基于遙感數(shù)據(jù)的北極西北航道海冰變化以及通航情況研究

汪楚涯 楊元德 張建 田彪 丁明虎

研究論文

基于遙感數(shù)據(jù)的北極西北航道海冰變化以及通航情況研究

汪楚涯1, 2楊元德1張建1田彪2丁明虎2

(1武漢大學中國南極測繪研究中心, 湖北 武漢 430079;2中國氣象科學研究院青藏高原與極地氣象科學研究所, 北京 100081)

使用不萊梅大學AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度數(shù)據(jù), 計算了2002—2018年加拿大北極群島7—9月的平均海冰面積, 研究了9月份平均海冰密集度變化特征; 結合商船破冰能力確定海冰密集度閾值, 選取西北航道關鍵區(qū)域, 統(tǒng)計了西北航道的通航窗口, 探討了西北航道在實際商業(yè)通航方面的可能性。研究發(fā)現(xiàn), 在過去17年加拿大北極群島的7—9月海冰面積整體呈下降趨勢但有明顯波動性, 9月份的海冰分布年際變化復雜, 差異較大; 在西北航道可通航的年份中, 可通航的開始日期一般在8月份, 結束日期在9月底至10月初, 南路可通航時間最短14天, 最長達到80天。總的來說, 西北航道可通航年份和時間缺乏規(guī)律性。

加拿大北極群島 海冰變化 西北航道 北極航運

0 引言

2014年加拿大商船“Nunavik”號成功通過西北航道到達中國, 成為首艘獨立通過完整的西北航道運輸貨物的商船, 跟通過巴拿馬運河、蘇伊士運河甚至非洲南部好望角的傳統(tǒng)路線相比, 此次通航的成功使大西洋港口和太平洋港口之間的距離縮短了約9 000 km, 大大降低了航線的經(jīng)濟成本和政治風險。可以預見, 在全球持續(xù)變暖的背景下, 未來西北航道在夏季通航的可能性越來越大。西北航道和傳統(tǒng)航線相比的地理區(qū)位優(yōu)勢能夠帶來巨大的航運利潤[1], 同時作為我國《“一帶一路”建設海上合作設想》中三大海上通道的北極航道的重要一環(huán), 西北航道的開通能有效推進我國與沿線國家的的戰(zhàn)略合作[2-3]。西北航道的航線從白令海峽離開太平洋, 向東沿著美國阿拉斯加北部海岸, 穿過加拿大北極群島水域, 最后從蘭開斯特海峽進入巴芬灣。然而影響整個西北航道能否開通的一個重要因素是加拿大北極群島區(qū)域的海冰條件, 水道內(nèi)海冰的時空分布直接關系著西北航道商業(yè)航行的安全及通航的時間, 海冰條件的監(jiān)測是了解西北航道通航的關鍵[4-5]。

20世紀70年代末, 遙感技術的迅速發(fā)展讓人們對海冰的監(jiān)測能力有了很大的提高, 如今遙感已成為監(jiān)測全球海冰變化的最有效的手段之一。目前國內(nèi)外學者利用遙感對北極地區(qū)海冰變化的研究較多, 但是很少關注到區(qū)域海冰變化對于商業(yè)航線的影響, 尤其是冰情較為復雜的西北航道區(qū)域。雖然Granberg[6]早在1998年便討論過有關北極航道商業(yè)用途的趨勢和前景, 但由于西北航道在2005年以前實際通航情況較少, 專門針對其海冰變化以及通航條件的研究不多。Howell和Yackel[7]、Haas和Howell[8]用加拿大冰服務中心數(shù)據(jù)及被動微波數(shù)據(jù)分析了西北航道上海冰和航運活動的關系以及加拿大北極群島整體海冰的變化, 研究指出在2003年以前西北航道都未曾通航, 即使在2015年的極暖氣候條件下, 西北航道的海冰依舊很密集。Pizzolato等[9]利用加拿大北部地區(qū)一年和多年冰數(shù)據(jù), 結合觀測船舶的運輸數(shù)據(jù)集進行了統(tǒng)計分析, 指出船舶交通量在年和月尺度統(tǒng)計上都出現(xiàn)了顯著增長, 這和航運季節(jié)海冰面積的下降同時發(fā)生; 他們還指出, 旅游和資源勘探等需求也是導致北極航運活動增加的原因。蘇潔等[10]用AMSR-E海冰密集度遙感數(shù)據(jù)研究了2002—2008年西北航道海冰分布情況, 統(tǒng)計分析了沿西北航道各線路冰障代表站點的融化期、輕冰期、無冰期、無冰天數(shù)和輕冰天數(shù), 并以此為衡量通航程度的指標, 指出了海冰通常是從冰間湖及固定冰與流冰間的水道開始融化。付強[11]研究了2003—2011年西北航道的關鍵區(qū)域在7、8、9月固定日期的通航情況, 提出用關鍵區(qū)域判斷整條航道通航條件的研究方式。李春花等[12]通過AMSR-E和AMSR2遙感數(shù)據(jù)分析匯總了2002—2013年西北航道的開通狀況并給出了影響通航的主要區(qū)域為維多利亞海峽、皮爾海峽、麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽。Liu等[13]用定義“通航窗口”的方法研究了2006—2015年西北航道各路線開始通航和結束通航的日期及通航時間, 為北極商業(yè)航運提供了時間信息支持。

在上述國內(nèi)外學者的研究中, 部分目前已缺少時效性, 且只關注了西北航道內(nèi)海冰的時空變化特征, 沒有給出選擇航線的標準, 同時缺少對商業(yè)運輸需求的考慮。雖然Liu等[13]提出的“通航窗口”在航線選擇和通航時間信息方面能夠為商業(yè)航運提供很好參考, 但是由于西北航道內(nèi)冰情變化復雜, 每年具體開通的日期都不同, 通航的平均起止日期(通航窗口)有較大的標準差, 這在實際考慮船行安全的通航計劃下意義不大。

綜上所述, 將北極西北航道冰情時空信息與商業(yè)航運如何更好地結合起來是目前研究所關心的。本文利用2002—2018年的海冰密集度產(chǎn)品分析了加拿大北極群島的海冰變化, 并結合商業(yè)航運所需基本條件來評估西北航道的主要通航路線, 較全面地了解最近17年西北航道的海冰和商業(yè)航運路線情況, 為未來發(fā)展和利用西北航道提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 西北航道及其水路條件

西北航道是由羅伯特·麥克盧爾(Robert M'Clure)爵士在19世紀50年代發(fā)現(xiàn)的, 是連接北大西洋和北太平洋之間的各種海上航線的總稱, 航道橫跨了加拿大北極群島(Canadian Arctic Archipelago, CAA)。CAA水域島嶼密集, 水道眾多, 冰情復雜, 西南側為波弗特海及加拿大的西北部沿岸, 東南側為巴芬灣和格陵蘭島, 經(jīng)緯度范圍在60°W—130°W、65°N—84°N之間。在“北極海運2009評估報告”(Arctic Marine Shipping Assessment 2009 Report, AMSA_2009)中列出了5條具有可行性的西北航道路線[14](表1), 這些路線幾乎包含了波弗特海南部到巴芬灣之間的所有連通水道(5號路線通向福克斯灣而非巴芬灣)。

表1 AMSA_2009報告中提供的西北航道路線[14]

續(xù)表1

除了表1中的5條路線外, Sou和Flato[15]在研究中還給出了另一條線路, 即不走PS而從威爾士王子群島西側繞行, 通過麥克林托克海峽(M’Clintock Channel, MCC)從帕里水道進入維多利亞海峽(VS)。這條線比PS線路的路程更遠, 并且冰情也更重, 實際航行中基本不考慮選擇這條航線。雖然AMSA報告中給出的西北航道水路眾多, 但這些水路并不一定都滿足普遍的商業(yè)航運條件, 我們有必要對水路的關鍵區(qū)域進一步了解和說明。西北航道的各線路如圖1所示。

Fig.1. Water routes of the Northwest Passage. The red dotted line is an alternative to the main routes, and the solid red lines are the main routes

通過AMSA提供的航道信息[14], 3B線路中JRS區(qū)域受到眾多島嶼的限制, 具有大量的淺灘, 與其相連的RS航道的中央最大深度僅有5—18 m, SS處的通道約3 km, 是整條航線上最狹窄和危險的區(qū)域。因此線路3B只能通過吃水深度較淺的船, 且需要繞行, 相較之下3A路線通過的VS區(qū)域水更深, 且路線更直接, 商業(yè)航運的價值更高, 不過冰情也相對嚴重。3B路線通常作為3A路線的備用路線, 本文不作更多分析研究。線路4和線路5都通過貝洛特海峽(BTS), 該海峽長度短, 寬度非常狹窄(在被動微波遙感數(shù)據(jù)中無法直接觀察其冰情), 伴隨著方向不斷變化的強大水流, 這些因素都會對通過這里的船只造成危險, 不利于普遍的航運。其中線路4的PRI路段有較好的冰情, 能滿足一定的商業(yè)航運需求, 可作為3A路線的另一種備選方案。線路5的路線最長, FHS十分狹窄并有快速的水流, 對于中度到深度吃水的船舶來說, 這條線路不被認為是可行的商業(yè)通道, 并且由于該路線深入加拿大國土內(nèi)部, 容易在政治因素上受制。雖然容易受到海冰條件的影響, 但是對中度到深度吃水的船只而言, 1號線和2號線在深度、寬度及路程上都是首選; 3A路線的PS水道也有超過400 m深度, 同時整條路線的冰情相對1、2號線路更輕, 所以我們認為這3條航線是目前最值得期待的西北航道線路。

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的主要數(shù)據(jù)為德國不萊梅大學提供的2002—2018年高分辨率逐日海冰密集度產(chǎn)品(https://seaice.uni-bremen.de/start/data-archive/), 該產(chǎn)品由PHAROS(Physical Analysis of Remote Sensing images)小組利用AMSR-E和AMSR2衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)通過ASI(Artist Sea Ice)算法反演得到[16], 空間分辨率為6.25 km, 2011年10月份空缺部分用不萊梅大學提供的SSMIS(Special Sensor Microwave Imager/Sounder)數(shù)據(jù)補充。其中AMSR-E搭載在NASA衛(wèi)星Aqua上, 其數(shù)據(jù)時間范圍為2002—2011年。AMSR2作為AMSR-E的繼任者搭載在衛(wèi)星Shizuku(GCOM-W1)上, 于2012年起提供數(shù)據(jù)至今。AMSR2和AMSR-E作為被動微波遙感數(shù)據(jù), 具有全天時、全天候觀測的優(yōu)點, 與美國冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)提供的空間分辨率為25 km的SMMR、SSM/I和SSMIS被動微波數(shù)據(jù)產(chǎn)品相比, AMSR-E和AMSR2雖然時間跨度不夠長, 但是有更高的空間分辨率。

需要注意的是, 被動微波遙感數(shù)據(jù)在海冰生長期往往無法分辨出新冰和開闊水域, 并且在夏季海冰融化期容易受到融池影響, 導致低估實際的海冰密集度, 這在Agnew和Howell[17]的研究中有詳細的說明。

2 西北航道的海冰條件

有不少研究報告[18-21]指出過去幾十年間北極海冰范圍有顯著的下降趨勢。加拿大北極群島水域的海冰約占夏季北極海冰的15%, Tivy等[22]的研究表明其海冰范圍在1968—2008年期間每10年減少2.9%±1.2%, Howell等[23]還指出在1979—2008年期間加拿大北極群島9月份平均海冰面積每10年減少8.7%。隨著加拿大北極群島海冰覆蓋范圍和面積的縮減, 該區(qū)域的商業(yè)利用將會急劇增加, 尤其在夏季[24]。由于近年來有關西北航道的海冰條件的研究較少, 我們利用海冰密集度數(shù)據(jù)對加拿大北極群島區(qū)域2002—2018年海冰條件進行了分析, 這里得到的結果將是我們用來評估和選擇西北航道商業(yè)航線的依據(jù)。

2.1 7—9月加拿大北極群島海冰面積年際變化

人們一般認為北極海冰面積最低值出現(xiàn)在9月份, 但是區(qū)域性海冰面積也許會受到如地形等因素影響而導致其最低值出現(xiàn)時間不確定。因此, 針對加拿大北極群島水域, 計算了其2002—2018年間的7、8、9月份的平均海冰面積, 具體的計算區(qū)域如圖2a所示。

Fig.2. Interannual variation of sea ice area in Canadian Arctic Archipelago. a) sea ice calculation area in CAA ( blue lines are sea ice main input channel, the black dotted line is the Parry Channel); b) the variations in average sea ice area of CAA from 2002 to 2018 in July, August and September

通過加拿大北極群島海冰面積的時間序列(圖2b)可以看出, 加拿大北極群島7、8、9月份海冰面積呈現(xiàn)出振蕩減少的趨勢。其中7月的海冰面積相較于8、9月份的年際變化振蕩幅度小, 其海冰面積下降的線性趨勢比較明顯(2=0.493); 8、9月份的平均海冰面積較為接近, 而8月份和7月份則相差較大, 這說明了8月份是該區(qū)域每年海冰融化最多的月份, 而9月份是該區(qū)域每年海冰面積最小的月份。8、9月份的海冰年際變化表現(xiàn)出波動較大且有一定規(guī)律性的特點, 海冰面積在出現(xiàn)極低值后往往會有恢復上升的趨勢(例如2002年、2007年、2012年和2015年), 這可能是多種因素綜合作用的結果, 用更長的時間序列或許能夠更好地說明這個問題, 對此本文不做更詳細研究。

通過最近17年加拿大北極群島的海冰面積變化可知, 雖然海冰面積在逐漸減少, 但是并沒有明顯趨勢說明海冰會一直保持在一個極低的水平, 最近幾年較高的海冰面積說明了西北航道的冰情依舊很嚴重。不過, 如果西北航道要實現(xiàn)商業(yè)航運, 海冰面積最低的9月份將是首先需要考慮通航的月份。

2.2 9月份加拿大北極群島海冰分布及年際變化

在9月份平均狀態(tài)下的整條西北航道上, 巴芬灣區(qū)域和波弗特海南部區(qū)域幾乎沒有海冰, 所以加拿大北極群島中海冰的分布是對西北航道商業(yè)航運最直接的影響。圖3為加拿大北極群島區(qū)域2002—2018年9月的平均海冰密集度分布圖, 反映了西北航道在最易通航月份的海冰分布情況。

圖3 加拿大北極群島2002—2018年9月平均海冰密集度

Fig.3. Mean sea ice concentration in CAA in September during 2002—2018

加拿大北極群島內(nèi)水道會受到北冰洋海冰動力流入的影響, 多年冰的流入和局地海冰生成共同導致包括帕里水道在內(nèi)的西北航道冰情復雜[25]。麥克盧爾海峽(MCS)以及伊麗莎白女王群島(QEI)的幾個北門通道(圖2a藍色劃線部分)是北冰洋和加拿大北極群島海冰交換的主要通道, 因此加拿大北極群島的西北側表現(xiàn)出較重冰情, 通常海冰密集度在80%以上(圖3)。2007年以來, MCS開始出現(xiàn)少冰(如2007年)甚至無冰(如2011年)的情況, 其直接原因是波弗特海和加拿大盆地的海平面高壓異常活動自2007年開始更加頻繁, 北冰洋多年冰流入MCS的速度變慢[26]。這種狀況給了我們通過蘭開斯特海峽(LS)和帕里水道直接穿越加拿大北極群島的可能。與南側彎曲復雜的并且水深較淺的水道相比, 這條航路能大大節(jié)約航行時間、提高商船運力、增加安全系數(shù)和經(jīng)濟利潤。

有研究[22,27]指出, 除了MCS外, 拜厄姆馬丁海峽(Byam Martin Channel, BMC)同樣能通過多年冰的流入影響帕里水道的海冰狀況, 從而影響該西北航道線路的開通。Howell等[5,22]通過研究2007年和2011年西北航道的海冰狀況, 發(fā)現(xiàn)只有當天氣形勢不利于多年冰通過BMC, 且局地甚至北極地區(qū)的異常增暖使得海冰快速融化, 加拿大北極群島的多年冰明顯減少, 帕里水道才能完全開通。

Howell等[22,25]的研究中還表示, 西帕里水道的多年冰能夠繼續(xù)沿水道流入加拿大北極群島南部, 使MCC和VS的海冰增加。東帕里水道主要為BS和LS。在CAA冰情嚴重的年份BS的海冰密集度通常達到40%以上(如2003年); 而LS由于受到北大西洋暖流的影響, 通常處于無冰狀態(tài), 其冰情最嚴重的年份為2003年, 平均海冰密集度達到30%—40%。另外, 加拿大Bedford海洋研究所在BS處的觀測結果表明[26], BS北部表流層在夏季由東向西, 而BS南部表流層則全年為由西向東, 這在很大程度上解釋了帕里水道表現(xiàn)出的北側冰輕, 南側冰重的現(xiàn)象[10](如2004年)。

上述提到的現(xiàn)象及其相關研究大多是觀察或分析2013年以前CAA的海冰分布情況得出的, 而關于2013年以后CAA的海冰分布情況的研究還較少。通過觀察最近5年(2014—2018年)的海冰分布圖, 我們發(fā)現(xiàn)2014年和2018年VS海冰相比其他年份有明顯增多, VS自2004年后再次完全被海冰堵塞, 這大大影響了船舶在CAA南路的航行; 另外, 2015年西帕里水道的海冰分布表現(xiàn)為VMS區(qū)域海冰較多而MCS和BMC海冰較少, 這和2013年和2016年的海冰分布情況恰好相反; 除2015年外, 西帕里水道均表現(xiàn)出較重冰情, 其中2017年西帕里水道冰情主要表現(xiàn)為北重南輕, 而2018年西帕里水道冰情表現(xiàn)為北輕南重。這些現(xiàn)象說明了最近5年CAA海冰分布依舊復雜多變, 年際差異較大, 而帕里水道海冰變化的機制還有待進一步研究。

我們對研究區(qū)域2002—2018年的9月平均海冰密集度再進行了多年平均, 得到2002—2018年9月氣候平均海冰密集度(圖3)。從氣候平均下的海冰密集度分布圖可以直觀地看出加拿大北極群島的普遍冰情, MCS海冰密集度為50%—80%, VMS至MCC的海冰密集度為50%—60%, BS為10%—30%, 而VS以南的區(qū)域基本上處于無冰或密集度很低的情況(小于10%), BS至VS之間的PS是西北航道南側路線的重要區(qū)域, 其氣候平均下的海冰密集度在10%—20%。總的來看, 加拿大北極群島的冰情自2005年以來明顯變輕, 但是帕里水道的海冰密集度依然很高。

3 航線討論

3.1 西北航道航線開通條件

針對表1中的3條重要西北航道路線1號線、2號線和3A路線, 結合近17年海冰密集度分布情況以及蘇潔、李春花等人的研究結果[10-13], 我們選取了幾個影響西北航道通航的關鍵節(jié)點, 量化了其海冰密集度作為整條線路能否通航的判斷條件, 并以此統(tǒng)計了西北航道在過去17年的可通航狀況, 研究過程中我們以從西向東作為船舶前行的方向進行說明。1、2號路線上我們選取了MCS區(qū)域、PWS區(qū)域、VMS區(qū)域以及VMS—BS區(qū)域中間部分4個節(jié)點, 3A路線我們選取了CG—QMG區(qū)域水路的拐角部分、VS區(qū)域、PS區(qū)域以及BS區(qū)域4個節(jié)點, 以上區(qū)域海冰較多且地理條件復雜, 均為影響航線通航的關鍵區(qū)域。盡管BS區(qū)域也在1、2號線路上, 但由于西帕里水道冰情明顯要比東帕里水道嚴重, 在前面4個區(qū)域可通航的情況下BS區(qū)域通常也處于可通航狀態(tài), 所以我們不將BS區(qū)域作為1、2號線路上的判斷節(jié)點。具體的選取區(qū)域如圖4所示。其中我們將1、2號線, 即沿N1—N3—N4和N2—N3—N4線路統(tǒng)稱為北路, 3A號線沿S1—S2—S3—S4稱為南路。

圖4 西北航道南北路節(jié)點. 圖中藍線為北路, 紅線為南路

Fig.4. North and south route nodes of the Northwest Passage. Blue line is north route and red line is south route

對于商業(yè)航運的通航評估條件, 我們將15%海冰密集度作為閾值來區(qū)分航道有冰和無冰。Liu等[13]和馬龍等[28-29]的研究表示, 中國商船“永盛”輪的破冰能力(Arc4)能夠在東北航道40%海冰密集度下不需要破冰船援助航行。西北航道和東北航道不同, 西北航道海冰多為多年冰, 對商船的破冰能力要求更高。根據(jù)國際海事組織(Interna-tional Maritime Organization, IMO)的極地操作限制評估風險標引系統(tǒng)(POLARIS)標準[30], 無冰條件下的船舶航行風險指數(shù)為3, 多年冰條件下PC6冰級的船舶航行的風險指數(shù)為–3, 當冰區(qū)只有多年冰和無冰兩種情況時, 以40%海冰密集度為閾值計算得到的風險指數(shù)結果值(Risk Index Outcome, RIO, 每個冰區(qū)現(xiàn)有冰類的密集度乘以相關風險指數(shù)值之和)為0.6, RIO大于0表明船舶可以正常操作。因此, 在西北航道上我們以PC6破冰能力的商船作為參考, 同樣選擇40%海冰密集度作為商船能破冰航行的閾值條件。當節(jié)點的平均海冰密集度小于閾值連續(xù)3天時, 可認為該節(jié)點可通航, 連續(xù)3天大于閾值則認為該節(jié)點不可通航。當沿航線上所有節(jié)點均為可通航時則認為整條航線處于可通航狀態(tài), 并以航線連續(xù)3天處于可通航狀態(tài)的第1天為通航窗口起始日, 連續(xù)3天處于不可通航狀態(tài)的最后1天為通航窗口結束日。圖5展示了2007年和2014年西北航道9月份南北路各節(jié)點的平均海冰密集度變化。

圖5 2007年和2014年西北航道南北路節(jié)點每日海冰密集度變化. 紅色虛線表示15%的海冰密集度, 藍色虛線表示40%的海冰密集度

Fig.5. Variations of daily sea ice concentration of the north and south route nodes of the Northwest Passage in 2007 and 2014. The red dotted line represents 15% sea ice concentration, and the blue one represents 40% sea ice concentration

從圖5中可以看出, 2007年南路各節(jié)點的海冰密集度在整個9月份都處于15%以下, 北路只有N4節(jié)點的平均海冰密集度在整個9月處于15%以下, N1、N2和N3的海冰密集度在9月20日前處于15%—40%之間, 9月20日之后N1、N2和N3的海冰密集度均開始上升, 其中N3上升得最快, 在9月25日后全部超過40%。通過節(jié)點的海冰密集度變化可知, 2007年西北航道南路基本處于無冰開通狀態(tài), 商船不需要破冰能力即可通行, 在2007年9月20日前, 西北航道北路的1號路線(N2—N3—N4)和2號路線(N1—N3—N4)都對PC6破冰能力的商船開通, 20日以后由于VMS海冰增多而航線封閉。2014年的海冰冰情比2007年嚴重, 西北航道北路僅N2節(jié)點在9月4日—9月22日之間處于40%海冰密集度以下, N3和N4節(jié)點的高海冰密集度讓北路的兩條路線在整個9月均無法開通; 南路S1和S4節(jié)點在整個9月基本處于15%海冰密集度以下, 9月14日以前南路對PC6破冰能力的商船可通航, 但15日以后S2節(jié)點處海冰密集度突然上漲, 切斷了整條南路航線。我們通過2007年和2014年9月的日尺度海冰密集度數(shù)據(jù)可以直觀地看到西北航道航線冰情的前后變化(圖6),圖6中2007年9月23日VMS處已經(jīng)封閉, 2014年9月19日VS處已經(jīng)封閉。

圖6 2007年和2014年西北航道冰情變化過程

Fig.6. The changes of the sea ice condition in the Northwest Passage in 2007 and 2014

3.2 2002—2018年西北航道通航窗口統(tǒng)計

我們采用上述相同的方法, 定量得出各節(jié)點2002年—2018年8—10月每日的平均海冰密集度(2011年10月缺少的數(shù)據(jù)采用SSMIS數(shù)據(jù)代替), 并以15%和40%為閾值統(tǒng)計了西北航道北路和南路通航窗口(表2), 和過去研究中采用目視解譯來判斷航道能否通航的方法相比, 我們根據(jù)節(jié)點具體的平均海冰密集度數(shù)值來說明航道的可通航狀況的方法更加有效和客觀。針對選取的這幾個關鍵節(jié)點, 我們發(fā)現(xiàn)北路4個區(qū)域在過去17年中海冰密集度變化沒有明顯的相關關系(圖未給出), 其中N2區(qū)域相對而言比較穩(wěn)定, 平均海冰密集度通常在40%以下, 而N4區(qū)域的變化最為復雜, 4個節(jié)點均對航線的通航窗口有明顯影響。對于南路, S1區(qū)域在8月份和9月份基本保持在15%海冰密集度以下, 可以認為S1區(qū)域基本不會影響每年的航線的開通。S3和S4區(qū)域是決定南線開通的最關鍵區(qū)域, 尤其是S3區(qū)域, 海冰密集度通常是4個節(jié)點中最高的; S2區(qū)域的密集度變化最不穩(wěn)定, 通常在20%以下, 但在個別年份會受到多年冰流入的影響, 海冰密集度上升至50%左右, 進而切斷了南路的通航。

表2 2002—2018年西北航道北路和南路通航窗口

我們用表2中15%密集度條件下的可通航時間和李春花等[12]統(tǒng)計的2002—2013年的西北航道開通記錄比較, 結果相當一致。從我們得到的統(tǒng)計結果上看, 在商船沒有破冰能力的情況下, 西北航道北路僅在2010、2011、2012和2015年開通, 其中2015年僅開通了17天。而西北航道南路從2006年起, 除了2013、2014和2018年外都有開通, 開通時間除了2009年較短(12天), 其他年份均在40天以上。

在擁有破冰能力后, 商船在西北航道的可通航次數(shù)明顯增加。從表2中可知, 若商船具備PC6級破冰能力, 西北航道南路在2002年9月就滿足40%海冰密集度下破冰通航的條件, 從2005年開始, 最短通航時間為2014年的14天, 最長時間為2012年的80天。西北航道北路由于MCS和VMS的海冰密集度通常在60%以上, 即使商船具備PC6破冰能力, 能夠通過破冰通航的年份也只有2007年、2008年和2016年。

總的來看, 最近幾年西北航道可通航時間沒有上升的趨勢, 2018年西北航道幾乎不能通航。西北航道的可通航開始日期通常在8月, 結束日期通常在9月底至10月初, 一般而言南路最先開通并最后關閉。

圖7統(tǒng)計了西北航道2002—2018年在兩種條件下商船能夠通航的總天數(shù), 可以看出對于具有破冰能力的商船, 可通航時間有一定提升。在冰情較重的年份, 西北航道通過破冰能有2周左右的通航時間, 在冰情較輕的年份, 航線開通時間能在60天以上, 無冰天數(shù)在50天以上。不過, 西北航道北路可通航年份和時間缺少規(guī)律性, 這和西帕里水道復雜的海冰條件有關, 即使在商船有破冰能力的條件下, 北路也還需要等待北冰洋進一步向夏季無冰狀態(tài)過渡才有可能穩(wěn)定開通。總而言之, 以上的數(shù)據(jù)說明了西北航道南路是目前比較可行的線路, 預計也將最先開通投入商業(yè)航運, 近幾年來西北航道無冰通道出現(xiàn)次數(shù)不多, 為了確保正常的航行, 西北航道上的商船有必要具有較好的破冰能力。

圖7 2002—2018年西北航道可通航天數(shù)

Fig.7. Days of navigation of the Northwest Passage from 2002 to 2018

4 討論與結論

隨著全球持續(xù)變暖, 有研究[31]表明1990—2015年間加拿大北極地區(qū)船只行駛量增加了近3倍, 其中加拿大商船“Nunavik”號在2014年冰情較為嚴重的條件下順利通過了西北航道, 這些結果讓我們相信隨著未來商船破冰能力的普遍提高, 西北航道將成為一條穩(wěn)定的航線。不過, 西北航道要實現(xiàn)全面開通依舊還面臨很多問題, 例如由于西北航道緊鄰加拿大海域, 航道未來的開通必然會引發(fā)一系列政治問題[32]; 其次, 目前西北航道的海冰厚度信息較少, 獲取西北航道持續(xù)和準確的海冰厚度信息對夏季冰情以及夏季航運季節(jié)海冰危害的評估有重要意義, 這也是后續(xù)需要進一步展開的工作。

本文通過使用AMSR-E和AMSR2衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)反演得到的6.25 km分辨率日尺度海冰密集度產(chǎn)品較全面地研究了2002—2018年加拿大北極群島9月海冰面積和海冰分布的變化, 結合商業(yè)運輸?shù)南嚓P條件選取了3條主要西北航道路線, 并選取路線上的關鍵區(qū)域進行分析, 統(tǒng)計了2002—2018年9月西北航道南北路可通航的基本情況。下面是我們得到的幾點結論。

1. 加拿大北極群島7—9月的海冰面積在2002—2018年期間總體呈下降趨勢, 但有明顯的年際變化; 在2002—2018年的氣候平均下, MCS處海冰密集度在50%—80%之間, 西帕里水道VMS區(qū)域海冰密集度在40%—60%之間, VMS至BS之間同樣有接近60%的海冰密集度, MCC處海冰密集度在50%左右, VS、PS和BS區(qū)域海冰密集度均在30%以下, 而CAA南部水道基本上處于無冰狀態(tài)。CAA冰情自2005年以來明顯變輕, 但最近5年的海冰分布圖表明西北航道海冰分布年際變化依舊復雜, 西帕里水道的海冰密集度仍然很高。

2. 商船的破冰能力是決定西北航道能否通航的重要因素之一, 以PC6破冰能力的商船作為參考, 將15%和40%海冰密集度作為閾值, 統(tǒng)計分析了2002—2018年8—10月西北航道通航窗口。分析表明, 在西北航道可通航的年份中, 可通航的開始日期一般在8月份, 結束日期在9月底至10月初, 南路可通航時間最短為14天, 最長達到80天, 年際差異較大; 在過去17年里, 商船無破冰能力條件下西北航道南路可通航次數(shù)為10次, 北路可通航次數(shù)為4次; 商船具備PC6破冰能力條件下, 南路可通航次數(shù)為15次, 北路可通航次數(shù)為7次, 商船的破冰能力能顯著增加西北航道可通航的次數(shù)和時間。由于西北航道海冰年際變化復雜, 其可通航年份和時間依舊缺少規(guī)律性, 要想形成穩(wěn)定的商業(yè)航運還需要等待北冰洋進一步向夏季無冰狀態(tài)過渡。

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RESEARCH ON SEA ICE VARIABILITY AND NAVIGATION OF THE ARCTIC NORTHWEST PASSAGE FROM REMOTE SENSING DATA

Wang Chuya1,2, Yang Yuande1, Zhang Jian1, Tian Biao2, Ding Minghu2

(1Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;2Institute of Tibetan Plateau & Polar Meteorology, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)

Using daily sea ice concentration data from satellites (AMSR-E and AMSR2), the average sea ice area from July to September (2002–2018) in the Canadian Arctic Archipelago was calculated and the average sea ice variation in September was studied. Based on the ice-breaking capacity of a merchant ship, the threshold of sea ice concentration was determined. Key areas of the Northwest Passage were selected for study with the navigable windows counted and the possibility of actual commercial navigation discussed. We found that sea ice areas of the Canadian Arctic Archipelago in July, August and September showed a downward trend over the past 17 years with clear fluctuations. The interannual variations in September sea ice distribution were complex. In the navigable years for the Northwest Passage, the navigable start date was generally in August and the end date varied from the end of September to the beginning of October; the navigable duration was more than 14 days with the longest reaching 80 days. In general, Northwest Passage navigable years and duration lacked regularity.

Canadian Arctic Archipelago, sea ice variability, Northwest Passage, Arctic shipping

2019年8月收到來稿, 2019年10月收到修改稿

國家重點研發(fā)計劃(2018YFC1406103)、國家自然科學基金(41476163, 41531069)、中國氣象科學研究院基本科研業(yè)務費專項資金(2019Y010)資助

汪楚涯, 男, 1995年生。碩士研究生, 主要從事大地測量學與測量工程研究。E-mail: chuya0905@whu.edu.cn

楊元德, E-mail: yuandeyang@whu.edu.cn; 丁明虎, E-mail: dingminghu@foxmail.com

10. 13679/j. jdyj. 20190043