北极东北航线船舶交通流时空特征分析

李振福 , 彭世杰 , 刘 坤 , 石雨萌

(大连海事大学 a.交通运输工程学院；b.公共管理与人文学院，辽宁 大连116026)

0 引言

北极航线分为东北航线、西北航线和穿极航线3条航线，其中东北航线是连接太平洋和大西洋最为便捷的海运路径，比传统航线缩短1/3的航程[1]，极大地减少了东北亚与西欧间的航运成本。随着全球变暖，北极海冰消融加剧，北极海域船舶数量增加[2]，船舶交通流结构也日趋复杂化，加之北极地区恶劣的自然环境，船舶安全问题日益突出，对海上交通安全、环境管理等方面带来严峻挑战。因此，研究北极东北航线船舶交通流特征具有十分重要的现实意义。

近年来，AIS数据得到广泛应用[3]，在海上搜救、船队管理等领域发挥着重要作用。AIS设备采集了大量的船舶航行的动态数据，为避免海上交通事故、保障海上安全提供了有力的数据支撑[4-8]。姚肖肖等[9]、S.M.Lee等[10]、向哲等[11]利用AIS轨迹点数据，提取航路关键转向点，利用相关算法进行航线规划，从而有效避免航路障碍物。Z.Liu等[12]、Y.Liang等[13]、权波等[14]指出现有方法的局限和优势，结合不同的算法特点，提出更为精确的航迹预测方法，为海上运输安全管理提供参考。N.Longepe等[15]、L.Huang等[16]将AIS数据用于海上污染排放研究。可见，国内外现有研究主要集中在海上船舶避碰、风险管理和环境保护等领域，针对船舶交通流特征的研究较少。随着海上活动持续增加，学者们正在逐步加深对重要海域船舶活动的研究，L.Zhang等通过对港口附近水域的交通特征的研究，发现了船舶交通特征和船舶事故的关系[17]。周世波等[18]、刘柏静等[19]、陈仁丽等[20]、金兴赋等[21]、邓昭等[22]针对特定水域，在分析海上船舶活动特征方面进行了重要研究。

北极东北航线蕴含着巨大的航运价值[23]，随着北极航线通行船舶数量的日益增多，船舶航行安全问题不容忽视。在此背景下，通过深入研究分析北极东北航线船舶交通流特征时空格局，对保障船舶航行安全、推动北极航运健康可持续发展具有重要意义。因此，基于2020年北极东北航线AIS数据，运用数理统计分析方法，对北极东北航线海上船舶密度、流量等交通流特征进行分析，揭示船舶交通流在时空格局上的分布特征和活动规律，以期为北极东北航线海域航行安全、航线规划和船队管理等方面提供支撑。

1 研究区域、数据来源和研究方法

1.1 研究区域

北极东北航线起始于欧洲西北部，穿越北冰洋，经过欧亚大陆和西伯利亚沿岸海域延续至白令海峡，是连接太平洋和大西洋的海上航线，自西向东依次经过巴伦支海(Barents Sea)、喀拉海(Kara Sea)、拉普捷夫海(Laptev Sea)、东西伯利亚海(East Siberian Sea)和楚科奇海(Chukchee Sea)五大海域，连接五大海域的海峡多达58个。东北航线由于经度跨度大，所经海域的海冰、水深等自然环境各不相同，导致各个海域的地理特征、通航条件有差别。五大海域中面积最大的是巴伦支海，面积为393.7万km2；最大水深位于拉普捷夫海，为2 980 m；平均水深在45～229 m。在马托奇金沙尔海峡、喀拉海峡、维利基茨基海峡和拉普捷夫海峡等关键海峡航道中，最窄宽度约为1 km，最小深度约为12 m。

北极东北航线附近海域油气资源和渔业资源十分丰富。巴伦支海域和挪威海东北部海域都属于世界著名的渔场，且有些经济价值的鱼类资源尚未完全开发。2017年，中俄能源合作的“亚马尔项目”的天然气可采储量达到1.3万亿m3，被誉为“北极圈上的能源明珠”。随着全球气候变暖，北极东北航线附近海域的渔业资源和油气资源开发将成为可能。

1.2 数据来源

AIS数据包括MMSI、船舶尺寸、航速、航向和船舶位置等船舶静态和动态信息。由于船载设备收集的信息范围和船舶活动路线的连续性，若使用大部分现有研究文献对北极东北航线五大海域的范围划分，将不可避免地丢失船舶数据，因此，本研究选取0°E～180°E，66°N～83°N的地理范围，2020年1月1日至12月31日的时间范围，数据存储容量约31G。首先，构建船舶AIS数据库，进行数据清洗，删除错误的MMSI所对应的船舶数据，并删除重复、缺失等不合理的数据记录。其次，对于航速一直为0或过大且经纬度发生变化的船舶记录，通过计算同一条船舶相邻两条信息之间的平均速度代替错误航速。最后，利用均匀采样法对同一条船每隔15 min进行采样，最终得到8 160 926条船舶数据信息。船舶类型分为捕捞船和商船(包括货船、油轮、客船)两类，暂不考虑引航船等其他船型，分类处理后共得到6 308 674条船舶信息。

1.3 研究方法

基于2020年北极东北航线AIS数据，通过计算船舶流量，以日、月和季节为时间序列研究船舶交通流的时间特征；通过计算船舶密度，辅以船舶速度、船舶尺寸，并筛选分类船舶航迹提取船舶主航迹中心线，以此作为研究指标分析北极东北航线船舶交通流的空间特征[19]。

1.3.1船舶流量计算方法。船舶流量是指单位时间内通过某一水域某一地点所有船舶的数量，其值能够反映该水域的交通流量和繁忙程度，船舶流量越大，船舶交通流越复杂。因此，船舶流量是表征海上航行安全、船舶调度的重要指标。统计模型为：

1.3.2船舶密度计算方法。船舶密度是指某一水域某一时刻单位面积的船舶数量，是反映船舶通行效率和交通安全的重要依据。为更加直观地分析船舶密度，本研究将北极东北航线划分为2 812个大小相同的70 km×70 km网格，以1 h内通过单个网格的船舶数量测度船舶密度。计算公式：ρ=Q/h。式中：ρ为船舶密度(艘次/h)；Q为某一水域的船舶总量；h为时间。

2 北极东北航线船舶交通流时间特征

2.1 船舶交通量日变化

北极东北航线船舶交通量时间变化见图1。以h为单位的船舶交通量日变化统计(图1a)表明，北极东北航线海域船舶交通量在中午时段达到最大值，船舶活动受昼夜影响较大。其中，货船、客船和油轮商业性船舶交通量变化波动较小，并无明显的时刻变化特征，1100—1300 时段货船和油轮的船舶交通量相对较多，船舶活动较为频繁，客船数量则相对较少。而捕捞船呈现出较为明显的波动，从0400开始，捕捞船数量逐渐增多，一直到中午1200，船舶交通量达到一天的最高点，并以此为转折点，船舶交通量开始呈现下降趋势。总体来看，1100—1300和2000—2400时段货船、客船和油轮商业性船舶活动量较大；捕捞船活动与船舶就近进行捕捞作业的活动性质相关，并且受昼夜交替影响较大，呈现出“日出而作，日落而息”的活动状态。

2.2 船舶交通量月和季节变化

北极东北航线船舶交通量月变化(图1b)和季节变化(表1)显示，从整体上看，北极东北航线海域船舶活动呈现出十分显著的月、季节变化特征，秋季为北极东北航线海域船舶活动状态的显著转折点，主要体现在数量和分布位置的变化，波动幅度较大，船舶数量增幅高达94.5%，船舶交通量在秋季达到最大值，船舶活动范围进一步扩大，几乎覆盖整个巴伦支海和喀拉海两海域，在拉普捷夫海和东西伯利亚海海域的船舶活动面积逐渐增大。船舶交通量在夏季的7—8月之间的变化率最大，交通量在9月达到一年中的最大值，9月之后，船舶交通量急剧下降，而在1—7月则平稳波动，可以看出，夏季和秋季是该海域船舶交通量最大的两个季节。

图1 北极东北航线船舶交通量时间变化Fig.1 Time variation of ship traffic volume on Arctic northeast route

表1 北极东北航线船舶交通量季节变化Tab.1 Seasonal variation of ship traffic volume on Arctic northeast route

4种船型中捕捞船月变化和季节变化尤为明显，在1—7月，捕捞船交通量变化不大，处于平稳的波动状态，且大部分捕捞船主要集聚在挪威海东北部和巴伦支海近海海域，少部分零星分布在东西伯利亚和拉普捷夫海的近海海域。7月后，海冰浓度、厚度急剧降低，船舶数量接近指数式增长，另外，北极东北航线海域的支流额尔齐斯河、鄂毕河、勒拿河和叶尼塞河的水域船舶交通量也出现小幅增长。秋季，捕捞船数量进一步增长，活动区域也逐渐扩大，开始向东西伯利亚和拉普捷夫海的远海范围进行捕捞作业，船舶数量相对于全年均值增幅高达95.4%。冬季，由于气候变化和结冰期的到来，船舶数量明显减少，比全年均值减少40.2%，船舶活动范围明显由远海向近海海域缩近，巴伦支海域船舶向近岸海域靠近，拉普捷夫海和东西伯利亚海海域船舶呈带状依附于海岸线。

客船则依附在摩尔曼斯克港口海域，由于总量相对较少，使得其相对变化率波动较大，进入秋季，船舶交通量相比于全年均值增长了81.3%，但从整个时间序列上来看，船舶位置变化并不显著。

油轮在数量分布上和货船类似，表现出明显的分异特征。尤其在夏秋季节，通航条件改善，油轮以跨越整个北极东北航线的长距离运输为主。从时间范围看，春季，两者几乎不能进行长距离运输，夏季，东西伯利亚海和拉普捷夫海开始出现货船和油轮运输，直至秋季，两者数量激增，相对全年均值的平均变化率为100.2%。

北极东北航线船舶数量月、季节变化幅度极大。在时间基础上，船舶数量又呈现出“西多东少”的布局。这是由于受北大西洋暖流的影响，摩尔曼斯克港成为终年不冻港，包括挪威海附近的优良港口，全年都会有船舶在此聚集。综合海冰、能见度等自然环境因素，8—10月是北极东北航线通航环境最好的时段，船舶数量也在这3个月份达到数量的顶峰，占整年交通量的57.2%，8月份相较于7月份增长率高达488.5%。每年的11月到次年的6月东北航线除巴伦支海域外，其他海域基本被冰雪覆盖，不适宜较大规模通航。

3 北极东北航线船舶交通流空间特征

3.1 船舶密度分布特征

基于GIS得出北极东北航线船舶密度分布状况(图2)。从整体上来看，北极东北航线船舶活动主要以港口为依托，集中于摩尔曼斯克港、阿尔汉格尔斯克港之间的航线区，以巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海的近岸作业为主，少部分船舶聚集在勒拿河、叶尼塞河和鄂毕河流域。在船舶类型的数量分布上，捕捞船的船舶数量占船舶总数量的71.5%，捕捞船呈团聚状分布，集中在巴伦支海和挪威海的东北部海域，近岸海域分布最为密集。货船占船舶总量的18.2%，客船和油轮分别占4.6%和5.6%，其中货船和油轮分布广泛，且分布特征十分相似，主要集中在巴伦支海和喀拉海，而在拉普捷夫海和东西伯利亚海域则以近岸海域的长距离运输为主。客船数量较少，以摩尔曼斯克港口附近海域活动为主，其分布存在与其他3种船型垂直交叉的关系，少量分布在鄂毕河流域。

图2 北极东北航线船舶密度分布Fig.2 Distribution of ships density in Arctic northeast route

由船舶密度统计结果可以得出：整个研究区域内每4 900 km2每24 h约有18艘船舶通过，捕捞船和货船的活动密度相对较高，4种船型在摩尔曼斯克港附近海域的船舶密度最高，其中货船、客船在此区域的船舶密度高于5艘次/h，捕捞船船舶密度呈层级分布，内层多于20艘次/h，外层超过5艘次/h，油轮虽然分布于整个海域范围内，但船舶密度基本维持在1艘次/h的状态，船舶交通量极少。

3.2 船舶尺度分布特征

通过处理数据对北极东北航线船舶尺寸数据统计分级结果见图3和表2。捕捞船以中大型船舶为主，其中中型捕捞船占52.5%，主要分布在巴伦支海和挪威海东北部海域，以及喀拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海沿岸。小型捕捞船占19.0%，集中在摩尔曼斯克港、萨别塔港和季克西港等港口周围海域；大型捕捞船集中在巴伦支海和挪威海的远海区域；巨型捕捞船占比仅4.2%，零星分布在挪威海东北部海域。货船以载重量小于1万t的小型船舶为主，占57.4%，呈带状集中分布在北极东北航线沿岸海域。货船整体上在拉普捷夫海和东西伯利亚海域附近呈现出层级分布，内层为小型货船，外层为中大型货船，而在北极东北航线西部的海域，4种尺寸的货船在分布上相互交叉；中型货船集中在北极东北航线沿线的中部海域；大型货船主要分布在喀拉海和东西伯利亚海北部海域。客船以小于130 m的中小型船舶为主，占88.2%，以北极观光旅游的客运运输为主，集中在摩尔曼斯克港口附近海域和鄂毕河流域，大型和巨型客船数量较少，分别占2.4%和9.4%，分布稀疏。油轮在尺寸分布上呈现集聚性特征，小型油轮集中在摩尔曼斯克港口和挪威海东北部海域，以及勒拿河流域；中型油轮依附于拉普捷夫海和东西伯利亚沿岸海域；大型油轮高度集聚在阿尔汉格尔斯克港口海域，以及巴伦支海和喀拉海的航道区；巨型油轮则以摩尔曼斯克港口海域以及拉普捷夫海和东西伯利亚海之间的航道区为主。

图3 北极东北航线船舶尺寸分布Fig.3 Distribution of ship size in Arctic northeast route

表2 北极东北航线船舶尺寸占比统计Tab.2 Percentage of ship size on Arctic northeast route

3.3 船舶速度分布特征

基于GIS统计2020年北极东北航线船舶速度分布并进行分级见图4和表3。结果表明：北极东北航线船舶速度以低速(0～5 kn)和中速(5～10 kn)为主，分别占海域船舶的33.3%和46.1%，其中，低速船舶主要分布于近岸海域，与捕捞船的活动特征相符合，呈团聚状分布，集中在挪威海东北部和巴伦支海近岸海域，而货船的低速船舶占比为37.3%，呈带状分布，主要分布在巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海河和东西伯利亚海近岸海域。中速船舶主要集中在摩尔曼斯克港、阿尔汉格尔斯克港、萨别塔港和季克西港附近海域的航线区。高速船舶(10～15 kn)占总数的19.2%，以油轮为主，以巴伦支南部海域为起始区域，贯穿俄罗斯北部海域，呈“L”型分布于北极东北航线的主航线区。高速船舶(20～30 kn)仅占全部船舶的1.5%，零星分布于其他主航线区。总体上，高速船舶以客船为主，较高速船舶以油轮为主，中速船舶以货船为主，低速船舶则以捕捞船为主。

3.4 船舶轨迹分布特征

通过处理船舶轨迹数据得出北极东北航线船舶航迹分布(图5)。北极东北航线船舶航迹呈分段式直线状分布，整体较为连续。捕捞船的航行轨迹没有固定的规律，船舶方向变化多，路线一直在变动，这是由捕捞作业的性质决定的，捕捞船航路基本在巴伦支海和喀拉海南部以及挪威海东北部海域范围内，船舶航行距离短。货船和油轮航迹同样有极大的相似性，两种船型的航迹在整个北极东北航线都有分布，其中在摩尔曼斯克海域的航迹凌乱复杂，而在喀拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海域的航路比较固定，但货船较于油轮横跨北极东北航线的运输频率更高，在巴伦支海和喀拉海之间的航迹分布也更广。客船航行主要分为两条路线，一类是分布在摩尔曼斯克港口海域的运输路线，另一类是去往北极点的运输路线。

图4 北极东北航线船舶速度分布Fig.4 Distribution of ship velocity in Arctic northeast route

表3 北极东北航线船速占比统计 %

图5 北极东北航线船舶轨迹分布Fig.5 Distribution of ship trajectory in Arctic northeast route

4 影响因素分析

4.1 北极环境条件

北极东北航线的自然环境是影响船舶交通流分布特征的最重要因素。北极东北航线的航行受季节影响很大，北极冬季多风雪，气温常年在-30 ℃以下，大部分地区被海冰覆盖，除巴伦支海域外船舶流量极少，夏季海冰融化，船舶航行逐渐活跃起来。而由于各个海域海况的不同，通航环境也不尽相同，喀拉海夏季多雾，能见度低，拉普捷夫海会出现大量浮冰等都会影响船舶活动。另外，北极的海流和潮汐在狭窄的航道内会改变船侧的相对速度，增加船舶之间的相互作用力，容易造成搁浅事故，其中扬斯克海峡最高时速可达6.9 kn，拉普捷夫在强风作用下也可达4.0 kn，而小型船舶必须等到海流变小才能安全通行[24]。这使得北极东北航线船舶只能在海冰、风力和能见度等自然环境较为适宜通航的夏秋季节航行作业。

航道水深和宽度等地理条件在一定程度上影响着船舶流量和船舶类型等交通流特征。喀拉海域40%区域的水深不足50 m，其东北部存在着大量礁石，马托奇金沙尔海峡最窄宽度只有1 km，最小深度只有12 m，西部分布着大量暗礁，维利基茨基海峡、拉普捷夫海峡和桑尼科夫海峡存在着低于9 m的浅滩，对船舶航向、航速安全影响较大。

4.2 北极资源分布

北极东北航线沿线海域的油气资源和渔业资源等自然资源十分丰富。北极东北航线附近的东巴伦支海盆地、季曼-伯朝拉盆地、南喀拉海-亚马尔盆地和阿拉斯加北坡盆地蕴含着丰富的油气资源[25]。根据调查分析[26]，阿拉斯加北坡和楚克奇地区待开采原油和天然气大约60%分布在海上，油气资源的开采和专用码头的建设影响着油轮活动的时空分布，这也使得巴伦支海、喀拉海域的商业船舶活动密集。北极东北航线沿线海域鱼的种类繁多，但由于沿线跨度大，渔业资源分布不一，主要集中在巴伦支海和挪威海，捕捞船活动极为活跃[27]。

4.3 港口建设水平

港口基础设施建设及破冰船等配套设施很大程度影响着北极东北航线船舶交通流特征。摩尔曼斯克港为综合性港口，可作为渔港、货运港和军港使用，是俄罗斯北极地区唯一的终年不冻港。萨别塔港位于亚马尔半岛，作为新建港口，设施设备较为先进，配备有原子能破冰船和具备破冰功能的LNG运输船等。季克西港位于俄罗斯北部拉普捷夫海岸附近, 是北冰洋同勒拿河等河流间货运的中转港,也是北极东北航线东段十分重要的交通枢纽。佩韦克港拥有极为先进的机械化装备，楚科奇地区从2003年在迈斯克和库伯尔开采稀有金属，此后佩韦克港的货运量持续增长。这些港口基础设施建设水平高，港口附近海域船舶密度较大，但北极东北航线沿线港口建设发展不均衡，这也造成船舶过度集中于摩尔曼斯克港等港口的现象。

4.4 海上交通管制

冰区船舶规范、航行要求以及沿线国家的法律限制对北极东北航线的船舶行为产生一定程度的影响。在北极气候、冰情较为恶劣的区域，为保障船舶安全、防止环境污染，《极地船级要求》和《北极水域污染防治法》等规定对船体结构和排放标准等方面做出要求。在船舶航行方面，国际海事组织制定了《极地水域船舶航行指南》和《北极冰覆盖水域船舶航行指南》等规定，统一在极地环境下的船舶航行规则，降低了船舶碰撞事故风险。而由俄罗斯制定的《北方海航线水域航行规则》则对经过北极东北航线的船舶进行了航行区域、航速等方面的限制，使得船舶交通流的空间特征发生变化。

5 结论与讨论

5.1 结论

(1)北极东北航线沿线海域船舶活动较为稀疏，其中捕捞船占比最大，客船所占比例最小，捕捞船、货船和油轮主要以巴伦支海和挪威海东北部海域的摩尔曼斯克港和阿尔汉格尔斯克港等港口为依托，密集分布于近岸海域，在活动区域上存在着高度重叠的关系，捕捞船活动路线复杂多变，客船航迹以北极点为公共端点向摩尔曼斯克港口附近海域和勒拿河流域直线伸展分布为主，而货船和油轮航迹分布跨越整个北极东北航线。

(2)北极东北航线沿线海域船舶交通量月变化、季节变化特征显著，捕捞船活动日变化特征明显，受昼夜更替影响较大，白天时段船舶数量较多，主要集中在摩尔曼斯克港附近海域，货船、客船和油轮日变化不明显。7月是北极东北航线沿线海域船舶交通量的转折点，海冰融化，通航条件改善，船舶交通量剧增，一直持续到9月，海域开始结冰，船舶活动量开始下降。

(3)北极东北航线沿线海域船舶速度以中低速为主，主要分布在近岸海域，较高速船舶主要为油轮，呈“L”型分布于北极东北航线的主航线区，贯穿俄罗斯北部海域，高速船舶占1.5%，零星分布于其他主航线区。船舶尺寸以中小型船舶为主，捕捞船和货船呈带状集中分布在北极东北航线沿岸海域，油轮则以团聚状分布在摩尔曼斯克港、阿尔汉格尔斯克港口海域，以及巴伦支海和喀拉海航道区。客船以北极观光旅游的客运运输为主，集中在摩尔曼斯克港口附近海域和鄂毕河流域。

(4)海冰是影响北极东北航线船舶交通流时空特征最重要的因素，另外，北极资源分布、港口建设水平和海上交通管制也不同程度影响着船舶分布。

5.2 讨论

北极东北航线通航条件持续改善，已有商业船舶运营受海冰影响，船舶交通量变化极大，船舶航行安全问题不容忽视，北极东北航线沿线港口建设整体水平依旧不高，船舶交通量较传统航线较少，随着北极东北航线通航期逐渐延长，北极东北航线船舶数量逐年增多，北极东北航线的航运价值将逐渐被开发利用，北极地区不仅是海冰、能见度等引发的船舶航行安全问题，船舶之间的碰撞问题也应被重视。

受AIS数据性质及计算方法影响，计算结果可能存在一定的误差，但是能够较为真实反映海上船舶交通流的总体特征，下一步应将研究视角进一步扩大，对比分析不同年份、不同区域的海上交通流特征，揭示不同航行环境下船舶交通流特征的影响机制和演化规律。