基于多源共享数据的北极航道海域冰情分析

邵 晨，蒋雪中，恽才兴

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

基于多源共享数据的北极航道海域冰情分析

邵 晨，蒋雪中*，恽才兴

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

随着全球气候变暖，北冰洋季节性大规模通航已经可以预见。为开辟北极航道服务，保障航道航行安全，采集航线所经海域及沿岸国家和地区基础地理信息，建立基础数据库是基础。以东北航道所经海域海冰覆盖为例，获取多国海洋信息服务网络的海冰共享数据，按照空间信息系统要求，相互校验，提高数据时效和空间覆盖频率，处理成适用于保障北极航道安全航行的信息，讨论了东北航道所经海区的海冰对航道开通时间的影响，实现航道水域海冰信息的通航期（7月1日到11月30日）逐日发布，非通航期（12月1日到次年6月30日）半月发布一次，为北极航道大规模通航积累经验和基础信息。

北极航道；海冰；基础地理信息；数据库；多源数据；信息共享

北极航道指穿越北冰洋，连接大西洋和太平洋的海上通道，分为西北航道和东北航道[1]。东北航道连接大西洋和太平洋，是亚洲和欧洲之间的海上最短通道，从俄罗斯的摩尔曼斯克港到符拉迪沃斯托克港（海参崴），航道总长约5620海里；西北航道东起巴芬岛，西至波弗特海，地形复杂，有多条航道，从中国上海到格陵兰的努克港，航程约6058海里。

近年来，全球气候变暖导致北极地区的海冰不断融化，海冰的融化使得北极航道的开通成为可能。北极航道将大大缩减从大西洋经北冰洋到太平洋的海上航程，并将远东、欧洲、北美、东亚等地区联系起来，改变世界航运格局[2]。

北极航道穿过北冰洋多个海域，航程长、范围大，且海洋环境具有动态、复杂等特点，获取实测数据困难。海洋航运的快速发展对海洋信息采集、获取、处理，海洋交通安全保障等技术提出了更高的要求。船舶交通管理系统（Vessel Traffic Service, VTS）、船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）能获取航船和航道的动静态信息，实现船舶与船舶之间或者与岸之间数据的自动交换，是互联网技术、空间技术、信息技术和通讯技术在航海领域的应用实例，为海洋航运提供技术支持和安全保障[3～6]。随着软硬件水平的不断发展，航道管理实现了智能化、数字化、自动化、虚拟化，已进入“数字航道”时代[7]。

深海及极地研究是国际学术界关注的热点领域[8～13]。随着北极战略意义的凸显和北极航道的季节性通航，各国对北极环境的关注和投入日益加强[14～17]。我国已经成为北极理事会正式观察员，亟需获取与北极和北极航道相关的数据和信息。计算机网络的快速发展，为数据和信息的共享提供了途径，网络共享数据是研究人员获取北极环境信息的重要途径[18,19]。本项研究即以北极航道所经海域的海冰数据为例，尝试了获取多源共享数据，按照空间信息系统要求，处理成适用于保障北极航道安全航行的信息，并在空间覆盖、时间频率等特性上能够相互校验，确保数据及时准确可靠，为北极航道大规模通航所需航道安全信息保障提供经验和基础信息。

1 数据源与数据处理

航道安全保障的影响因素包括通航尺度、气象条件、水文条件和通航设施条件[20]。除了环境因素和助航设施对北极航道产生影响外，北极航道横穿北极，所经海区大部分属于高纬度水域，与普通航道相比，北极航道所经海区的海面通常覆盖着大面积的海冰，天气情况复杂恶劣，使得极地通航变得困难，海冰是最为重要的影响北极通航的因素[21]。

1.1 共享数据源

*通讯作者: 蒋雪中(博士/副教授): xzjiang@sklec.ecnu.edu.cn

目前，中国、日本、俄罗斯、丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典、加拿大、美国等国家的部分研究机构都设有海冰服务，用于发布海冰数据，其中美国、俄罗斯、加拿大等环北极国家的海冰数据相对全面，包括实时遥感数据、预报产品和实地观测数据，这些信息可为北极海冰研究和

海上活动提供重要的参考依据。但是通过不同部门提供的信息还没有与航道安全保障联系起来，提供的数据覆盖范围较大，没有针对北极航道的数据，无法为保障北极航道航行提供及时的信息。所以本文尝试通过共享数据的信息再提取，围绕海上航行安全，为北极航道安全保障提供针对性的信息。

以从中国天津港到德国汉堡港的东北航道所经海区为例，自渤海出发，经黄海、日本海、鄂霍次克海、白令海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海、挪威海，直至北海（图1），各海区海冰信息可以由各国海冰服务机构的网络发布信息提供。表1为各国的海冰服务机构的网址、数据时效，这些信息都可以自由访问。

图1 天津港至汉堡港北极东北航道所在海域航线示意Fig.1 The northeast shipping route passes through the arctic seas from Tianjin (China) to Hamburg (Germany)

表1 北极东北航道所在海域海冰共享信息一览Table 1 Sea-Ice information services for the northeast shipping route

1.2 数据处理

不同服务机构发布的数据在格式、内容、时间间隔等方面都存在差异，不同信息源提供的同一海区同一时期的海冰形态和分布范围也不尽相同。因此，根据各数据共享源的发布频率、数据质量、格式特点，经过时频与空间格式处理，将不同数据源处理成适合系统的数据[22,23]。

（1）时频处理

北极航道海域在不同季节的海冰覆盖情况差异很大，根据海冰对北极航道的影响程度，按是否适航分为通航期和非通航期。通航期指每年的7月到11月，全线通航时间约2到3个月。在通航期，船舶需要根据实际的冰情，分析海冰动态，规划安全经济的航行方案，通航期的冰况预报应做到及时、准确，因此将通航期（7月1日到11月30日）的数据发布频率定为每日一次。随着全球气候变暖导致北冰洋海冰大量融化，非通航期的海冰动态可用以分析海冰的长期变化趋势，也应保持监测，将非通航期（12月1日到次年6月30日）预报频率定为半月一次。

（2）空间格式处理

由于不同海冰服务机构的数据需求、获取手段和平台不同，且各机构之间缺乏统一的标准规范，导致多源空间数据的空间格式不同，需要统一投影坐标系，并进行空间数据拼接。采用墨卡托投影和WGS-84坐标系，以适应航海要求和对接全球定位系统。

矢量数据经过数据格式、空间基准和数学基础变换，处理成shapefile，以海区为组织单位，在显示系统中自动镶嵌完成拼接。栅格数据、遥感图像和可地图化图片产品则进行空间配准、裁剪等处理，形成影像地图产品，或者经过数字化生产制成矢量数据。对于港口或者沿途标志物等参考图片，则通过地点名称与航道所经地点建立关联，提供查询显示。属性数据通过文档格式转换或者手工录入数据库。

1.3 数据校验

由于发布海冰服务的机构比较多，对于同一个海域，不同机构提供的数据在数据格式和数据质量上都存在差异，需要从数据来源、处理方法和覆盖范围上进行对比，并参考相应的实测资料，如当日的气象资料、海冰报表等，以选择更准确可靠的数据。

以美国国家冰情中心（The U.S. National Ice Center, NIC）和美国冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center, NSIDC）发布的数据为例，图2是分别利用美国国家冰情中心（左）和美国冰雪数据中心（右）发布的数据处理得到的喀拉海2014年9月1日的海冰覆盖范围。从图中可以看出，两个海冰服务发布的喀拉海中部和西南部同一时间的海冰覆盖范围存在很大差异，这是由于两个服务机构的数据源和处理方式存在差异。美国国家冰情中心利用雷达、可见光和红外成像技术获取数据，综合浮标数据、监测船资料，并利用海冰模型得到海冰分析和预报数据，有统一的数据标准和处理方式。而冰雪数据中心的数据大多根据其他海冰服务提供的数据再制作的，在数据时效和准确度上都和冰情中心存在差距。因此喀拉海的海冰覆盖范围数据应以美国国家冰情中心为准，冰雪数据中心的数据

可以作为参考校验。

此外，俄罗斯的北极南极研究中心（AARI）也提供了俄罗斯北极沿岸各海区的海冰月平均覆盖范围和密度数据，在数据发布频率上不能满足系统的需要，但可用于校验其他海冰服务的数据的准确性。

图2 喀拉海2014年9月1日海冰覆盖范围（上：美国国家冰情中心；下：美国冰雪数据中心）Fig.2 Ice coverage of Kara Sea in September 1st, 2014 from NIC (upper) and NSIDC (below)

2 结果与讨论

通过获取共享海冰数据，并对数据进行时频处理、空间格式处理，形成了覆盖整个东北航道的海冰信息。根据规定，在北极航道海域，冰量低于10%的海域称为开阔水域，船舶可以自由航行；冰量为10%～50%时称为稀疏冰，船舶可以航行，但不能按照预定航向航行；冰量高于80%时称为密集冰，船舶航行需要破冰船支援，否则无法航行。

图3为从2010年到2014年东北航道从白令海到巴伦支海的各海域月度冰量，从图中可以看出，整个航道所经海区在8月到10月的冰量都在50%以下，其他月份的冰量则相对较高，且越靠近北极的海区冰量越高，持续时间越长。如白令海和巴伦支海等海区在夏季的冰量在10%以下，对航行影响很小，而楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海等海区一年中大部分时间的冰量都高达90%。

以喀拉海2014年9月的海冰为例（图4），海冰的融化和冻结都有一定的规律，由于航道距离陆地不远，一般航道水域的海冰融化较北边海域更早。

通过分析冰量的趋势，可以分析海冰对航道的影响，以及航道开通和关闭的时间。仍以喀拉海为例，图5显示了自2010年到2014年间的覆盖海域的月度冰量，图中显示：期间除了若干年份的一些月份冰量可能稍早或者推迟封冻外，每年冰量的变化趋势基本相同，即：每年5月份开始融化，7到8月间冰量急剧减少，到9月份冰量最小，降至20%以下；8月至10月上旬的冰量常常低于50%；10月到11月冰量急剧增加，在12月份即达到90%左右，至3、4月份一直保持封冻状态，5月又开始融化。

图3 东北航道所经主要海区的海冰冰量（2010～2014）Fig.3 Ice coverage of the main sea along the northeast route

图4 喀拉海2014年9月冰量Fig.4 Ice coverage of Kara Sea in September 2014

因此，在没有破冰船的帮助下，喀拉海安全通航的时间大概是每年的8月上旬到10月；而其他时期，海冰冰量基

本都在60%以上，船舶航行既不安全也不经济。按照航行经验，沿着东北航道中国上海港到俄罗斯摩尔曼斯克港之间的距离约6479海里，约45天。因此，船舶最早可以在7月初从上海出发，经东北航道，当到达喀拉海时海冰对船舶的影响不大，可以大大节约航行成本。

图5 2010年到2014年喀拉海冰量变化Fig.5 The change of ice coverage in Kara Sea from 2010 to 2014

3 结论

本文以东北航道为例，根据发布北极海冰信息的海冰服务机构的数据特点，以从我国天津港到德国汉堡港的沿途海域为例，对数据进行处理，使其满足北冰洋航线安全保障的需求。根据研究内容得到如下主要结论：

（1）北极航道航程长、途径多个国家和海域，保障航道安全所需的数据可以通过不同国家的共享数据获取，数据具有多样性，对数据进行时空处理后，可以形成供航行规划的相关信息。

（2）海冰是影响北极航行安全的核心因素。通过不同国家的北极海冰共享数据，获取航道通航期的海冰覆盖信息，可为保障航行安全提供服务；而非通航期的海冰信息也可用于监测海冰动态。

（3）利用高时频发布的海冰信息和影响航行的环境信息，可为船舶夏季走东北航道做好详细的规划和布置，确保在北极海域安全航行。

（4）虽然海冰是影响航道安全的重点，但航道所经区域的水文（海浪、潮汐等）和气象（风、能见度、海温、气压）等也会对船舶航行产生很大影响。若将海冰数据和水文气象数据等有机结合，更有助于为航行安全提供有力保障的基础信息，这是本项工作进一步研究的方向。

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A multi-parameter database for Arctic shipping routes: The example of sea ice

SHAO Chen, JIANG Xue-Zhong, YUN Cai-Xing
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Global warming and sea ice melt have made commercial navigation possible in the Arctic Ocean in summer. However, it is rare for Chinese commercial vessels to use an Arctic shipping route to travel from Asian harbors to Europe. Before establishing Arctic shipping routes, we must collect basic geographic information to establish a geodatabase for Arctic navigation. In this paper, sea ice data is obtained from open-access websites from countries such as the USA, Canada, Norway, and Russia. These data meet the spatial, temporal, and formatting demands of the geodatabase. Data from different sources also provide a way to check for data consistency in the same time periods and geographic areas.

the arctic shipping route; sea ice; geodatabase infrastructure; navigation insurance; multi-resources data; information sharing

P208

A

2095-1329(2015)01-0090-05

2015-01-28

2015-03-06

邵晨(1990-),女,硕士生,研究方向为地理信息系统研究与开发.

电子邮箱: ellashaochen@163.com

联系电话: 021-62233843

国家海洋局委托项目

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.01.021