北極東北航道夏季海冰冰情與適航性分析

季 青，董 江，龐小平，，朱亞敏，張晨雷，胡曉坤

（1.武漢大學(xué)a.中國(guó)南極測(cè)繪研究中心；b.資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；2.北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心，天津 300221）

0 引 言

隨著全球氣候變暖的日益顯著，北冰洋海冰不斷消融[1]，使得俄羅斯北部沿海區(qū)域的“東北航道”有望全面開通。北極東北航道是從東北亞出發(fā)，向西經(jīng)北冰洋南部的楚科奇海、東西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海、直到北歐的海運(yùn)通道。東北航道主要經(jīng)過(guò)的海區(qū)及海峽如圖1所示。

圖1 北極東北航道示意圖及2012年我國(guó)第五次北極科學(xué)考察、2013年和2015年“永盛輪”東北航道航行路線Fig.1 Sketch map of the Arctic Northeast Passage,the tracks of the 5th Chinese National Arctic Research Expedition,and the tracks of M/V Yongsheng in 2013 and 2015

北極東北航道是聯(lián)系歐洲和亞洲海上的最短航道，也是溝通太平洋和大西洋的海上捷徑，一旦全面開通將大大縮短亞洲、歐洲和北美洲之間的航程，帶來(lái)巨大的商業(yè)和經(jīng)濟(jì)利益[2]。我國(guó)作為近北極國(guó)家，在新的《國(guó)家安全法》和《中國(guó)的北極政策》中強(qiáng)調(diào)了進(jìn)出極地的安全[3]。東北航道的全面開通，將對(duì)我國(guó)北極戰(zhàn)略和海上航運(yùn)產(chǎn)生重要的影響。

2009 年夏季，德國(guó)布魯格公司的兩艘貨船“遠(yuǎn)見(jiàn)號(hào)”和“友愛(ài)號(hào)”，成功穿越了整個(gè)東北航道[4]。2012年夏季我國(guó)第五次北極科學(xué)考察中，“雪龍船”第一次穿越東北航道[5]。2013年和2015年夏季，中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司的“永盛輪”兩次成功穿越東北航道，為我國(guó)利用北極航道的商業(yè)航運(yùn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[6]。北極東北航道具有廣闊的應(yīng)用前景，研究東北航道的海冰冰情與船舶適航性十分必要。

東北航道的商業(yè)利用潛力，要求快速準(zhǔn)確地獲取航道區(qū)域大尺度海冰冰情信息[7]。被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)（如Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observation System，AMSR-E，Special Sensor Microwave Imager Sounder，SSMIS 和Advanced Microwave Scanning Radiometer-Enhanced 2，AMSR2），因不受極夜和天氣影響，被廣泛應(yīng)用于反演海冰密集度、監(jiān)測(cè)海冰冰情的時(shí)空變化[8-9]。需要指出的是，由于不同衛(wèi)星傳感器在空間、時(shí)間和輻射測(cè)量特征上的不同，時(shí)序觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定的系統(tǒng)偏差。本文即在此背景下，分析AMSR-E、SSMIS 和AMSR2 數(shù)據(jù)間的差異，探討減小多代多系列被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)系統(tǒng)偏差的方法，在此基礎(chǔ)上開展2002-2016 年北極東北航道夏季海冰范圍時(shí)空變化與適航性的分析，以期為我國(guó)更好地認(rèn)識(shí)和利用東北航道提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)

本文使用2002-2016 年夏季（7～10 月）被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演北極東北航道區(qū)域海冰密集度，估算海冰覆蓋范圍。遙感數(shù)據(jù)源于Aqua衛(wèi)星上AMSR-E傳感器觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)、美國(guó)DMSP-17衛(wèi)星上SSMIS 傳感器觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)，以及日本GCOM-W1 衛(wèi)星上AMSR2 傳感器觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)。AMSRE、SSMIS和AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)可從美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心下載（http://nsidc.org/data）。逐日亮溫?cái)?shù)據(jù)包括AMSR-E 和AMSR2 數(shù)據(jù)的89 GHz 通道頻段，SSMIS 數(shù)據(jù)的91 GHz 通道頻段數(shù)據(jù)，格式為極方位立體投影（NSIDC Sea Ice Polar Stereographic North）。

1.2 海冰密集度走航觀測(cè)資料

海冰密集度是指一定范圍內(nèi)海冰所占的面積百分比，反映海冰的空間密集程度，是海冰冰情的重要指標(biāo)[1]。本文使用2012 年夏季我國(guó)第五次北極科學(xué)考察“雪龍船”以及2013 年和2015 年中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司“永盛輪”在東北航道航行期間海冰密集度走航觀測(cè)資料,聯(lián)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演獲得的冰情信息，分析北極東北航道的適航性。海冰密集度走航觀測(cè)采用的是ASSIST（Arctic Ship-based Sea Ice Standardization Tool）標(biāo)準(zhǔn)，以觀測(cè)船為中心，對(duì)周圍半徑為1 km 范圍內(nèi)海冰進(jìn)行觀測(cè)，記錄船舶位置、海冰密集度、海冰類型等信息[10]。

1.3 遙感數(shù)據(jù)間的交叉定標(biāo)處理

對(duì)于AMSR-E、SSMIS 和AMSR2 亮溫?cái)?shù)據(jù)，首先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、空間重采樣、投影變換、區(qū)域掩模等預(yù)處理，將其統(tǒng)一至相同的時(shí)空框架。其次，要獲得北極東北航道區(qū)域長(zhǎng)時(shí)序的冰情觀測(cè)信息，可通過(guò)對(duì)多代、多系列被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)（AMSR-E、SSMIS、AMSR2）進(jìn)行交叉定標(biāo)處理，以減小不同輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)間的系統(tǒng)誤差。交叉定標(biāo)的基本原理是依據(jù)兩類數(shù)據(jù)的重疊觀測(cè)時(shí)間段，運(yùn)用相同地物觀測(cè)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸，構(gòu)建定標(biāo)回歸模型，進(jìn)而統(tǒng)一多代多系列觀測(cè)數(shù)據(jù)[11]。具體計(jì)算公式如下：

式中，TSSMIS為SSMIS 觀測(cè)的亮度溫度，TAMSR-E為AMSR-E 觀測(cè)的亮度溫度，TAMSR2為AMSR2 觀測(cè)的亮度溫度，a和c表示定標(biāo)模型斜率，b和d則為截距。

為使擬合結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化，本文采用月尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，每個(gè)被動(dòng)微波通道都會(huì)得到北極夏季（7-10 月）四個(gè)月的線性回歸模型，并采用平均絕對(duì)偏差評(píng)估衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)定標(biāo)前后的差異。

1.4 海冰密集度遙感反演與海冰范圍估算方法

基于被動(dòng)微波遙感亮溫?cái)?shù)據(jù)，本文采用高頻（89 GHz或91 GHz）的ASI（Arctic Radiation and Turbulence Interaction Study Sea Ice Algorithm）海冰密集度反演算法[8]。相對(duì)于低頻的海冰密集度算法（如NASA Team），ASI 算法大大提高了反演結(jié)果的空間分辨率，被廣泛應(yīng)用于海冰冰情監(jiān)測(cè)研究[12]。ASI海冰密集度算法的基本原理是利用高頻通道上海冰在不同極化方式的亮溫差來(lái)反演海冰密集度。根據(jù)輻射亮溫值的垂直極化（V）和水平極化（H）方式，定義的極化亮溫差P為

式中，TV為垂直極化觀測(cè)亮溫，TH則為水平極化觀測(cè)亮溫，而海冰密集度C與P的關(guān)系可通過(guò)三次多項(xiàng)式擬合：

假設(shè)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)中純水和純冰像元系點(diǎn)值是已知的，分別表示為P0和P1，代入式（4）中再求導(dǎo)，得到關(guān)于求解式（4）系數(shù)的四元一次線性方程組（式（5）），具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

根據(jù)式（5）可求解d0、d1、d2和d3，再代入式（4）中即可計(jì)算出海冰密集度。

在利用海冰密集度估算海冰范圍時(shí)，采用15%閾值法，即海冰范圍為海冰密集度大于15%的所有遙感像元的面積之和（像元大小為6.25 km×6.25 km）。基于月平均海冰密集度和多年平均海冰密集度，本文計(jì)算月平均海冰范圍和多年平均海冰范圍，開展北極航道區(qū)域冰情多尺度時(shí)空變化與適航性分析。

1.5 北極東北航道適航性分析方法

在北極東北航道適航性分析中，采用海冰密集度50%閾值法建立船舶安全航行標(biāo)準(zhǔn)，即將海冰密集度小于等于50%時(shí)定義為可以通航[13]。據(jù)此計(jì)算北極航道區(qū)域各位置每年夏季的可通航天數(shù)D(i,j)，反映各區(qū)域和航段的可通航情況。

式中，C(i,j)表示像元行列號(hào)(i,j)處的海冰密集度。

2 結(jié)果分析

2.1 遙感數(shù)據(jù)間的交叉定標(biāo)分析

采用AMSR-E 與SSMIS重疊期（2010年1月1日至2011年10月4日）以及SSMIS與AMSR2重疊期（2012 年7 月1 日至2014 年12 月31 日）觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)構(gòu)建定標(biāo)模型（見(jiàn)式（1）與式（2）），模型系數(shù)（a，b，c，d）如表1 所示。圖2 為依據(jù)AMSR-E 與SSMIS、SSMIS 與AMSR2 重合期數(shù)據(jù)構(gòu)建的定標(biāo)模型，對(duì)AMSR-E 和AMSR2觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)定標(biāo)前后與SSMIS亮溫?cái)?shù)據(jù)的差異進(jìn)行對(duì)比。定標(biāo)前，AMSRE 與SSMIS、SSMIS 與AMSR2 亮溫?cái)?shù)據(jù)雖然整體趨勢(shì)較為一致，但數(shù)據(jù)間存在一定程度的差異；定標(biāo)后，AMSR-E 與SSMIS 89 GHz V 極化和H 極化觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)的平均絕對(duì)偏差分別降低了0.19 K 和1.19 K，SSMIS 與AMSR2 89 GHz V 極化和H 極化觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)的差異則分別降低了0.68 K 和0.44 K。通過(guò)交叉定標(biāo)處理，數(shù)據(jù)間的差異顯著減小，有效降低了多代、多系列被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)間的差異，獲得一致性更好的長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)，為后續(xù)海冰密集度的反演以及海冰范圍的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

圖2 AMSR-E與SSMIS、SSMIS與AMSR2時(shí)序亮溫定標(biāo)前后對(duì)比Fig.2 Comparison of time-series brightness temperatures before and after calibration

表1 AMSR-E與SSMIS、SSMIS與AMSR2亮溫?cái)?shù)據(jù)間的定標(biāo)模型系數(shù)Tab.1 Coefficients of the calibration model for the data between AMSR-E and SSMIS,SSMIS and ASMR2

2.2 北極東北航道海冰范圍時(shí)空變化分析

2.2.1 東北航道夏季逐日海冰范圍變化

利用交叉定標(biāo)后的時(shí)序亮溫?cái)?shù)據(jù)反演海冰密集度，計(jì)算北極東北航道2002～2016 年夏季（7～10月）逐日海冰范圍，如圖3 所示。可以看出，研究期內(nèi)，海冰范圍的最大值出現(xiàn)在2003 年7 月1 日，為4.06×106km2，最小值出現(xiàn)在2012 年9 月16 日，為0.68×106km2。海冰范圍最小值出現(xiàn)在9 月中下旬。整體而言，北極東北航道夏季海冰范圍呈逐年減小趨勢(shì)。2019 年IPCC 發(fā)布的《氣候變化中的海洋與冰凍圈變化特別報(bào)告》指出，隨著近年來(lái)北極海冰覆蓋范圍的進(jìn)一步減小，北極東北航道船舶通航預(yù)計(jì)變得更加可行[14]。

圖3 2002-2016年7-10月北極東北航道逐日海冰范圍變化Fig.3 Variation of daily sea ice extent in the Arctic Northeast Passage between July and October from 2002 to 2016

2.2.2 東北航道夏季月平均海冰范圍年際變化

圖4 為2002-2016 年夏季（7～10 月）月平均海冰范圍時(shí)序變化圖。研究期內(nèi)，北極東北航道夏季各月月平均海冰范圍均呈減小趨勢(shì)，2003 年7 月的月平均海冰范圍最大（4.0×106km2），2007 年9 月的月平均海冰范圍最?。?.98×106km2）。2002-2016 年每年9 月北極東北航道月平均海冰范圍如圖5 所示。可以看出，2007年9月的海冰冰情最輕，海冰范圍最小。在這15年中，海冰范圍整體呈減小趨勢(shì)，但年際變化較大。其中2002年、2003年、2004年和2006年9月的海冰范圍較大，此時(shí)影響東北航道開通的關(guān)鍵區(qū)域是北地群島海域海峽（圖5 中紅框處）。2007 年和2013 年海冰范圍雖然很小，但是在北地群島海域海峽一側(cè)都分布著海冰，影響船舶從此處海峽通過(guò)，而在其他年份的9 月，船舶基本可以沿東北航道安全通航。

圖4 2002-2016年北極東北航道月平均海冰范圍變化Fig.4 Variation of monthly sea ice extent in the Arctic Northeast Passage from 2002 to 2016

圖5 2002-2016年9月北極東北航道月平均海冰密集度分布及海冰范圍Fig.5 Sea ice concentration and sea ice extent in the Arctic Northeast Passage in September from 2002 to 2016

2.2.3 東北航道夏季多年平均海冰范圍變化

利用多年平均海冰密集度，計(jì)算得到2002～2016年7～9月每旬的多年平均海冰范圍，如圖6所示。研究期內(nèi)，海冰范圍在2.14×106km2到4.13×106km2之間變化。北極東北航道區(qū)域的海冰范圍具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，7 月上旬海冰開始融化，9 月中旬海冰范圍達(dá)到最小，9 月中旬至10 月下旬海冰生長(zhǎng)擴(kuò)張。7 月上旬和中旬，東北航道區(qū)域中除了巴倫支海和新地島海域海峽的海冰密集度較小之外，其他海域及各海峽基本都被海冰所覆蓋，冰情較嚴(yán)重；7 月下旬，德朗海峽和新西伯利亞群島附近海域的海峽海冰開始融化，海冰密集度降至50%以下，航道在此處開通的可能性變大，此時(shí)，影響東北航道完全開通的關(guān)鍵海區(qū)是北地群島海域海峽。8 月上旬，維利基茨基海峽的海冰開始融化，到9 月上旬，海冰密集度降到15%以下，直到10 月上旬再次開始結(jié)冰。10 月中旬，紹卡利斯基海峽、紅軍海峽和揚(yáng)斯克海峽被海冰覆蓋，即使冰情最輕的時(shí)候，海冰密集度也在30%-40%之間。整體而言，北極東北航道全線開通最可能的時(shí)間窗口為8月上旬至10月上旬。

圖6 2002-2016年北極東北航道7-10月每旬的多年平均海冰密集度分布及海冰范圍變化Fig.6 Multi-year averaged sea ice concentration distribution and sea ice extent variation per ten days in the Arctic Northeast Passage between July and October from 2002 to 2016

2.3 東北航道適航性分析

利用被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演的逐日海冰密集度，計(jì)算出北極東北航道區(qū)域2002～2016 年每年夏季的可通航天數(shù)（圖7）。北極東北航道東段（包括楚科奇海、德朗海峽、東西伯利亞海、新西伯利亞群島海域海峽和拉普捷夫海東部）是航道中通航情況較為良好的航段。2002 年至2016 年，東段航道的可通航天數(shù)基本保持在40 天以上。北極東北航道中段（包括拉普捷夫海西部、北地群島海域海峽以及喀拉海東部）冰情較為嚴(yán)重，是影響航段開通的關(guān)鍵區(qū)域。此航段中穿越維利基茨基海峽的低緯航線，除了2003年和2004年外，其他年份基本都達(dá)到了可通航條件，而繞過(guò)北地群島北段的高緯航線則只在2005年、2009年、2011-2014年及2016年基本可以通航。中段航道的可通航天數(shù)年際變化較大，有時(shí)在60天以上（2012年），有時(shí)卻不足20天（2004年）。但從總體趨勢(shì)上來(lái)看，中段航道的冰情在變輕，通航天數(shù)不斷增加。北極東北航道西段（包括喀拉海西部、新地島海域海峽及巴倫支海）是冰情最好的航段，也是可通航天數(shù)最多的航段。2002-2016年，每年的可通航天數(shù)基本都達(dá)到了80天以上。

圖7 2002-2016年夏季北極東北航道可通航天數(shù)Fig.7 Number of navigable days in the Arctic Northeast Passage in summer from 2002 to 2016

將2012年“雪龍船”、2013年和2015年“永盛輪”的航行路線及其海冰密集度走航觀測(cè)數(shù)據(jù)疊加在對(duì)應(yīng)年份夏季可通航天數(shù)分布圖上可以發(fā)現(xiàn)，2012 年北極東北航道海冰冰情較輕，可通航條件很好，但在德朗海峽西部海域，海冰密集度較大，達(dá)到了70%以上，這與可通航天數(shù)的分布較一致（圖8（a））。由圖8（b）可以看出，新西伯利亞群島北部的可通航天數(shù)達(dá)到了60 天以上，所以2013 年“永盛輪”可以直插新西伯利亞群島北部。在維利基茨基海峽以西水域，“永盛輪”遭遇了大于70%的密集冰區(qū)，此處夏季的可通航天數(shù)在20 天以下，可通航條件較差。由圖8（c）可以發(fā)現(xiàn)，2015 年的海冰冰情比2013 年要好，在由東西伯利亞海進(jìn)入桑尼科夫海峽時(shí)，海冰密集度達(dá)到了40%，但對(duì)船舶航行影響不大，而在2013年冰情嚴(yán)重的維利基茨基海峽以西水域，2015年時(shí)幾乎沒(méi)有海冰，可安全通航。

圖8 東北航道可通航天數(shù)分布與“雪龍船”和“永盛輪”航行路線Fig.8 Distribution of navigable days in the Arctic Northeast Passage overlapping the tracks of R/V Xuelong and M/V Yongsheng

綜合可通航天數(shù)分布的年際變化與實(shí)際走航路線，可以認(rèn)為北極東北航道連續(xù)15年的通航條件呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢(shì)。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域?yàn)楸钡厝簫u的維利基茨基海峽，此區(qū)域冰情年際變化很大，冰情復(fù)雜，可以作為未來(lái)冰情預(yù)報(bào)的重點(diǎn)區(qū)域，以保障船舶的安全航行。需要提到的是，本文參考文獻(xiàn)[13]是以遙感像元內(nèi)海冰比例小于等于50%（海水或水道比例大于50%）為通航標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)可綜合考慮海冰厚度等因素來(lái)分析北極東北航道的適航性。

3 結(jié) 論

本文在對(duì)多代、多系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，反演了北極東北航道區(qū)域海冰密集度，多尺度分析了2002～2016年夏季北極東北航道海冰范圍的時(shí)空變化與適航性，主要結(jié)論如下：

（1）AMSR-E、SSMIS、AMSR2被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)間存在一定程度的偏差，通過(guò)交叉定標(biāo)處理，數(shù)據(jù)間的偏差顯著減小。交叉定標(biāo)處理可以獲得一致性更好的長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)。

（2）北極東北航道夏季海冰范圍整體呈逐年減小趨勢(shì)。海冰范圍具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，7月上旬海冰開始融化，9月中旬海冰范圍達(dá)到最小。整體而言，8月上旬至10月上旬海冰范圍較小，通航條件較好，是北極東北航道船舶安全航行的時(shí)間窗口。

（3）北極東北航道中段是影響安全通航的關(guān)鍵航段。2002 年至2016 年的15 年間，海冰對(duì)北極東北航道的東段和中段的影響在明顯變小，航道可通航條件有所改善，可通航天數(shù)在不斷增加。

（4）北極東北航道中段的北地群島海域是影響通航的關(guān)鍵區(qū)域。其中，維利基茨基海峽冰情年際變化較大，冰情復(fù)雜，因而在今后的船舶航行冰情預(yù)報(bào)中，需重點(diǎn)關(guān)注此區(qū)域，以保障北極東北航道船舶的航行安全。