北极东北航道海冰变化特征分析研究

21世纪以来,北极海冰正在发生快速变化,海冰覆盖范围明显减小,厚度显著变薄,在此背景下,东北航道的提前开通成为可能.本文对多年来北极东北航道内的海冰变化特征和近几年东北航道的开通情况进行了分析研究,认为东北航道在9月份开通的可能性最大,8月份次之,10月份通航的困难较大;历年的航道开通起始时间变化较大,俄罗斯新西伯利亚群岛和北地群岛,与大陆之间的海冰对东北航道的开通起着关键作用.东北航道的海冰年际变化较大,这给未来东北航道使用带来了较大挑战.     

基于粗糙集与犹豫层次分析的北极东北航道风险评估

运用风险分析理论和方法,以北极东北航道6个关键海峡为研究目标,构建东北航道自然环境风险评价指标体系;针对全球气候变暖以及海冰融化背景下北极东北航道航行安全问题,引入犹豫层次分析方法确定指标主观权重、采用粗糙集思想来确定客观权重,集成得到组合权重。基于所建风险分析模型,对其中3个关键海峡的自然环境风险进行了量化评估和时空特征分析,同时计算了2013年8月份6个关键海峡的风险度,模拟了一条最优通航线路并与同时期永盛号轮船的实际航行线路进行了比对。研究表明:(1)2000-2014年东北航道3个关键海峡自然环境风险均呈现减小趋势,红军海峡自然环境风险减小趋势最大;(2)对比3个海峡海峡自然环境风险度,德朗海峡最低,维利基茨基海峡次之,二者均适合通航;红军海峡风险度最高,且不适宜通航;(3)模型模拟路线与实际航线较吻合,对实时航行路线的选择有参考意义。     

近年北极东北和西北航道开通状况分析

利用微波卫星遥感数据对北极东北航道和西北航道近年来的冰情变化,以及影响航道开通的关键区域和每年的开通状况进行了分析和总结,并对航道未来的可能冰情状况进行了展望,期望对航道利用者有所帮助。东北航道全线开通期主要集中在8月下旬至10月上旬,开通总天数多在40~50d;西北航道南线开通期主要集中在8月上中旬至10月上旬,开通总天数多在50~60d;西北航道北线开通时间主要集中在9月。东北航道冰情最为复杂的是连接拉普捷夫海和喀拉海的北地群岛区域海冰,也是影响航道开通的关键区。影响西北航道南线开通的关键主要是威廉王岛附近维多利亚海峡、威尔士王子岛东侧的皮尔海峡和北侧巴罗海峡区域的海冰状况;影响北线开通的关键区域是班克斯岛西北部的麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡;东北航道可通航性优于西北航道。虽然气候变化大背景下北极海冰总量减少,但由于海冰流动性增强,局部海冰变化愈发复杂,海冰分布年际差异较大,需要加强北极海冰监测和预报能力,为未来航道利用提供保障。     

北极海冰输出区域海冰运动变化特征及其与北极航道适航性的关系

随着北极地区气候变暖的加剧，北极海冰正在急剧消融，海冰的减少增加了北极地区航道的适航性。本文利用遥感数据反演得到的海冰运动产品对北极海冰输出区域以及东北航道以北区域的海冰运动特征进行了量化。结果显示，从北极中央海域向弗拉姆海峡以及格陵兰海流出海冰的南向位移量呈现出显著增长趋势，海冰的平均南向位移量在2007-2014年间达到1511 km，是2007年之前（617 km）的两倍以上，反映了北极穿极流（TDS）强度在不断增强。通过长时间序列分析发现，春季东北航道以北区域的海冰北向漂移速度在喀拉海呈现+0.04 厘米/秒/年的显著增长趋势（P<0.05）。海冰北向漂移对于东北航道的开通具有显著的影响，在拉普捷夫海与喀拉海，海冰北向运动速度与航道适航期的决定系数分别达到0.33（P<0.001）和0.15（P<0.05）。东西伯利亚海、拉普捷夫海以及喀拉海存在冰间湖区域的春季海冰面积变化与航道的适航期密切相关，海冰的北向漂移对拉普捷夫海和喀拉海的海冰面积减少也有显著影响，这说明北向漂移促进了海冰的离岸输送，造成海冰面积减少的同时形成冰间水道或冰间湖促使航道开通。为探究大气环流指数对海冰运动以及东北航道适航期的影响，本文利用大气再分析数据计算了中央北极指数（CAI）和北极大气偶极子异常（DA）指数。相关性分析表明，CAI比DA更能解释东北航道的适航期，而且CAI能够解释北极海冰输出区域海冰南向位移量变化的45%。最近10年，夏季正相位的CAI进一步加强，通过加强海冰离岸输运和冰间湖活动加剧了东北航道区域海冰变薄及其强度变弱，从而促进了东北航道的开通。     

西北航道夏季气旋登陆期间海冰对波浪的影响

西北航道是指从北大西洋经加拿大北极群岛进入北冰洋,再进入太平洋的航道,是连接大西洋和太平洋的捷径。为了探讨西北航道通航期极端天气条件下强风及海冰对波浪场的影响机制,建立并验证了考虑海冰影响下的西北航道风浪演化模型,并以2012年8月北极气旋登陆期间为例探讨西北航道通航期波浪特性及波能流密度的时空演化及其对风和海冰的响应。研究结果表明,北极夏季海冰大多分布于西北航道以北海域,而风向大部分集中在SSW(南偏西22.5°)至SW(南偏西45°),西北航道海冰的存在并不会引起有效风区的明显减少,也不会引起无冰海域波能流的明显减小(不超过5%)。但是,当风向变为北向风时,无冰海域波能流减小幅度最多高达62%。最后,综合海冰和波浪要素的时空分布,提出了极端天气条件下西北航道通航期的最佳适航路线,为西北航道的夏季安全通航提供了科学依据。     

北极航道安全研究文献综述

尽管在全球气候变暖的大背景下北极海冰总体上呈现消融的趋势,"西北航道"和"东北航道"也已分别与2008年和2009年首次被人们在没有破冰船的护航下成功穿越,但由于北极地区位置特殊,资源丰富,军事价值和科研价值突出以及对全球气候变化的独特影响,已成为各国政府和学术界关注的焦点。因而对北极航道的关注也持续升温,航道安全也成为我国学术界关注的重点。本文主要从自然环境、航道的通行权及海事管辖权、航道基础设施及助航技术支持、人员与船舶操纵方面阐述影响北极航道安全的因素,探讨我国在积极应对北极航道安全挑战中的行动。     

冰上丝路安全：北极航道航行风险度评估的研究

全球气候变暖导致北极海冰快速融化,北极航道的全面开通成为可能。受航道内冰情与气象海洋等综合因素影响,航道航行存在较大风险。本文主要基于北极海冰密集度卫星遥感观测结果,综合风速、温度、能见度与水深等数据信息,利用权重和风险等级划分法建立了无破冰能力船只在北极航道航行风险评估体系,计算得到日平均航道航行风险度。通过与“雪龙”号科考船在西北航道航行线路与航道航行风险度比对,发现“雪龙”号科考船均沿低航行风险度航道航行。研究结果表明：利用北极航道航行风险评估体系计算日平均北极航道航行风险度是可行的,可为极地科考或航道选取提供准确的航行风险评估信息,对积极推进“冰上丝绸之路”建设具有重要意义。     

影响夏季北极航道航行的近地面气象要素时空变化特征分析

本文利用ERA5再分析数据和我国北极科学考察期间获取的走航气象观测数据,分析了夏季影响船舶通航北极航道的关键近地面气象要素的时空变化特征。结果表明,7–8月的天气条件最适宜船舶在北极航道航行,9月低温、大风和大浪天气显著增多,对船舶航行影响较大,10月的天气更加恶劣,对船舶航行的挑战更大。低温天气主要出现在各航道的中段,大风和大浪天气集中在航道两端的海域。除北极中心区和10月的挪威海和巴伦支海以外,其余时间的海域出现大风和大浪天气的概率以增加趋势为主,但具有较大的年际变化。根据现有北极航道气象观测数据分析发现,东北航道能见度最差,西北航道能见度最好,中央航道居中。     

基于Nimbus-7和DMSP卫星资料的北极海冰变化特征分析

利用1979—2012年Nimbus-7和DMSP海冰密集度资料对北极海冰进行研究。EOF分析结果表明整个北极海域海冰密集度变化具有非常强的季节变化特征,海冰最多的月份在1—4月、最少的在7—10月,其中鄂霍次克海和日本海、白令海等海域夏季无冰。北极海冰变化的总体趋势是减少,喀拉海和巴伦支海的减少速度最快,只有白令海海冰密集度呈增加趋势。北极区域海冰面积异常变化的主要周期一般在1 a左右,喀拉海和巴伦支海的主周期较长,为18.5 a。     

北极航道现状与发展趋势及对策

相比其他航道,北极航道的行程更短,北极航道的通航具有很高的经济性和商业价值。充分调研北极航道的现状,对当前通航北极的商船类型、路线及沿途的冰区环境进行详细分析,并从北极油气资源开采规划上预测未来商船类型和航线的发展趋势。鉴于我国商船在北极航道面临的风险,提出有效地应对措施,并剖析了我国发展极地救助船的必要性。     

北极航道的经济研究综述

为了解北极航道通航的经济战略价值,发挥其对我国区域经济增长的推动作用,文章从北极航道的通航环境、北极航道对贸易的影响、北极航道的航运价值和北极航道对我国区域经济的影响4个方面对研究文献进行综述。结果表明：北极航道通航必然对世界贸易格局产生巨大冲击,同时对我国贸易增长具有促进作用;对于北极航道的航运价值存在不同观点,争议的焦点在于西北航道的海上运输成本;北极航道通航将为我国沿海地区带来新的经济增长机遇,促进我国区域经济的均衡发展;未来我国关于北极航道的研究有必要在视角、内容、方法和理论方面取得突破,为我国对北极航道的整体布局和战略规划提供理论支撑。     

北极西北航道自然环境危险性评估及航线优选

基于北极西北航道7条主要航线建立自然环境危险性评价指标体系,引入三角模糊数层次分析法确定指标权重,采用TOPSIS方法对7条航线做危险性贴近度排序和航线优选,利用加拿大2008年"MV Camilla Desgagnés"号商船线路及2014年"努那维克"号散货船线路对航线优选结果进行验证。研究表明,在海洋环境危险性和地理环境危险性子指标中,权重最大的指标分别为海冰密集度危险指数(C1)和航道宽度危险指数(C7)。从海洋环境危险性来看,始于兰开斯特海峡,经过摄政王湾、拜洛特海峡、维多利亚海峡、毛德皇后湾等地抵达阿蒙森湾的航线4危险性最小,欧洲中期天气预报中心提供的海冰数据显示2000—2016年该航线的海冰密集度总体呈下降趋势,17a中9月份的月平均海冰密集度最小;从地理环境危险性来看,航线4上所有海湾和海峡的平均危险性最小,能够满足通航要求。该航线与加拿大2008年"MV Camilla Desgagnés"号商船采用的线路较吻合。结果表明优选航线为航线4。     

北极东北航道通航窗口研究

研究提出航线通航窗口这一概念,并针对东北航道提取了2005—2014年的航线通航窗口。通过对航线通航起讫时间和通航期的分析表明:东北航道平均通航起始时间为7月中下旬,结束时间为10月中下旬,平均通航期90 d左右,十年间通航期波动比较大,没有稳定的变化趋势;影响航线通航的关键水域包括:东西伯利亚水域、拉普捷夫海水域和维利基茨基海峡至谢尔盖·基洛夫群岛水域。研究表明:利用航线通航窗口可较好地反映航线所经水域的冰情,可为船舶开发利用北极航线,制定安全、经济的航行计划提供支持。     

依托北极东北航道建设"冰上丝绸之路"研究综述

依托北极东北航道建设“冰上丝绸之路”是中国和俄罗斯未来合作的重中之重，同时符合亚欧大陆经济发展和多方合作的客观要求。“冰上丝绸之路”建设所代表的北极地区开发利用模式立足于现阶段的自然环境条件和世界经济形势，必然对世界政治经济格局和区域发展产生影响。文章从“冰上丝绸之路”的概念定位、建设主体和建设环境等方面梳理相关研究成果，具体涉及东北亚国家和北欧国家的战略选择、国际双边合作和多边合作的成功案例、北极航道的通航条件以及中国东北地区的对接路径等，为后续研究和实际建设提供理论铺垫。     

2013年北极最小海冰范围比2012年增加的原因分析

北极海冰范围从1979年有卫星观测资料以来呈现明显下降趋势,尤其是9月份。2012年9月北极海冰范围达到有观测记录以来的最小值,而2013年9月比2012年同期增加了60%。增加的区域主要在东西伯利亚海区、楚科奇海和波弗特海区。本文应用距平和经验模态分解方法,分析了美国国家冰雪数据中心的北极海冰卫星数据、欧洲预报中心的夏季底层大气环流数据和上层海洋的温度,指出2013年北极最小海冰范围比2012年在北冰洋太平洋扇区增加的原因,是由于表面气温(SAT)降低、海平面气压(SLP)升高、气旋式风场异常、表面空气中水汽含量(SH)降低以及海表面温度(SST)降低5个条件形成的冰-SAT、冰-SST和冰-汽(SH)3个正反馈机制共同作用造成的。     

基于冰基浮标数据的2018-2019年北极海冰运动特性时空变化分析

海冰运动是影响北极海冰平流输运和物质平衡空间重新分布的重要因素。本研究基于2018年9月至2019年8月期间北冰洋66个冰基浮标位置记录数据,结合大气再分析数据,计算得到了海冰运动速度、冰速与风速的比值和海冰运动惯性强度,以刻画北极海冰运动学特征参数在一个冰季的时空变化,并讨论了不同区域冰速与风速比与海冰密集度的关联性。海冰漂移速度在波弗特–楚科奇海、东北极中央区和西北极中央区呈秋冬降低春夏升高的季节变化特征。格陵兰海月均海冰漂移速度（（0.32±0.06）m/s）最大,其次是弗拉姆海峡（（0.17±0.07）m/s）和波弗特–楚科奇海（（0.14±0.05）m/s）,而东北极中央区（（0.09±0.02）m/s）和西北极中央区（（0.07±0.03）m/s）较低。在月尺度上,冰漂移速度与风速的比值主要受海冰漂移速度支配。弗拉姆海峡和格陵兰海受较强的表层海流影响,冰速与风速比值较大,西北极中央区、东北极中央区和波弗特–楚科奇海的冰速与风速比值随着海冰密集度的增加趋近,并分布在0～0.02之间。所有浮标的月平均惯性运动指数为0.158±0.144,秋冬季过渡期间,海冰对风的响应以及海冰运...     

Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF(Polar Weather Research and Forecasting)模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内(海冰密集度小于50%)考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

7月北极海冰与翌年1月大气环流及亚洲中、高纬地区气温趋势的关系

本文主要通过相关统计分析,研究了7月各海区海冰与同期上空500hPa高度场的关系及其与后期翌年1月北半球500hPa大气环流的联系,对翌年1月亚洲中高纬地区气温趋势的可能影响在此也作了讨论。结果表明:7月北极海冰与其同期上空500hPa高度存在着较好的负相关关系。其中,尤以Ⅰ、Ⅱ海区负相关关系更好。在北极各海区中,以7月第Ⅲ海区海冰与后期翌年1月北半球500hPa大气环流联系较为密切。主要表现为,7月Ⅱ海区海冰M指数高(即冰情重)时,翌年1月北欧低槽及东亚大槽偏弱,并多伴随着乌拉尔山阻塞形势的破坏过程。7月Ⅱ海区海冰M指数低(即冰情轻)时,翌年1月北欧低槽及东亚大槽偏强,多伴随着乌拉尔山阻塞形势的建立过程。7月Ⅱ海区冰情重时,亚洲中、高纬地区1月气温多偏低,反之多偏高。     

1982—2001年与2002—2021年北极秋季海冰的时空变化及原因

基于北极海冰密集度、海冰范围、大气环流和海温数据,研究了1982—2001年与2002—2021年两阶段各20 a间北极秋季海冰的时空变化特征及其原因。结果表明,近20 a（2002—2021年）北极海冰密集度的下降中心由过去（1982—2001年）的楚科奇海及白令海峡一带,转移至亚欧大陆海岸的巴伦支海附近,且海冰范围每10 a减少量由0.44×10⁶ km²增长至0.72×10⁶ km²,减少速度加快约64%。秋季北极海冰范围与海水表面温度（Sea Surface Temperature,SST）、表面气温（Surface Air Temperature,SAT）及比湿（Specific Humidity）均呈显著负相关。2002—2021年的相关系数较1982—2001年有所提高,且与温度相关系数最高的月份提前了一个月。通过对海水表面温度、表面气温、比湿、气压场和风场的经验正交分解（Empirical Orthogonal Function,EOF）可知,1982—2001年间,北极地区的温度及比湿的上升中心集中在楚科奇海及白令海峡一带;2002—2021年间,上升中心则转移至巴伦支海一带。气压场和风场在前后两阶段也出现了中心转移的分布变化。北极地区大气与海洋环流各因素的协同变化影响着北极海冰的消融。     

基于卫星图像的北极冰间水道形态学特征分析

随着全球气候变暖,北极海冰面积逐渐减小,冰厚逐渐变薄,海冰在海浪的影响下会变得很脆弱,容易断裂形成裂缝,更易形成冰间水道,有助于北极航道的通航。同时,冰间水道是极地地区海洋与大气之间热量与动量交换的重要通道之一,因此在全球气候变暖的背景下,分析冰间水道的形态学特征,对于研究北极海区的动量和热量收支以及预测航道通航具有重要意义。文中利用Hilditch的冰间水道骨架技术,基于Landsat8的图像数据,分析了9月楚科奇海和波弗特海附近冰间水道倾角、长度和冰间水道距离等冰间水道的分布特征。结果表明,此时冰间水道倾角的分布集中在74°～114°之间,冰间水道长度和距离变化范围较大,分别在2～3 km和50～220 m之间。