基于逐日海冰密集度的北極東北航道通航性分析

顧小壯 王星東 王真真

摘 要：本文主要利用德國布萊梅大學(xué)2009—2018年的海冰密集度產(chǎn)品，提取北極東北航道上每個(gè)點(diǎn)的逐日海冰密集度，研究北極東北航道的通航性。研究表明，北極東北航道的通航期雖然呈現(xiàn)出較大的波動，但在波動中呈現(xiàn)出比較明顯的上升趨勢，而且通航結(jié)束時(shí)間也有十分明顯的推遲趨勢。

關(guān)鍵詞：東北航道;通航能力;海冰密集度;時(shí)空分析

中圖分類號：TP31;U612 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0134-02

Abstract： In order to study the navigability of the Northeast Arctic Channel， the daily sea ice density of each point in the Northeast Arctic Channel was extracted from the ice density products of Bremen University in Germany from 2009 to 2018. The research showed that although the navigation period of Northeast Arctic Channel showed a large fluctuation， it showed a relatively obvious upward trend in the fluctuation， and there was a very obvious postponement trend in the end time of navigation.

Keywords： northeast channel;navigation capacity;sea ice density;spatio-temporal analysis

1 研究背景

衛(wèi)星各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，北極海冰的融化速度在明顯加快，使北極部分區(qū)域達(dá)到了通航條件，可通航時(shí)間甚至長達(dá)一個(gè)月[1]。北極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。東北航道的開通會極大地縮短東北亞地區(qū)和歐美地區(qū)的海上航線距離[2-4]。同時(shí)，還能在很大程度上節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間和成本，促進(jìn)全球經(jīng)貿(mào)活動的開展，有利于北極自然資源的開發(fā)利用。雖然國內(nèi)外對北極通航性做了一些研究，但對航運(yùn)通航條件考慮不夠全面。本文主要對北極東北航道的通航性進(jìn)行較為全面的分析，對制訂船只在北極海域的航行計(jì)劃提供借鑒。

專題微波成像儀（Special Sensor Microwave/Imager，SSM/I）及用于地球觀察系統(tǒng)的高級微波掃描輻射計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System，AMSR-E）等傳感器具有多頻雙極化地表輻射測量能力，并且具有高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)采集能力，已被廣泛應(yīng)用于多種海冰密集度反演算法。已有研究表明，目前，絕大多數(shù)研究仍是針對海冰冰情的局部進(jìn)行研究，對航道冰情的研究力度仍有待加強(qiáng)。對航線冰情進(jìn)行針對性分析，能使北極航線的通航條件更加清晰，對認(rèn)識北極航線的通航條件具有重大意義。

北極航道通航受多方面因素影響，其中受海冰影響最大。由此，本文利用2009—2018年的北極海冰密集度產(chǎn)品，分析北極東北航道的海冰密集度與通航情況的關(guān)系;整理了東北航道線路的融化期、輕冰期、無冰期的長短，將其作為估計(jì)通航可行性的基礎(chǔ)參數(shù);分析了海冰分布和變化細(xì)節(jié)，以深化對北極東北航道海冰的季節(jié)變化、年際變化以及其空間分布等主要特征的了解。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

選取位于東北航道中段的北地群島及其附近海域作為研究區(qū)域。研究區(qū)包括喀拉海東部、拉普捷夫海西部和維利基茨基海峽。北地群島主要由布爾什維克島、少先隊(duì)員島和北共青團(tuán)島等幾個(gè)大島及許多小島組成。該研究區(qū)是東北航道上暑季無冰期最短、冰情最為嚴(yán)重的區(qū)域，是影響東北航道通航的關(guān)鍵區(qū)域。

研究使用的數(shù)據(jù)是由德國布萊梅大學(xué)PHAROS小組制作的AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為3.125km，時(shí)間為2009年1月至2018年12月，其像元值為0～100，代表海冰密集度為0%～100%。數(shù)據(jù)值0表示沒有海冰覆蓋，100表示海冰完全覆蓋。若數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤，陸地的像元值為NaN（Not a Number）。部分日期的海冰密集度數(shù)據(jù)的缺失，將由相鄰兩天的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性內(nèi)插來填補(bǔ)。

3 北極東北航道通航性分析

逐日海冰密集度時(shí)空分布以每年的第一天開始計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)天數(shù)作為橫坐標(biāo)，以航線的地理位置為縱坐標(biāo)，由此可以得到每年的冰障位置和海冰融化的細(xì)節(jié)等信息。逐日海冰密集度時(shí)空分布提取步驟如下：①數(shù)據(jù)預(yù)處理即對于每年的海冰密集度數(shù)據(jù)，統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)處理;②選定北極東北航線的某一段作為研究區(qū);③將航線數(shù)據(jù)與海冰密集度的數(shù)據(jù)集進(jìn)行疊加，提取逐日海冰密集度數(shù)據(jù);④利用算法對海冰密集度進(jìn)行處理，得出逐日海冰密集度結(jié)果;⑤利用提取的結(jié)果進(jìn)行通航分析。

按照以上步驟可得到北極東北航道中段每個(gè)位置所對應(yīng)像素的逐日海冰密度與通航性的關(guān)系。圖1為從2009年到2018年東北航線逐日海冰密集度。其中，橫坐標(biāo)是東北航道上每天的海冰覆蓋情況，縱坐標(biāo)是地理位置。將海冰密集度小于15%的總天數(shù)定義為無冰天數(shù)，小于50%的定義為輕冰天數(shù)，兩者結(jié)合作為是否能通航的參考依據(jù)。從東北航線長時(shí)間序列的海冰分布狀況可以看出，每年夏季東北航線的海冰密集度越來越小，無冰天數(shù)和輕冰天數(shù)越來越多。2010—2014年，東北航道有一段位置通航天數(shù)較長，其中，2013年整年可以通航;2018年，整個(gè)研究區(qū)域可通航時(shí)間最長。

隨著全球變暖，北極海冰的覆蓋率不斷下降，可通航時(shí)間呈上升趨勢。同時(shí)，隨著沿途基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，北極東北航道正走向商業(yè)航運(yùn)的新時(shí)代。

4 結(jié)論

北極東北航道的通航期呈現(xiàn)出較大的波動，但在波動中呈現(xiàn)出比較明顯的上升趨勢，且通航結(jié)束時(shí)間有十分明顯的推遲趨勢。受全球變暖的影響，北極東北航道的開辟具有較好的發(fā)展勢頭。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭振武，王云闖.北極航道通航的重要意義及對我國的影響[J].水運(yùn)工程，2014（7）：86-89，109.

[2]Korosov A A，Rampal P，Pedersen L T，et al. A new tracking algorithm for sea ice age distribution estimation[J]. The Cryosphere，2018（6）：2073-2085.

[3]Ye Y， Shokr M， Heygster G，et al. Improving Multiyear Sea Ice Concentration Estimates with Sea Ice Drift[J].Remote Sens，2016（8）：397.

[4]馬龍，王加躍，劉星河，等.北極東北航道通航窗口研究[J].海洋預(yù)報(bào)，2018（1）：52-59.