基于遥感数据的北极西北航道海冰变化以及通航情况研究

汪楚涯 杨元德 张建 田彪 丁明虎

研究论文

基于遥感数据的北极西北航道海冰变化以及通航情况研究

汪楚涯1, 2杨元德1张建1田彪2丁明虎2

(1武汉大学中国南极测绘研究中心, 湖北 武汉 430079;2中国气象科学研究院青藏高原与极地气象科学研究所, 北京 100081)

使用不莱梅大学AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度数据, 计算了2002—2018年加拿大北极群岛7—9月的平均海冰面积, 研究了9月份平均海冰密集度变化特征; 结合商船破冰能力确定海冰密集度阈值, 选取西北航道关键区域, 统计了西北航道的通航窗口, 探讨了西北航道在实际商业通航方面的可能性。研究发现, 在过去17年加拿大北极群岛的7—9月海冰面积整体呈下降趋势但有明显波动性, 9月份的海冰分布年际变化复杂, 差异较大; 在西北航道可通航的年份中, 可通航的开始日期一般在8月份, 结束日期在9月底至10月初, 南路可通航时间最短14天, 最长达到80天。总的来说, 西北航道可通航年份和时间缺乏规律性。

加拿大北极群岛 海冰变化 西北航道 北极航运

0 引言

2014年加拿大商船“Nunavik”号成功通过西北航道到达中国, 成为首艘独立通过完整的西北航道运输货物的商船, 跟通过巴拿马运河、苏伊士运河甚至非洲南部好望角的传统路线相比, 此次通航的成功使大西洋港口和太平洋港口之间的距离缩短了约9 000 km, 大大降低了航线的经济成本和政治风险。可以预见, 在全球持续变暖的背景下, 未来西北航道在夏季通航的可能性越来越大。西北航道和传统航线相比的地理区位优势能够带来巨大的航运利润[1], 同时作为我国《“一带一路”建设海上合作设想》中三大海上通道的北极航道的重要一环, 西北航道的开通能有效推进我国与沿线国家的的战略合作[2-3]。西北航道的航线从白令海峡离开太平洋, 向东沿着美国阿拉斯加北部海岸, 穿过加拿大北极群岛水域, 最后从兰开斯特海峡进入巴芬湾。然而影响整个西北航道能否开通的一个重要因素是加拿大北极群岛区域的海冰条件, 水道内海冰的时空分布直接关系着西北航道商业航行的安全及通航的时间, 海冰条件的监测是了解西北航道通航的关键[4-5]。

20世纪70年代末, 遥感技术的迅速发展让人们对海冰的监测能力有了很大的提高, 如今遥感已成为监测全球海冰变化的最有效的手段之一。目前国内外学者利用遥感对北极地区海冰变化的研究较多, 但是很少关注到区域海冰变化对于商业航线的影响, 尤其是冰情较为复杂的西北航道区域。虽然Granberg[6]早在1998年便讨论过有关北极航道商业用途的趋势和前景, 但由于西北航道在2005年以前实际通航情况较少, 专门针对其海冰变化以及通航条件的研究不多。Howell和Yackel[7]、Haas和Howell[8]用加拿大冰服务中心数据及被动微波数据分析了西北航道上海冰和航运活动的关系以及加拿大北极群岛整体海冰的变化, 研究指出在2003年以前西北航道都未曾通航, 即使在2015年的极暖气候条件下, 西北航道的海冰依旧很密集。Pizzolato等[9]利用加拿大北部地区一年和多年冰数据, 结合观测船舶的运输数据集进行了统计分析, 指出船舶交通量在年和月尺度统计上都出现了显著增长, 这和航运季节海冰面积的下降同时发生; 他们还指出, 旅游和资源勘探等需求也是导致北极航运活动增加的原因。苏洁等[10]用AMSR-E海冰密集度遥感数据研究了2002—2008年西北航道海冰分布情况, 统计分析了沿西北航道各线路冰障代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数, 并以此为衡量通航程度的指标, 指出了海冰通常是从冰间湖及固定冰与流冰间的水道开始融化。付强[11]研究了2003—2011年西北航道的关键区域在7、8、9月固定日期的通航情况, 提出用关键区域判断整条航道通航条件的研究方式。李春花等[12]通过AMSR-E和AMSR2遥感数据分析汇总了2002—2013年西北航道的开通状况并给出了影响通航的主要区域为维多利亚海峡、皮尔海峡、麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡。Liu等[13]用定义“通航窗口”的方法研究了2006—2015年西北航道各路线开始通航和结束通航的日期及通航时间, 为北极商业航运提供了时间信息支持。

在上述国内外学者的研究中, 部分目前已缺少时效性, 且只关注了西北航道内海冰的时空变化特征, 没有给出选择航线的标准, 同时缺少对商业运输需求的考虑。虽然Liu等[13]提出的“通航窗口”在航线选择和通航时间信息方面能够为商业航运提供很好参考, 但是由于西北航道内冰情变化复杂, 每年具体开通的日期都不同, 通航的平均起止日期(通航窗口)有较大的标准差, 这在实际考虑船行安全的通航计划下意义不大。

综上所述, 将北极西北航道冰情时空信息与商业航运如何更好地结合起来是目前研究所关心的。本文利用2002—2018年的海冰密集度产品分析了加拿大北极群岛的海冰变化, 并结合商业航运所需基本条件来评估西北航道的主要通航路线, 较全面地了解最近17年西北航道的海冰和商业航运路线情况, 为未来发展和利用西北航道提供参考。

1 研究区域和数据

1.1 西北航道及其水路条件

西北航道是由罗伯特·麦克卢尔(Robert M'Clure)爵士在19世纪50年代发现的, 是连接北大西洋和北太平洋之间的各种海上航线的总称, 航道横跨了加拿大北极群岛(Canadian Arctic Archipelago, CAA)。CAA水域岛屿密集, 水道众多, 冰情复杂, 西南侧为波弗特海及加拿大的西北部沿岸, 东南侧为巴芬湾和格陵兰岛, 经纬度范围在60°W—130°W、65°N—84°N之间。在“北极海运2009评估报告”(Arctic Marine Shipping Assessment 2009 Report, AMSA_2009)中列出了5条具有可行性的西北航道路线[14](表1), 这些路线几乎包含了波弗特海南部到巴芬湾之间的所有连通水道(5号路线通向福克斯湾而非巴芬湾)。

表1 AMSA_2009报告中提供的西北航道路线[14]

续表1

除了表1中的5条路线外, Sou和Flato[15]在研究中还给出了另一条线路, 即不走PS而从威尔士王子群岛西侧绕行, 通过麦克林托克海峡(M’Clintock Channel, MCC)从帕里水道进入维多利亚海峡(VS)。这条线比PS线路的路程更远, 并且冰情也更重, 实际航行中基本不考虑选择这条航线。虽然AMSA报告中给出的西北航道水路众多, 但这些水路并不一定都满足普遍的商业航运条件, 我们有必要对水路的关键区域进一步了解和说明。西北航道的各线路如图1所示。

Fig.1. Water routes of the Northwest Passage. The red dotted line is an alternative to the main routes, and the solid red lines are the main routes

通过AMSA提供的航道信息[14], 3B线路中JRS区域受到众多岛屿的限制, 具有大量的浅滩, 与其相连的RS航道的中央最大深度仅有5—18 m, SS处的通道约3 km, 是整条航线上最狭窄和危险的区域。因此线路3B只能通过吃水深度较浅的船, 且需要绕行, 相较之下3A路线通过的VS区域水更深, 且路线更直接, 商业航运的价值更高, 不过冰情也相对严重。3B路线通常作为3A路线的备用路线, 本文不作更多分析研究。线路4和线路5都通过贝洛特海峡(BTS), 该海峡长度短, 宽度非常狭窄(在被动微波遥感数据中无法直接观察其冰情), 伴随着方向不断变化的强大水流, 这些因素都会对通过这里的船只造成危险, 不利于普遍的航运。其中线路4的PRI路段有较好的冰情, 能满足一定的商业航运需求, 可作为3A路线的另一种备选方案。线路5的路线最长, FHS十分狭窄并有快速的水流, 对于中度到深度吃水的船舶来说, 这条线路不被认为是可行的商业通道, 并且由于该路线深入加拿大国土内部, 容易在政治因素上受制。虽然容易受到海冰条件的影响, 但是对中度到深度吃水的船只而言, 1号线和2号线在深度、宽度及路程上都是首选; 3A路线的PS水道也有超过400 m深度, 同时整条路线的冰情相对1、2号线路更轻, 所以我们认为这3条航线是目前最值得期待的西北航道线路。

1.2 数据

本文使用的主要数据为德国不莱梅大学提供的2002—2018年高分辨率逐日海冰密集度产品(https://seaice.uni-bremen.de/start/data-archive/), 该产品由PHAROS(Physical Analysis of Remote Sensing images)小组利用AMSR-E和AMSR2卫星传感器数据通过ASI(Artist Sea Ice)算法反演得到[16], 空间分辨率为6.25 km, 2011年10月份空缺部分用不莱梅大学提供的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager/Sounder)数据补充。其中AMSR-E搭载在NASA卫星Aqua上, 其数据时间范围为2002—2011年。AMSR2作为AMSR-E的继任者搭载在卫星Shizuku(GCOM-W1)上, 于2012年起提供数据至今。AMSR2和AMSR-E作为被动微波遥感数据, 具有全天时、全天候观测的优点, 与美国冰雪数据中心(NSIDC)提供的空间分辨率为25 km的SMMR、SSM/I和SSMIS被动微波数据产品相比, AMSR-E和AMSR2虽然时间跨度不够长, 但是有更高的空间分辨率。

需要注意的是, 被动微波遥感数据在海冰生长期往往无法分辨出新冰和开阔水域, 并且在夏季海冰融化期容易受到融池影响, 导致低估实际的海冰密集度, 这在Agnew和Howell[17]的研究中有详细的说明。

2 西北航道的海冰条件

有不少研究报告[18-21]指出过去几十年间北极海冰范围有显著的下降趋势。加拿大北极群岛水域的海冰约占夏季北极海冰的15%, Tivy等[22]的研究表明其海冰范围在1968—2008年期间每10年减少2.9%±1.2%, Howell等[23]还指出在1979—2008年期间加拿大北极群岛9月份平均海冰面积每10年减少8.7%。随着加拿大北极群岛海冰覆盖范围和面积的缩减, 该区域的商业利用将会急剧增加, 尤其在夏季[24]。由于近年来有关西北航道的海冰条件的研究较少, 我们利用海冰密集度数据对加拿大北极群岛区域2002—2018年海冰条件进行了分析, 这里得到的结果将是我们用来评估和选择西北航道商业航线的依据。

2.1 7—9月加拿大北极群岛海冰面积年际变化

人们一般认为北极海冰面积最低值出现在9月份, 但是区域性海冰面积也许会受到如地形等因素影响而导致其最低值出现时间不确定。因此, 针对加拿大北极群岛水域, 计算了其2002—2018年间的7、8、9月份的平均海冰面积, 具体的计算区域如图2a所示。

Fig.2. Interannual variation of sea ice area in Canadian Arctic Archipelago. a) sea ice calculation area in CAA ( blue lines are sea ice main input channel, the black dotted line is the Parry Channel); b) the variations in average sea ice area of CAA from 2002 to 2018 in July, August and September

通过加拿大北极群岛海冰面积的时间序列(图2b)可以看出, 加拿大北极群岛7、8、9月份海冰面积呈现出振荡减少的趋势。其中7月的海冰面积相较于8、9月份的年际变化振荡幅度小, 其海冰面积下降的线性趋势比较明显(2=0.493); 8、9月份的平均海冰面积较为接近, 而8月份和7月份则相差较大, 这说明了8月份是该区域每年海冰融化最多的月份, 而9月份是该区域每年海冰面积最小的月份。8、9月份的海冰年际变化表现出波动较大且有一定规律性的特点, 海冰面积在出现极低值后往往会有恢复上升的趋势(例如2002年、2007年、2012年和2015年), 这可能是多种因素综合作用的结果, 用更长的时间序列或许能够更好地说明这个问题, 对此本文不做更详细研究。

通过最近17年加拿大北极群岛的海冰面积变化可知, 虽然海冰面积在逐渐减少, 但是并没有明显趋势说明海冰会一直保持在一个极低的水平, 最近几年较高的海冰面积说明了西北航道的冰情依旧很严重。不过, 如果西北航道要实现商业航运, 海冰面积最低的9月份将是首先需要考虑通航的月份。

2.2 9月份加拿大北极群岛海冰分布及年际变化

在9月份平均状态下的整条西北航道上, 巴芬湾区域和波弗特海南部区域几乎没有海冰, 所以加拿大北极群岛中海冰的分布是对西北航道商业航运最直接的影响。图3为加拿大北极群岛区域2002—2018年9月的平均海冰密集度分布图, 反映了西北航道在最易通航月份的海冰分布情况。

图3 加拿大北极群岛2002—2018年9月平均海冰密集度

Fig.3. Mean sea ice concentration in CAA in September during 2002—2018

加拿大北极群岛内水道会受到北冰洋海冰动力流入的影响, 多年冰的流入和局地海冰生成共同导致包括帕里水道在内的西北航道冰情复杂[25]。麦克卢尔海峡(MCS)以及伊丽莎白女王群岛(QEI)的几个北门通道(图2a蓝色划线部分)是北冰洋和加拿大北极群岛海冰交换的主要通道, 因此加拿大北极群岛的西北侧表现出较重冰情, 通常海冰密集度在80%以上(图3)。2007年以来, MCS开始出现少冰(如2007年)甚至无冰(如2011年)的情况, 其直接原因是波弗特海和加拿大盆地的海平面高压异常活动自2007年开始更加频繁, 北冰洋多年冰流入MCS的速度变慢[26]。这种状况给了我们通过兰开斯特海峡(LS)和帕里水道直接穿越加拿大北极群岛的可能。与南侧弯曲复杂的并且水深较浅的水道相比, 这条航路能大大节约航行时间、提高商船运力、增加安全系数和经济利润。

有研究[22,27]指出, 除了MCS外, 拜厄姆马丁海峡(Byam Martin Channel, BMC)同样能通过多年冰的流入影响帕里水道的海冰状况, 从而影响该西北航道线路的开通。Howell等[5,22]通过研究2007年和2011年西北航道的海冰状况, 发现只有当天气形势不利于多年冰通过BMC, 且局地甚至北极地区的异常增暖使得海冰快速融化, 加拿大北极群岛的多年冰明显减少, 帕里水道才能完全开通。

Howell等[22,25]的研究中还表示, 西帕里水道的多年冰能够继续沿水道流入加拿大北极群岛南部, 使MCC和VS的海冰增加。东帕里水道主要为BS和LS。在CAA冰情严重的年份BS的海冰密集度通常达到40%以上(如2003年); 而LS由于受到北大西洋暖流的影响, 通常处于无冰状态, 其冰情最严重的年份为2003年, 平均海冰密集度达到30%—40%。另外, 加拿大Bedford海洋研究所在BS处的观测结果表明[26], BS北部表流层在夏季由东向西, 而BS南部表流层则全年为由西向东, 这在很大程度上解释了帕里水道表现出的北侧冰轻, 南侧冰重的现象[10](如2004年)。

上述提到的现象及其相关研究大多是观察或分析2013年以前CAA的海冰分布情况得出的, 而关于2013年以后CAA的海冰分布情况的研究还较少。通过观察最近5年(2014—2018年)的海冰分布图, 我们发现2014年和2018年VS海冰相比其他年份有明显增多, VS自2004年后再次完全被海冰堵塞, 这大大影响了船舶在CAA南路的航行; 另外, 2015年西帕里水道的海冰分布表现为VMS区域海冰较多而MCS和BMC海冰较少, 这和2013年和2016年的海冰分布情况恰好相反; 除2015年外, 西帕里水道均表现出较重冰情, 其中2017年西帕里水道冰情主要表现为北重南轻, 而2018年西帕里水道冰情表现为北轻南重。这些现象说明了最近5年CAA海冰分布依旧复杂多变, 年际差异较大, 而帕里水道海冰变化的机制还有待进一步研究。

我们对研究区域2002—2018年的9月平均海冰密集度再进行了多年平均, 得到2002—2018年9月气候平均海冰密集度(图3)。从气候平均下的海冰密集度分布图可以直观地看出加拿大北极群岛的普遍冰情, MCS海冰密集度为50%—80%, VMS至MCC的海冰密集度为50%—60%, BS为10%—30%, 而VS以南的区域基本上处于无冰或密集度很低的情况(小于10%), BS至VS之间的PS是西北航道南侧路线的重要区域, 其气候平均下的海冰密集度在10%—20%。总的来看, 加拿大北极群岛的冰情自2005年以来明显变轻, 但是帕里水道的海冰密集度依然很高。

3 航线讨论

3.1 西北航道航线开通条件

针对表1中的3条重要西北航道路线1号线、2号线和3A路线, 结合近17年海冰密集度分布情况以及苏洁、李春花等人的研究结果[10-13], 我们选取了几个影响西北航道通航的关键节点, 量化了其海冰密集度作为整条线路能否通航的判断条件, 并以此统计了西北航道在过去17年的可通航状况, 研究过程中我们以从西向东作为船舶前行的方向进行说明。1、2号路线上我们选取了MCS区域、PWS区域、VMS区域以及VMS—BS区域中间部分4个节点, 3A路线我们选取了CG—QMG区域水路的拐角部分、VS区域、PS区域以及BS区域4个节点, 以上区域海冰较多且地理条件复杂, 均为影响航线通航的关键区域。尽管BS区域也在1、2号线路上, 但由于西帕里水道冰情明显要比东帕里水道严重, 在前面4个区域可通航的情况下BS区域通常也处于可通航状态, 所以我们不将BS区域作为1、2号线路上的判断节点。具体的选取区域如图4所示。其中我们将1、2号线, 即沿N1—N3—N4和N2—N3—N4线路统称为北路, 3A号线沿S1—S2—S3—S4称为南路。

图4 西北航道南北路节点. 图中蓝线为北路, 红线为南路

Fig.4. North and south route nodes of the Northwest Passage. Blue line is north route and red line is south route

对于商业航运的通航评估条件, 我们将15%海冰密集度作为阈值来区分航道有冰和无冰。Liu等[13]和马龙等[28-29]的研究表示, 中国商船“永盛”轮的破冰能力(Arc4)能够在东北航道40%海冰密集度下不需要破冰船援助航行。西北航道和东北航道不同, 西北航道海冰多为多年冰, 对商船的破冰能力要求更高。根据国际海事组织(Interna­tional Maritime Organization, IMO)的极地操作限制评估风险标引系统(POLARIS)标准[30], 无冰条件下的船舶航行风险指数为3, 多年冰条件下PC6冰级的船舶航行的风险指数为–3, 当冰区只有多年冰和无冰两种情况时, 以40%海冰密集度为阈值计算得到的风险指数结果值(Risk Index Outcome, RIO, 每个冰区现有冰类的密集度乘以相关风险指数值之和)为0.6, RIO大于0表明船舶可以正常操作。因此, 在西北航道上我们以PC6破冰能力的商船作为参考, 同样选择40%海冰密集度作为商船能破冰航行的阈值条件。当节点的平均海冰密集度小于阈值连续3天时, 可认为该节点可通航, 连续3天大于阈值则认为该节点不可通航。当沿航线上所有节点均为可通航时则认为整条航线处于可通航状态, 并以航线连续3天处于可通航状态的第1天为通航窗口起始日, 连续3天处于不可通航状态的最后1天为通航窗口结束日。图5展示了2007年和2014年西北航道9月份南北路各节点的平均海冰密集度变化。

图5 2007年和2014年西北航道南北路节点每日海冰密集度变化. 红色虚线表示15%的海冰密集度, 蓝色虚线表示40%的海冰密集度

Fig.5. Variations of daily sea ice concentration of the north and south route nodes of the Northwest Passage in 2007 and 2014. The red dotted line represents 15% sea ice concentration, and the blue one represents 40% sea ice concentration

从图5中可以看出, 2007年南路各节点的海冰密集度在整个9月份都处于15%以下, 北路只有N4节点的平均海冰密集度在整个9月处于15%以下, N1、N2和N3的海冰密集度在9月20日前处于15%—40%之间, 9月20日之后N1、N2和N3的海冰密集度均开始上升, 其中N3上升得最快, 在9月25日后全部超过40%。通过节点的海冰密集度变化可知, 2007年西北航道南路基本处于无冰开通状态, 商船不需要破冰能力即可通行, 在2007年9月20日前, 西北航道北路的1号路线(N2—N3—N4)和2号路线(N1—N3—N4)都对PC6破冰能力的商船开通, 20日以后由于VMS海冰增多而航线封闭。2014年的海冰冰情比2007年严重, 西北航道北路仅N2节点在9月4日—9月22日之间处于40%海冰密集度以下, N3和N4节点的高海冰密集度让北路的两条路线在整个9月均无法开通; 南路S1和S4节点在整个9月基本处于15%海冰密集度以下, 9月14日以前南路对PC6破冰能力的商船可通航, 但15日以后S2节点处海冰密集度突然上涨, 切断了整条南路航线。我们通过2007年和2014年9月的日尺度海冰密集度数据可以直观地看到西北航道航线冰情的前后变化(图6),图6中2007年9月23日VMS处已经封闭, 2014年9月19日VS处已经封闭。

图6 2007年和2014年西北航道冰情变化过程

Fig.6. The changes of the sea ice condition in the Northwest Passage in 2007 and 2014

3.2 2002—2018年西北航道通航窗口统计

我们采用上述相同的方法, 定量得出各节点2002年—2018年8—10月每日的平均海冰密集度(2011年10月缺少的数据采用SSMIS数据代替), 并以15%和40%为阈值统计了西北航道北路和南路通航窗口(表2), 和过去研究中采用目视解译来判断航道能否通航的方法相比, 我们根据节点具体的平均海冰密集度数值来说明航道的可通航状况的方法更加有效和客观。针对选取的这几个关键节点, 我们发现北路4个区域在过去17年中海冰密集度变化没有明显的相关关系(图未给出), 其中N2区域相对而言比较稳定, 平均海冰密集度通常在40%以下, 而N4区域的变化最为复杂, 4个节点均对航线的通航窗口有明显影响。对于南路, S1区域在8月份和9月份基本保持在15%海冰密集度以下, 可以认为S1区域基本不会影响每年的航线的开通。S3和S4区域是决定南线开通的最关键区域, 尤其是S3区域, 海冰密集度通常是4个节点中最高的; S2区域的密集度变化最不稳定, 通常在20%以下, 但在个别年份会受到多年冰流入的影响, 海冰密集度上升至50%左右, 进而切断了南路的通航。

表2 2002—2018年西北航道北路和南路通航窗口

我们用表2中15%密集度条件下的可通航时间和李春花等[12]统计的2002—2013年的西北航道开通记录比较, 结果相当一致。从我们得到的统计结果上看, 在商船没有破冰能力的情况下, 西北航道北路仅在2010、2011、2012和2015年开通, 其中2015年仅开通了17天。而西北航道南路从2006年起, 除了2013、2014和2018年外都有开通, 开通时间除了2009年较短(12天), 其他年份均在40天以上。

在拥有破冰能力后, 商船在西北航道的可通航次数明显增加。从表2中可知, 若商船具备PC6级破冰能力, 西北航道南路在2002年9月就满足40%海冰密集度下破冰通航的条件, 从2005年开始, 最短通航时间为2014年的14天, 最长时间为2012年的80天。西北航道北路由于MCS和VMS的海冰密集度通常在60%以上, 即使商船具备PC6破冰能力, 能够通过破冰通航的年份也只有2007年、2008年和2016年。

总的来看, 最近几年西北航道可通航时间没有上升的趋势, 2018年西北航道几乎不能通航。西北航道的可通航开始日期通常在8月, 结束日期通常在9月底至10月初, 一般而言南路最先开通并最后关闭。

图7统计了西北航道2002—2018年在两种条件下商船能够通航的总天数, 可以看出对于具有破冰能力的商船, 可通航时间有一定提升。在冰情较重的年份, 西北航道通过破冰能有2周左右的通航时间, 在冰情较轻的年份, 航线开通时间能在60天以上, 无冰天数在50天以上。不过, 西北航道北路可通航年份和时间缺少规律性, 这和西帕里水道复杂的海冰条件有关, 即使在商船有破冰能力的条件下, 北路也还需要等待北冰洋进一步向夏季无冰状态过渡才有可能稳定开通。总而言之, 以上的数据说明了西北航道南路是目前比较可行的线路, 预计也将最先开通投入商业航运, 近几年来西北航道无冰通道出现次数不多, 为了确保正常的航行, 西北航道上的商船有必要具有较好的破冰能力。

图7 2002—2018年西北航道可通航天数

Fig.7. Days of navigation of the Northwest Passage from 2002 to 2018

4 讨论与结论

随着全球持续变暖, 有研究[31]表明1990—2015年间加拿大北极地区船只行驶量增加了近3倍, 其中加拿大商船“Nunavik”号在2014年冰情较为严重的条件下顺利通过了西北航道, 这些结果让我们相信随着未来商船破冰能力的普遍提高, 西北航道将成为一条稳定的航线。不过, 西北航道要实现全面开通依旧还面临很多问题, 例如由于西北航道紧邻加拿大海域, 航道未来的开通必然会引发一系列政治问题[32]; 其次, 目前西北航道的海冰厚度信息较少, 获取西北航道持续和准确的海冰厚度信息对夏季冰情以及夏季航运季节海冰危害的评估有重要意义, 这也是后续需要进一步展开的工作。

本文通过使用AMSR-E和AMSR2卫星传感器数据反演得到的6.25 km分辨率日尺度海冰密集度产品较全面地研究了2002—2018年加拿大北极群岛9月海冰面积和海冰分布的变化, 结合商业运输的相关条件选取了3条主要西北航道路线, 并选取路线上的关键区域进行分析, 统计了2002—2018年9月西北航道南北路可通航的基本情况。下面是我们得到的几点结论。

1. 加拿大北极群岛7—9月的海冰面积在2002—2018年期间总体呈下降趋势, 但有明显的年际变化; 在2002—2018年的气候平均下, MCS处海冰密集度在50%—80%之间, 西帕里水道VMS区域海冰密集度在40%—60%之间, VMS至BS之间同样有接近60%的海冰密集度, MCC处海冰密集度在50%左右, VS、PS和BS区域海冰密集度均在30%以下, 而CAA南部水道基本上处于无冰状态。CAA冰情自2005年以来明显变轻, 但最近5年的海冰分布图表明西北航道海冰分布年际变化依旧复杂, 西帕里水道的海冰密集度仍然很高。

2. 商船的破冰能力是决定西北航道能否通航的重要因素之一, 以PC6破冰能力的商船作为参考, 将15%和40%海冰密集度作为阈值, 统计分析了2002—2018年8—10月西北航道通航窗口。分析表明, 在西北航道可通航的年份中, 可通航的开始日期一般在8月份, 结束日期在9月底至10月初, 南路可通航时间最短为14天, 最长达到80天, 年际差异较大; 在过去17年里, 商船无破冰能力条件下西北航道南路可通航次数为10次, 北路可通航次数为4次; 商船具备PC6破冰能力条件下, 南路可通航次数为15次, 北路可通航次数为7次, 商船的破冰能力能显著增加西北航道可通航的次数和时间。由于西北航道海冰年际变化复杂, 其可通航年份和时间依旧缺少规律性, 要想形成稳定的商业航运还需要等待北冰洋进一步向夏季无冰状态过渡。

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RESEARCH ON SEA ICE VARIABILITY AND NAVIGATION OF THE ARCTIC NORTHWEST PASSAGE FROM REMOTE SENSING DATA

Wang Chuya1,2, Yang Yuande1, Zhang Jian1, Tian Biao2, Ding Minghu2

(1Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2Institute of Tibetan Plateau & Polar Meteorology, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)

Using daily sea ice concentration data from satellites (AMSR-E and AMSR2), the average sea ice area from July to September (2002–2018) in the Canadian Arctic Archipelago was calculated and the average sea ice variation in September was studied. Based on the ice-breaking capacity of a merchant ship, the threshold of sea ice concentration was determined. Key areas of the Northwest Passage were selected for study with the navigable windows counted and the possibility of actual commercial navigation discussed. We found that sea ice areas of the Canadian Arctic Archipelago in July, August and September showed a downward trend over the past 17 years with clear fluctuations. The interannual variations in September sea ice distribution were complex. In the navigable years for the Northwest Passage, the navigable start date was generally in August and the end date varied from the end of September to the beginning of October; the navigable duration was more than 14 days with the longest reaching 80 days. In general, Northwest Passage navigable years and duration lacked regularity.

Canadian Arctic Archipelago, sea ice variability, Northwest Passage, Arctic shipping

2019年8月收到来稿, 2019年10月收到修改稿

国家重点研发计划(2018YFC1406103)、国家自然科学基金(41476163, 41531069)、中国气象科学研究院基本科研业务费专项资金(2019Y010)资助

汪楚涯, 男, 1995年生。硕士研究生, 主要从事大地测量学与测量工程研究。E-mail: chuya0905@whu.edu.cn

杨元德, E-mail: yuandeyang@whu.edu.cn; 丁明虎, E-mail: dingminghu@foxmail.com

10. 13679/j. jdyj. 20190043