氣候變化背景下北極潛艇冰區(qū)航行風(fēng)險評估與實(shí)驗(yàn)區(qū)劃*

吳鴻乾,張 韌,閆恒乾,劉泉宏

(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇 南京 211101)

北極特有的自然地理?xiàng)l件和地緣政治地位使其在美蘇冷戰(zhàn)時期便成為大國博弈的熱點(diǎn)。冷戰(zhàn)結(jié)束之后，其軍事戰(zhàn)略地位仍未下降。自然條件上,北極常年結(jié)冰,很多海域冰層厚達(dá)數(shù)米,潛艇在冰下航行不易被監(jiān)測設(shè)備跟蹤和監(jiān)視,極地冰層膨脹、破裂和因摩擦產(chǎn)生的環(huán)境噪聲可以掩蓋潛艇本身的噪聲[1],隱蔽于北冰洋冰層之下的潛艇可以悄無聲息、神出鬼沒地發(fā)動攻擊,形成戰(zhàn)略威懾;地理位置上,北極沿岸部署有諸多周邊國家的軍事基地,由于導(dǎo)彈航程近、飛行時間短,給對方的導(dǎo)彈預(yù)警和攔截帶來了很大困難,因此北冰洋也成為彈道導(dǎo)彈密集部署之地[2-6]。隨著全球氣候變暖和北極海冰消融,北極地區(qū)和北冰洋的經(jīng)濟(jì)利益爭端和地緣政治博弈將更趨于激烈。

北極潛艇活動具有很強(qiáng)的戰(zhàn)略威懾作用,但發(fā)射導(dǎo)彈或進(jìn)行物資和兵力輸送的前提是潛艇必須得破冰上浮[7]。目前環(huán)北極軍事大國美國、俄羅斯等都有潛艇順利完成冰下航行以及破冰上浮系列戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。據(jù)報(bào)道,美軍核潛艇在執(zhí)行破冰演練時,會采取兩種方案:一種是借助衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)尋找受洋流和風(fēng)力產(chǎn)生的“冰層裂隙”或受暖流影響融化產(chǎn)生的“冰間湖”,潛艇可利用浮力逼裂冰層實(shí)現(xiàn)上浮;第二種是借助偵測器材,確定最佳沖擊點(diǎn)強(qiáng)行破冰,潛艇直接快速沖上水面,利用強(qiáng)大的沖擊力直接頂開冰蓋[8-9],外殼經(jīng)加固處理的核潛艇甚至能沖破9英尺(約2.7 m)冰層[10]。

在全球變暖的趨勢下,北極圈內(nèi)許多海域異常增溫,海冰加速融化而且冰層逐漸變薄,多年冰數(shù)量不斷變少,冰雪圈快速縮減,北極的這種自然環(huán)境響應(yīng)將形成有利于潛艇上浮的預(yù)期。盡管如此,受潛艇的外殼材料、人員操作技能、北極自然條件等多因素影響制約,不同海區(qū)上浮的危險性也將隨之發(fā)生變化,對潛艇破冰上浮成功與否的風(fēng)險評估和確定性研判成為潛艇安全保障熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文根據(jù)北極自然環(huán)境變化建立潛艇破冰上浮的TOPSIS風(fēng)險評估模型,以評估氣候變化背景下不同海區(qū)潛艇上浮風(fēng)險,并據(jù)此對北冰洋潛艇上浮風(fēng)險進(jìn)行實(shí)驗(yàn)區(qū)劃。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

為考察氣候變化背景下的北極潛艇破冰上浮的風(fēng)險,本文收集了各類致災(zāi)因子的歷史資料和氣候預(yù)測資料,擬對比開展不同溫室氣體排放情境下的風(fēng)險評估。

歷史資料中,表層2 m氣溫(T2m)和近表面風(fēng)場(u、v)的格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集取自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集[11];海冰厚度(SIT)資料由于當(dāng)前海冰觀測數(shù)據(jù)(如ICEsat,CryoSat-2)時空尺度有限,本文使用Pan-Arctic Ice-Ocean Modelling and Assimilation System (PIOMAS) 海冰再分析資料作為SIT的估計(jì)值,PIOMAS的海冰厚度數(shù)據(jù)已被驗(yàn)證能很好擬合觀測場[12];海冰密集度(SIC)資料來自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心 (NSIDC) 的氣候資料記錄集內(nèi)的海冰密集度資料;高程格點(diǎn)數(shù)據(jù)采用ETOP1數(shù)據(jù)。

在氣候變化情景評估中,本文使用目前最新CMIP6模式集中的MIROC6模式的預(yù)測數(shù)據(jù)。MIROC6是由日本開發(fā)的第六版氣候跨學(xué)科研究模型,參與情景模式比較計(jì)劃(ScenarioMIP)。此處采用不同的共享社會經(jīng)濟(jì)路徑(SSP)和代表性濃度途徑(RCPs)的四種組合情景下的預(yù)測,即SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景[13-14],具體排放情景如表1所示。

表1 選取的ScenarioMIP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于數(shù)據(jù)源不同,為保持?jǐn)?shù)據(jù)資料時間尺度和空間分布的一致性,在進(jìn)行指標(biāo)融合時,需要對海冰密集度等數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,最終空間分辨率為1°×1°。時間分辨率均為月數(shù)據(jù)。

1.2 方法

由于潛艇保密性較高,難以收集到潛艇的武器性能參數(shù)和環(huán)境影響物理模型仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);潛艇行動的隱蔽性使得現(xiàn)有的破冰資料報(bào)道不多,無法通過歸納總結(jié)具體的氣象水文條件進(jìn)行潛艇上浮的統(tǒng)計(jì)分析。目前僅能運(yùn)用風(fēng)險評估方法,結(jié)合軍事新聞和專家介紹,分析潛艇上浮的客觀戰(zhàn)場條件,選擇合適的危險性因子進(jìn)行評估。

本文采用TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)方法進(jìn)行潛艇上浮風(fēng)險評估。該方法是一種在多指標(biāo)情況下對多方案進(jìn)行綜合評價的距離綜合評價方法,又稱為逼近理想解排序法,通過檢測各待評價方案與最優(yōu)解和最劣解之間的距離(常用歐氏距離)而對各方案進(jìn)行排序,進(jìn)而得出各方案與最優(yōu)方案之間的相對接近度,該方法可以客觀地對多指標(biāo)情況下的各待選方案進(jìn)行綜合評價[15-16]。其中,北極海域的每個空間點(diǎn)視為各待選因素。

2 風(fēng)險評價體系與評估建模

2.1 風(fēng)險評價指標(biāo)體系

影響潛艇破冰效能的氣象水文因素有多種,若評估中考慮所有因子,不僅模型復(fù)雜、計(jì)算煩瑣,還可能混淆或削弱主要的信息,而且北極地區(qū)氣象水文資料較為匱乏,考慮指標(biāo)對風(fēng)險的重要程度和數(shù)據(jù)可獲取性,經(jīng)因子篩選后,共考慮5種氣象水文要素:海冰密集度、海冰厚度、氣溫、風(fēng)速和水深。其中,海冰密集度越大、海冰越厚,潛艇破冰上浮的阻力越大;若溫度過低,海冰破冰后則有被凍結(jié)在冰層的風(fēng)險;若海域水深過淺,潛艇也有擱淺風(fēng)險,破冰的可行性很低;風(fēng)速不僅影響上浮后艇體的穩(wěn)定性,對于流動性浮冰的運(yùn)動也有影響,在此條件下潛艇破冰上浮過程中受水平外力干擾的可能性較大。

將上述篩選出的因子作為評估指標(biāo),用于后續(xù)的潛艇破冰上浮危險性的評估,并建立指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 潛艇破冰上浮風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合潛艇的實(shí)際性能,將海冰厚度和水深數(shù)據(jù)做如下處理:受潛艇艇體性能影響,潛艇破冰厚度超過4 m的可能性不大,所以將海冰厚度數(shù)據(jù)大于4 m的數(shù)據(jù)都視為4 m;考慮潛艇下浮深度限制,將水深大于300 m的數(shù)據(jù)都視為300 m。

為綜合分析尋找正負(fù)理想解,需要對所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理,這里我們將指標(biāo)分為越大越優(yōu)型(效益型)和越小越優(yōu)型(成本類),分別使用式(1)和(2)進(jìn)行歸一化。其中，2 m氣溫和水深屬于越大越優(yōu)型,海冰厚度、海冰密集度和10 m風(fēng)場屬于越小越優(yōu)型。

(1)

(2)

2.3 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

確定權(quán)重的方法有主觀定權(quán)法和客觀定權(quán)法。以熵權(quán)法為代表的客觀賦權(quán)法只依賴于數(shù)據(jù)本身的離散程度,而在整個北極海區(qū)的范圍內(nèi)，海冰密集度變化范圍在0～100的兩個端點(diǎn)0和100分布比例較大,這與氣溫、風(fēng)速等類正態(tài)分布不同,在進(jìn)行熵權(quán)法定權(quán)時便出現(xiàn)了海冰密集度權(quán)重過大(>0.8)的問題,顯然這是不符合客觀實(shí)際的。所以,本文利用層次分析法,借鑒專家知識進(jìn)行權(quán)重劃分。判斷矩陣打分是1/5～5的5標(biāo)度方法,對于Aij的取值,如果第i個要素比第j個要素稍微重要則打3,稍微不重要則打1/3,同樣重要則打1,以此類推。因?yàn)橹笜?biāo)體系只有兩層,所以只需進(jìn)行指標(biāo)層的層次單排序,指標(biāo)層對于A相對重要性的判斷矩陣打分表如矩陣A所示。

(3)

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得到隨機(jī)一致性比率CR為0.053 5<0.1 具有滿意的一致性,通過一致性檢驗(yàn)。最終得到五個指標(biāo)的權(quán)重W分別是:海冰密集度為0.211 7,海冰厚度為0.427 8,2 m氣溫為0.211 7,10m風(fēng)場為0.048 1,水深為0.100 9。可見海冰厚度最為重要,海冰密集度和氣溫次之,其后為水深,風(fēng)速影響最小。

2.4 TOPSIS方法進(jìn)行等級劃分

1)構(gòu)建決策加權(quán)矩陣

將各指標(biāo)權(quán)重W與歸一化后的矩陣V相乘,得到加權(quán)決策矩陣:

R=(rij)m×n;rij=wj×viji=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(4)

2)計(jì)算正理想解與負(fù)理想解

因?yàn)門OPSIS方法結(jié)果受正負(fù)理想解的大小影響,而本文旨在進(jìn)行不同時間不同情境的評估,為了可以進(jìn)行縱向?qū)Ρ?我們需要選取合適的正負(fù)理想解?？紤]使用的海冰厚度、密集度模式情境評估數(shù)據(jù)與再分析資料相比質(zhì)量較差,數(shù)值大多偏低。為了使兩組數(shù)據(jù)集的風(fēng)險值具有可比性,此處選取了二者所共有的時間集合——2015年1月至2018年12月這四年的數(shù)據(jù)進(jìn)行正負(fù)理想解的選取:依據(jù)式(5),將水平二維場格點(diǎn)化為1°×1°,第三維為時間場,分別選取三維場中融合加權(quán)指標(biāo)的最大和最小值作為歷史數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)的正負(fù)理想解,得到歷史數(shù)據(jù)與未來數(shù)據(jù)的相同時間段內(nèi)兩對理想解。

(5)

3)計(jì)算各方案與正理想解與負(fù)理想解的距離

在計(jì)算時,采用歐氏距離，有

(6)

4)計(jì)算貼近度

各方案與正理想解的相對貼近度為

(7)

在這里,正理想解是指最有利于潛艇破冰上浮的自然地理環(huán)境,所以相對貼近度越大,此處海域出現(xiàn)潛艇上浮的風(fēng)險等級越低。此處界定風(fēng)險分區(qū)的閾值見表2。

表2 TOPSIS法風(fēng)險等級定義表

3 基于歷史資料評估實(shí)驗(yàn)

2000年至2018年間的評估結(jié)果表明(圖略),北冰洋海區(qū)潛艇破冰上浮風(fēng)險最高月份多在3月,部分年份在4月,風(fēng)險最低月份多集中在8月、9月。從全年平均區(qū)域上看,上浮危險最高的海域集中在加拿大群島北部和格陵蘭島的西北部,東北航道海區(qū)則集中在拉普捷夫海和東西伯利亞海的近岸海區(qū)。潛艇上浮的最低風(fēng)險海區(qū)集中在挪威海附近,部分月份延伸至巴倫支海,此處大部海區(qū)受北大西洋暖流影響常年無冰,雖利于潛艇上浮,但不利于潛艇隱蔽。所以可以關(guān)注風(fēng)險度為“較低”的海區(qū)。以2018年(圖2,只呈現(xiàn)3、9月)為例,值得注意的海區(qū)有以下幾個:

圖2 2018年3月、9月潛艇破冰上浮風(fēng)險等級(綠色為低風(fēng)險、藍(lán)色為較低風(fēng)險、黃色為中等風(fēng)險,橙色為較高風(fēng)險,紅色為高風(fēng)險,下同)

1)白令海峽和楚科奇海:白令海峽連接美國的阿拉斯加半島和俄羅斯,本身對于轄區(qū)劃分就有很多爭議,水深較淺,地理位置重要。下半年融冰后風(fēng)險極低,冬半年時風(fēng)險也較低,考慮潛艇行動的隱蔽性,冬半年出現(xiàn)潛艇上浮的可能性較大。

2)波弗特海:位于加拿大和阿拉斯加北部的波弗特海,鄰近美國和加拿大兩個環(huán)北極國家,氣候變化背景下,受波弗特高壓的變化所影響,近年來海冰漂移至暖水區(qū)域融化,海冰堆積減少、流失增多,致使波弗特海區(qū)上浮風(fēng)險也呈降低趨勢,可對其夏秋季進(jìn)行重點(diǎn)偵測。

3)巴芬灣:巴芬灣是北極與大西洋連接的重要通道,鄰近格陵蘭島上的美軍圖勒空軍基地,其在夏秋兩季風(fēng)險下降至“低”或“較低”。

4)喀拉海區(qū):該海區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注,因?yàn)樵摵^(qū)海冰季節(jié)變化顯著,冰層相對其他海區(qū)較薄,周圍部署有俄羅斯的軍事力量,夏秋季風(fēng)險為低,此處潛艇破冰上浮的威懾效應(yīng)可能更加顯著。

由于每年破冰風(fēng)險最低多為9月份,風(fēng)險最高多為3月份,下面對這兩個月風(fēng)險進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?007年和2012年均出現(xiàn)大范圍異常融冰現(xiàn)象,2015年至2019年包含了冰面覆蓋最小的前5年中的4年,2000年北極融冰現(xiàn)象相對較弱,以此作為對照,選取以2000、2007、2012、2018年這四年為例。

在北極海冰逐漸融化的背景下,3月份的潛艇破冰上浮風(fēng)險分布變化較大(圖3)。2000年太平洋扇區(qū)許多較高風(fēng)險海域至2007年逐漸變?yōu)橹械蕊L(fēng)險海區(qū),此種趨勢不斷持續(xù),直至2018年3月所有海區(qū)只有加拿大海盆和拉普捷夫海部分海區(qū)成為較高風(fēng)險區(qū)域。而近期美俄在北極的軍演科目中的破冰上浮環(huán)節(jié)恰也是在3月份舉行的,可見如今近海區(qū)域即使在海冰最多的時候,也不能保證潛艇不會破冰上浮。

圖3 基于TOPSIS法2000～2018年部分年份3月潛艇上浮風(fēng)險區(qū)劃

9月份由于海冰融化最多,部分沿海海區(qū)已經(jīng)成為無冰區(qū),但也可以看出2000年之后,變化較大的海盆位于太平洋扇區(qū)。白令海峽和楚科奇海逐漸成為低風(fēng)險海區(qū),高風(fēng)險海區(qū)基本消失,位于加拿大海盆附近的唯一較高風(fēng)險海區(qū)在2018年也已變?yōu)橹酗L(fēng)險。低風(fēng)險海區(qū)不斷擴(kuò)張,除去完全融冰的海區(qū),其他海域若有潛艇活動,那么潛艇上浮的風(fēng)險也不會很大。

4 基于氣候變化情景的預(yù)期評估實(shí)驗(yàn)

IPCC第五次評估報(bào)告指出,1979-2012年間北極年均海冰范圍在持續(xù)縮小,縮小速率大約每10年3.5%～4.1%,夏季最低海冰范圍(即多年海冰)每10年大約縮小9.4%～13.6%[17]。目前,海冰退縮不僅出現(xiàn)在邊緣冰區(qū)周圍,而且出現(xiàn)在北極中部的冰層中,北極中央密集區(qū)也頻繁出現(xiàn)海冰低密集度的異?，F(xiàn)象[18]。在融冰和增溫趨勢共同驅(qū)使下,各海區(qū)潛艇上浮風(fēng)險也會隨之變化,本節(jié)討論氣候變化背景下,潛艇破冰上浮風(fēng)險評估和實(shí)驗(yàn)區(qū)劃。

根據(jù)CMIP6的MIROC6數(shù)據(jù)集,以2015～2018年4年中的SSP2-4.5模式數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),分別計(jì)算了SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5四種不同情景下的未來貼合度。這四種情景分別對應(yīng)于低強(qiáng)迫情景、中等強(qiáng)迫情景、中等至高強(qiáng)迫情景和高強(qiáng)迫情景。此處選取了2030年四種不同情景下北極海區(qū)潛艇破冰上浮的風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行分析。由于該模式數(shù)據(jù)的海冰厚度低于真實(shí)數(shù)據(jù),變化率也偏小,故海冰厚度較厚的3月份其結(jié)果代表性不強(qiáng),選用9月份為例(圖5)。

圖4 基于TOPSIS法2000～2018年部分年份9月潛艇上浮風(fēng)險區(qū)劃

圖5 不同排放情景下2030年9月潛艇破冰上浮風(fēng)險區(qū)劃

在低強(qiáng)迫情景(SSP1-2.6)下,由于對于溫室氣體等的排放控制得力,氣候變化并不是很顯著,模式數(shù)據(jù)顯示的其風(fēng)險度變化也不大。9月份海區(qū)與歷史數(shù)據(jù)類似,邊緣海區(qū)多為低風(fēng)險區(qū)域,北極中央?yún)^(qū)東側(cè)為較低風(fēng)險,西側(cè)連通加拿大海盆為中等風(fēng)險。

在中等強(qiáng)迫(SSP2-4.5)的情景下,9月份風(fēng)險值增大的趨勢更為顯著,隨著溫室氣體排放的積累,低風(fēng)險和較低風(fēng)險海區(qū)不斷推進(jìn),逐漸占據(jù)風(fēng)險值為中等的北極點(diǎn)附近。

中等至高強(qiáng)迫情景(SSP3-7.0)更接近于當(dāng)前的真實(shí)排放狀態(tài)。冰少的9月在中等至高排放情景與排放條件類似的歷史數(shù)據(jù)相比可見其變化的顯著性,之前低風(fēng)險區(qū)多在斯瓦爾巴群島以南,現(xiàn)在已經(jīng)逼近至其北部海區(qū)。

在高強(qiáng)迫情景(SSP5-8.5)下,大多數(shù)北極海域已經(jīng)變?yōu)榈惋L(fēng)險海區(qū),中風(fēng)險海區(qū)僅存在于加拿大北極群島和格陵蘭島北部一小部分區(qū)域。

除此之外,在時間趨勢上四種情景都反映出北極地區(qū)海冰逐漸消融的趨勢,潛艇上浮風(fēng)險隨著時間推移逐漸下降(圖略)。隨著強(qiáng)迫的增強(qiáng),二氧化碳等溫室氣體排放的加劇,海冰消融的速度是不同的,這也導(dǎo)致了潛艇破冰上浮風(fēng)險變化的不同,在強(qiáng)迫較弱時(SSP1-2.6),4月份上浮可能性為低的海域縮減速度較慢,9月份極點(diǎn)附近上浮可能性為中的海域擴(kuò)大趨勢也較慢;在強(qiáng)迫較強(qiáng)時(SSP5-8.5),4月份上浮可能性為低的海域縮減速度較快,9月份極點(diǎn)附近上浮可能性為中的海域擴(kuò)大趨勢也較快。

6 結(jié)束語

本文運(yùn)用TOPSIS方法對北極各個空間格點(diǎn)潛艇破冰上浮的風(fēng)險進(jìn)行評估區(qū)劃。結(jié)果表明,隨著氣候變化,北冰洋海區(qū)潛艇破冰上浮風(fēng)險逐漸呈現(xiàn)出降低的趨勢,并劃分出上浮風(fēng)險低的海區(qū)。

評估模型的準(zhǔn)確性直接決定了評估實(shí)用性,鑒于目前檢索到的案例只是一些新聞式的報(bào)道,無法考察當(dāng)時的氣象水文條件,樣本數(shù)據(jù)未曾公開,也沒有相關(guān)的物理模型,此處基于情境假設(shè)對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。假設(shè)后期獲取了多個潛艇破冰上浮的樣本數(shù)據(jù),首先應(yīng)參考專家意見依據(jù)潛艇艇體的損失和操作過程中的技術(shù)難度,對不同潛艇破冰上浮行動進(jìn)行風(fēng)險等級劃分。之后,將統(tǒng)計(jì)的海冰厚度、海冰密集度等氣象水文數(shù)據(jù)代入已建立好的TOPSIS模型,以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。最后,排除使用的未來數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)的誤差后,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行模型的修正:如果模型預(yù)估風(fēng)險整體偏低,則可以適當(dāng)調(diào)低(高)模型的正(負(fù))理想解;如果模型預(yù)估風(fēng)險整體偏高,則可以適當(dāng)調(diào)高(低)模型的正(負(fù))理想解;如果模型預(yù)估風(fēng)險有高有低,那么建立的指標(biāo)體系的權(quán)重需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,需要得知具體實(shí)踐場景的專家依據(jù)實(shí)際情況對指標(biāo)的重要性重新打分,再以實(shí)測數(shù)據(jù)對評估結(jié)果重新驗(yàn)證,如此往復(fù),直至構(gòu)建得到符合應(yīng)用場景的指標(biāo)體系。

此外,鑒于風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果的空間分辨率為1°×1°,對于冰間湖或冰間裂縫等理想上浮的小尺度區(qū)域無法刻畫,需要更高分辨率的數(shù)據(jù);模式數(shù)據(jù)精度也不足以細(xì)致刻畫潛艇活動尺度的環(huán)境風(fēng)險特征。下一步工作中，將致力于提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和分辨率,并尋找具體案例進(jìn)行模型結(jié)果驗(yàn)證,使其更具可靠性和實(shí)用性。