南極羅斯海可利用岸線資源特征研究

劉建華

（國(guó)家海洋局東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心，上海 200137）

地球的南北兩極，是全球變化的驅(qū)動(dòng)器和全球氣候變化的冷源。南極作為地球上至今未被開(kāi)發(fā)和未被污染的潔凈大陸，在全球變化特別是全球氣候變化研究中，起著不可替代的關(guān)鍵作用。在20世紀(jì)，已有40多個(gè)國(guó)家在南極建立了100多個(gè)科學(xué)考察站，并陸續(xù)取得系列科考成果。

我國(guó)的極地研究已開(kāi)展了近40年，成效顯著。通過(guò)極地能力建設(shè)、內(nèi)陸科學(xué)考察站建設(shè)等項(xiàng)目的實(shí)施，建成了以雪龍船、極地科考站、國(guó)內(nèi)科研基地為主體的極地科考平臺(tái)，并建立和逐步完善了圍繞環(huán)境變化研究的綜合監(jiān)測(cè)體系[1-3]，在諸多重大領(lǐng)域取得了具有國(guó)際影響的科研成果。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始了連續(xù)的南極科學(xué)考察與研究，通過(guò)對(duì)南設(shè)德蘭群島、拉斯曼、伊麗莎白公主地區(qū)域的海岸線附近的地質(zhì)地貌、環(huán)境、生物、冰川和海冰、水文氣象等進(jìn)行全面綜合考察，先后建立長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站、泰山站4個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)科考站，并在南極單獨(dú)或聯(lián)合設(shè)立了3個(gè)特別保護(hù)區(qū)和特別管理區(qū)。目前正在羅斯海岸線附近進(jìn)行第5個(gè)科考站的選址及后續(xù)勘探工作。本文對(duì)其可利用海岸線資源進(jìn)行評(píng)估分析，為羅斯海建站及可利用海岸線資源提供技術(shù)支撐。

目前對(duì)南極海岸線資源的利用主要為兩個(gè)方面：港口資源和旅游資源。其中港口資源要求具有船舶航行和停泊的條件，以及具備一定的腹地條件。對(duì)海岸線資源的評(píng)估，特別是港口資源潛力的研究，對(duì)南極科學(xué)考察（科考站的建立）、生物礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)此作過(guò)相關(guān)研究，如：對(duì)南極大陸冰蓋、冰架、海洋、湖泊、沿岸帶，以及陸地等不同類(lèi)型生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行比較，并就其脆弱性因子進(jìn)行分析，提出針對(duì)性的環(huán)境保護(hù)建議和措施，以利南極考察站和輻射環(huán)境生態(tài)的科學(xué)管理[4]；對(duì)南極礦產(chǎn)、能源、水、生物等資源及其開(kāi)發(fā)利用前景進(jìn)行了分析，并探討南極資源開(kāi)發(fā)利用的可能性，以及我國(guó)對(duì)南極資源開(kāi)發(fā)利用的基本國(guó)策和對(duì)策[5]；指出南極生態(tài)旅游與南極生態(tài)環(huán)境保護(hù)只有在發(fā)展的過(guò)程中相互促進(jìn)、相互協(xié)調(diào)，才能最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，南極生態(tài)旅游環(huán)境管理應(yīng)通過(guò)變換監(jiān)管主體、劃分功能區(qū)域與強(qiáng)化環(huán)境教育等手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)南極環(huán)境保護(hù)的目的[6]；對(duì)于南極資源的紛爭(zhēng)，認(rèn)為在《南極條約》的宗旨下，在南極開(kāi)展科學(xué)考察活動(dòng)、和平利用南極豐富的資源造福于全人類(lèi)與南極環(huán)境保護(hù)方面，沒(méi)有根本性的沖突[7]。

1 研究資料

通過(guò)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）網(wǎng)站下載2005年、2010年、2015年的風(fēng)速風(fēng)向、有效波高和海冰厚度的數(shù)據(jù)，以及南極羅斯海擬建站現(xiàn)場(chǎng)照片。購(gòu)置1997、1998、2000、2004、2006、2007、2008年南極羅斯海區(qū)域海圖，使用Arc/GIS10.0軟件對(duì)海圖進(jìn)行數(shù)字化。

根據(jù)已有的岸線形態(tài)、冰川分布、海岸帶地貌、海灣水深、波浪特征等條件，結(jié)合資源分布，科考站利用現(xiàn)狀等資料，研究可利用海岸線資源的分布特征。

研究區(qū)域及其地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖Fig.1 The geographical location of the study area

2 研究區(qū)概況

2.1 海岸地貌

羅斯海位于維多利亞地阿代爾角（Cape A dare）與愛(ài)德華七世半島的科爾貝克角（Cape Col beck）之間，中心位于175°W、75°S處，面積約9.6×105km2。北界位于大陸架外緣，南界為巨大冰墻構(gòu)成的羅斯冰架，西側(cè)岸邊有羅斯島、貝奧福特島、富蘭克林島、科爾曼島，東側(cè)有羅斯福島。最南端位于85°S，是全球離南極點(diǎn)最近的海域，探險(xiǎn)船隊(duì)進(jìn)入南極大陸的傳統(tǒng)航路。

羅斯冰架是世界最大的浮動(dòng)冰原之一。從南極中部的高原一直向外延伸800 km，是太平洋南部深入南極洲的大海灣。水深500~700 m，表面水溫-2~0℃，全年覆有冰層。南端有著名的羅斯冰障。

羅斯島作為羅斯海重要島嶼，是南極洲西南部羅斯海中的火山島。位于南極洲維多利亞地岸外，羅斯冰架的北緣在77°30′S、168°E之間，隔麥克默多海峽與維多利亞地相望。面積1300 km2，由火山熔巖組成，最高點(diǎn)海拔4023 m。島上有著名的埃里伯斯活火山（海拔3794 m）和特羅爾山，儲(chǔ)量豐富的硫黃礦。麥克默多站是南極科學(xué)考察最大的補(bǔ)給站，每年夏天（當(dāng)年11月至次年3月）都有來(lái)自世界各地的科學(xué)家乘飛機(jī)來(lái)這里，將生活必需品帶回科考站。

2.2 水文及生態(tài)、礦產(chǎn)資源特征

羅斯海在強(qiáng)大的東風(fēng)漂流影響下，形成大規(guī)模的順時(shí)針環(huán)流，下層海水上涌，表層海流沿冰架前緣向西流動(dòng)，然后沿維多利亞地北流，與西風(fēng)漂流匯合。深度在300 m以內(nèi)的最低水溫為-2.1℃，表層水溫平均為-1.8℃。

羅斯海附近岸線存有儲(chǔ)量豐富的磷礦、錫礦和石油[5]。而且羅斯海的生態(tài)生物資源非常豐富，羅斯海有1000多種無(wú)脊椎動(dòng)物，95種魚(yú)類(lèi)，10種哺乳動(dòng)物和6種鳥(niǎo)類(lèi)。羅斯海的陸架陸坡面積僅占南冰洋的2%，但這里卻是世界上38%的阿德利企鵝的棲息地，同時(shí)也是世界上30%的南極海燕和大約6%的南極小須鯨的“家園”。2016年10月28日，在羅斯海設(shè)立了特殊保護(hù)區(qū)，禁止捕魚(yú)35年。這也為南極甚至整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡起到至關(guān)重要的作用。羅斯海東岸線已有5個(gè)科考站（意大利祖切利站、德國(guó)岡瓦納站、韓國(guó)張保皋站、美國(guó)麥克默多站、新西蘭斯科特站），羅斯海區(qū)域已成為科學(xué)研究和勘察的熱點(diǎn)區(qū)域（圖2）。

圖2 羅斯海附近海島及科考站分布示意圖Fig.2 The distribution of islands and scientific research stations near the Ross Sea

3 南極羅斯?？衫煤０毒€資源潛力評(píng)估

3.1 自然地理?xiàng)l件

（1）水深特征

羅斯海海域水深范圍在200~4000 m，羅斯海外水深大于4000 m（圖3）。羅斯海岸線附近等深線曲折復(fù)雜。西海岸大陸坡范圍較小，坡度大，水下地形比較陡峭。2000~3000 m等深線密集，向海基本直接過(guò)渡到海底平原。東海岸水深條件變化更加復(fù)雜，岸線附近水深主要集中在200 m以淺。向海延伸，水深逐漸由500 m加深到2000 m。但范圍比西海岸廣闊?？傮w來(lái)說(shuō)，東、西兩岸岸線附近水深條件差別不大，均在200 m等深線以淺范圍。

圖3 羅斯海附近海域水深變化圖Fig.3 The water depth variation near the Ross Sea

（2）風(fēng)場(chǎng)

在羅斯島和南極大陸內(nèi)部，風(fēng)速?？蛇_(dá)55.6 m/s以上，有時(shí)甚至達(dá)到83.3 m/s。南極風(fēng)場(chǎng)變化見(jiàn)圖4，比較顯著的特征即從南極高原吹向南極大陸岸線邊緣的下降風(fēng)。在沒(méi)有高地阻擋的情形下，風(fēng)向向四周擴(kuò)散，大致呈逆時(shí)針?lè)较?。在羅斯海附近海域，由于受地形因素影響，灣內(nèi)風(fēng)集聚，風(fēng)向發(fā)生變化，逆時(shí)針轉(zhuǎn)折后，吹向海岸線邊緣。而南極周邊受西風(fēng)帶的影響，存在一個(gè)圍繞南極的繞極環(huán)流，隔絕了與外界的能量交換。

圖4 南極風(fēng)向變化分布圖Fig.4 The distribution of wind direction change in Antarctica

從圖5可以看出，南極羅斯海風(fēng)向特征主要是以離岸風(fēng)為主。這符合圖4的風(fēng)向變化特征分析。通過(guò)對(duì)比2005~2015年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)羅斯海海域風(fēng)速的變化特征比較明顯，夏季平均風(fēng)速約6.4 m/s，冬季平均風(fēng)速8.0 m/s。在西海岸150°W~165°W、65°S~77°S的范圍存在一個(gè)順時(shí)針的環(huán)流。外圍存在西風(fēng)帶環(huán)流阻礙使得南極風(fēng)無(wú)法與南太平洋海氣進(jìn)行交換。最大風(fēng)速的風(fēng)向基本為SE向，受地形和其他因素的影響極小。夏季最大風(fēng)速33.9 m/s，冬季最大風(fēng)速42.3 m/s（表1），不論平均風(fēng)速還是最大風(fēng)速，均存在冬季大、夏季小的特征。

表1 羅斯海海域風(fēng)速Table 1 The statistics of wind speed in Ross Sea area

圖5 不同年份風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速季節(jié)變化Fig.5 The seasonal variation of average wind speed in different years

（3）有效波高

羅斯海波浪變化的主要驅(qū)動(dòng)力是風(fēng)，但在一定程度上會(huì)受海冰變化的影響。在夏季，2005年1月海冰融化，羅斯海內(nèi)部存在一個(gè)被海冰包圍的湖泊，波高在1 m以內(nèi)，隨著海冰融化，至3月份，整個(gè)羅斯海波浪波高在4 m以下，而在羅斯海西北部存在一個(gè)波浪高值區(qū)，最大值可達(dá)10 m。2010年和2015年變化特征基本類(lèi)似，波高最大值比2005年變小，為6.23 m（表2）。

表2 羅斯海海域有效波高Table 2 The effective wave height in Ross Sea

在冬季，羅斯海被海冰覆蓋，波浪變化主要在外圍海域。2005年有效波高最大值為7.72 m，而2010年和2015年約10.5 m。2010年高值區(qū)分布在西北部附近海域，而2015年高值區(qū)出現(xiàn)在東北部。大部分海域的波高均在3 m以上，最小值出現(xiàn)的海域面積極小。

（4）海冰

根據(jù)以往相關(guān)研究，羅斯海的海冰年際變化大，不同年份海冰的外緣線、范圍、密集度都有較大差別[8]。根據(jù)2012年夏季海冰密集度和氣候態(tài)海冰密集度數(shù)據(jù)分析，12月份羅斯冰架前會(huì)出現(xiàn)大面積冰間湖，羅斯海海冰密集度減小，中下旬開(kāi)始出現(xiàn)小于60%的區(qū)域，雪龍船可以選擇于此時(shí)間段進(jìn)入羅斯海。1月中旬羅斯海出現(xiàn)開(kāi)闊水道，至2月份羅斯海西側(cè)大部分海域均沒(méi)有海冰覆蓋，利于雪龍船航行和進(jìn)行大洋科考作業(yè)。3月上旬新冰開(kāi)始大量形成，至下旬整個(gè)海域基本為浮冰覆蓋，雪龍船應(yīng)不晚于3月中上旬撤離羅斯海。

與2012對(duì)比，2005年、2010年和2015年夏季羅斯海的海冰變化特征與之比較相似（圖6），2月份至3月中旬是海冰面積覆蓋最小的時(shí)間段，便于科考和旅游等活動(dòng)。而6月至8月的冬季，海冰覆蓋最北端可達(dá)60°S附近，其中以8月覆蓋面積最廣。

圖6 不同年份夏冬季海冰厚度分布（注：圖中彩色為海冰厚度，圖柱單位m；白色為冰架和岸線；藍(lán)色為海洋）Fig.6 The distribution of sea ice thickness in summer and winter of different years

羅斯海岸線礦產(chǎn)資源、石油，生物生態(tài)資源和旅游資源比較豐富。但由于受到海冰的影響，特別是海灣內(nèi)部存在羅斯冰架常年覆蓋，開(kāi)發(fā)利用潛力和科考受限比較大?？衫脮r(shí)間主要集中于夏季，可利用的岸段主要集中于東海岸。

3.2 海岸帶地貌和海岸類(lèi)型

關(guān)于羅斯海的大陸海岸的形成，早期的地理學(xué)家認(rèn)為羅斯海是冰川海渠的擴(kuò)張，而與威德?tīng)枺╓eddell）海相連接。由于介于其間的艾爾斯渥茲（Ellsworth）山脈的發(fā)現(xiàn)，證明了這個(gè)假設(shè)的錯(cuò)誤。地球物理學(xué)對(duì)羅斯冰架的研究指出，海底有與地震有關(guān)的低速、沉積的厚巖層。因此，港灣的形成可能是大陸巖層向下的斷層塊，包括比肯層（Beacon Group），也可能是充滿沉積巖的拗陷沉積盆地。

羅斯海海域南北長(zhǎng)960 km，東西寬800 km。大部海域?yàn)橛谰帽鈪^(qū)，北部有一帶浮動(dòng)區(qū)，海底布滿各種類(lèi)型的冰川海相沉積物。冰架以北海底較平坦，南部坡度較大，水深范圍500~700 m，最深不超過(guò)914 m。西部淺海區(qū)水深不及300 m，是南極地區(qū)浮冰較少、最容易接近的邊緣海之一。

根據(jù)我國(guó)南極第27次科考對(duì)羅斯海預(yù)選地址二進(jìn)行的實(shí)地考察與勘探，從現(xiàn)場(chǎng)照片可以看出羅斯海海岸類(lèi)型主要為基巖海岸和礫石海岸。其中礫石海岸組成成份由大的礫石和冰磧礫石等組成（圖7）。

圖7 羅斯海海岸地貌Fig.7 The coastal features in the Ross Sea

利用Arc/GIS軟件統(tǒng)計(jì)可利用岸線長(zhǎng)度，西海岸岸線長(zhǎng)度約為726 km，東海岸岸線長(zhǎng)度約為2664 km，東、西海岸之間冰架邊緣線長(zhǎng)度為840 km，可利用統(tǒng)計(jì)岸線總長(zhǎng)度約為4230 km。

3.3 可利用海岸線資源潛力評(píng)估

羅斯海岸線礦產(chǎn)資源、石油，生物生態(tài)資源和旅游資源比較豐富。但由于受到海冰的影響，特別是海灣內(nèi)部存在羅斯冰架常年覆蓋，開(kāi)發(fā)利用潛力和科考受限比較大?？衫脮r(shí)間主要集中于夏季?？衫玫陌抖沃饕杏跂|海岸。

羅斯島作為各國(guó)科考站基地之一，是南極科學(xué)考察最大的補(bǔ)給站。每年夏天（當(dāng)年的11月至次年的3月）都有來(lái)自世界各地的科學(xué)家乘飛機(jī)來(lái)這里，將生活必需品帶回科考站?？瓶甲鳛樵搷u的首要屬性，其次作為運(yùn)轉(zhuǎn)樞紐區(qū)，存在一定的旅游資源開(kāi)發(fā)潛力。所以該區(qū)域可為科考與旅游區(qū)，面積約為0.78×104km2。

東北部海岸作為礦產(chǎn)、石油和生物資源儲(chǔ)存豐富的區(qū)域，特別是難言島附近，現(xiàn)存3個(gè)科考站，我國(guó)將在此地新建科考站，該區(qū)域的科考工作將在資源勘探有很大的潛力，可作為科考與資源勘探區(qū)，面積約為2.4×104km2。

在以上兩個(gè)分區(qū)之間，存在夏季海冰融化時(shí)段，可作為臨時(shí)的船舶?？炕兀蛘呶磥?lái)開(kāi)發(fā)利用用途，為季節(jié)性可利用區(qū)，面積大約為4.3×104km2。

總之，羅斯海可利用海岸線資源主要集中在東海岸。以羅斯島和難言島為中心，羅斯島周邊區(qū)域可作為科考與旅游區(qū)，難言島附近岸線可作為科考與資源勘探區(qū)（圖8）。

4 結(jié)論

羅斯海作為南極大陸重要科考研究基地，礦產(chǎn)資源和生態(tài)生物資源地，對(duì)其可利用岸線的資源特征進(jìn)行研究具有重要意義，為以后的開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

南極下降風(fēng)在羅斯海灣內(nèi)，由于受地形和海冰的影響，存在一個(gè)順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)流。羅海海灣內(nèi)波高一般不超過(guò)4 m，外緣海最大波高可達(dá)10 m。

可利用岸線區(qū)域以羅斯島和難言島為中心，羅斯島周邊區(qū)域?yàn)榭瓶寂c旅游區(qū)，面積約為0.78×104km2；難言島附近岸線為科考與資源勘探區(qū)，面積約為2.4×104km2；中間區(qū)域?yàn)榧竟?jié)性可利用區(qū)，面積大約為4.3×104km2。西部岸線未進(jìn)行劃區(qū)。羅斯?？衫煤０毒€資源開(kāi)發(fā)利用的最佳時(shí)間空窗期為每年的1月中旬至3月中旬，其余時(shí)段均被冰川覆蓋，無(wú)法利用。