北極東北航道海冰變化特征分析研究

孟上，李明，田忠翔，張林

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

近30年的觀測(cè)表明，北極海冰正在發(fā)生快速變化[1-3]。海冰覆蓋范圍從20世紀(jì)70年代開始減少，進(jìn)入21世紀(jì)后，其速率由每10年減少3%增至每10年減少10%[4]。同時(shí)，北極海冰厚度也明顯變薄[5-8]，多年冰也呈減少趨勢(shì)[9-10]。

隨著北極海冰的減少和變薄，北極航道的開通成為可能。北極航道[11]是指位于北冰洋的航海路線總稱，是聯(lián)系亞洲、歐洲和北美洲三大洲的海上通道，主要是指西起冰島，經(jīng)歐亞大陸北部沿海到達(dá)白令海的“東北航道”（Northeast Passage），和從白令海經(jīng)波弗特海和加拿大群島海域到達(dá)巴芬灣的“西北航道”（Northwest Passage）見圖1。東北航道具體分為兩個(gè)部分：第一部分是北歐部分，從摩爾曼斯克直達(dá)挪威的斯瓦爾巴群島、冰島的雷克雅未克和英國(guó)的倫敦等港口，該航道相對(duì)比較成熟，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，目前，北歐各國(guó)一直在使用。第二部分是從摩爾曼斯克港，經(jīng)北冰洋南部的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海和太平洋的白令海、日本海到俄羅斯東亞的符拉迪沃斯托克（海參崴）港，該航道屬季節(jié)性海上航線，全長(zhǎng)約5620 n mile。

東北航道是連接北大西洋和北太平洋間的海上捷徑，也是聯(lián)系歐洲和東北亞地區(qū)潛在的經(jīng)濟(jì)航線。東北航道的開通，會(huì)極大地縮短?hào)|北亞和歐美地區(qū)的航線距離，形成一條快捷的海上運(yùn)輸通道，航程相比傳統(tǒng)航線要縮短15%—50%，極大地降低了我國(guó)與歐美國(guó)家的運(yùn)輸成本。2009年以來(lái)，德、挪、俄等國(guó)在前期冰區(qū)航行技術(shù)研發(fā)和試航基礎(chǔ)上，紛紛使用抗冰船成功運(yùn)送鐵礦石、液化天然氣經(jīng)東北航道到中國(guó)沿海和日本諸港。我國(guó)也于2012年7月第五次北極科學(xué)考察期間首次使用“雪龍”船進(jìn)行了東北航道適航，為將來(lái)的我國(guó)遠(yuǎn)洋商業(yè)航運(yùn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。分析多年來(lái)北極東北航道內(nèi)的海冰變化情況，尤其是近幾年?yáng)|北航道的開通情況，能夠?yàn)槲磥?lái)我國(guó)利用北極航道提供重要的借鑒作用。

本文利用國(guó)際浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的北極冰速數(shù)據(jù)和衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了北極東北航道內(nèi)的海冰運(yùn)動(dòng)和變化情況，并對(duì)近幾年航道的開通情況進(jìn)行了分析。

圖1 北極航道路線示意圖

圖2 北極海冰運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)及海表面氣壓場(chǎng)

2 數(shù)據(jù)

本文使用的北極海冰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和海平面氣壓數(shù)據(jù)都是北極國(guó)際浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的（http://iapb.apl.washington.edu），時(shí)間跨度為 1979—2006年。這兩種數(shù)據(jù)都是由浮標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)最優(yōu)插值（OI）方法插值得到。海冰速度場(chǎng)的空間分辨率為100 km，全北極共有784個(gè)點(diǎn)。海平面氣壓場(chǎng)的空間分辨率相對(duì)較低，為10°×2°，覆蓋范圍70°N以北的區(qū)域。

SSM/I（Special Sensor Microwave/Imager）海 冰密集度數(shù)據(jù)由美國(guó)雪冰中心(NSIDC)提供，該密集度產(chǎn)品由Nimbus-7衛(wèi)星上的掃描式多通道微波輻射計(jì)（SMMR）和美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星中的F8，F(xiàn)11，F(xiàn)13和F17攜帶的多波段微波輻射掃描儀（SSM/I）提供的亮溫?cái)?shù)據(jù)，由NASA Team algorithm算法計(jì)算生成，數(shù)據(jù)覆蓋南北兩極，空間分辨率為25 km，時(shí)間范圍為1978年10月至今，有日平均和月平均兩套數(shù)據(jù)。

德國(guó)不萊梅大學(xué)的AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS）海冰密集度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用ARTIST sea ice algorithm（ASI 5）計(jì)算得到，數(shù)據(jù)的空間分辨率為6.25 km，時(shí)間范圍為2002年6月19日—2011年10月4日。

3 夏季東北航道海冰運(yùn)動(dòng)特征分析

利用國(guó)際北極浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）提供的1979—2006年夏季（8—10月）月平均北極海冰速度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)（SLP）數(shù)據(jù)，對(duì)北極東北航道夏季海冰運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析。

圖2a是1979—2006年夏季平均海冰流場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)，圖中顯示北極存在一個(gè)位于波弗特海域的高壓系統(tǒng)和一個(gè)位于歐亞海盆的低壓系統(tǒng)，在這兩個(gè)系統(tǒng)的控制下，海冰在相應(yīng)區(qū)域分別出現(xiàn)了反氣旋式的波弗特渦和氣旋式的渦旋。在巴倫支海和喀拉海，海冰處于氣旋式的渦旋中，由西向東運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速度較小。拉普捷夫海產(chǎn)生的海冰先隨氣旋式渦旋離岸運(yùn)動(dòng)到北極中心，繼而隨穿極漂流流向北大西洋。對(duì)于東西伯利亞海，其西部海冰運(yùn)動(dòng)速度較中東部大。西部的海冰離岸運(yùn)動(dòng)至北極中心，最終隨穿極漂流流出北極，中東部的海冰運(yùn)動(dòng)速度則非常小。總之，東北航道區(qū)域的海冰運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于其它區(qū)域的速度較小。東北航道區(qū)域在8—10月份較低的海冰密集度、海冰的離岸運(yùn)動(dòng)以及相對(duì)較低的運(yùn)動(dòng)速度都為航道的開通和通行提供了前提條件。

8月份（見圖2b）在北極中心出現(xiàn)了較強(qiáng)的低壓系統(tǒng)，海冰也出現(xiàn)了較強(qiáng)的氣旋式運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，喀拉海和巴倫支海的海冰呈反氣旋式運(yùn)動(dòng)。拉普捷夫海形成的海冰離岸運(yùn)動(dòng)，隨著北極中心的氣旋式運(yùn)動(dòng)漂流，進(jìn)入加拿大海盆之后，一部分隨著穿極漂流消亡在大西洋，一部分隨波弗特渦運(yùn)動(dòng)。對(duì)于東西伯利亞海中西部，有一些海冰向岸運(yùn)動(dòng)，這有可能會(huì)造成海冰在沿岸堆積，不利于東北航道的開通，而東部的海冰運(yùn)動(dòng)速度非常小。

9月份（見圖2c）整個(gè)北極的海冰運(yùn)動(dòng)特征與夏季平均非常相似。北極中心的低壓系統(tǒng)南移，北極中心的海冰氣旋式運(yùn)動(dòng)向巴倫支海方向移動(dòng)。巴倫支海和喀拉海的海冰由西向東運(yùn)動(dòng)。拉普捷夫海生成的海冰沿著等壓線運(yùn)動(dòng)，并最終隨氣旋式渦旋匯入穿極漂流。東西伯利亞海沿岸的海冰運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)小?？紤]到9月份東北沿岸的海冰密集度較低，所以比較小的海冰運(yùn)動(dòng)速度以及海冰的離岸運(yùn)動(dòng)會(huì)有利于東北航道的開通。

10月份（見圖2d）波弗特高壓進(jìn)一步加強(qiáng)，低壓系統(tǒng)繼續(xù)減弱并南移。在喀拉海和巴倫支海之間存在一個(gè)微弱的海冰氣旋式運(yùn)動(dòng)。拉普捷夫海產(chǎn)生的海冰沿著等壓線運(yùn)動(dòng)到北極中心，然后從弗雷姆海峽流出北極進(jìn)入北大西洋。但是拉普捷夫海東部海冰的離岸運(yùn)動(dòng)有可能使海冰堆積在利亞霍夫群島南、北部的海峽，這將對(duì)東北航道的通行帶來(lái)一定的阻礙。東西伯利亞海的海冰運(yùn)動(dòng)速度依然很小，但比8、9月份稍大。由于波弗特渦有所加強(qiáng)，并且靠近阿拉斯加一側(cè)海冰運(yùn)動(dòng)速度較大，導(dǎo)致由波弗特海向楚科奇海運(yùn)動(dòng)的海冰堆積在弗蘭格爾島以及楚科奇半島沿岸的可能性較大，阻礙東北航道的通航。

綜上所述，根據(jù)夏季（8—10月）海冰運(yùn)動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)，東北航道在9月份開通的可能性最大，8月份次之，10月份通航的困難較大。

4 近幾年北極東北航道的開通情況

4.1 2009—2011年?yáng)|北航道開通情況

使用美國(guó)雪冰中心（NSIDC）的SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)，我們先對(duì)日平均海冰密集度數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均，得到了2009，2010和2011年7—10月份的月平均海冰密集度數(shù)據(jù)。

圖3為北極東北航道2009年7—10月平均海冰密集度分布圖。從圖上可以看到，2009年的冰情較重，東北航道在9月份可以通行，8月份在俄羅斯北地群島與大陸之間的海冰對(duì)航道的開通造成了較大的影響。

圖3 東北航道2009年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖4 東北航道2010年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖5 東北航道2011年7—10月月平均海冰密集度分布圖

圖4為東北航道2010年7—10月平均海冰密集度分布圖。2010年航道的冰情較2009年偏輕，雖然2010年7月份的海冰較多，但是海冰在8月份迅速消融。9月份的海冰達(dá)到了最小值，航道的運(yùn)行可以順利開展。10月份海冰開始快速凍結(jié)，東北航道的通航受到海冰的嚴(yán)重影響。

圖5是2011年7—10月平均海冰密集度的分布圖。2011年的海冰范圍更是達(dá)到了近幾年的極低值。據(jù)美國(guó)雪冰中心的研究結(jié)果表明，2011年9月9日海冰范圍達(dá)到該年度最低值，僅次于2007年9月份的歷史極小值。2011年10月份東北航道的冰情并不嚴(yán)重。

下面我們進(jìn)一步使用分辨率更高的AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)，來(lái)分析東北航道的開通情況。由該套數(shù)據(jù)，并綜合之前的海冰變化和運(yùn)動(dòng)特征，我們對(duì)近三年來(lái)東北航道的開通情況進(jìn)行了初步分析。2009—2011年?yáng)|北航道的完全開通的時(shí)間分別為9月初—10月初，8月底—10月初，7月底—10月初。航道受海冰變化的影響，每年的通航時(shí)間并不固定。東北航道的開通的關(guān)鍵在于東西伯利亞海和拉普捷夫海之間的德米特里拉普捷夫海峽（Dmitry Laptev Strait），喀拉海和拉普捷夫海之間的維利基茨基（Vilkitsky）海峽的海冰的融化，即俄羅斯新西伯利亞群島和北地群島與大陸之間的海冰嚴(yán)重影響著東北航道的開通。

4.2 2012年?yáng)|北航道開通情況

圖6 第五次北極科考路線示意圖

2012年正值我國(guó)第五次北極科學(xué)考察之際，北極海冰的變化情況對(duì)考察船的航行意義更加重大。第五次北極科學(xué)考察，首次穿越東北航道航行，進(jìn)入極圈后具體的路線見圖6。紅線為“雪龍”船進(jìn)入東北航道的航線，藍(lán)線為“雪龍”船返航的路線。這次在東北航道的航行，有幾個(gè)關(guān)鍵事項(xiàng)。一個(gè)是東北航道的通行，必須由俄羅斯破冰船來(lái)引航，因此在冰情相對(duì)較重的7月份“雪龍”船隨破冰船編隊(duì)開始穿越東北航道。從AMSR-E衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)來(lái)看，東北航道的完全開通在8月中旬?！把垺贝緩綎|西伯利亞海，拉普捷夫海，7月29日穿越北地群島南部的維利基茨基海峽。“雪龍”船在新地島脫離破冰船編隊(duì)后，進(jìn)入巴倫支海。返航途中，8月23日進(jìn)人冰區(qū)，9月5日，圓滿完成所有科考任務(wù)。

根據(jù)美國(guó)雪冰中心的SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)，全北極的海冰范圍在今年持續(xù)突破歷史極低記錄，先是在今年的8月26日達(dá)到了歷史極低值（4.10×106km2），小于之前2007年9月18日的極低值（4.17×106km2），更是在 9月 16日達(dá)到了 3.41×106km2。雖然北極海冰范圍持續(xù)減小，但是海冰范圍的空間分布不同于往年。今年北極海冰在波弗特海偏少，而在西拉普捷夫海的海冰偏多，尤其是新西伯利亞群島周圍的海冰較多，形成一個(gè)“冰舌”延伸到陸地，影響了東北航道的開通。因此，北極海冰較大的年際變化，對(duì)東北航道的開通帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

綜合以上分析結(jié)果，可以得如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)夏季（8—10月）海冰運(yùn)動(dòng)特征分析，東北航道在9月份開通的可能性最大，8月份次之，10月份通航的困難較大；

（2）根據(jù)衛(wèi)星反演的海冰密集度數(shù)據(jù)，東北航道近幾年的開通時(shí)間從7月底—9月初，一直到10月初，開通的起始時(shí)間變化較大；俄羅斯新西伯利亞群島和北地群島，與大陸之間的海冰對(duì)東北航道的開通起著關(guān)鍵作用；

（3）東北航道的海冰年際變化較大，這給未來(lái)北極航運(yùn)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

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