近年北極東北和西北航道開通狀況分析

李春花，李明，趙杰臣，張林，田忠翔

（1.國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京 100081）

近年北極東北和西北航道開通狀況分析

李春花1，李明1，趙杰臣1，張林1，田忠翔1

（1.國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京 100081）

利用微波衛星遙感數據對北極東北航道和西北航道近年來的冰情變化，以及影響航道開通的關鍵區域和每年的開通狀況進行了分析和總結，并對航道未來的可能冰情狀況進行了展望，期望對航道利用者有所幫助。東北航道全線開通期主要集中在8月下旬至10月上旬，開通總天數多在40～50 d；西北航道南線開通期主要集中在8月上中旬至10月上旬，開通總天數多在50～60 d；西北航道北線開通時間主要集中在9月。東北航道冰情最為復雜的是連接拉普捷夫海和喀拉海的北地群島區域海冰，也是影響航道開通的關鍵區。影響西北航道南線開通的關鍵主要是威廉王島附近維多利亞海峽、威爾士王子島東側的皮爾海峽和北側巴羅海峽區域的海冰狀況；影響北線開通的關鍵區域是班克斯島西北部的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽；東北航道可通航性優于西北航道。雖然氣候變化大背景下北極海冰總量減少，但由于海冰流動性增強，局部海冰變化愈發復雜，海冰分布年際差異較大，需要加強北極海冰監測和預報能力，為未來航道利用提供保障。

北極；海冰；航道

1 引言

北極東北航道是經由北冰洋沿俄羅斯北岸連接太平洋和大西洋的航線，被認為是連接亞洲、北歐和北美的經濟航路，西北航道是經由北冰洋沿北美北岸通過加拿大北極群島連接太平洋和大西洋的航線，被認為是連接亞洲和北美東部的最短航路（見圖1）。

過去由于北冰洋冰情嚴重，東北航道和西北航道的利用較為有限，隨著近30年北極海冰呈現快速減少的趨勢，尤其是近年來，東北航道和西北航道出現了開通的狀況，北極航道愈來愈受到人們的關注［1—4］。2012年夏季，中國第5次北極科考“雪龍”船從青島出發經白令海進入北冰洋穿越東北航道抵達冰島，并從高緯度海域返回，這是中國船舶首次穿越東北航道。2013年夏季，中國商船首航北極，中遠集團“永盛”輪從江蘇太倉出發通過北極東北航道到達荷蘭鹿特丹，航程7 931海里，航行27 d，比傳統的經馬六甲海峽、蘇伊士運河的航線縮短航程2 800多海里，減少航行時間9 d。據統計，2011年通過東北航道的商船有36艘，2012年達到46艘，而2013年，登記準備通過的商船達600余艘。由此可見，北極航道未來的利用前景廣闊。

但是，北極航道的海冰狀況是北極航道可利用的關鍵因素之一，目前對于北極的冰情分析主要基于不同分辨率的衛星遙感資料進行，不同資料各有其優缺點，學者們從不同角度對東北航道和西北航道海冰的變化進行了分析研究，尤其對西北航道的冰情研究相對較多［5—10］。本文主要利用微波衛星遙感數據對北極東北航道和西北航道近年來的冰情變化，以及影響航道開通的關鍵區域和每年的開通狀況進行了分析和總結，并對航道未來的可能冰情狀況進行了展望，期望對航道利用者有所幫助。

圖1北極東北航道和西北航道示意圖Fig.1 Sketch map of Arctic Northeast and Northwest Passage

2 數據與方法

本文使用的主要數據有美國國家冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）提供的海冰密集度數據（http：／／nsidc.org／data／nsidc－0051.html），該密集度產品由Nimbus-7衛星上的掃描式多通道微波輻射計（SMMR）和美國國防氣象衛星（DMSP）中的F8、F11和F13攜帶的多波段微波輻射掃描儀（SSM／I）和F17攜帶的多波段微波輻射掃描儀（SSMIS）提供的亮溫數據，由NASA Team algorithm算法計算生成，空間分辨率為25 km，由于該數據時間連續性較好，利用該數據分析北極東北航道（20°E～180°）和西北航道（45°～145°W）1979—2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布狀況。

此外，利用德國不萊梅大學提供的更高分辨率的逐日海冰密集度數據分析2002—2013年近12年夏季東北航道和西北航道開通狀況。該密集度產品由AQUA衛星攜帶的AMSR-E微波輻射計、F-17衛星攜帶的SSMIS微波輻射計和GCOM-W1衛星攜帶的AMSR2微波輻射計數據，由ARTIST sea ice algorithm（ASI）算法分析得到，空間分辨率為6.25 km［11］。

3 東北航道和西北航道冰情分析

根據美國冰雪中心數據，2012年9月北極平均海冰范圍達到有衛星記錄以來的最低值，相比1979年至2000年平均范圍的情況，減少了49%，比2007年減少16%，2013年9月海冰范圍較前3年有所回升。2007－2013年連續7年9月的海冰范圍均為衛星遙感記錄較低值。

3.1 東北航道冰情分析

東北航道自東向西，主要經過楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海和巴倫支海等海域。海峽主要包括弗蘭格爾島南部的德朗海峽、北地群島南側的維利基茨基海峽和新地島南側的喀拉海峽（見圖1a）。

3.1.1 東北航道夏季月平均冰情狀況

圖2是利用美國國家冰雪數據中心（NSIDC）提供的海冰密集度數據制作的北極東北航道（20°E～180°）1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖，以及2008－2012每年7－10月各月平均海冰密集度分布圖。從1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖可以看出：7月，70°～80°N區域海冰平均密集度基本在50%～80%；8月和9月，東西伯利亞海和拉普捷夫海近岸區域海冰平均密集度多小于30%，北地群島附近海域海冰密集度在50%～70%；10月，80°N以南航道區域海冰平均密集度為50%～80%，海冰很快將航道再次封凍。將2008－2012每年7－10月各月平均海冰密集度分布圖與1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖對比分析，近年來，東北航道區域海冰呈現較為明顯的減少趨勢。7月，喀拉海和拉普捷夫海海冰減少較為顯著，出現了大范圍的開闊水域；8月和9月，除北極群島附近局部海域可能發生海冰堵塞外，東西伯利亞海、拉普捷夫海和喀拉海大部分區域為開闊水域，利于船舶自主通行；10月，喀拉海大部分區域仍為開闊水域，東西伯利亞海和拉普捷夫海大部分海域開始封凍，不利于船舶自主通行。

3.1.2 2002－2013年東北航道開通狀況

使用德國不來梅大學提供的逐日海冰密集度數據分析2002－2013近12年夏季東北航道開通狀況，以海冰密集度小于15%為開通標準。表1對東北航道2002－2013年全線開通時間以及影響東北航道開通的關鍵區域進行了分析匯總。

表1 2002－2013年夏季北極東北航道開通狀況Tab.1 Ice conditions in the Northeast Passage during summer of 2002 to 2013

圖2 東北航道7－10月氣候平均（1979－2012年）海冰密集度及近年來的變化Fig.2 Climatological normal of July to October of 1979－2012 and variation of sea ice concentration of the Northeast Passage

2002－2010年東北航道開通的關鍵主要是拉普捷夫海西側和北地群島南部海峽維利基茨基海峽海冰的融化，2011－2012年略有變化，北地群島區域冰情有所減輕，東西伯利亞海近岸區域海冰變化漸趨復雜，成為影響東北航道開通的關鍵區域，2013年拉普捷夫海北地群島北部最后開通，維利基茨基海峽一直未開通。

2008－2013年夏季東北航道連續開通，以下具體分析了這6年該航道海冰的變化情況。圖3為每年航道開通第一天的海冰密集度圖，圖4為每年航道封凍第一天的海冰密集度圖，從圖中可直觀地了解航道開通和封凍初期的狀況。

圖3 2008－2013年夏季東北航道開通初日海冰情況Fig.3 Ice condition in the Northeast Passage at the initial opening day in summer of 2008 to 2013

2008年夏季影響東北航道開通的關鍵原因是拉普捷夫海西側海冰融化偏慢，8月20日東北航道基本開通，8月下旬和9月上旬近岸航道區域仍分布著一些零散的浮冰區，9月下旬北地群島和拉普捷夫海區域海冰快速增長，至10月7日北地群島南部維利基茨基海峽被海冰堵塞，航道開始封凍。

2009年夏季影響東北航道開通的主要為北地群島海峽處的海冰，直到8月24日其南部維利基茨基海峽開始出現狹窄通道，9月3日該處又被海冰短暫堵塞，但很快又開通，直至9月底北地群島北部區域海冰仍較密集，10月10日東西伯利亞海區域海冰快速增長，將航道封凍。

2010年夏季影響東北航道開通的關鍵是拉普捷夫海西部區域海冰，8月20日在其近岸區域出現狹窄通道，北地群島南部維利基茨基海峽開通較早，但整個夏季其北部海冰較多，10月7日北地群島南部維利基茨基海峽重新被海冰堵塞，標志著該夏季東北航道開通期結束。

圖4 2008－2013年夏季東北航道封凍初日海冰狀況Fig.4 Ice condition in the Northeast Passage at the initial closed day in summer of 2008 to 2013

2011年夏季北極東北航道區域海冰變化較為特殊，與前幾年不同，東北航道開通時間提前至7月21日，影響航道開通的關鍵區域為東西伯利亞海，而北地群島和拉普捷夫海區域海冰融化較早，9月初北地群島北部區域亦已開通，東北航道開通期長達82 d，為近年來開通期最長的一年。10月11日東西伯利亞海和拉普捷夫海交接處新西伯利亞群島區域海冰與岸相連，標志著東北航道封凍期開始。

2012年夏季影響東北航道開通的關鍵是東西伯利亞海近岸區域和北地群島海峽處的海冰，8月17日北地群島南部維利基茨基海峽開通，標志著航道全線開通，但在后期海峽處仍會出現海冰擁塞狀況，8月下旬北地群島北部通道亦開通，8月底9月初80°N以南東北航道區域基本無冰，直至10月15日東西伯利亞海和楚科奇海交接處弗蘭格爾島區域海冰將航道重新封凍。

2013年夏季的東北航道海冰較2012年明顯偏多，維利基茨基海峽一直未開通，但北地群島西北側海冰融化于8月29日形成一條連通拉普捷夫海和喀拉海的通路，標志著東北航道全線開通，10月4日該處重新封凍。

圖5統計了2002－2013年東北航道開通天數，結合表1可以看到，2002－2007年東北航道區域海冰年際變化較大，2003、2004和2007年航道未完全開通，2002、2005和2006年東北航道開通時間差別較大；2008－2012年，除2011年東北航道開通時間較早，東北航道的開通一般從8月中下旬到10月上旬。東北航道開通初日存在明顯的年際差異，從7月21日到8月29日不等。東北航道開通時間大多為40余天，2011－2012年有所延長，尤其是2011年達到82天，2013年開通時間為8月29日－10月3日，較2012年開通時間減少了22 d。

圖5 2002－2013年東北航道開通天數Fig.5 Opening days of the Northeast Passage in 2002 to 2013

3.2 西北航道冰情分析

西北航道主要包括楚科奇海、波弗特海、加拿大北極群島和巴芬灣等海域，其中加拿大北極群島從班克斯到巴芬島，橫跨約2 400 km的航區為西北航道冰情最復雜的區域。我們稱圖1b中的虛線為西北航道北線，其余路線稱為西北航道南線。所有航線的東部和西部航段都是相同的：東部航段，船只必須先經過戴維斯海峽和巴芬灣；西部航段，船只先經過白令海、白令海峽、楚科奇海和波弗特海，然后再決定走哪條路徑。西北航道最大的問題是加拿大群島處島嶼眾多，并且島嶼間的海峽非常狹窄，經常被北冰洋漂流過來的多年冰堵塞住。在加拿大群島里可選的路徑，選擇哪條路徑航行主要取決于哪條路徑里的浮冰少，有利航行。來自AMSA的報告稱，即使在海冰迅速減少的今天，因為加拿大群島地區海冰分布和海冰厚度的不確定性，導致無法安排絕對可靠的航行日程表［12］。

3.2.1 西北航道夏季月平均冰情狀況

圖6為使用美國雪冰中心（NSIDC）提供的海冰密集度數據得到的北極西北航道（45°～145°W）1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖，以及2008－2012每年7－10月各月平均海冰密集度分布圖。從1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖看，7月，西北航道北線區域海冰平均密集度基本在60%～80%，南線區域基本在50%～70%；8月，航道北線區域海冰密集度多為50%～60%，南線區域多為30%～50%；9月航道區域冰情進一步減輕，航道北線區域海冰密集度多為30%～60%，南線區域多為20%～50%；10月，航道區域海冰快速增長，尤其北線區域，航道北線區域海冰密集度增長為60%～90%，南線區域為20%～60%。西北航道北線冰情較南線明顯偏重，北線冰情西重東輕，南線東重西輕。將2008－2012年每年7－10月各月平均海冰密集度分布圖與1979－2012年7－10月氣候平均海冰密集度分布圖對比分析，7月，近年來西北航道班克斯島西側和巴芬灣區域海冰減少較為明顯；8月，除蘭開斯特海峽基本處于開通狀態外，其他海峽逐年冰情變化較為復雜，海冰時有時無；9月，冰情最輕，2010－2012年航道區域海冰減少尤為明顯；10月，航道北線區域海冰增長較南線明顯偏快。

3.2.2 2002－2013年西北航道開通狀況

使用德國不來梅大學提供的更高分辨率的逐日海冰密集度數據分析2002－2013年夏季西北航道開通狀況。表2對西北航道2002－2013年全線開通時間以及影響西北航道開通的關鍵區域進行了分析匯總。

表2 2002－2013年夏季北極西北航道開通狀況Tab.2 Ice condition in the Northwest Passage during summer of 2002 to 2013

續表2

圖6 西北航道7－10月氣候平均（1979－2012年）海冰密集度及近年來的變化Fig.6 Climatological normal of July to October of 1979－2012 and variation of sea ice concentration of the Northwest Passage

2002－2005年，西北航道南線主要是巴羅海峽、皮爾海峽和維多利亞海峽海冰較多，影響南線開通的主要是航道西段麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽的海冰。2006－2012年西北航道南線東側和西側入口區域海冰融化較早，開通的關鍵主要是威廉王島附近維多利亞海峽、威爾士王子島東側的皮爾海峽和北側巴羅海峽區域的海冰狀況，威爾士王子島西側的麥克林托克海峽開通時間通常要晚于上述區域；影響北線開通的關鍵區域是班克斯島西北部的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽，這些區域海冰變化較為復雜，雖然近幾年西北航道總體冰情有所減輕，但由于航道區域開闊水域增加，海冰流動性增強，北冰洋多年冰易通過伊麗莎白女王群島南下進入海峽航道區域［10］，致使這些區域海冰變化多端，時有時無，此外威爾士親王海峽較窄，冰情亦變化無常，不適于通行。圖7和圖8給出了2007－2012年西北航道開通初日和封凍初日的海冰密集度圖，可直觀地了解航道開通初日和封凍初日海冰分布狀況。

圖7 2007－2012年夏季北極西北航道開通初日海冰情況Fig.7 Ice condition in the Northwest Passage at the initial opening day in summer of 2007 to 2012

圖9統計了西北航道開通天數，結合表2分析，西北航道開通時間存在明顯的年際差異，2002－2005年西北航道南線和北線都未開通，2006－2012年，南線最早開通日從8月5日到9月1日不等，北線2006、2008和2009年均未開通，其余幾年最早的開通日為8月15日到9月6日不等。2006－2013年的開通總天數每年都不同，而且差異較大，南線從0～64 d不等，多為50～60余天，北線0～49 d不等，2010－2012年北線連續3年夏季開通，總的開通時間呈增加趨勢，但2013年南線和北線均未開通。由此可見西北航道冰情的復雜性，尤其是北線，沒有明顯的規律性。

圖8 2007－2012年夏季北極西北航道封凍初日海冰情況Fig.8 Ice condition in the Northwest Passage at the initial closed day in summer of 2007 to 2012

4 結論與展望

通過對2002－2013年夏季東北航道和西北航道海冰變化分析，得到以下幾點認識。

（1）東北航道全線開通期主要集中在8月中下旬至10月上旬，開通總天數多在40～50 d；西北航道南線開通期主要集中在8月上中旬至10月上旬，開通總天數多在50～60余天；西北航道北線近12年僅有4年開通，開通時間主要集中在9月。東北航道和西北航道每年的具體開通日期都不同，存在很大的年際變化。

（2）東北航道冰情最為復雜的是連接拉普捷夫海和喀拉海的北地群島區域海冰，也是影響航道開通的關鍵區。2002－2010年，影響東北航道開通的關鍵是拉普捷夫海西側和北地群島南部海峽維利基茨基海峽海冰的融化，2010－2012年，北地群島區域冰情有所減輕，東西伯利亞海近岸區域海冰變化漸趨復雜，成為影響東北航道開通的關鍵區域，但2013年夏季，拉普捷夫海北地群島北部最后開通，也最早封凍，維利基茨基海峽一直未開通。

（3）西北航道北線冰情較南線明顯偏重，北線冰情西重東輕，南線冰情東重西輕。影響西北航道南線開通的關鍵主要是威廉王島附近維多利亞海峽、威爾士王子島東側的皮爾海峽和北側巴羅海峽區域的海冰狀況，威爾士王子島西側的麥克林托克海峽開通時間通常要晚于上述區域；影響北線開通的關鍵區域是班克斯島西北部的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽，雖然近幾年西北航道總體冰情有所減輕，但由于海冰流動性增強，北冰洋多年冰易南下進入海峽航道區域，致使航道區域海冰變化多端，影響航道通航性。

（4）從近年海冰總體變化趨勢看，東北航道和西北航道未來可利用性較為樂觀，尤其是東北航道，其海冰變化和島嶼、海峽等分布狀況不如西北航道復雜，其通航性優于西北航道。

由于所用數據分辨率較低，無法辨識更精細的海冰變化，此外，本文僅針對海冰自然變化探討航道的開通狀況，并未考慮船舶的抗冰性能以及破冰船引航條件下航道的通航性，因此本文分析結果具有一定局限性。

從北極海冰長期變化趨勢看，北極海冰總體是呈現明顯減少的趨勢，但并不意味著海冰逐年減少，海冰范圍存在明顯的年際振蕩變化，通過對2002－2013年東北航道和西北航道的冰情分析，發現局部區域的海冰其年際變化也是很不穩定的。北極海冰變化主要涉及大氣和海洋對海冰的熱力和動力作用等問題。熱力驅動直接影響海冰的凍結和融化［13—15］，大氣和海洋對海冰的動力驅動主要影響海冰運動、破碎、堆積成脊、水道形成等，進而影響到海冰分布及其熱力變化［16—17］。目前，由于受到觀測資料有限和海冰物理過程的復雜性，對北極海冰變化機理的解釋還很不完善，大氣、海洋與海冰之間相互作用的機理仍然是海冰研究的熱點，對北極海冰長期變化的預測還存在很大的不確定性。

通過對近10余年東北航道和西北航道夏季開通情況分析，其開通天數并不存在線性增加的趨勢，西北航道北線開通日近幾年甚至出現減少的態勢，這也說明了海冰變化的復雜性。夏季為海冰融化期，海冰密集度減小，厚度減小，海冰強度降低，在風和流作用下，海冰容易破碎和運移，動力作用愈發顯著。北極海冰運動特征與大氣環流的狀態有密切關系，波弗特海域上空一直存在一個高壓系統，在高壓系統的控制下，波弗特海域的海冰運動表現為反氣旋式的波弗特渦，夏季，在低壓系統的影響下，海冰出現了氣旋式運動，波弗特高壓被迫向阿拉斯加沿岸退縮，波弗特渦也顯著減?。?8］。在風和流作用下，北極中心區海冰易于向南運移，漂移至東北航道和西北航道區域，尤其是西北航道北側為多年冰區，當多年冰運移至狹窄的海峽處，極易造成航道堵塞，這也是西北航道冰情復雜的緣由之一。

因此，雖然氣候變化大背景下海冰總量減少，但由于海冰流動性增強，局部海冰變化愈發復雜，航道區域海冰分布年際差異較大，需要加強北極海冰監測和預報能力，為未來航道利用提供保障。

圖9 西北航道2006－2013年開通天數Fig.9 Opening days of the Northwest Passage in 2006 to 2013

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Navigable status analysis of Arctic Northeast and Northwest Passage in recent years

Li Chunhua1，Li Ming1，Zhao Jiechen1，Zhang Lin1，Tian Zhongxiang1

（1.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting，National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China）

Using microwave satellite remote sensing data，the sea ice conditions in key regions of Arctic Northeast Passage and Northwest Passage in recent summers were analyzed and the navigable status from 2002 to 2013 were summarized.The navigable period of Northeast Passage was mainly in late August to early October，and navigable windows was 40 to 50 days；South line of Northwest Passage was free to navigate mainly in early-middle August to early October，and about 50 to 60 days；North line of Northwest Passage was navigable mainly in September.For the Northeast Passage，the ice condition in Severnaya Zemlya，which connecting the Kara Sea and Laptev Sea，was the most complex，which was the key region determining North Passage navigable or not.The key regionsaffecting South line of Northwest Passage navigation were King William Island near Victoria Strait，North Peel Channel and Barrow Strait；and the key regions affecting North line of Northwest Passage were Northwest Banks Island，Mc-Clure Strait and Melville Sound.Arctic Northeast Passage is easier for navigation compared with the Northwest Passage.Sea ice extent in Arctic was reducing but theice kinetic ability was enhanced due to seaice thickness thinner and friable，which induced the sea ice complexity in local area.The capacity of sea ice monitoring and forecasting should be strengthened for the safety of Arctic navigation.

Arctic；sea ice；navigable

P731.15

A

0253-4193（2014）10-0033-15

2014-03-06；

2014-06-15。

國家自然科學基金項目（41376188，41206184）；海洋公益性行業科研專項（201205007）；極地考察專項（CHINARE－03－01）；國家海洋局極地對外合作項目（IC201211）。

李春花（1973—），女，廣東省梅縣人，研究員，博士，從事海冰預報研究。E-mail：lch＠nmefc.gov.cn

李春花，李明，趙杰臣，等.近年北極東北和西北航道開通狀況分析［J］.海洋學報，2014，36（10）：33—47，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.004

Li Chunhua，Li Ming，Zhao Jiechen，et al.Navigable status analysis of Arctic Northeast and Northwest Passage in recent years［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：33—47，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.004