2002—2020 年北极西北航道夏季适航性多要素综合评估

王月云，庞小平*，季 青，刘清全

（1. 武汉大学 中国南极测绘研究中心，湖北 武汉 430079；2. 重庆市规划设计研究院，重庆 401147）

在过去的几十年里，北极地区的海冰面积急剧下降[1]，夏季降幅尤为明显[2-3]，极大地延长了北极航道夏季通航时间[4-5]。一方面，与通过苏伊士运河或巴拿马运河的传统航道相比，北极航道在航行距离和经济成本方面都更具优势[6-7]；另一方面，北极地区蕴含着丰富的水资源、矿产资源和生物资源[8]，而我国作为地缘上的“近北极国家”，北极航道的通航势必影响我国的经济贸易格局、能源格局和政治格局[9]。因此，在全球气候与海冰快速变化的背景下，对北极航道夏季适航性进行评估，不仅能为我国更好地开展极地科考和商业航行提供一定的借鉴，还能维护我国的极地权益，为我国更好地认识和利用北极服务。

北极航道通航环境具有自然和社会双重属性，能否通航、通航安全与否受到多种因素影响[10]。Haas C[11]等通过研究西北航道海冰厚度变化发现，现阶段西北航道海冰厚度情况依然会给航运带来较大风险；Melia N[12]等通过全球气候模型模拟船舶航行北极航线认为，到本世纪中期中央航道也有极大可能性通航；李新情[13]等利用海冰密集度数据对2014年东北航道冰情和开通情况进行了分析；王相宜[14]等利用海冰密集度和海冰类型数据分析了2005—2015年东北航道途经海域通航环境的变化情况；马龙[15]等利用2005—2014年的海冰密集度产品，选择东北航道对航线通航窗口进行了提取，并分析了其变化特征；汪楚涯[16]等基于海冰密集度数据研究了西北航道的通航情况。上述研究对北极航道通航环境和关键海峡进行了分析与评估，但多为针对单一海冰要素对通航性的影响分析，缺乏结合航道气温、风速、风向等气象条件以及水深、洋流等水文环境信息的综合量化研究，且当前国内针对北极航道相关研究中对西北航道适航性的研究较少[17]，评估过程中权重确定方法也多采用层次分析法等主观权重确定方法[18-20]。

鉴于此，本文尝试综合海冰、气象和水文因素数据，结合量化的法律政策、港口与助航设施等非自然影响因素，采用主客观权重相结合的定权方法定量评估北极西北航道2002—2020年的夏季适航性，以期为更好地认知北极、开发利用北极西北航道提供参考和借鉴。

1 研究区概况和数据来源

西北航道是指从北大西洋经加拿大北极群岛进入北冰洋，再进入大西洋的一条航道，东起加拿大东北部戴维斯海峡和巴芬湾，西至美国阿拉斯加北面的波弗特海。本文选取的研究区范围为66.5°~82°N、55°~170°W；采用的数据为美国国家雪冰数据中心提供的海冰密集度产品，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim 全球大气再分析资料中的2 m 气温、10 m 风场和海表温度数据，美国国家环境预测中心发布的CFSR 再分析资料中的经向海流、纬向海流和云水混合比数据，北冰洋国际等深线图（IBCAO） 的水深数据，北冰洋划界信息数据[21]，ERSI 发布的世界港口指数（World Port Index Twen⁃ty Fifth Edition, 2016） 以及北半球基础地理底图数据。

2 综合评估模型的建立

近年来，西北航道夏季冰情在不断减轻，每年的7—10 月为西北航道海冰范围的低值期，一般在9 月达到最小值[22]。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，结束日期在9 月底至10 月初[16]。西北航道通航情况与其通航环境风险程度密不可分。目前，由于北极航道通航环境评估多采用主观赋值法[18-20]，考虑到其对评价结果客观性的影响，王哲[23]等在评估过程中引入粗糙集方法确定权重，进而构建模型对航道适航性进行评估。为了更客观、合理地对北极西北航道适航性进行综合评价，本文采用主客观相结合的指标权重确定方法，以实现主客观权重的优势互补。首先采用层次分析法确定北极西北航道适航性评价指标的主观权重，再利用粗糙集方法[24]确定客观权重，最后利用线性加权组合法[25]对主、客观权重按偏好系数进行计算，得到组合权重值，进而构建综合评估模型。

2.1 评价指标体系的建立

西北航道的海冰、气象、水文、海底地形等情况较为复杂。西北航道日平均最低气温在2 月，可达-40~-35℃，夏季航区的气温约在6~10℃；航区的雾很频繁，在西南和东南风时产生的平流雾浓度很大，能见度非常低，雾最大频率发生在6—9月，沿岸和冰缘间常有蒸汽雾和辐射雾产生；航道大部分海域一年中主要为西北风，其中加拿大沿岸以西北风为主，波弗特海多为东南风，巴芬湾和戴维斯海峡以西北和东南风占优势[26]；航道巴芬湾和戴维斯海峡平均流速约为2 kn，波弗特海平均流速为0.5 kn[27]；航道在加拿大北极群岛北侧的两条航线（经梅尔维尔子爵海峡）水深超过400 m，南侧的几条航线多浅滩和岩礁，航线相对复杂，且待行船只吃水深度不能超过10 m[28]。西北航道沿岸港口设施和考察站建设的位置在地理空间分布上具有不均匀性，同时在航道航行的船舶也受国际公约和各国相关法律的限制和约束。因此，西北航道的适航性是上述各因素综合作用的结果。

针对各影响因素数据进行检索，结合专家意见对影响因素进行筛选，本文将影响西北航道适航性的因素分为海冰、气象环境、水文环境、地理环境、助航设施和政治影响，并进一步细化指标，从而建立北极西北航道适航性评价指标体系，如表1所示。

表1 北极西北航道适航性评价指标体系

2.2 指标量化

指标量化计算是针对二级指标进行的。由于不同指标的量纲不同，进行指标融合前，必须对各指标进行标准化处理，转化为0~1的无量纲值。

1）海冰密集度用于评估单元海冰的密集程度。d1越大，海冰密集度越高，越不适合通航，风险度越高。

式中，d1为海冰密集度标准化值；C 为评估单元原始海冰密集度；Cmin为最小值；Cmax为最大值。

2）海冰厚度用于评估单元海冰厚度。d2越厚，越不适合通航，风险度越高。

式中，d2为海冰厚度标准化值； H 为评估单元原始海冰厚度；Hmax为研究区域内海冰厚度最大值。

3）气温用于评估单元气温。 d3越大，温度越低，越不适合通航，风险度越高。

式中， d3为气温标准化值；T 为评估单元原始气温；Tmin为研究区域内气温最小值。

4）能见度用于评估单元能见度。d4越大，能见度越低，越不适合通航，风险度越高。

式中，d4为能见度标准化值；V 为评估单元原始能见度值；V0为低能见度参考值，依据国际雾级规定，将V0取4 000 m。

5）风速用于评估单元风速。 d5越大，风速越高，越不适合通航，风险度越高。

式中， d5为风速标准化值；W 为评估单元原始风速；Wmax为研究区域内风速最大值。

6）海流流速用于评估单元流速。d6越大，流速越高，越不适合通航，风险度越高。

式中，d6为流速标准化值；S 为评估单元原始流速；Smax为研究区域内流速最大值。

7）海表温度用于评估单元海表温度。d7越大，温度越低，越不适合通航，风险度越高。

式中，d7为海表温度标准化值； F 为评估单元原始海表温度；Fmin为研究区域内海表温度最小值。

8）航道深度用于评估单元水深。d8越大，深度越浅，越不适合通航，风险度越高。

式中， d8为深度标准化值； D 为评估单元原始深度；D0为深度参考值，取50 m。

9）航道宽度用于评估单元与两侧海岸的距离。d9越大，宽度越窄，越不适合通航，风险度越高。

式中，d9为宽度标准化值；wid 为评估单元与两侧海岸的距离；K0为宽度参考值，取50 km。

10）港口设施用于评估单元与港口距离。d10越大，与港口距离越远，风险度越高。

式中，d10为港口设施标准化值； D'为评估单元与港口的距离；K1为距离参考值，取250 km。

11）国际法限制用于评估单元所属区域的性质。d11越大，受国际法影响越大，风险度越高。

式中，d11为国际法限制标准化值；D'为评估单元属性。

2.3 权重的确定

主客观相结合的权重定权方法首先需要分别确定评价指标的主观权重和客观权重。评价指标的主观权重采用层次分析法计算得到。本文面向相关单位和研究领域（国家海洋局极地考察办公室、中国极地研究中心、中国国家海洋环境预报研究中心、国家海洋局海洋研究所、大连理工大学等科研院所和院校）的专家发放调查问卷40份，根据调查问卷得到评判矩阵调查基础数据，经计算得到北极西北航道适航性评价指标主观权重，如表2所示。

表2 北极西北航道适航性评价指标主观权重

评价指标的客观权重采用粗糙集方法确定。本文利用2002—2020 年7—10 月的月均海冰密集度、气温、能见度、风速、海流流速、海表温度等数据计算海冰因素、气象环境因素和水文环境因素的客观权重，其中能见度根据Kunkel提出的能见度计算公式[29]由云含水量数据计算得到。首先将数据离散化处理和属性值约简；然后删除属性值相同的样本得到简化的决策表，并分别按条件属性和决策属性对决策表论域进行分类；再计算得到各条件属性集关于决策属性的近似精度，分析每条属性关于决策属性的重要性；最后归一化得到海冰密集度、气温、能见度、风速、海流流速和海表温度的客观权重为0.42、0.05、0.19、0.10、0.14、0.10。评价指标的组合权重通过线性加权组合法计算得到。西北航道指标权重如表3所示。

表3 北极西北航道适航性评价指标组合权重

2.4 适航性评估模型的构建

本文采用线性加权组合法得到组合权重并将指标标准化后，则可构建北极航道适航性评估的数学模型。其表达式为：

式中，W 为北极航道适航性风险指数；i 为各影响指标； n 为总指标数；Ci为其对应的影响指标指数；WCi为其对应的权重。

3 西北航道夏季适航性分析

根据指标定义和量化方法，本文分别计算得到二级指标的权重值，再采用加权叠加的方法分析北极西北航道的夏季适航性。由各指标数据加权叠加得到西北航道夏季适航性的风险指数，最大值为0.769，最小值为0.085，适航性等级划分如表4所示，适航性分级区划结果如图1所示。

表4 北极西北航道夏季适航性等级划分

通过对比2002—2020年北极西北航道夏季适航性等级空间分布图发现，西北航道夏季适航性在近19年有较明显的改善，2002—2005 年西北航道2/3 以上的区域适航性较差，波弗特海沿岸海域和巴芬湾海域相对较好，麦克卢尔海峡、梅尔维尔子爵海峡以及维多利亚岛东部海域船舶难以航行；2006—2008 年波弗特海域适航性有显著改善，较安全可通航的海域面积逐渐增加，维多利亚岛东部海域由不可通航变为较不安全可通航；2009 年不安全可通航的航道范围再次扩张，北极群岛周边几个关键海峡船舶难以航行；2010—2012年不安全可通航的航道区域明显减少，大部分地区适航性较好；2013—2017年波弗特海海域和加拿大深海平原由大面积的不安全可通航变为大面积的较安全可通航，加拿大北极群岛周边海域基本为较不安全可通航；2018—2020年加拿大北极群岛周边海域不可通航的范围有所增加。总体来看，加拿大北极群岛周边海域的适航性变化不具有趋势性，西北航道适航性最好的年份是2012年。

4 结 语

本文综合考虑影响北极西北航道船舶航行的多方面因素，建立了北极西北航道适航性评价体系，采用主客观相结合的权重确定方法，并利用国内外多源数据评估了北极西北航道近19 年的夏季适航性。其主要结论为：①由各影响因素的权重值可知，海冰因素依然是影响北极航道适航性的关键因素，其次是气象环境因素和水文环境因素；②2002—2020 年夏季西北航道整体适航性有一定的提升，适航性较好的区域主要是楚科奇海和波弗特海沿岸的海域；③加拿大北极群岛周边海域适航性年际变化较大，是影响通航的关键区域。