Northwest Passage[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(18): 7673-7680.

9 PIZZOLATO L, HOWELL S E L, DERKSEN C, et al. Changing sea ice conditions and marine transportation activity in Canadian Arctic waters between 1990 and 2012[J]. Climatic Change, 2014, 123(2): 161-173.

10 蘇潔, 徐棟, 趙進(jìn)平, 等. 北極加速變暖條件下西北航道的海冰分布變化特征[J]. 極地研究, 2010, 22(2): 104-124.

11 付強(qiáng). 北極西北航道通航關(guān)鍵海區(qū)海冰變化規(guī)律研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2012.

12 李春花, 李明, 趙杰臣, 等. 近年北極東北和西北航道開(kāi)通狀況分析[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2014, 36(10): 33-47.

13 LIU X H, MA L, WANG J Y, et al. Navigable windows of the Northwest Passage[J]. Polar Science, 2017, 13: 91-99.

14 COUNCIL A. Arctic marine shipping assessment 2009 report[R]. [S.l.]: Protection of the Arctic Marine Enviroment Working Group, 2009.

15 SOU T, FLATO G. Sea ice in the Canadian Arctic Archipelago: modeling the past (1950—2004) and the future (2041—60)[J]. Journal of Climate, 2009, 22(8): 2181-2198.

16 SPREEN G, KALESCHKE L, HEYGSTER G. Sea ice remote sensing using AMSR-E 89-GHz channels[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2008, 113(C2): C02503. DOI: 10.1029/2005JC003384.

17 AGNEW T, HOWELL S. The use of operational ice charts for evaluating passive microwave ice concentration data[J]. Atmosphere, 2003, 41(4): 317-331.

18 薛彥廣, 關(guān)皓, 董兆俊, 等. 近40年北極海冰范圍變化特征分析[J]. 海洋預(yù)報(bào), 2014, 31(4): 85-91.

19 柯長(zhǎng)青, 彭海濤, 孫波, 等. 2002年—2011年北極海冰時(shí)空變化分析[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2013, 17(2): 459-466.

20 隋翠娟, 張占海, 吳輝碇, 等. 1979-2012年北極海冰范圍年際和年代際變化分析[J]. 極地研究, 2015, 27(2): 174-182.

21 CAVALIERI D J, PARKINSON C L. Antarctic sea ice variability and trends, 1979—2006[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2008, 113(C7): C07004. DOI: 10.1029/2007JC004564.

22 TIVY A, HOWELL S E L, ALT B, et al. Trends and variability in summer sea ice cover in the Canadian Arctic based on the Canadian Ice Service Digital Archive, 1960—2008 and 1968—2008[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2011, 116(C3): C03007. DOI: 10.1029/2009JC005855.

23 HOWELL S E L, DUGUAY C R, MARKUS T. Sea ice conditions and melt season duration variability within the Canadian Arctic Archipelago: 1979–2008[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(10): L10502. DOI: 10.1029/2009GL037681.

24 HASSOL S. Impacts of a warming Arctic-Arctic climate impact assessment[M]. UK: Cambridge University Press, 2004: 144.

25 HOWELL S E L, TIVY A, YACKEL J J, et al. Multi-year sea-ice conditions in the Western Canadian Arctic Archipelago region of the Northwest Passage: 1968-2006[J]. Atmosphere Ocean, 2008, 46(2): 229-242.

26 PRINSENBERG S J, HAMILTON J. Monitoring the volume, freshwater and heat fluxes passing through Lancaster sound in the Canadian Arctic Archipelago[J]. Atmosphere Ocean, 2005, 43(1): 1-22.

27 HOWELL S E L, WOHLLEBEN T, DABBOOR M, et al. Recent changes in the exchange of sea ice between the Arctic Ocean and the Canadian Arctic Archipelago[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2013, 118(7): 3595-3607.

28 馬龍, 劉星河, 李振華, 等. 北極海區(qū)“永盛”輪?wèn)|北航線關(guān)鍵水域冰情[J]. 中國(guó)航海, 2018, 41(1): 122-127.

29 馬龍, 李振華, 陳冠文, 等. 基于“永盛輪”航線冰情分析的北極東北航線通航性研究[J]. 極地研究, 2018, 30(2): 173-185.

30 中國(guó)船級(jí)社. 極地船舶指南[S]. 北京: 中國(guó)船級(jí)社(CCS), 2016.

31 DAWSON J, PIZZOLATO L, HOWELL S E L, et al. Temporal and spatial patterns of ship traffic in the Canadian Arctic from 1990 to 2015 + supplementary appendix 1: figs. S1-S7 (see article tools)[J]. Arctic, 2018, 71(1): 15.

32 方瑞祥. 氣候變暖下的“西北航道”航線選擇[J]. 世界海運(yùn), 2010, 33(8): 63-65.

RESEARCH ON SEA ICE VARIABILITY AND NAVIGATION OF THE ARCTIC NORTHWEST PASSAGE FROM REMOTE SENSING DATA

Wang Chuya1,2, Yang Yuande1, Zhang Jian1, Tian Biao2, Ding Minghu2

(1Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2Institute of Tibetan Plateau & Polar Meteorology, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)

Using daily sea ice concentration data from satellites (AMSR-E and AMSR2), the average sea ice area from July to September (2002–2018) in the Canadian Arctic Archipelago was calculated and the average sea ice variation in September was studied. Based on the ice-breaking capacity of a merchant ship, the threshold of sea ice concentration was determined. Key areas of the Northwest Passage were selected for study with the navigable windows counted and the possibility of actual commercial navigation discussed. We found that sea ice areas of the Canadian Arctic Archipelago in July, August and September showed a downward trend over the past 17 years with clear fluctuations. The interannual variations in September sea ice distribution were complex. In the navigable years for the Northwest Passage, the navigable start date was generally in August and the end date varied from the end of September to the beginning of October; the navigable duration was more than 14 days with the longest reaching 80 days. In general, Northwest Passage navigable years and duration lacked regularity.

Canadian Arctic Archipelago, sea ice variability, Northwest Passage, Arctic shipping

2019年8月收到來(lái)稿, 2019年10月收到修改稿

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1406103)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41476163, 41531069)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2019Y010)資助

汪楚涯, 男, 1995年生。碩士研究生, 主要從事大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程研究。E-mail: chuya0905@whu.edu.cn

楊元德, E-mail: yuandeyang@whu.edu.cn; 丁明虎, E-mail: dingminghu@foxmail.com

10. 13679/j. jdyj. 20190043