北极东北航道维利基茨基海峡海冰时空变化及适航性分析

李新情 慈天宇 罗斯瀚 惠凤鸣 程晓

(1山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266590;2北京师范大学遥感科学国家重点实验室，全球变化与地球系统科学研究院，北京100875)

0 引言

北极地区平均地面温度上升幅度是全球平均温度上升幅度的两倍［1］。2012年是有卫星观测数据以来北极夏季海冰总面积最低的一年，此前的最低记录出现在2007年(http://nsidc.org/arcticseaicenews/2012/09/)。在过去的30年中，整个北极地区融化季节延长了近20 d［2］。在多种地球系统模式的预测中，2040-2050年间，北冰洋将在夏季迎来短暂的无冰期［3-4］。多年来的冰总量的减少意味着北极海冰冰厚降低、融化季延长、海冰范围缩小，这些条件都为人类开发利用北冰洋航道提供了便利［5-7］。

北极航道主要包括大部分航段位于俄罗斯北部沿海的“东北航道”和大部分航段位于加拿大北极群岛水域的“西北航道”［7-9］(图1)。东北航道也称“北方航道”(Northern Sea Route，NSR)，是我们主要的关注对象。东北航道从北欧出发，向东穿过巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和楚科奇海五大海域，直到白令海峡。东北航道相比苏伊士运河航线有着众多优势。不仅可以在航程上缩短30%［9］，而且可以摆脱索马里海盗和印度洋海盗的威胁。近年来随着东北航道的进一步开通，经由东北航道的商业活动也越来越频繁。北方航道信息中心(Northern Sea Route Information Office)2010-2013年的东北航道航运数据显示2010-2013年4年间共有155艘商船在夏季期间通过了东北航道，船舶数量从2010年的4艘迅速增加到2013年的71艘，运送的货物总量也逐年迅速增加，输送的货物种类也逐渐增多［6，8-9］。 中国远洋运输公司的“永盛轮”于2013年夏季成功穿越东北航道，成为中国首艘经北极航道达到欧洲的商船［10］，为中国远洋商业航运积累了宝贵的经验。东北航道越来越频繁的商业运输活动说明了近几年北极航道通航条件有了极大的改善。2013年俄罗斯重新制定了《北方海航道水域航行规则》，新规则将之前的破冰船强制领航制度改为许可证制度，给出了具体的、可操作和可预期的独立航行许可的条件，使得国外船只独立航行成为可能［11］，这将大大增加东北航道的可使用性。海冰的分布与变化是影响东北航道运营的关键因素。利用2002-2013年逐日6.25 km分辨率的海冰密集度数据分析东北航道维利基茨基海峡夏季海冰空间分布，主要研究内容包括:(1)维利基茨基海峡基本海冰冰情;(2)维利基茨基海峡附近海域夏季适航时间长度变化;(3)研究区域夏季海冰空间分布规律。

图1 北极航道及研究区概况图Fig.1.Overview of the Northern Sea Route and study area

1 数据与方法

1.1 研究区域

选取位于东北航道中段的北地群岛及其附近海域作为研究区域，研究区东起115°E，西至90°E，纬度范围为76°N-82°N，包括了喀拉海东部、拉普捷夫海西部、维利基茨基海峡以及北地群岛以北北冰洋部分海域。北地群岛主要由布尔什维克岛、十月革命岛、少先队员岛和北共青团岛4个大岛及许多小岛组成。该研究区是北极航道上纬度最高的区域，共青团岛北端的北极角纬度达到了82°N。而且研究区是东北航线上夏季无冰期最短，冰情最为严重的区域，是影响东北航道通航的关键区域。

通过拉普捷夫海和喀拉海既可以从群岛北端绕过北极角，也可以穿过绍卡利斯基海峡或维利基茨基海峡，但北极角和绍卡利斯基海峡海域存在着大量浮冰和多年冰，冰况复杂而且有大的冰山增加了航行的危险性，所以这里仅仅是船只穿越喀拉海域与拉普捷夫海的一种选择［7］。位于俄罗斯泰梅尔半岛和布尔什维克岛之间的维利基茨基海峡是连接拉普捷夫海和喀拉海的最短通道，并且航行标志也相对齐全，所以该海峡成为通过喀拉海和拉普捷夫海之间的首选通道［7］。该海峡基本沿78°N纬线呈东西走向分布，长约104 km，最窄处约55 km，水深32-210 m，全年覆盖浮冰，夏季多浓雾［7，12］。 本文将着重研究和分析维利基茨基海峡海冰分布情况其及通航性。

1.2 多年海冰密集度数据

由于缺少现场观测数据，本文选用了德国不莱梅大学发布的海冰密集度数据产品进行研究，数据集包括 AMSR-E(2002.6.1-2011.10.4)、SSMIS(2011.10.1-2012.7.31)和AMSR-2(2012.7.24-2013)传感器反演的海冰密集度数据。数据的时间分辨均为逐日，空间分辨率为6.25 km×6.25 km。Spreen等［13］对AMSR-E数据精度进行了验证，AMSR-E数据反演的海冰密集度产品误差＜5%。SSMIS数据是用来填充AMSR-E和AMSR-2之间的数据空缺，SSMIS海冰密集度数据跟AMSR-E、AMSR-2海冰密集度数据都是采用ASI(ARTIST sea ice)算法反演得到的，其数据分辨率为6.25 km×6.25 km，是由格点大小为13.2 km×15.5 km的原始数据经内插后得到的，这使得SSMIS数据在靠近陆地边缘处存在较大的误差(http://iup.physik.uni-bremen.de:8084/ssmis/。目前还没有SSMIS和AMSRE、AMSR-2海冰密集度数据集之间的精度比较(https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/seaice-concentration-data-amsr-e-amsr2-ssmis-u-bremenand-u-hamburg-asi-algorithm)。以往大量相关研究都是基于这一海冰密集度数据产品［12，14-16］。

1.3 海冰密集度划分和连通性分析方法

在影响北极航运的众多自然因素中，海冰是最关键也是变化最大的一个因素。本文重点研究维利基茨基海峡的夏季海冰密集度变化并由此推断在该区域航行的难易程度。参考WMO(1970年)给出的海冰密集度与海面状态对应关系(表1)和SHIBATA(2013年)提出的通航海冰密集度分类方法，将海面通航状态按照海冰密集度0%-30%、30%-70%、70%-100%分成三类:畅通、困难和非常困难。当相邻的两个网格点海冰密集度均＜30%时，则认为这两个点是连通的。由此得出每一天从拉普捷夫海到喀拉海的航道连通状态，并进一步统计一年中的连通天数。

表1 海冰密集度与海面状态及通航状态对应关系表［12］Table 1.Relationship between stage of sea-ice concentration and state of the sea and navigation

2 结果

2.1 研究区域冰情概况

研究区总面积约350 000 km2，其中陆地面积约78 000 km2。冬季，整片海域被海冰覆盖，非破冰船无法通行。每年的6月下旬海冰开始大量融化，到9月中旬海冰面积达到最小值，然后海面开始迅速冻结，到10月下旬再次被海冰完全覆盖。每年的无冰期是北极航道中最短的［7，12］。

根据2002-2013年研究区7-10月海冰总面积柱状图(图2)，可将2002-2013年这12年划分为三个时间段:2002-2004年、2005-2008年、2009-2013年，以便于比较近十年研究区海冰面积的变化。从图3中可以看出，近十年研究区域夏季海冰面积明显减少，尤其是2009-2013年夏季海冰覆盖面积远小于2002-2004年和2005-2008年的海冰面积。如果研究区域夏季覆盖面积保持或者继续下降，将对这一区域的通航带来更大便利。

图2 研究区2002-2013年7-10月海冰总面积Fig.2.Total sea ice area from July to October in period 2002-2013

图3 研究区2002-2004年、2005-2008年、2009-2013年的7-10月份平均海冰面积日变化Fig.3.Averaged daily sea ice area from July to October in periods 2002-2004，2005-2008，2009-2013

2.2 维利基茨基海峡海冰覆盖情况

2.2.1 研究区多年平均海冰分布分析

为了更细致地分析研究区夏季海冰密集度的变化及分布情况，计算了2002-2013年的7-10月份每7 d的多年平均海冰密集度，2011年10月到2012年7月使用的是SSMIS海冰密集度数据，该数据靠近陆地边缘处误差较大，会对平均值的计算产生影响，所以在计算平均值时没有使用该数据，即2011年10月和2012年7月没有数据参与计算。最后的结果如图4所示。

图4 2002-2013年的7-10月份每7天的多年平均海冰密集度Fig.4.Averaged sea ice concentration per seven days of July to October between 2002 and 2013

从多年平均图中可以看出，7月份维利基茨基海峡海冰密集度高于70%，海面通航状态非常困难，维利基茨基海峡东侧海域海冰密集度较低，从7月中旬(图4c、4d)海峡东侧开始出现密集度低于30%的低密集度冰区，并随时间逐渐扩大;8月中上旬(图4e、4g)维利基茨基海峡上的海冰密集度降到30%-70%之间，船舶航行较困难，海峡东侧的低密集度冰区范围继续增大，海峡西侧也开始出现了低密集度区域，8月下旬(图4h、4i)整个海峡及其东西两侧的海域海冰密集度都降至30%以下，海面状况利于船舶航行;从(图4j、4m)可以看出，整个9月份维利基茨基海峡及其东西两侧的海域都是开通的，船舶可以自由航行;10月份随着北极温度降低，海水开始冻结，开阔水面开始逐渐缩小，10月中上旬(图4n、4o)维利基茨基海峡上只有在靠近俄罗斯大陆沿岸有一条很窄的水道可供船舶自由航行，海峡其他区域的海冰密集度在30%-70%之间，船舶航行困难。10月中下旬开始海峡上已完全被密集度大于30%的海冰覆盖，并且海冰密集度随着时间逐渐升高。通过对研究区海冰覆盖情况的分析可得，9月份该区域处于完全开通状态;8月上半月因为有30%-70%的海冰存在，船舶航行困难，8月下旬航线已完全开通，非常利于船舶航行;10月份上半月航道依然处于开通状态，但航道较窄且靠近俄罗斯一侧陆地沿岸，下半月航线已被30%-70%的海冰覆盖，船舶航行困难。

2.2.2 研究区海冰分布年际变化分析

尽管多年平均海冰密集度分析结果为该地区通航提供了参考意见，但是该区域海冰年际变化很大。由于分析中所用海冰密集度图太多，不便全部给出，因此使用了2002-2013年每年8月份平均海冰密集度图(图5)来说明研究区海冰具有较大的年际变化。

图5 2002-2013年研究区8月份平均海冰覆盖情况Fig.5.Averaged sea ice condition in August from 2002 to 2013

由图5可以看出2003、2004和2007年的8月份研究区冰情很严重，存在大面积的密集度大于70%的海冰，航道无法开通，但这三年海冰的分布存在明显的差异，2003年海峡西侧被高密集度海冰堵塞，2004年海峡两侧都有高密集度的海冰，而2007年的情况与2003年相反，高密集度的海冰集中在海峡东侧;2011年和2012年8月份冰情很轻，高密集度的海冰只分布在研究区的东北方向，海峡处于畅通状态;其他剩余年份中研究区的海冰密集度和海冰的空间分布也各不相同，年际间变化较大。因此，该区域实际通航天数应该根据当年海冰实际情况来确定。

2.3 航道连通性分析

统计了2002-2013年维利基茨基海峡每年的通航开始日期、通航结束日期和可通航天数(表2)，是否通航的判定是按照商业船舶(无破冰能力)在该区域航行状态作出的，即海冰密集度＜30%时认为船舶是可通航的。2003年和2004年夏季该海峡上一直有高密集度的海冰，航道未开通。由表2可以得出:(1)除2003、2004年不能通航外，近十年维利基茨基海峡夏季通航天数基本在40 d以上，特别是在2011和2012年通航天数达到了3-4个月。值得注意的是，2007年北极海冰面积是有记录以来的第二低年，但维利基茨基海峡在当年的通航天数仅为15 d，明显低于其他年份的通航天数，从图2可以看出2007年研究区海冰面积并不小，主要是因为当年一直存在于波弗特海的高压场和喀拉海的低压场形成了一个持续的从白令海峡往北吹的风场，从而推动了东西伯利亚海的海冰往北/西方向运动(http://nsidc.org/arcticseaicenews/2011/10/)，海冰受北地群岛的阻挡在其东侧形成堆积，从而严重影响了研究区航道的开通。而2011年和2012年分别是北极海冰面积第三低年和最小值年，研究区的海冰面积也达到了近十年的最低值，两年的通航时间分别为130 d和88 d，2012年的通航时间小于2011年的主要原因是2012年8月份之前北地群岛西侧一直有高密集度的海冰聚集，阻碍了航道的开通;(2)维利基茨基海峡通航开始时间变化较大，最早为2011年的6月16日，最晚为2007年的9月25日，通航结束时间主要在10月份，时间分布较开通时间相对集中。这与整条东北航道通航开通、结束时间变化规律基本一致［1］。

表2 2002-2013年维利基茨基海峡通航时间表Table 2.Navigable time of Vilkitsky Strait in period 2002-2013

2.4 影响航道通航的其他因素讨论

海冰是影响船舶航行的关键因素，但船舶的航行也会受到其他因素的影响，如风向/风力、温度、海流等。

风向和风力会使维利基茨基海峡的海冰产生漂移，容易造成海峡上海冰的堆积或漂散，从而使得海峡的海冰冰情复杂，短时间内海冰变化快速［10］。

温度也会对船舶航行产生影响。低温可能使海冰冻结，当海水在船体结构上结冰时，将对船舶的操纵性能产生影响，同时低温也会影响船员的生活条件［17］。研究区温度一般在6月中下旬达到0℃以上，然后逐渐升温，一直到当年9月初温度开始持续低于0℃，并不断降低。8月是全年平均气温最高的月份，其次是7月份。气象数据来自美国国家海洋和大气管理局网站公布的Fedorova气象站数据，该气象站位于维利基茨基海峡南侧沿岸。

海流对船舶航行有重要的影响［18］，特别是在狭窄的航区海流加速了逆流船舶船侧及船底水流的相对速度，使船舶发生碰撞、搁浅等事故。北极航道上的海流，作为浅水大陆架沿岸流，受地形要素的支配，整体上自西向东流。岛屿之间的狭窄海峡中潮流显著，水流强劲，维利基茨基海峡附近海流时速可达 5 节［17］。

3 结论

利用2002-2013年海冰密集度数据对维利基茨基海峡及其邻近海域夏季海冰覆盖情况及通航性进行了分析，得到如下重要结论。

(1)从研究区夏季多年平均海冰密集度图中可以看出，8月初维利基茨基海峡及其东西两侧的海冰密集度都降至70%以下，在海峡出现了一片开阔水域并不断扩大，到8月中下旬海峡及其两侧海域已完全开通，一直到10月中旬再次被密集度低于70%的海冰覆盖。

(2)研究区海冰冰情年际变化很大，对维利基茨基海峡通航天数有明显的影响。

(3)除2003、2004年不能通航外，近十年维利基茨基海峡夏季通航天数基本在40 d以上。维利基茨基海峡通航开始时间变化较大，最早为2011年的6月16日，最晚为2007年的9月25日，通航结束时间主要在10月份，时间分布较开通时间相对集中。

致谢感谢德国不莱梅大学提供了海冰密集度数据、美国国家海洋和大气管理局提供了气象数据，同时非常感谢《极地研究》审稿专家给出的宝贵的意见和建议。

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