“雪龙”号北极西北航道航行实践与探索研究

朱兵 袁东方 夏寅月

(中国极地研究中心,上海 200136)

0 引言

随着气候变暖和经济全球化,北极航道开发利用的价值日益凸显。近年来,北极东北航道已常态化商业运营,而对于北极西北航道(Northwest Passage)的商业利用,仍处于研究的起步阶段。虽然近几年学者对西北航道的海冰分布特点[1]、航道开通情况[2]、自然环境的危险[3]和相关风险研究的情况[4]进行了分析和研究,但欲实现中国船舶对西北航道的常态化利用,尚需要不断地航行实践和探索研究[5],对其经济性和航行安全性进行充分的评估。

中国第八次北极科学考察中,“雪龙”号极地科学考察船首次穿越北极中央航道和北极西北航道,实现了我国船舶首次环北极航行,为中国船舶在北极水域的航行积累了弥足珍贵的经验。“雪龙”号完成了中国船舶首次对北极西北航道的穿越,开辟了北美经济圈(大西洋沿岸)至东北亚经济圈海上新通道,为未来中国船只利用西北航道积累了丰富的航行经验,推动我国对北极西北航道适航性的系统评估[6]。

本文以“雪龙”号穿越北极西北航道整个过程为基础,介绍了西北航道的地理环境、通行政策、冰区引航、航线规划等情况,通过“雪龙”号实际通行过程的记录,对航行过程中各水道航行方法进行讨论,总结可供其他船舶在西北航道安全顺利通行的经验和建议。

1 航行实践的基础

1.1 西北航道

北极西北航道是起始于太平洋白令海峡,经楚科奇海,过美国阿拉斯加大陆北部波弗特海,向东穿过加拿大北部北极群岛水域,到达巴芬湾后,再过戴维斯海峡,最后进入北大西洋的航线总称。西北航道所在水域岛屿众多,暗礁星罗棋布,且航道内冰情复杂,是地球上地形十分复杂的海域之一,也是世界上航行风险很大的航线之一[7]。

西北航道可分为3 个航段:第1 段为白令海峡至波弗特海(美国与加拿大分界线);第2 段为波弗特海(美国与加拿大分界线)至兰开斯特海峡出口;第3 段为兰开斯特海峡出口至戴维斯海峡。第2 段穿越北极群岛时有多条航线可供选择,其中主要有3 条,分别称为北线、中线和南线,每个航段经过的主要水域和所涉及的航行安全控制区如表1[8]和图1 所示。由于第1 段和第3 段水域情况相对单一,本文主要对航道情况比较复杂的第2 段进行讨论。

表1 西北航道航段表[8]Table 1.Northwest Passage section table[8]

图1 西北航道航线图Fig.1.Northwest Passage route

1.2 气象水文

西北航道全年平均气温较低,气候恶劣[9]。风向随着气压的过境而多变,浪向随着风向而变化。北冰洋海水通过加拿大北部北极群岛内的各条水道向东流入巴芬湾和戴维斯海峡,受此影响,西北航道海水平均流速在0.5 节左右;而巴芬湾和戴维斯海峡的海水流向和流速因受到风和地形的影响出现较大的变化。西北航道的海雾很频繁,尤其是西南风和东南风时产生的高浓度平流雾,持续时间长且频繁。此外,航道中夹杂着成片浮冰和零星的冰山给航行造成一定的困难[10]。

1.3 “雪龙”号

“雪龙”号全长167 m,船宽22.6 m,夏季满载吃水9.0 m,满载排水量21025 t,单桨单舵,可调桨(Controllable Pitch Propeller,CPP),主机功率13200 kW,发电机功率3×1140 kW,经济航速15节,最大航速 17.9 节,续航力 20000 海里,冰级B1*(相当于国际船级社协会冰级PC6),能以1.5节的速度连续破1.2 m 厚的冰(含20 cm 的雪),是我国最早投入使用的极地科考破冰船。截止目前,已执行了23 次中国南极科学考察和9 次中国北极科学考察任务。

2 航行规定与资料

2.1 水域通行政策

加拿大将其北部的北极群岛水域主张为“历史性内水”,规定在这些水域中航行的外籍船只不享有无害通过权,并制订了如《北极水域污染防治法》(Arctic Water Pollution Prevention Act,AWPPA)、《北极航运安全和污染防治规章》(Arctic Shipping Safety and Pollution Prevention Regulations,ASSPPR)、《加拿大北方船舶交通服务区规章》(Northern Canada Vessel Traffic Services Zone Regulations,NORDREG)等法律法规,凭借减少海上航行安全事故和保护北极冰封水域海洋环境的名义,强化其对西北航道的管辖,对外籍船舶实施严格的航行准入和环保标准[11]。在《加拿大北方船舶交通服务区规章》中,对加拿大所管辖的水域划定航行安全控制区(图2),要求进入航行安全控制区的船舶进行强制性申请和报告。目前加拿大尚未制定标准化的西北航道航行申请流程,船舶想要穿越西北航道,必须先熟悉加拿大相关的规章制度,在船舶冰区航行性能、防止海洋污染措施、配备冰区引航员、合理规划航线等方面,做好相应的准备工作,并与加拿大海事管理部门提前进行充分沟通和有效申请。

图2 航行安全控制区[12]Fig.2.Shipping safety control zones[12]

“雪龙”号基于北极水域海洋科学调查的需求提出了航道通行申请,主要递交的材料和报告如表2。

表2 递交的材料和报告Table 2.Materials and reports submitted

2.2 冰区引航员规定

《北极航运安全和污染防治规章》规定了对航行安全控制区内航行的船舶配备冰区引航员的要求[13]。该规章明确了冰区引航员的资质,即能够胜任《加拿大航运法》(Canada Shipping Act,CSA)所规定的船长或甲板负责人的任务,以及曾经作为船长或甲板负责人在船上工作至少50 天,其中30 天必须有船舶在北极水域遭遇冰情、需要破冰船协助或对可能损害船舶的积冰进行应对演习的工作经验[14]。船舶在驶入航行安全控制区之前引航员即须到位,在船舶完全驶离航行安全控制区后方能结束引航任务。冰区引航员主要职责包括:(1)在保证所需休息时间的前提下(每日工作时间不超过12 小时),可随时在船长要求时值班;(2)作为船员中的一员,应遵守船长的任何合理指示;(3)在遇到海冰、冰山密集区域,应赴驾驶台,以提供建议和经验,并尽力提供帮助;(4)冰区引航员协助路线细化,并将这些信息转发给相关地方当局;(5)根据船舶冰级、能见度和海况,结合海冰条件为船舶安全航速进行指导;(6)为请求破冰船协助提供帮助;(7)如果提供的建议被船上忽视或拒绝,有权向自己公司进行报告等。

2.3 航线规划要求

首先,必须根据船舶破冰等级获得船级社根据加拿大《北极水域污染防治法》条款给船舶颁发的《北极污染防治符合性声明》证书,此证书上标有对应加拿大船级社规定的船舶冰级。如中国船级社(CCS)认证“雪龙”号的冰级为B1*级,等同于加拿大船级社(CASPPR)认证的Type A 级(表3)[15-20]。由于“雪龙”号在没有强动力破冰船的协助时不能独自进入加拿大北极水域1 区、2 区和5 区,而北线和中线涉及1 区和2 区,因此“雪龙”号单船航行只能选择南线,并且在相应航行安全区允许的可通航时间内通行(见表4)。可以看出,6 区因是北线、中线和南线的必经之地,6 区对冰级较低的Type D 和Type E 级船全年限行,因此想要独自穿越西北航道的Type D 和Type E 级船舶,必须进行冰区结构加强,提升船舶的冰级,以符合航行安全区的通航要求。

表3 各船级社冰级符号对应关系Table 3.The corresponding relation of the ice class symbols of each classification society

表4 航行安全控制区通航日期表Table 4.Schedule of navigable dates for shipping safety control zones

对于Type A 级船舶,在南线经过的航行安全控制区(12 区-11 区-7 区-6 区-13 区)中,6 区通航时段较短(表4),穿越西北航道应选择在8 月15 日至10 月15 日之间通行。还要计划好引航员登离船时间,考虑到引航服务费不菲(在船每天1000 美元、从家中到船往返的交通费、食宿费均需船方承担),宜准时接送引航员。引航员登离船地点一般设在格陵兰和美国阿拉斯加港口,以满足船舶在整个加拿大水域航行期间引航员全程在船进行指导的要求。

南线航道狭窄,暗礁丛生,浅滩密布,水深情况比较复杂。选择南线航行时,相应的海图资料须配备齐全,海图最好选用加拿大版海图,以保证数据的准确性。主要的加拿大版海图如表5所列。

表5 加拿大版海图资料Table 5.The list of Canadian marine charts

对于计划走西北航道北线或中线(涉及1 区和2 区)的船舶,除了必须了解和熟悉所航水域和航行安全控制区的通行政策、聘请冰区引航员、配齐相关的图书资料、随时可以获得冰情和气象信息等,船舶自身的冰级一定要达到加拿大船级社认定的Arc3 以上级别(见表4 中允许进入1 区和2 区的船舶冰级要求),即至少要超过“雪龙”号(Type A 级)4 个等级,并且持有由认可的船级社颁发的船舶冰级证书或等效证明。此证书或证明须提前递交给加拿大交通管理部门和冰区引航员。

2.4 法规探讨

《极地水域营运船舶国际规则》(International Code for Ships Operating in Polar Waters)(以下简称《极地规则》)已于2017 年1 月1 日默认生效。这是国际海事组织(IMO)在原有相关建议性文件的基础上坚持推动强制性极地水域船舶航行规则而制定的。由此可见,极地水域船舶航行安全和极地区域自然环境保护已逐渐成为国际海事界共同关注的重点,制定出这样一套完善的极地水域船舶航行安全和防污染标准有着非常重大的意义。《极地规则》主要包括“安全措施”和“防污染措施”两大部分,内容几乎涵盖安全和环保的所有方面,涉及《1974 年国际海上人命安全公约》(International Convention for Safety of Life at Sea,1974,简称《SOLAS 公约》)、《1973 年国际防止船舶造成污染公约》(International Convention for the Prevention of Pollution From Ships,1973,简称《MARPOL 公约》)及《1978 年海员培训、发证和值班标准国际公约》(International Convention on Standards of Training,Certification and Watchkeeping for Seafarers,1978,简称《STCW 公约》)三大公约修正案。在各大公约修正案的支撑下,《极地规则》对航行于极地水域船舶的约束力不言而喻。加拿大2017 年12 月19 日出台的《北极航运安全和污染防治条例》取代了原有的《北极航运污染防治规章》,与《极地规则》的“安全”和“防污染”两大块内容形成了高度的一致性,体现出加拿大国内法规的国际化趋向,并且更有利于他们对北极水域的管辖。《极地规则》对冰区引航员没有具体要求,因此加拿大在新规章中对冰区引航制度(包括冰区引航员配备要求和引航员资质条件)有所放宽,即在符合相关资质的情况下,船上的船长或船员可以胜任冰区引航员的职责。

对于计划航行于北极水域和穿越西北航道的我国船舶而言,应积极应对国际法规和加拿大本土通航政策,在船舶构造、消防救生、航行安全、船舶配员、船员培训、环境保护等方面满足相关要求,切实做好极地水域航行安全和防污染工作。我国与加拿大在航道领域合作方面需增进了解、建立互信,拓宽航线上其他领域的合作,降低我国船舶在西北航道通航限制,以期达到航道通行的相对自由。

3 航行实践与探索

3.1 过程概况

“雪龙”号于北京时间2017 年8 月30 日14:10至9 月6 日17:40 穿越西北航道,依次经过戴维斯海峡(Davis Strait)、巴芬湾(Baffin Bay)、兰开斯特海峡(Lancaster Sound)、巴罗海峡(Barrow Strait)、皮尔海峡(Peel Sound)、富兰克林海峡(Franklin Strait)、拉森海峡(Larsen Sound)、维多利亚海峡(Victoria Strait)、毛德皇后湾(Queen Maud Gulf)、迪斯海峡(Dease Strait)、科罗内申湾(Coronation Gulf)、多芬联合海峡(Dolphin and Union Strait)、阿蒙森湾(Amundsen Gulf),到达波弗特海(Beaufort Sea),总航程为2293 海里,航时171.5 小时(含巴芬岛东侧沿岸的作业里程和时间)(图3)。

图3 “雪龙”号航行轨迹Fig.3.The sailing track of the Xuelong

3.2 海冰风险评估

航行过程中,根据加拿大《北极冰情航运制度》的标准(Arctic Ice Regime Shipping System,AIRSS)须对航线前方的实时冰情进行冰情指数计算,评估船舶穿越冰区的可能性,适时进行航线调整,并将观测到的海冰情况报送加拿大交通管理部门。整个南线航路上,拉森海峡冰情较为严重[2],以此为例进行冰情指数计算。从穿越拉森海峡当日(2017 年9 月3 日)的实时冰情图(图4)中可以看出,航道内存在绿色“L”区(1–3 成冰)和黄色“J”区(4–6 成冰),以及橙色“G”区(7–8 成冰)和红色“D”区(9–10 成冰)。

对于任何冰况区而言,一个冰情指数(IN)是该区域各冰类的密集度(十分制)与它们的冰乘数的乘积之和。计算方法如下:

式中,IN为冰情指数;Ca,Cb…为十分制冰的密集度;IMa,IMb…为冰乘数,其取值如表6 所示。

表6 冰乘数Table 6.Ice multiplier

计算出的冰情指数须大于或等于0 才可以通过,否则必须绕道[8]。

首先,对图4 中航道的绿色“L”区进行分析:从图4 中找到对应的“L”蛋形码[21],“L”蛋形图中的“2”表示2 成的浮冰(即8 成为开阔水域)、海冰发展阶段均为“7.”(陈年冰)、冰型为“4”(中等大小浮冰,不参与计算)。“雪龙”号冰级为Type A,从表6 中查到对应的冰乘数。根据公式(1),冰情指数IN=8×2+2×(–3)=10。再对黄色“J”区进行计算,“J”蛋形图中的“4.”表示“当年厚冰”(Type A 对应的冰乘数为“–1”),其冰情指数IN=5×2+2×(–3)+3×(–1)=1。同理,计算出橙色“G”区的冰情指数IN=3×2+3×(–3)+4×(–1)=–7。计算出红色“D”区的冰情指数IN=1×2+3×(–3)+6×(–1)=13。从以上计算结果可以看出,绿色“L”区和黄色“J”区的冰情指数均大于0,冰级为Type A 的“雪龙”号可以通行;而橙色“G”区和红色“D”区的冰情指数均小于0,“雪龙”号则不可以通行,如果遇到必须绕行。

3.3 航行要点分析

加拿大冰区引航员在格陵兰努克港登上“雪龙”号,之后与船长商议确定了西北航道航行方案。从2017 年8 月22—28 日综合冰情图(图5)上可以看出,中线上的梅尔维尔子爵海峡冰情非常严重。因此根据“雪龙”号的冰级和破冰能力取消了原来制定的中线航行计划,改走南线(见2.3节的分析)。引航员提供了整个中线的航路点(表7)。在船期间,引航员负责接收当地气象、海冰信息;计算冰情指数;根据各报文格式协助船长草拟报告。报告种类主要包括进入报告系统区域前的初始报告(SP)、每日位置报告(每日 16:00 UTC 进行报告)(PR)、偏离报告(DR)、离开报告系统区域的最终报告(FR)等《加拿大北方船舶交通服务区规章》所要求提供的报告[22]。

表7 航路点列表Table 7.List of waypoints

图5 西北航道中线冰情图(来源:加拿大冰情服务中心)Fig.5.Ice chart of the middle line of the Northwest Passage(source:Canadian Ice Service)

此次,“雪龙”号沿西北航道的南线由东往西航行,即离开格陵兰后驶往兰开斯特海峡,经过南线各海峡和水道,由阿蒙森湾驶出、进入波弗特海,最后抵达白令海峡,完成西北航道的航行。

兰开斯特海峡航道宽度40 海里以上,水面开阔、无冰,航道水深在200～800 m;巴罗海峡也较为开阔,航道水深150～200 m。经巴罗海峡转向南进入皮尔海峡时,由于皮尔海峡入口的东侧有10～15 海里宽的大片沿岸浮冰堆积而形成密集浮冰区,通过时需向西绕行进入皮尔海峡,再向南继续航行。

皮尔海峡和南面的富兰克林海峡航道宽度收窄,但也有10 海里以上,航道水深也超过200 m,海面有少量浮冰。只要加强瞭望、正确避让,这些浮冰不会对航行产生较大影响。

富兰克林海峡南部水域和拉森海峡,航道水深50～200 m,此处为整个南线上浮冰最为密集的区域(图4),需要减速航行并对船舶的冰情指数进行计算,根据计算结果确定采取直行、绕行、滞航等待冰情好转或申请破冰船协助等措施。在北极地区,大片浮冰区往往伴随着浓雾,此时必须采取有效的雾航措施,加强瞭望、减速航行,必要时停航。在穿越航道前要做好夜航准备工作,配备强光探照灯非常必要,在能见度尚可的冰区夜航时,需要利用探照灯扫射海面进行浮冰避让。

图4 西北航道南线冰情图(来源:加拿大冰情服务中心)Fig.4.Ice chart of the south line of the Northwest Passage(source:Canadian Ice Service)

从维多利亚海峡南部直至阿蒙森湾出口,航线上不再有浮冰聚集,因此工作重点应由冰区安全航行转移到随之而来的狭窄水道、浅水区和岛礁区安全航行。

迪斯海峡中设有5～6 海里宽的推荐航道,水深基本在50～100 米。沿着推荐航道航行,途中存在几处浅滩须根据船舶吃水考虑直接通过或绕行。

科罗内申湾的爱丁堡水道(Edinburg Channel)是此次西北航道航行的最窄区域(宽度仅1 海里)(图6),尤其在夜间航行时需要提前减速,慢速通过。科罗内申湾与多芬联合海峡(图7)为水深较为复杂的水域,岛礁密布,浅滩多,浅滩间最窄航道仅2 海里,航线上最小水深13 m[23]。水面看似正常,但水下形势复杂,必须严格沿着既定的航线航行,不得有偏差。

图6 “雪龙”号通过狭窄的爱丁堡水道Fig.6.R/V Xuelong passed through the narrow Edinburgh Channel

图7 “雪龙”号通过多芬联合海峡Fig.7.R/V Xuelong passed through the Dolphin and Union Strait

至阿蒙森湾,航道逐渐开阔,水深达到200 m以上,但时常会有浓雾出现,需谨慎航行。

“雪龙”号由阿蒙森湾驶入波弗特海,安全顺利完成了西北航道第2 航段的穿越。冰区引航员也完成了他的引航任务。引航服务结束后,由“雪龙”号向加拿大交通部提供了冰区引航员在船服务证明。之后,引航员在美国阿拉斯加诺姆港离船登岸。

4 主要经验和航行建议

西北航道(尤其第2 航段)的穿越相对其他航道航行较为复杂,但航道内通行的船只较少,“雪龙”号穿越时没有遇到需要避让的过往船只。通过“雪龙”号首次穿越北极的航行实践和探索,获得如下主要经验和航行建议。

(1)了解加拿大针对西北航道通行出台的政策,提交申请并获得通行许可,并按规定聘请加拿大本地有资质的冰区引航员。

(2)确定或适时提高船舶的破冰等级,并获得船级社颁发的冰级证书(或“北极防污染等效声明”证书)。

(3)进行极区航行的适航性检查,配备相关应急设备和物资。

(4)配备有冰区航行和岛礁区航行经验的船员,并进行有效培训。

(5)制定在危险航行水域主机、舵机突然失灵时的应急程序,并进行操演。

(6)做好北极水域防污染工作,禁止排放油污水、生活污水。

(7)根据船舶冰级和航行安全控制区进入的要求进行航线规划。破冰能力强的船舶宜选择北线或中线,北线和中线航道宽、水深较深(除中线威尔士王子海峡中间段一处浅滩,该浅滩距岸边的航道宽度有3.5 海里,水深30～100 m),但浮冰密集;破冰能力不强且吃水小于10 m 的船舶,宜选择南线航行,但南线航道长而曲折、可航通道狭窄、水深情况复杂、水文资料不全。

(8)要充分发挥冰区引航员的作用,利用其提供的航线、航道资料、冰情图、天气信息等资源,进行通行安全性的评估;较为复杂的冰情指数计算及各式报告的拟稿也可请引航员协助完成。

(9)在密集冰区、能见度不良及夜航时,进行航线优化,采用安全航速,并加强瞭望,谨慎操作。通过雷达、GPS、海图水深等多种手段及时准确定位,计算好风流压差,防止偏航。夜间航行时,使用探照灯扫射海面,对浮冰进行避让。过密集浮冰区、狭窄水道和浅滩时,应减速航行[24]。

(10)西北航道中虽然来往的商船极少,但时常可遇到加拿大巡逻飞机和海岸警卫队船只,如果船舶需要救援时,可以第一时间获得援助。

5 结论

本文通过“雪龙”号穿越北极西北航道的航行实践,对船舶穿越西北航道的通行要点进行了分析和研究,尤其探讨了加拿大关于西北航道的通行政策、聘请加拿大冰区引航员,并根据船舶冰级等次,结合北极群岛水域航行安全控制区进入要求,来合理规划航线,结合船舶在岛礁区、狭窄水道、冰区、雾中、冰区夜间等特殊情况下的正确航法及航次风险评估、制定应急预案等进行细致的分析,为其他船舶安全顺利穿越北极西北航道提供经验和借鉴。