影響夏季北極航道航行的近地面氣象要素時空變化特征分析

田忠翔，孫虎林*，李志強(qiáng)，宋曉姜，孟上，陳志昆，李敏，李丙瑞

( 1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)重點實驗室，北京 100081；2. 中國極地研究中心，上海 200136)

1 引言

北極海冰范圍自1979 至今呈現(xiàn)明顯的減少趨勢[1–2]，其中夏季和秋季的減少速率最大[3]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，北極海冰更是呈現(xiàn)快速減少的趨勢[4]，受北極偶極子（AD）和強(qiáng)氣旋的影響，海冰面積多次出現(xiàn)極小值[5]，同時北極中央?yún)^(qū)也出現(xiàn)了海冰低密集度現(xiàn)象[6]。北極海冰厚度和體積也呈減小趨勢，而且海冰體積的減小多歸因于多年冰的減少[7–8]。另外，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)北極海冰融化季節(jié)增長，而凍結(jié)時間縮短，尤其是北極邊緣海區(qū)域[9–12]。整個北極海冰的融化開始時間以3 d/(10 a) 的速度提前，凍結(jié)開始時間以6 d/(10 a) 的速度延后[13]。

海冰的快速減少和變薄為北極航道的開通提供了有利條件，使得北極商業(yè)航行成為可能。北極航道包括東北航道、西北航道和中央航道（圖1）。東北航道自白令海峽向西，沿俄羅斯北部，經(jīng)過楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海和挪威海，抵達(dá)挪威北角。東北航道的通航時間具有明顯的年際變化[14–16]。結(jié)合1979–2018 年海冰密集度和海冰厚度研究發(fā)現(xiàn)，對于普通商船來說，21 世紀(jì)10 年代的東北航道的通航窗口期位于7 月下旬至10 月下旬，通航窗口長達(dá)（92±15) d，而且呈現(xiàn)為（2.72±0.58） d/a的增長趨勢[17]。西北航道西起白令海峽，經(jīng)波弗特海，穿過加拿大群島之間的海峽，抵達(dá)格陵蘭島西側(cè)的巴芬灣。2002–2013 年間，西北航道全線開通的時間主要集中在8 月中上旬至10 月上旬，且具有很強(qiáng)的年際變化[14,16]。進(jìn)一步聯(lián)合海冰厚度的分布變化，發(fā)現(xiàn)2010 年代普通商船的通航窗口期為8 月上旬至10 月中旬，通航窗口期從20 世紀(jì)80 年代的（11±10） d延長到了21 世紀(jì)10 年代的（77±17） d，并以（2.15±0.58） d/a 的速度增加[17]。模擬結(jié)果顯示，如果21 世紀(jì)中葉全球地面氣溫升高幅度達(dá)到2°C，西北航道的通航率可以達(dá)到100%[18]。中央航道為高緯航線，東起白令海峽，一直向北，經(jīng)高緯海域后，到達(dá)斯瓦爾巴群島，可以抵達(dá)挪威北角或冰島。2009–2016 年6–9月，北極中央?yún)^(qū)的海冰發(fā)生了6 次低密集度事件[6]，使船舶穿越中央航道成為可能。基于CMIP6 的多模式集合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同的增暖情景下，最近幾十年，所有類型船舶通航北極航道的時間呈增加趨勢，而且在SSP5–8.5 增暖情景下，PC6 級船可在21 世紀(jì)70年代實現(xiàn)全年通航[19–22]。

圖1 北極東北航道（紫色實線）、西北航道（紅色實線）和中央航道（藍(lán)色實線）Fig. 1 Arctic northeast passage (purple solid line), northwest passage (red solid line) and trans-Arctic passage (blue solid line)NE-I、NE-II 和NE-III 分別為北極東北航道的3 個航段，NW-I、NW-II 和NW-III 分別為北極西北航道的3 個航段，橙色圓點表示相應(yīng)航段的起止點

北極海洋環(huán)境保護(hù)工作組（PAME）統(tǒng)計了2013–2019 年北極航運總體變化趨勢，發(fā)現(xiàn)2019 年進(jìn)入北極區(qū)域的船舶總數(shù)比2013 年增加了25%，總航行里程增加了75%，其中散貨船的里程增加了160%[23]。在國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的大力保障下，我國中遠(yuǎn)海特運集團(tuán)自2013 年首次穿越東北航道，至2021 年共有56 艘次穿越東北航道。這說明北極航道的商業(yè)航行處于快速興盛時期，另一方面，這也對北極氣象、海冰和海洋的觀測、預(yù)報提出了更高的要求。北極航道的地理位置和環(huán)境比較特殊，影響船舶航行的主要因素包括海冰、低溫、大風(fēng)和大浪，以及頻繁出現(xiàn)的海霧[24]。目前，利用海冰資料進(jìn)行北極航道，尤其是東北航道和西北航道適航性分析的報道較多[14–22]。雖然海冰是制約北極航道通航的重要因素之一，但隨著北極海冰的快速減少，其影響程度逐漸減小，尤其是對于PC6 以上級別的船舶[17]。但隨著北極開闊水域的增多，低溫、強(qiáng)風(fēng)、大浪和海霧等氣象因子對船舶航行的影響程度卻在逐漸增加，因此，北極航道區(qū)域的氣象要素變化特征應(yīng)該得到更多關(guān)注。北極海域的強(qiáng)風(fēng)通常是由極地氣旋引起的，強(qiáng)風(fēng)不僅會促使開闊水域形成大浪，還會使海冰快速漂移，給船舶航行安全帶來巨大隱患。然而，由于北極原位觀測數(shù)據(jù)非常匱乏，導(dǎo)致北極氣旋的預(yù)報水平低于中緯度的預(yù)報水平[25]。另外，雖然全球的預(yù)報機(jī)構(gòu)都可以使用全球通信系統(tǒng)（GTS）的觀測數(shù)據(jù)，但是不同的大氣預(yù)報模式對觀測數(shù)據(jù)的同化方案不同，使不同預(yù)報系統(tǒng)的初始場產(chǎn)生差異，最終導(dǎo)致氣旋的預(yù)報水平不同[26]。我國國家海洋環(huán)境預(yù)報中心于2011 年基于Polar WRF 極地中尺度數(shù)值大氣模式和3DVAR 資料同化方法建立了業(yè)務(wù)化北極數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，最高水平分辨率為3.3 km[27]。2021 年，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心基于MITgcm 冰–海耦合數(shù)值預(yù)報模式和Polar WRF極地中尺度數(shù)值大氣模式建立了北極區(qū)域氣–冰–海全耦合數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（ArcIOAM），顯著提高了北極海冰和大氣的預(yù)報能力[28]。雖然我國的北極大氣預(yù)報系統(tǒng)已經(jīng)在北極科考船和商船的航行安全保障中發(fā)揮了重要作用[27]，但仍然具有一定的提高空間，尤其對于北極航道這種局地尺度的海域。與國外的極地數(shù)值預(yù)報相比，我國的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)面臨的難題更多，主要包括精細(xì)化地形數(shù)據(jù)和高質(zhì)量同化數(shù)據(jù)的獲取。精細(xì)化地形數(shù)據(jù)對于航道區(qū)域的預(yù)報至關(guān)重要，尤其是在具有眾多島嶼和海峽的西北航道。高質(zhì)量的同化數(shù)據(jù)包括準(zhǔn)確的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、船舶的實測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)、近岸的自動氣象站數(shù)據(jù)以及探空數(shù)據(jù)等。這兩個主要問題會大大限制我國北極數(shù)值天氣預(yù)報水平的提高[29–31]。

我國自1999 年至2022 年已經(jīng)開展了12 次北極科學(xué)考察，其中第5 次北極科學(xué)考察返程和第8 次北極科學(xué)考察去程期間穿越了中央航道，第5 次北極科學(xué)考察去程時穿越了東北航道，第8 次北極科學(xué)考察返程時穿越了西北航道（圖2），獲取了寶貴的夏季北極航道區(qū)域氣象觀測數(shù)據(jù)。除了這兩個航次，以及第1、10 和12 次北極科學(xué)考察，其余7 次常規(guī)科學(xué)考察主要集中于北極太平洋扇區(qū)，其中70°N 以北海域為中央航道在太平洋一側(cè)的重要航段，積累了中央航道太平洋扇區(qū)的大量現(xiàn)場氣象資料。因此，本文首次綜合利用大氣再分析數(shù)據(jù)和我國北極科學(xué)考察積累的大量現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)，分析各航道影響船舶航行的近地面氣象要素時空變化特征，一方面，從近地面氣象要素角度對夏季北極航道的適航性進(jìn)行分析評估，以期對船舶未來在北極航行提供一定的指導(dǎo)參考，另一方面，對實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析也可以為北極大氣數(shù)值模式的驗證和改進(jìn)提供一定的支撐。

圖2 我國部分北極考察航次航跡Fig. 2 Track maps of some of Chinese Arctic research expeditions

2 數(shù)據(jù)

2.1 走航氣象觀測數(shù)據(jù)

我國北極科學(xué)考察的走航氣象觀測主要包括走航連續(xù)觀測和人工正點觀測。走航連續(xù)觀測依托船載自動氣象站開展，觀測的氣象要素包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、相對濕度和能見度等。人工正點觀測是隨船氣象人員按照國標(biāo)《海洋調(diào)查規(guī)范 第3 部分：海洋氣象調(diào)查》（GB/T 12763.3–2007）[32]和有關(guān)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程的要求，在每日世界時（UTC）00 時、06 時、12 時和18 時中的3～4 個時次進(jìn)行整點氣象觀測，記錄船載自動氣象站在整點時刻獲取的海平面氣壓、氣溫、露點溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行能見度、天氣現(xiàn)象、云量云狀、涌浪等的人工觀測。

我國第1～9 次北極科學(xué)考察依托“雪龍”號開展。“雪龍”號極地科考船在2002 年安裝了Vaisala MILOS500 自動氣象站，其主要傳感器均為Vaisala 公司生產(chǎn)，包括HMP45D 溫濕度傳感器、PTB210 氣壓傳感器和WMS301 風(fēng)向風(fēng)速傳感器，各傳感器在2005 年進(jìn)行過更換。2013 年“雪龍”號船載自動氣象站更換為基于美國坎貝爾公司CR3000 數(shù)采器的天諾自動氣象站，其主要傳感器包括Vaisala HMP155 溫濕度傳感器和PTB110 氣壓傳感器、美國RM YOUNG 05108 機(jī)械風(fēng)傳感器和Campbell CS120 能見度儀。第11 次北極科學(xué)考察依托“雪龍2”號開展，其安裝有Vaisala HMS（Helideck Monitoring System）自動氣象站，主要傳感器均為Vaisala 公司生產(chǎn)，包括HMP155溫濕度傳感器、PTB330 氣壓傳感器、WAA252 風(fēng)速傳感器、WAV252 風(fēng)向傳感器、WMT700 超聲風(fēng)傳感器和PWD22 能見度儀，各傳感器安裝時間為2019 年6 月。

Vaisala MILOS500、天諾CR3000 和Vaisala HMS船載自動氣象站各傳感器的性能指標(biāo)均符合WMO CIMO 指南VI[33]和《海洋調(diào)查規(guī)范第3 部分：海洋氣象調(diào)查》（GB/T 12763.3–2007）[32]中對自動氣象觀測儀器準(zhǔn)確度和性能的要求。早期針對Vaisala MILOS500自動氣象站，每年會攜帶足夠準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)儀器對主要傳感器進(jìn)行現(xiàn)場比對，后來隨著對極地觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的進(jìn)一步重視，更換為天諾CR3000 自動氣象站后每年都會對溫濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速傳感器進(jìn)行拆除并送到專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定。航次期間還會對自動氣象站運行狀況及故障情況進(jìn)行較詳細(xì)的記錄，航次結(jié)束后會對出現(xiàn)故障的傳感器進(jìn)行檢修或更換，以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本研究過程中使用的觀測數(shù)據(jù)主要為人工正點觀測數(shù)據(jù)，為保證所使用的走航氣象觀測數(shù)據(jù)的真實準(zhǔn)確，在數(shù)據(jù)處理階段也進(jìn)行了較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制，主要包括剔除超過氣候極值的異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時間連續(xù)性檢查、數(shù)據(jù)時間變化性檢查及數(shù)據(jù)記錄格式錯誤更正等。

2.2 再分析數(shù)據(jù)

由于走航觀測獲取的數(shù)據(jù)時間跨度有限，為了獲取影響北極航行的關(guān)鍵近地面氣象要素在整個夏季的空間分布及其變化，本文使用了ERA5 再分析數(shù)據(jù)中的2 m 氣溫、10 m 風(fēng)速和有效波高[34]。ERA5 由歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）發(fā)布，是其第五代再分析數(shù)據(jù)。ERA5 使用了比較先進(jìn)的四維變分（4DVar）同化技術(shù)，模式從地面至大氣層頂0.01 hPa 共分為137 層，空間分辨率約為31 km。ERA5 可以提供逐小時的再分析數(shù)據(jù)，大氣和海洋參數(shù)的空間分辨率分別為0.25°×0.25°和0.5°×0.5°。本文使用的 是1979–2020 年7–10 月的逐6 h 數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

本文首先利用大氣再分析數(shù)據(jù)分析了夏季影響船舶通航北極航道的關(guān)鍵近地面氣象要素的氣候態(tài)時空分布變化特征和重點海域的年際變化特征，然后基于我國北極科學(xué)考察獲取的走航氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行個例分析，獲取特定年份的北極東北航道、西北航道和中央航道的常規(guī)地面氣象要素特征。

3.1 氣候態(tài)時空分布特征

根據(jù)2 m 氣溫、10 m 風(fēng)速和有效波高的空間分布，本文將東北航道分為3 個航段（圖1），即白令海峽–楚科奇海（NE-I）、東西伯利亞海–拉普捷夫海–喀拉海（NE-II）和巴倫支海–挪威海（NE-III），將西北航道也分為3 個航段（圖1），即白令海峽–波弗特海（NW-I）、加拿大群島（NW-II）和巴芬灣（NW-III）。NE-II 航段可能存在浮冰和流冰，在該航段惡劣天氣對船舶的影響可能更大，是東北航道中的關(guān)鍵航段。對于西北航道，NW-II 航段幾乎常年有多年冰存在，是最為關(guān)鍵的航段。

3.1.1 2 m 氣溫

北極海冰范圍在9 月份達(dá)到最小值，7–8 月處于快速融化期。圖3a、圖3d、圖3g 和圖3j 分別給出了1979–2020 年7–10 月平均2 m 氣溫的分布形式。根據(jù)2 m 氣溫的氣候態(tài)月平均分布形式，8 月份北極氣溫最高，7 月份略低于8 月份。為了進(jìn)一步分析各月份低溫天氣的影響，本文定義低溫天氣概率為當(dāng)月所有低溫日的占比，并進(jìn)行統(tǒng)計分析。由于海水的結(jié)冰溫度約為–1.8°C，本文選取–1.8°C 作為低溫天氣的閾值。只要當(dāng)日有一個時次的2 m 氣溫低于–1.8°C，則記該日為低溫日。圖3b、圖3e、圖3h 和圖3k 分別給出了1979–2020 年7–10 月平均低溫天氣概率分布。圖3c、圖3f、圖3i 和圖3l 分別給出了1979–2020年7–10 月低溫天氣概率變化趨勢。

圖3 1979–2020 年7–10 月平均2 m 氣溫分布（a, d, g, j）、平均低溫天氣概率分布（b, e, h, k）和低溫天氣概率變化趨勢（c, f, i, l）Fig. 3 Spatial distribution of the average of 2 m air temperature (a, d, g, j), the average of the low temperature weather probability(b, e, h, k) and the tendency of the low temperature weather probability (c, f, i, l) in July to October from 1979 to 2020

7–10 月，東北航道3 個航段中，NE-III 航段氣溫最高，NE-I 航段次之，NE-II 航段最低。7–8 月，NE-II航段的平均氣溫可以達(dá)到0°C 以上，低溫天氣概率小于10%。然而，9 月份該航段的平均氣溫在–2～1°C，表現(xiàn)為俄羅斯沿岸海域的氣溫較高，可以達(dá)到0°C 以上，而遠(yuǎn)離陸地的海域氣溫較低。此時的低溫天氣概率也有同樣的分布形式，近岸為10%～40%，遠(yuǎn)離陸地可達(dá)到50%～70%。值得注意的是，維利基茨基海峽雖然鄰近大陸，但該區(qū)域9 月的平均氣溫已經(jīng)下降到–3～–2°C，低溫天氣概率達(dá)到60%。10 月，整個NE-II 航段的平均氣溫下降至–2°C 以下，最低可達(dá)–10°C，大部分海域低溫天氣概率達(dá)到90%以上。對于NE-I 和NE-III 航段的平均氣溫均表現(xiàn)為隨緯度的降低而增加，7–9 月的平均氣溫均在0°C 以上，而10 月，僅北部小部分海域的平均氣溫在–2～0°C。NE-I 和NE-III 航段北部在10 月份的低溫天氣概率最高達(dá)到70%，其他月份的低溫天氣概率均在30%以下。在全球變暖的大背景下，整個東北航道7–10 月的低溫天氣概率都呈顯著的減小趨勢，這與北極放大效應(yīng)也是一致的。其中，9 月的NE-II 航段和10 月的NE-I 航段的低溫天氣概率是全北極減小最快的海域，減小速率高達(dá)25%/(10 a)。

西北航道平均氣溫的整體變化趨勢與東北航道類似，即NW-III 航段氣溫最高，NW-I 航段次之，NW-II航段最低。NW-II 航段在7–8 月的平均氣溫可以達(dá)到0～2°C，低溫天氣概率為0；9 月下降至–3°C 左右，低溫天氣概率達(dá)到60%～80%；10 月進(jìn)一步下降至–10°C 以下，低溫天氣概率達(dá)到95%以上。NW-I 航段表現(xiàn)為靠近陸地氣溫較高，7–8 月近岸的平均氣溫可達(dá)2°C 以上，低溫天氣概率基本為0；9 月下降至–1～1°C，低溫天氣概率最高達(dá)到40%；10 月下降至–7～–4°C，低溫天氣概率達(dá)到60%～90%。NW-III 航段7–8 月的平均氣溫為2～4°C，低溫天氣概率基本為0；9 月開始下降至0～3°C，最北部海域低溫天氣概率可達(dá)30%；10 月平均氣溫進(jìn)一步下降至海水的冰點以下，達(dá)到–7～–2°C，同時，低溫天氣概率達(dá)到40%～100%，表現(xiàn)為緯度越高，低溫天氣概率越高的分布形式。與東北航道類似，整個西北航道在夏季的低溫天氣概率也都表現(xiàn)為減小趨勢。NW-I 航段的減小速率相對較大，尤其在9–10 月。NW-II 航段中，僅部分海域在9 月份的減小速率達(dá)到15%左右，其余月份的減小速率較小。

中央航道作為一條高緯航線，受海冰的影響更多。由于海冰的存在，7–8 月平均氣溫維持在0°C 左右。9 月平均氣溫下降至–2°C，海冰開始逐漸生長。10 月平均氣溫可下降至–7°C 以下，同時伴隨著海冰的快速生長。中央航道的低溫天氣概率表現(xiàn)為7 月最低，為0，8 月開始增大，達(dá)到20%左右，9 月快速增加至80%以上，10 月達(dá)到100%。受海冰分布的影響，僅80°N 以南中央航道海域的低溫天氣概率表現(xiàn)為較強(qiáng)的減小趨勢，尤其在9–10 月。

3.1.2 10 m 風(fēng)速

圖4 給出了1979–2020 年7–10 月的平均10 m風(fēng)速、平均大風(fēng)天氣概率和大風(fēng)天氣概率變化趨勢的空間分布。如果某一日出現(xiàn)一次風(fēng)力大于等于6 級的大風(fēng)過程（風(fēng)速≥10.8 m/s），則記為大風(fēng)日。大風(fēng)日在當(dāng)月的占比定義為大風(fēng)天氣概率。7–10 月的月平均風(fēng)速均較小，但仍能反映出北極航道兩端航段風(fēng)速較大、中間航段的風(fēng)速較小的空間分布形式。

圖4 1979–2020 年7–10 月平均10 m 風(fēng)速分布（a, d, g, j）、平均大風(fēng)天氣概率分布（b, e, h, k）和大風(fēng)天氣概率變化趨勢（c, f, i, l）Fig. 4 Spatial distribution of the average of 10 m wind speed (a, d, g, j), the average of the strong wind weather probability (b, e, h, k) and the tendency of the strong wind weather probability (c, f, i, l) in July to October from 1979 to 2020

對于東北航道和西北航道，大風(fēng)天氣概率分布形式與低溫天氣概率分布相反，均表現(xiàn)為第II 航段最小，第I 和第III 航段最大。NE-II 航段的大風(fēng)天氣概率從7 月的5%～10%逐漸增大，8 月僅拉普捷夫海達(dá)到15%，9–10 月整個航段均達(dá)到10%～20%，其中拉普捷夫海和喀拉海分別高達(dá)20%和30%。NE-I 和NE-III 航段的大風(fēng)天氣概率隨時間的變化與NE-II 航段一致。7 月大風(fēng)天氣概率可達(dá)10%左右，8 月增加至10%～20%，9 月繼續(xù)增大至30%，10 月則可達(dá)到50%以上。NE-III 航段的大風(fēng)天氣概率還表現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)向分布特征，即緯度越低，大風(fēng)天氣概率越大。這與半永久性天氣系統(tǒng)冰島低壓的發(fā)展有關(guān)。太平洋一側(cè)的阿留申低壓的加強(qiáng)，導(dǎo)致NE-I 航段的大風(fēng)天氣概率自8 月開始增大。7–9 月，整個東北航道的大風(fēng)天氣概率均呈微弱地增加趨勢。10 月，NE-I 和NE-II 航段表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，而NE-III 航段則表現(xiàn)為減小趨勢。這種大風(fēng)天氣概率的變化形勢可能與氣旋活動的變化相關(guān)。

整個西北航道7 月的大風(fēng)天氣概率均在5%以下，之后逐漸增加。其中，NW-I 航段西部、NW-II 航段和NW-III 航段在10 月份的大風(fēng)天氣概率可分別達(dá)到40%、15%和30%。除8 月外，西北航道其余月份的大風(fēng)天氣概率均表現(xiàn)為增加趨勢，尤其是NW-I和NW-III 航段。

中央航道從太平洋一側(cè)的70°N 至斯瓦爾巴群島附近的大風(fēng)天氣概率較低，10 月達(dá)到最高，均在15%以下。中央航道的低緯航段，受低壓系統(tǒng)影響較大，大風(fēng)天氣概率可由7 月的5%增大至10 月的50%以上，其中以北歐海的大風(fēng)天氣概率最大。7–9 月，北極中心區(qū)的大風(fēng)天氣概率以減小趨勢為主，而中央航道的其他航段以增加趨勢為主。10 月，除了大西洋一側(cè)的航段外，其余航段的大風(fēng)天氣概率均以增加趨勢為主，尤其是楚科奇海。

3.1.3 有效波高

海浪是影響船舶航行的重要因素之一。圖5 給出了1979–2020 年7–10 月平均有效波高、平均大浪天氣概率和大浪天氣概率變化趨勢的空間分布。有效波高主要受天氣系統(tǒng)影響較大，因此氣候態(tài)月平均有效波高的空間分布形式與10 m 風(fēng)速比較一致。為了更好地分析各月大浪的影響，本文對大浪概率進(jìn)行了統(tǒng)計。大浪概率的定義與大風(fēng)天氣概率相似，即日最大有效波高大于2.5 m 的天數(shù)在當(dāng)月的占比。

整體來看，整個60°N 以北海域的平均有效波高和大浪概率均表現(xiàn)為7 月最小，10 月最大。對于東北航道，NE-III 航段的平均有效波高和大浪概率最大，尤其是挪威海，NE-I 航段次之，NE-II 航段最小。NE-II航段7 月平均有效波高為0.5～1.0 m，8 月局部海域增大至1.5 m，9–10 月增大至1.0～1.5 m。該航段7–8 月大浪概率基本為0，9–10 月略有增加，但也在5%以下。也就是說，海浪對該航段的影響較小。NE-I航段平均有效波高由7 月的0.5～1.0 m，增大至8–9 月的1.0～1.5 m，10 月進(jìn)一步增大至1.5～2.0 m。該航段的大浪概率從7–8 月的0～10%逐漸增大，9 月達(dá)到20%，10 月進(jìn)一步增大到35%。NE-III 航段的平均有效波高和大浪概率都呈現(xiàn)為較強(qiáng)的經(jīng)向分布形式，南部海域（挪威海）較北部海域（巴倫支海）的平均有效波高偏高0.5～1.0 m。巴倫支海7–8 月的平均有效波高為1.0～1.5 m，大浪概率為10%左右，9 月有效波高和大浪概率分布為1.5～2.0 m 和15%～35%，10 月兩者分別增大為2.0～2.5 m 和30%～60%。整個東北航道大浪概率變化趨勢空間分布與大風(fēng)天氣概率變化趨勢相似，即7–9 月，整個東北航道的大浪概率均呈微弱地增加趨勢，10 月NE-I 和NE-II 航段表現(xiàn)為顯著的增加趨勢，而NE-III 航段則表現(xiàn)為減小趨勢。

西北航道的NW-II 航段位于加拿大群島，由眾多海峽組成，因此海浪較小，整個夏季的平均有效波高基本都在1.0 m 以下，大浪概率基本為0。NW-I 和NW-III 航段在同時期的平均有效波高和大浪概率比較一致，即7 月為0.5～1.0 m 和接近0，8 月局部海域增大至1.5 m 和5%左右，9 月大部分海域達(dá)到1.0～1.5 m 和10%左右，10 月約一半航段可達(dá)2.0 m 左右和30%。7–10 月，整個西北航道的大浪概率均表現(xiàn)為增加趨勢，尤其是NW-I 和NW-III 航段。

由于海冰具有一定的消浪作用，中央航道高緯航段的大浪概率一直維持在5%以下。斯瓦爾巴群島以南海域的平均有效波高分布與NE-III 航段相一致，大浪概率由7 月的0～15%增大到10 月的50%～80%。白令海峽至斯瓦爾巴群島之間航段海冰邊緣區(qū)的平均有效波高變化趨勢與NE-II 航段比較一致，由7 月的0.5～1.0 m 逐漸增大到10 月的1.5～2.5 m。7–9 月，整個中央航道的大浪概率均呈微弱地增加趨勢。10 月，除了挪威海西部，其余航段的大浪概率均以增加趨勢為主，尤其是楚科奇海。

3.2 重點區(qū)域年際變化特征

根據(jù)3.1 節(jié)的統(tǒng)計分析，我們劃分出4 個惡劣天氣概率變化趨勢一致且變化速率相對較大的重點海域（圖6），進(jìn)一步分析惡劣天氣概率的年際變化。區(qū)域A 為3 個航道的起始航段，區(qū)域B 基本與NE-II 航段一致，區(qū)域C 為巴倫支海和挪威海，即NE-III 航段和中央航道大西洋扇區(qū)的低緯航段，區(qū)域D 為巴芬灣，即NW-III 航段。需要注意的是，本節(jié)統(tǒng)計的區(qū)域僅為圖6 所示各區(qū)域內(nèi)的海洋，不包含陸地。

圖7 至圖10 給出了7–10 月4 個重點海域的平均低溫天氣概率、大風(fēng)天氣概率和大浪概率距平的時間序列，以及線性變化趨勢。7 月，整個北極的低溫天氣概率基本為0（圖3b），因此4 個重點海域平均低溫天氣概率的年際變化較小。區(qū)域D 的低溫天氣概率年際變化最大，2000 年以前以正距平為主，2000 年之后以弱負(fù)距平為主，說明該海域的低溫天氣呈微弱的減少趨勢。這與全球變暖的趨勢一致。大風(fēng)天氣概率具有較大的年際變化，尤其在區(qū)域A 和C。4 個海域的大風(fēng)天氣概率均呈增加趨勢，但只有區(qū)域A 和B 的顯著性超過90%。由于7 月的海冰范圍較大，只有開闊水域面積較大的區(qū)域C 的大浪概率具有與大風(fēng)天氣概率相似的年際變化。然而，其余3 個海域的大浪概率年際變化較小，且2000 年之后以正距平為主。這是因為海冰減少，海冰外緣線北移，開闊水域面積增加，大浪過程增多。

圖7 1979–2020 年區(qū)域A（a）、B（b）、C（c）和D（d）內(nèi)7 月平均低溫天氣概率、大風(fēng)天氣概率和大浪天氣概率距平（實線）及線性變化趨勢（虛線）。圖中給出了顯著性超過90%的線性擬合變化速率Fig. 7 The anomaly (solid lines) and the tendency (dashed lines) of the average of the low temperature weather probability, strong wind weather probability and the huge wave weather probability within region A (a), B (b), C (c) and D (d) in July during 1979–2020. These tendencies with a significance of more than 90% are given

圖8 1979–2020 年區(qū)域A（a）、B（b）、C（c）和D（d）內(nèi)8 月平均低溫天氣概率、大風(fēng)天氣概率和大浪天氣概率距平（實線）及變化趨勢（虛線）。圖中給出了顯著性超過90%的線性擬合變化速率Fig. 8 The anomaly (solid lines) and the tendency (dashed lines) of the average of the low temperature weather probability, strong wind weather probability and the huge wave weather probability within region A (a), B (b), C (c) and D (d) in August during 1979–2020. These tendencies with a significance of more than 90% are given

圖9 1979–2020 年區(qū)域A（a）、B（b）、C（c）和D（d）內(nèi)9 月平均低溫天氣概率、大風(fēng)天氣概率和大浪天氣概率距平（實線）及變化趨勢（虛線）。圖中給出了顯著性超過90%的線性擬合變化速率Fig. 9 The anomaly (solid lines) and the tendency (dashed lines) of the average of the low temperature weather probability, strong wind weather probability and the huge wave weather probability within region A (a), B (b), C (c) and D (d) in September during 1979–2020. These tendencies with a significance of more than 90% are given

圖10 1979–2020 年海域A（a）、B（b）、C（c）和D（d）內(nèi)10 月平均低溫天氣概率、大風(fēng)天氣概率和大浪天氣概率距平（實線）及變化趨勢（虛線）。圖中給出了顯著性超過90%的線性擬合變化速率Fig. 10 The anomaly (solid lines) and the tendency (dashed lines) of the average of the low temperature weather probability, strong wind weather probability and the huge wave weather probability within region A (a), B (b), C (c) and D (d) in October during 1979–2020. These tendencies with a significance of more than 90% are given

8 月，區(qū)域A、B 和D 的低溫天氣概率距平在2000 年由正距平變?yōu)樨?fù)距平，并表現(xiàn)為顯著的減小趨勢。一方面，這跟全球變暖的大背景有關(guān)，尤其在北極放大效應(yīng)的作用下，2 m 氣溫呈增加趨勢；另一方面，海冰的快速減少使得開闊水域面積增大，海表溫度高于冰點，使近地面氣溫更容易維持在–1.8°C以上。區(qū)域C 的8 月平均低溫天氣概率基本為0（圖3e），幾乎不存在年際變化。4 個海域的平均大風(fēng)天氣概率和大浪概率均呈微弱的增加趨勢。其中，區(qū)域C 和D 的年際變化較大，區(qū)域A 和B 的年際變化較小。尤其區(qū)域A 和B 的大浪概率呈顯著的增加趨勢。海冰減少，開闊水域面積的增加，促進(jìn)這兩個區(qū)域的大浪過程增多。

與8 月相似，區(qū)域A、B 和D 在9 月的低溫天氣概率呈顯著減小趨勢，而且具有更大的減小速率。區(qū)域C 的低溫天氣概率基本上一直保持為0。這4 個海域在9 月基本都是開闊水域，大風(fēng)天氣概率與大浪概率的變化基本一致，都呈增加趨勢，尤其是區(qū)域A、B 和D 的大浪概率增加趨勢的顯著性超過95%。區(qū)域A、B 和D 的大風(fēng)天氣概率和大浪概率的年際變化較小。

10 月，4 個海域的低溫天氣概率都呈顯著的減小趨勢，其中，區(qū)域A 的減小速率最大。10 月為北極海冰凍結(jié)初期，這4 個海域仍以開闊水域為主。因此，大風(fēng)天氣概率與大浪概率的變化基本一致。區(qū)域A 和B 的大風(fēng)天氣概率和大浪概率都呈顯著的增大趨勢，2000 年后都以正距平為主。值得注意的是，區(qū)域C 的大風(fēng)天氣概率和大浪概率都呈減小趨勢，但不能通過顯著性檢驗，這與該海域其他月份的變化趨勢不同。大風(fēng)過程通常是氣旋引起的，而大浪過程與大風(fēng)過程息息相關(guān)，因此區(qū)域C 的這種變化可能與氣旋過程的變化有關(guān)。

3.3 基于走航氣象觀測的個例分析

由于大氣再分析數(shù)據(jù)中不包含能見度數(shù)據(jù)，無法分析北極夏季頻發(fā)的海霧分布特征。因此，為了進(jìn)一步獲取更加全面的影響船只航行北極航道的近地面氣象要素的分布特征，我們對我國歷史北極科學(xué)考察航次獲取的常規(guī)地面氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3.3.1 2012 年7 月—東北航道

2012 年7 月21 日至8 月2 日（中國第5 次北極科學(xué)考察去程），“雪龍”號去往冰島期間穿越了東北航道，這里東北航道的范圍為從穿過白令海峽后第一次抵達(dá)70°N 至第一次抵達(dá)20°E 之間的航段，圖11 為期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果。東北航道航行期間，平均海平面氣壓為1 005.7 hPa，最低氣壓為993.5 hPa，平均風(fēng)速為7.7 m/s，最大風(fēng)速為20 m/s。雖然2012 年7 月區(qū)域B 的大風(fēng)天氣概率和大浪概率均為較大的正距平，但此次北極科學(xué)考察期間共出現(xiàn)1 次浪高≥2.5 m 的大浪過程和2 次7 級或以上大風(fēng)過程，風(fēng)向以偏北至西北象限居多，大風(fēng)過程中風(fēng)向為西–西北和南–西南風(fēng)。由于航線緯度相對較低，離岸較近，航程期間氣溫較高，相對濕度較低，平均溫度為2.1°C，最低氣溫為–2.5°C，并出現(xiàn)1 次超過10°C的高溫天氣，平均相對濕度為89.3%；期間海霧較為頻發(fā)，多次出現(xiàn)能見度（V）不足1 km 的濃霧過程，期間V≤1 km 的比例為28.9%。

圖11 2012 年“雪龍”號穿越東北航道期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果Fig. 11 The results of the near-surface meteorological parameters obtained during Xuelong vessel crossing the Arctic northeast passage in 2012

3.3.2 2017 年9 月—西北航道

2017 年8 月31 日 至9 月10 日（中 國 第8 次 北 極科學(xué)考察），“雪龍”號穿越了西北航道，西北航道的范圍取為從巴芬灣的70°N 至波弗特海的75°N 的航段，圖12 為期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果。西北航道航行期間，平均海平面氣壓為1 009.9 hPa，最低氣壓為995.0 hPa，平均風(fēng)速為7.2 m/s，最大風(fēng)速為16 m/s，期間出現(xiàn)1 次7 級或以上大風(fēng)過程，風(fēng)向以西北風(fēng)居多，大風(fēng)過程中風(fēng)向為西北和東–東北風(fēng)，期間出現(xiàn)2 次浪高≥2.5 m 的大浪過程。航線緯度相對較低，離岸較近，且航程期間先后受高壓和較強(qiáng)氣旋影響，氣溫變化幅度較大，平均溫度為0.8°C，最低氣溫為–5.7°C，最高氣溫為6.8°C；相對濕度較高，平均相對濕度為96.5%；期間海霧過程較少，能見度V≤1 km的比例為9.1%。

圖12 2017 年“雪龍”號穿越西北航道期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果Fig. 12 The results of the near-surface meteorological parameters obtained during Xuelong vessel crossing the Arctic northwest passage in 2017

3.3.3 中央航道

1）2012 年8–9 月和2017 年8 月—穿越中央航道

2012 年8 月25 日至9 月6 日（中國第5 次北極科學(xué)考察返程），“雪龍”號從冰島返回過程中穿越了中央航道，圖13 為期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果。此次中央航道航行期間，平均海平面氣壓為1 014.1 hPa，最低氣壓為1 006.1 hPa，平均風(fēng)速為6.7 m/s，最大風(fēng)速為14 m/s，期間出現(xiàn)1 次7 級或以上大風(fēng)過程，風(fēng)向以偏南至偏西象限居多，大風(fēng)過程中風(fēng)向為偏南風(fēng)和北–東北風(fēng)，期間出現(xiàn)1 次浪高≥2.5 m 的大浪過程。由于航線緯度相對較高，航程期間氣溫較低，平均溫度為–1.4°C，最低氣溫為–3.5°C，平均相對濕度為90.2%；期間海霧較為頻發(fā)，多次出現(xiàn)能見度（V）不足1 km的濃霧過程，期間V≤1 km 的比例達(dá)到22.4%。

圖13 2012 年“雪龍”號穿越中央航道期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果Fig. 13 The results of the near-surface meteorological parameters obtained during Xuelong vessel crossing the trans-Arctic northwest passage in 2012

2017 年8 月2 日至8 月18 日，“雪龍”號從浮冰區(qū)中穿越了中央航道，圖14 為期間近地面氣象要素走航觀測結(jié)果。此次中央航道航行期間，平均海平面氣壓為1 003.5 hPa，最低氣壓為991.0 hPa，平均風(fēng)速為8.2 m/s，最大風(fēng)速為15 m/s，期間出現(xiàn)1 次7 級或以上大風(fēng)過程，風(fēng)向以西–西北風(fēng)居多，大風(fēng)過程中風(fēng)向為西北風(fēng)，期間沒有出現(xiàn)大浪過程。由于航線緯度相對較高，航程期間氣溫較低，平均溫度為–1.7°C，最低氣溫為–4.2°C，并多次出現(xiàn)低于–3°C 的低溫天氣，平均相對濕度為99.3%；期間海霧過程較少，能見度V≤1 km的比例僅為6.1%。

圖14 2017 年雪龍?zhí)柎┰街醒牒降榔陂g近地面氣象要素走航觀測結(jié)果Fig. 14 The results of the near-surface meteorological parameters obtained during Xuelong vessel crossing the trans-Arctic northwest passage in 2017

2）其余航次7–9 月——中央航道–太平洋扇區(qū)

除第1 次、第5 次和第8 次北極考察外，其余7 次常規(guī)考察區(qū)域大致相同，均位于北極中央航道的太平洋扇區(qū)航段，考察時間都集中于7 月下旬至9 月上旬（表1），在時間和空間上具有較好地一致性，因此可以放在一起對氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表1 7 個常規(guī)航次70°N 以北氣象觀測日期和人工觀測次數(shù)Table 1 Meteorological observation period and the number of manual observations in the area north of 70 °N during the 7 conventional expeditions

圖15 為各常規(guī)航次70°N 以北考察海域近地面氣象要素統(tǒng)計結(jié)果。氣壓、風(fēng)速和大風(fēng)過程方面，70°N 以北考察海域平均海平面氣壓的各航次平均值為1 011.5 hPa，各航次的最低氣壓平均值為988.2 hPa，各航次平均風(fēng)速的平均值為7.0 m/s，各航次最大風(fēng)速的平均值為16.6 m/s，平均每個航次出現(xiàn)7.4 次超過6 級和2.6 次超過7 級的大風(fēng)過程。氣壓、風(fēng)速和大風(fēng)過程存在較為明顯的年際變化。第3 次北極考察（2008 年）期間，海平面氣壓最高，近地面風(fēng)速最小，大風(fēng)過程最小。第7 次北極考察（2016 年）期間，海平面氣壓最低，尤其最低海平面氣壓顯著偏低，近地面風(fēng)速最大，大風(fēng)過程最多。區(qū)域A 的大風(fēng)天氣概率在2008 年和2016 年8 月分別為負(fù)距平和正距平（圖8a），與觀測結(jié)果一致。

圖15 7 個常規(guī)航次70°N 以北考察海域近地面氣象要素統(tǒng)計Fig. 15 Statistics of the near-surface meteorological parameters in the area north of 70°N during the seven conventional expeditions

近地面氣溫、相對濕度和能見度方面，70°N 以北考察海域各航次平均氣溫的平均值為–0.67°C，各航次最低氣溫的平均值為–5.0°C，各航次平均相對濕度的平均值為94.5%，各航次能見度≤1 km 的比例平均為18.3%，說明濃霧總體出現(xiàn)較為頻繁。溫濕度和能見度的年際變化也比較明顯，第4 次北極考察期間氣溫最高、相對濕度最低，第2 次北極考察期間氣溫最低，第9 次北極考察期間相對濕度最高，第2 次和第4 次考察期間濃霧最為頻繁，第6 次考察期間濃霧相對較少。

大風(fēng)和低能見度是影響船舶在北冰洋航行的兩個最主要氣象因素，為此對7 次常規(guī)考察70°N 以北中央航道太平洋扇區(qū)海域的風(fēng)向風(fēng)速和能見度情況進(jìn)行了統(tǒng)計。圖16a 為此區(qū)域?qū)崪y風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)的風(fēng)玫瑰圖，中央航道太平洋扇區(qū)70°N 以北海域平均風(fēng)速為6.8 m/s，最大風(fēng)速為19.0 m/s，考察期間多次出現(xiàn)8 級大風(fēng)過程，沒有明顯的主導(dǎo)風(fēng)向，總體以西至西北和南至西南的風(fēng)居多，多個方向都可以出現(xiàn)大于等于15 m/s 的大風(fēng)，說明影響該海域天氣系統(tǒng)復(fù)雜，移動路徑也較為多變。進(jìn)一步對此考察海域的風(fēng)向風(fēng)速按照不同緯度進(jìn)行了統(tǒng)計分析（圖略），發(fā)現(xiàn)不同緯度帶內(nèi)平均風(fēng)速差別很小，介于6.5～6.9 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向差別較多，且8 級大風(fēng)過程主要出現(xiàn)在較低的70°～75°N 區(qū)域內(nèi)，75°N 以北區(qū)域很少出現(xiàn)。圖8b 為此區(qū)域?qū)崪y能見度數(shù)據(jù)的概率分布圖，能見度V≤1 km 的比例為18.6%，海霧出現(xiàn)頻率比西北航道高而比東北航道低，可見此區(qū)域海霧出現(xiàn)也比較頻繁，1 km＜V≤10 km 的比例約為40.3%，比西北航道和東北航道都高，說明此區(qū)域輕霧或降雪出現(xiàn)也較為頻繁。同樣也按照不同緯度對能見度進(jìn)行了進(jìn)一步分析（圖略），發(fā)現(xiàn)不同緯度帶內(nèi)能見度概率分布差別不大，相對而言80°～85°N 區(qū)域內(nèi)濃霧出現(xiàn)頻率相對較低，近極點的85°～90°N 區(qū)域內(nèi)良好能見度出現(xiàn)比例較高。

圖16 7 個常規(guī)航次70°N 以北考察海域風(fēng)玫瑰圖（a）和能見度（V）概率分布（b）Fig. 16 The wind rose (a) and the percentage distribution of different visibility (V) (b) in the area north of 70°N during the seven conventional expedition

4 結(jié)論與展望

本文結(jié)合大氣再分析數(shù)據(jù)和我國北極科學(xué)考察獲取的走航氣象觀測數(shù)據(jù)，從不同時間尺度分析了影響北極東北航道、西北航道和中央航道通航的關(guān)鍵近地面氣象要素—溫度、風(fēng)速、海浪和能見度的時空分布特征。一方面，本文獲取的關(guān)鍵近地面氣象要素時空變化分布特征，對未來船舶航行北極航道具有一定的指導(dǎo)意義；另一方面，利用實測數(shù)據(jù)開展個例分析，統(tǒng)計不同航道的近地面氣象要素特征，也可為北極大氣數(shù)值模式的驗證和改進(jìn)提供一定的支撐。

整體來看，7–8 月的天氣條件對船舶航行北極航道影響最小，9–10 月低溫、大風(fēng)和大浪增多，對船舶航行的影響較大。低溫天氣主要發(fā)生在北極航道的中間航段，即東北航道的東西伯利亞海、拉普捷夫海和喀拉海，西北航道的加拿大群島海域，以及中央航道的北冰洋。大風(fēng)和大浪則主要發(fā)生在北極航道的兩端，即東北航道太平洋扇區(qū)的白令海峽和楚科奇海、大西洋扇區(qū)的巴倫支海和挪威海，西北航道的波弗特海和巴芬灣，以及中央航道的楚科奇海和北歐海。

在全球變暖的大背景下，北極放大效應(yīng)增強(qiáng)[35]，夏季北極航道的低溫天氣概率呈減小趨勢，尤其在9–10 月。也就是說，未來船舶在夏季通航北極航道時，低溫天氣的影響會越來越小。7–9 月，除北極中心區(qū)的部分航段以外，其余北極航道海域的大風(fēng)天氣概率以增加趨勢為主。10 月，挪威海、巴倫支海和北極中心區(qū)的大風(fēng)天氣概率表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢，而其余航道海域以增加趨勢為主。這可能與大氣環(huán)流形式的變化和局地氣旋活動的變化有關(guān)，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)分析。大浪概率的變化趨勢與大風(fēng)天氣概率相似，即除了10 月的挪威海和巴倫支海以外，其余時間和其余開闊水域均以增加趨勢為主。本文劃分的4 個重點海域的大浪概率在整個夏季也基本都呈顯著增加趨勢。這應(yīng)該與北極海冰減少和大風(fēng)過程增多有關(guān)。大氣再分析和實測數(shù)據(jù)的分析都顯示北極航道區(qū)域的低溫、大風(fēng)和大浪過程都具有較強(qiáng)的年際變化。

綜合現(xiàn)有北極航道走航氣象觀測數(shù)據(jù)，對比發(fā)現(xiàn)東北航道大風(fēng)和海霧均較頻繁，西北航道能見度最好，中央航道的大風(fēng)主要出現(xiàn)在緯度相對較低的海域，大風(fēng)和海霧的發(fā)生頻率居中，但輕霧或降雪較頻繁。需要注意的是，我國僅在北極東北航道和西北航道各開展了1 個航次的觀測，開展走航氣象觀測的時間和獲取的數(shù)據(jù)都非常有限。雖然對有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有一定的現(xiàn)實意義，但今后仍然需要積累更多的觀測數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)分析，以獲取可靠性更強(qiáng)的結(jié)論。

致謝：感謝中國歷次北極科學(xué)考察隊對走航氣象觀測工作的支持。