北极东北航道自然环境风险区划——以俄罗斯北部海域为例

王 哲，张 韧，葛珊珊，巨玉乾，曹 朕

(1.国防科技大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101; 2.金陵科技学院，江苏 南京 211169; 3.空军95920部队，河北 衡水 253801; 4.空军95809部队，河北 沧州 061000)

北极东北航道自然环境风险区划
——以俄罗斯北部海域为例

王 哲1，张 韧1，葛珊珊2，巨玉乾3，曹 朕4

(1.国防科技大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101; 2.金陵科技学院，江苏 南京 211169; 3.空军95920部队，河北 衡水 253801; 4.空军95809部队，河北 沧州 061000)

在全球变暖背景下，针对北极海冰融化和东北航道开通的航行风险问题，采用风险评估理论，利用海冰密度、风速、能见度、气温和高程等指标数据，构建风险指标体系，开展了对北极东北航道主要航段自然环境危险性风险(以下简称综合风险)的评估与区划等工作，讨论各指标因子对综合风险的贡献度，得到如下结果：1)经验上来看，北极东北航道适宜通航的月份为7～10月，从风险量化角度分析得出东北航道7～10月自然环境风险较其它月份低，对经验结论进行了验证。2)研究区综合风险分布为“东高西低”，即巴伦支海的综合风险较低，咯拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海风险较高。3)可通航月内(7～10月)，9月份综合风险最低，其次是8、7月份，10月份综合风险最高。4)除去个别年份(2008和2009年)，研究区在2004～2015年综合风险呈现下降趋势，2015年达到最低值。5)敏感性分析得：海冰对综合风险的贡献度最大；风速、水深次之；气温对综合风险贡献最小。

东北航道；风险区划；风险评估；北极航道；北部海域

全球气候变暖背景下，北极海冰不断融化，据预测2050年夏季北极海冰或将完全消失。届时，北极航道的开通及能源大规模开采可能成为现实。国际海事组织IMO2016年批准的《极地规则》及其修正案[1]，已于2017年1月1日生效。该规则的通过，发出了一个迫切的信号：未来航行船只要通过北极航道，必须符合IMO所制定的通航条件，否则不予通航。

然而，现阶段北极地区商业活动仍有较多障碍。首先，多数国家船员对东北航道各部分海域海况及气象要素掌握有限，没有足够的北极航行经验。其次，北极环境状况复杂多变，不同区域以及季节的环境差异巨大，也为能源开采带来了很大挑战。但是，相关国家对北极油气开发及航运活动十分重视，可以预见北极地区大规模商业活动必然会成为未来全球格局的重要支点。因此，对北极航道自然环境风险进行初步研究很有必要。

目前，国内外对北极地区自然环境及其风险的研究已有不少成果。DNV GL船级社基于WEB-GIS，建立了以冰况、救援能力和能见度等为评价指标的评估模型，对整个北冰洋进行了风险区划[2]；Bahin[3]等采用IF-AHP法，基于专家经验对北极航行风险进行了识别与量化；S Kum[4]等采用事故树分析法，对1993～2011年北极地区的航行事故以及发生原因进行了统计分析。Haas C等[5]对西北航道海冰厚度进行了研究，研究结果对预测冰分裂、夏季冰情况和海冰对夏季航运危害评估具有重要意义。杨理智[6]运用ARCGIS对北极西北航道风险区划进行了初步探讨；杨孟倩等[7]对北极机遇、挑战与风险进行了系统梳理；汪杨骏等[8]基于博弈论思想，对环北极各国在多种不同合作模式下的争端情况进行了模拟预估与实验仿真。闫力[9]采用灰色模糊理论对北极航道进行评估，认为航道不安全但可通航。此外，对北极航道在法律法规、航线经济性、北极资源等方面[10-12]也有较多研究。

然而，以上对北极航道自然环境的研究，仍有可改进之处：1)评价指标体系建立比较简单，不能全面反映航行风险。2)过于依赖专家经验，评估结论易受到专家水平影响。3)评估指标的数据资料可靠性和准确性有待提高。4)评估尺度宏观宽泛，对象目标较为模糊，难以用于实际航行参考，风险区划精度有待提高。5)模型指标权重的确定方式单一，主观性强，经验依赖度高，对评估结果准确性有影响。

结合以上讨论，基于风险评估理论及北极地区自然环境条件，合理选取风险指标，建立北极东北航道自然环境风险体系，以北极东北航道为例，进行自然环境风险区划，为北极地区海洋工程活动和航线选择提供参考。

图1 东北航道概况Fig.1 Overview of the Northeast Passage

1 研究区域概况

研究选取北极东北航道主要航道进行研究(20°E～180°E，68°N～83°N)，航道大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域。东北航道上连接五大海域的海峡多达58个，其中最主要的有10个，不同海域气象条件等要素各有差异。

航道从北欧出发，向东穿过北冰洋巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和楚科奇海五大海域直到白令海峡。巴伦支海平均水深约229 m，气候相对温暖，冰情较轻；咯拉海水深较浅，平均118 m，水深不足50 m的海域占到整个海域40%。同时夏季多雾，能见度不良；拉普捷夫海平均水深达到519 m，但53%水深不足50 m。南部海域全年9个月气温在0°C以下；东西伯利亚海极浅，平均水深不足45 m，气候极度严寒，结冰期长达9个月。

2 数据与方法

2.1数据处理

使用的海冰密度、温度和风速等格点数据来自欧洲中期预报中心，能见度数据来源于全球气象站点，高程格点数据采用ETOP1数据(表1)。由于数据源不同，进行指标融合时，需要对海冰密度等数据进行插值处理，与高程数据的空间分辨率进行匹配。

表1 数据来源网址Tab.1 Data source URL

2.2研究方法

风险理论认为：风险是危害事故发生的可能性与危害事故严重程度的综合度量[13]。衡量风险大小的指标是风险度R(risk)，它等于事故的威胁性T(threat)大小与承灾体脆弱性V(vulnerability)的乘积，事故的威胁性T可用孕灾环境敏感性S(Sensitivity)和致灾因子危险性D(Danger)表示。风险R可表示为：

敏感性S表示灾害发生环境对灾害的放大效应，危险性D表示目标遭受灾害袭击的强度；脆弱性V表示灾害导致承灾体损坏发生的概率，即袭击导致目标产生损失的期望。

在此仅对北极东北航道自然环境的危险性D进行研究，风险值采用加权综合评价法(WCA)[14]进行计算，公式：

式中：Cj表示风险度的计算值；Xi是对应于因子j的指标i的标准化值；Wi是指标i的权重；n是对应于因子j的指标个数。

指标融合的过程中，各个指标的权重合理确定非常重要。不同指标对最终风险结果的贡献度不同，本文采用改进的灰色关联度法[15]确定指标权重W。

3 风险评估建模

3.1指标选取以及体系建立

目前，北极地区气象水文资料相对较为缺乏，在建立风险评价体系和选取指标时，既要考虑指标对风险的重要程度，也要考虑指标数据的可获取性。海冰密度过大是阻碍东北航道通航的关键因素，若航行时能见度状况不好，那么在视野不良且海冰密度过大情况下，一旦发生严重碰撞，将会造成不可挽回的损失。同时，北极地区的极寒天气会对船员的身体健康和设备操作造成负面影响，从而使航行存在安全隐患。北极地区特殊的地磁场环境，也可能会使船舶电子设备出现失灵情况。

基于以上讨论，建立北极东北航道自然环境指标体系，见图2。

图2 东北航道自然环境风险指标体系Fig.2 Natural environment risk index system of northeast channel

3.2指标标准化处理

指标体系中不同指标的量纲不同，采用极值标准化法进行标准化处理，以消除量纲差异并保留原始数据关系。指标标准化公式如下：

温度：

T为评估单元原始温度值，Tmin为研究区域该指标最小值-12.34°C。航道水深：

航道越浅，船舶发生搁浅、触礁等的可能性越大。dep为水深绝对值，参考值K2取50 m。水深超过50 m，致险度为0。

海冰密度：

I'为指标标准化值，I为原始值，Imin为最小值0，Imax最大值为1。

大风强度：

从能量学角度出发，评估单元内风的强度由风速大小决定，W'为大风强度指标，W为评估单元内年平均风速，Wmin为大风最低标准值，依据蒲福风力等级表，大风最低标准值为10.8 m/s。

能见度：

V为评估单元年的月平均能见度，V0为低能见度参考值，依据国际雾级规定，将V0取为4 000 m。V>4 000 m为高能见度，风险度为0；V≤4 000 m为低能见度，值越小，风险度越高。

3.3指标权重确定

改进的灰色关联度法本质是对多位专家经验判断权重与某一专家经验判断的最大值(设定)进行量化比较，根据其彼此差异性的大小分析确定专家群体经验判断数值的关联程度。关联度越大，说明专家经验判断趋于一致，该指标在整个指标体系中的重要程度就越大，权重也就越大。

权重确定步骤如下：

计算步骤：

1)设有n个评价指标，m个专家对各指标权重作出经验判断，组成指标权重的经验判断数据列，用矩阵形式表示如下:

2)确定参考序列：

从X中挑选一个最大的权重值作为“公共”参考权重值，各专家的参考权重值均赋此值，组成参考数据列X0：

3)求各个指标序列X1，X2…，Xn与参考数据列X0之间的距离：

4)求各个指标的权重：

5)求各指标的归一化权重：

根据以上计算公式，得到指标体系权重结果如表2所示。

表2 指标权重确定表Tab.2 Indicator weight determination table

4 区划结果分析

4.1适航月份分析

图3为2004～2015年多年1～12月的月平均风险区划图。图中，巴伦支海大部分海域全年风险较低，其它海域除7～10月份风险相对较低以外，其它月份风险值基本处于0.6以上，风险较高，不宜航行。尤其在4月和11月，部分海域风险值高达0.8。航行经验上看，北极东北航道适航月份为7～10月，本文从风险量化评估的角度对这一经验结论进行了验证。图3中，7～10月研究区的风险整体呈现“先降低，再增加”的趋势。

7月份巴伦支海以及咯拉海西部区域风险值基本处于0.35以下(黑色等值线)，风险较低。咯拉海域东部偏南区域风险较高，风险值在0.35～0.45(蓝色等值线)左右，处于中等风险。拉普捷夫海和东西伯利亚海区域风险值达到0.45以上，综合风险偏高船舶航行时需要注意防范风险。

与7月份相比，8月份拉普捷夫海域中心区域以及东西伯利亚海域东部区域风险下降较快，基本处于0.35以下，航行风险较轻。

9月份综合风险最低，航道主体区域风险值基本在0.35以下，风险较低，最适合航行。到了10月份，除了巴伦支海和咯拉海西部区域风险值维持较低水平，巴伦支海东半部分、拉普捷夫海以及东西伯利亚海大部分区域风险值均有明显增加，基本达到0.55以上，处于中等风险。

此外，维利基茨基海峡以及周边海域风险较高，个别区域的风险值达到0.6以上，主要原因可能来源于两方面，一是海峡周围容易造成海冰堆积，海冰密度过大；二是海峡周围海域较浅。

以上分析表明，东北航道适航月份内，航行风险最低的月份为9月份，其次是8月、7月，10月份航行风险最高。

图3 2002～2015年多年1～12月月平均综合风险(注：从左到右，从上到下依次为2002～2015年区划图)Fig.3 Monthly average combined risk from January to December over the years 2002～2015

4.2适航月份验证

为了验证风险区划的合理性及准确性，将图3中7～10月区划图与DNV GL船级社绘制的7～10月区划图作比较(图4白色框内区域)。DNV GL船级社的区划图风险值同样呈现“西低东高”的形式，即巴伦支海和咯拉海西部风险较低，咯拉海东部区域、拉普捷夫海和东西伯利亚海风险较高。同时，风险区划结果也是9月份综合风险最低，8月、7月次之，10月份最高，本文所做区划与图4结论有较好的一致性。

图4 DNV GL船级社北极风险区划图Fig.4 Arctic risk zoning map of DNV GL Classification Society

4.3适航月份年际平均风险区划分析

为了细致分析东北航道风险分布时空状况，计算了2004～2015年每年研究区7～10月平均综合风险。图5中，2004、2006和2008年三年的风险值偏高，拉普捷夫海和东西伯利亚海的风险值基本在0.6(黑的等值线)以上。而从2009年开始，拉普捷夫海域的风险值开始降低，基本在0.4(红色等值线)以下。从2011年开始，东西伯利亚海一半以上海域风险值下降到0.35(蓝色等值线)以下。2004～2015年，咯拉海和巴伦支海的风险值基本在0.35以下，航行风险较低。可以发现，研究区域中航道关键海峡周围的风险一般较高，例如图中维利基茨基海峡西面的风险值，有六年高于0.6。主要原因可能是在海表面风的影响下，海冰容易在海峡入口或者出口堆积。

图5 2004～2015年7～10月逐年季平均风险值Fig.5 Average annualized risk values for the periods from July to October,2004～2015

4.4年际变化趋势分析

为了研究区域综合风险的变化趋势，计算每个格点2004～2015年7～10月逐年月平均综合风险的回归系数，并绘制回归系数等值线。

图6中，黑色等值线为回归系数为0的等值线，可以看出，2004～2015年研究区大部分区域综合风险呈现逐年下降趋势。仅在新地岛以西海域和东西伯利亚海域北部回归系数大于0，有较小的增加趋势，拉普捷夫海综合风险下降趋势最大。可以推断，北极东北航道的综合风险的确在不断地下降，对未来北极东北航道大规模通航十分有利。

图6 2004～2015年7～10月研究区域逐年月平均风险值趋势Fig.6 Monthly average risk value trend of research area in July to October,2004～2015

4.5敏感性分析

风险区划的最终目的是发现风险、防范风险及针对不同的风险给出应对方案，对多年月平均综合风险区划结果进行指标敏感性分析，提取关键风险要素，使风险的防范具有针对性。

图7 温度区划Fig.7 Temperature zoning

图7中(a)、(b)、(c)、(d)分别为2004～2015年多年7～10月各月的月平均温度区划，研究区域内，巴伦支海域整体气温较其它海域高；7～9月三个月内，研究区域内气温基本在0°C以上，可知7～9月气温风险接近零。因为仅在10月份咯拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海域气温为-5°C～0°C左右，低于0°C，所以气温对综合风险贡献度较小。

图8 海冰区划Fig.8 Sea ice zoning

图8中(a)、(b)、(c)、(d)分别为2004～2015年多年7～10月各月的月平均海冰密度区划， 9月份研究区海冰密度最小，8月次之，7月、10月相对较为严重，巴伦支海和咯拉海大部分区域几乎没有海冰。冰情较为严重的7月、10月，维利基茨基海峡和拉普捷夫海峡周边均有大面积的高密度海冰堆积。可以看出，在拉普捷夫海域以及东西伯利亚海，海冰密度对综合风险贡献较大。

图9 风速区划Fig.9 Wind speed zoning

图9中(a)、(b)、(c)、(d)分别为2004～2015年多年7～10月各月月平均风速区划。可以看出，7、8两个月整体风速偏小，基本在6 m/s及以下。9月、10月两个月整体风速偏大，巴伦支海域和咯拉海域的风速相对其它研究区域最大。周璐[16]等认为北极海冰密度的减少，主要由动力原因和热力原因引起。因此，巴伦支海域较高的风速和其受到北大西洋暖流的双重影响可能是该海域海冰密度最低的原因。风速对于综合风险的主要贡献区域，在巴伦支海和咯拉海两个海域，船舶航行至此时需要防范大风可能带来的航行风险。

图10 地形区划Fig.10 Terrain zoning

图10为研究区域内水深危险度区划图，风险较大区域主要集中在离岸海域，且离岸越近风险值越大。几个关键海峡附近，如维利基茨基海峡西部海域以及拉普捷夫海峡周围海域风险较大，船舶航行时需要注意防范触礁以及搁浅等事故发生。没有直接绘制水深图原因有两方面：1)研究区域大部分海域水深超过100 m，几乎没有风险。2)不同区域水深差距巨大，不利于作图以及区分风险度。

5 结 语

以上研究发现：1)经验上来看，北极东北航道通航月份为7～10月，从定量化的角度分析得到：1～12月中，7～10月自然环境风险较其它月份最低，对适宜通航月进行了验证。2)东北航道综合风险呈现“东高西低”的趋势，即巴伦支海为低风险，咯拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海风险较高。3)可航行的月份里，不同月风险不同，9月份综合风险最低，其次是8月，7月份较高，10月份最高。4)除去个别年份(2008年、2009年)，研究区域综合风险从2004～2015年呈现下降趋势，2015年研究区域综合风险最低。5)敏感性分析可知，海冰对综合风险的贡献度最大；风速、水深次之；气温对综合风险有较小贡献度，仅在10月份拉普捷夫海和东西伯利亚海域气温低于0°C。

以定量风险评估理论为基础，从自然环境角度研究了北极东北航道部分海域的航行风险，得到一些结论并进行了分析。但是，北极航道的安全通航包括但不仅限于自然环境风险，还有政治风险、经济风险、人文风险等等。在不久的将来，北极航道的开发与利用必然将会对世界航运格局造成深远的影响。研究北极航道的过程中，不仅要对北极航道进行深入全面的研究，同时应当结合现有传统能源通道，将全球能源通道作为体系进行研究，为我国能源运输安全等提供科学支持。

以上所做研究，仍有许多不足之处：其一，由于北极气象资料获取难度大，综合风险指标体系的建立有待完善。其二，北极地区航行风险不仅仅包括自然环境风险，还有人文风险等，下一步工作将考虑引入人文风险对综合风险进一步区划。其三，本文仅对北极东北航道部分海域进行风险区划，下一步工作将考虑对整个北极区域进行自然环境风险区划。

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Natural environment risk division of the Arctic northeast channel——Taking the Northern Sea Area of Russia as an example

WANG Zhe1,ZHANG Ren1,GE Shanshan2,JU Yuqian3,CAO Zhen4

(1.Institute of Meteorology and Oceanography,National University of Defence Technology,Nanjing 211101,China; 2.Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China; 3.Air Force 95920 Troops,Hengshui 253801,China; 4.Air Force 95809 Troops,Cangzhou 061000,China)

Under the conditions of global warming,the problem of navigating in the Arctic sea ice area and the northeast channel is studied.Based on the theory of risk assessment,using sea ice density,wind speed,visibility,temperature and elevation and other data,a risk index system is built.The assessment and zoning of the natural environmental risk (hereinafter referred to as the comprehensive risk) of the main section of the Arctic northeast channel are carried out and the contribution of each index factor to the comprehensive risk is discussed.The study results show that: 1) According to the past experience,the Arctic northeast channel is suitable for navigation from July to October.This paper analyzes the natural environment risk of the northeast channel from the point of view of risk quantification,and verifies the empirical conclusion.2) The comprehensive risk distribution in the study area is "high in the east and low in the west",that is,the combined risk of the Barents Sea is lower,and the risk of the Grada,Laplch and East Siberia is higher.3) In the navigable months (July-October),the lowest overall risk is in September,followed by August and July,and the highest comprehensive risk in October.4) Excluding individual years (2008 and 2009),the combined risk of the study area in 2004～2015 showed a downward trend and reached its lowest level in 2015.5) Sensitivity analysis: sea ice has the greatest contribution to the comprehensive risk; wind speed and water depth are the second; temperature contributes the least to comprehensive risk.

northeast channel; risk division; risk assessment

P97;D518;E818

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.007

1005-9865(2017)05-0061-10

2017-01-31

王 哲(1993-)，男，陕西韩城人，硕士研究生，主要研究方向为海洋战略风险研究。E-mail:376657030@qq.com

张 韧。E-mail: zrpaper@163.com