基于遥感数据的北极西北航道海冰变化以及通航情况研究

使用不莱梅大学AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度数据,计算了2002—2018年加拿大北极群岛7—9月的平均海冰面积,研究了9月份平均海冰密集度变化特征;结合商船破冰能力确定海冰密集度阈值,选取西北航道关键区域,统计了西北航道的通航窗口,探讨了西北航道在实际商业通航方面的可能性。研究发现,在过去17年加拿大北极群岛的7—9月海冰面积整体呈下降趋势但有明显波动性, 9月份的海冰分布年际变化复杂,差异较大;在西北航道可通航的年份中,可通航的开始日期一般在8月份,结束日期在9月底至10月初,南路可通航时间最短14天,最长达到80天。总的来说,西北航道可通航年份和时间缺乏规律性。     

基于“永盛轮”航线冰情分析的北极东北航线通航性研究

海冰冰情是开发、利用北极航道的关键信息,研究利用2006—2015年北极地区逐日海冰密集度数据,根据2013年"永盛轮"首航北极东北航道时所经航线为例,提取了航线冰情要素,包括航线通航窗口、逐日海冰密集度时空分布以及海冰密集度月标准差等,对航线通航条件进行了研究。根据航线冰情要素获得了十年间航线通航窗口的基本情况,十年间航线所经水域的大体通航情况和主要冰障位置,7—10月份航线所经水域海冰密集度的变化动态。通过对航线冰情要素的分析,得出影响航线的两个关键海域,并分析了"永盛轮"航线与关键水域航线通航窗口的变化趋势。     

北极东北航道维利基茨基海峡海冰时空变化及适航性分析

利用2002—2013年的海冰密集度数据对北极东北航道通航关键区域——维利基茨基海峡的海冰分布特征和通航性进行了分析研究。结果表明,近十年来从8月中下旬到10月中旬海峡海面状况适合船舶航行;海冰冰情年际变化很大,对维利基茨基海峡通航天数有明显的影响;海峡每年可通航时间基本在40 d以上,其开通时间年际变化较大,从7—9月不等,而结束时间相对集中在10月份。     

北极西北航道船舶通航风险分析

北极海冰的融化使得北极西北航道通航成为可能,有必要探讨北极西北航道的安全通航风险控制问题。针对北极西北航道冰情和复杂通航环境下的船舶通航窗口期,本研究采用时间维度上的过程风险评估方法,构建了基于系统动力学的北极西北航道通航风险评估模型,结合北极西北航道6条航线的场景条件,通过2015—2021年7年间风、雾、浪、海冰的月平均变化的数据分析,进行北极西北航道船舶通航过程风险仿真,提出了北极西北航道船舶通航窗口期。仿真结果表明:北极西北航道全年可通航的时间窗口为8月下旬至9月上旬,而选择阿蒙森湾—威尔士亲王海峡—巴罗海峡—巴芬湾和阿蒙森湾—维多利亚海峡—皮尔海峡—巴芬湾两条航线的船舶通航风险相对较低,从发展上看,随着海冰快速融化北极西北航道具有较高的通航潜力。     

加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空变化特征研究

加拿大北极群岛西北航道区域海冰冰情对西北航道的开通及航行安全有着显著的影响。本研究将西北航道分为南部、北部以及交汇区3个区域,利用美国国家冰雪中心Bootstrap海冰密集度数据和CryoSat-2、CS2SMOS观测以及高分辨率北极海洋-海冰耦合模型(AO-FVCOM)的海冰厚度数据对1978年11月—2017年12月加拿大北极群岛区域西北航道海冰冰情长期时空特征进行研究,并对南线和北线冰情进行评估。研究结果显示西北航道冬春季被高密集度的海冰覆盖,夏秋季密集度较小,呈现北高南低的分布特征;北部、南部、以及交汇区域覆盖范围呈现减少趋势,分别为–0.01×105km~2·(10a)~(–1)[–0.77%·(10a)~(–1)]、–0.09×105km~2·(10a)~(–1)[–3.50%·(10a)~(–1)]以及–0.12×104km~2·(10a)~(–1)[–2.81%·(10a)~(–1)];海冰厚度在北部和南部区域呈现减小趋势,分别为–0.25 m·(10a)~(–1)和–0.13 m·(10a)~(–1)。西北航道南线冰情优于北线,海冰密集度、覆盖范围、厚度均小于北线。对影响海冰密集度和厚度的大气和海洋热力学因素进行分析发现,研究区域的表面大气温度、海洋表层温度呈现上升趋势,并和海冰密集度呈现显著负相关,和北部、南部区域海冰厚度呈现显著负相关,与交汇区域海冰厚度相关不显著。     

面向航运服务的海冰密集度遥感产品对比研究

北极快速升温为北极通航窗口期延长提供了重大机遇,为北极航运和极区科考船只的空间信息提供服务,海冰边缘区浮冰遥感信息产品的可靠性非常关键.对比和分析了9种海冰密集度数据产品,并采用高分雷达数据开展面向海冰边缘区精度评估.结果表明,北极地区的9种海冰密集度产品相对其平均值的最大日偏差出现在夏季6—8月航道窗口期,其中采用被...     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

应用AMSR-E 89GHz遥感数据反演北极多年冰密集度

被动微波辐射计AMSR-E在89GHz频段的空间分辨率几乎是其它低频段的2倍。到目前为止,已经有成熟的算法采用AMSR-E 89GHz频段的数据来反演整体海冰的密集度,而本文根据89GHz频段亮温数据针对一年冰、多年冰以及无冰水面的不同特性,提出了一种反演多年冰密集度的方法(AC)。计算了2007年北极的整体海冰和多年冰密集度,并与NASA TEAM算法(NT)的结果作了比较。对于整体海冰密集度,两种算法反演的结果基本一致。从日平均上来看,AC算法得到的整体海冰覆盖面积只比NT算法多25万km2。但是对于多年冰的反演结果,AC算法得到的结果比NT的结果要多出146万km2,冬季差别尤其大。造成这种差别的原因可能是AC算法对于北极表面气温的变化比较敏感。另外,AC算法计算得到2007年最大海冰覆盖面积为1400万km2,最小海冰覆盖面积为400万km2,这与其它研究结果一致。     

近30年南极海冰的变化特征

采用NCEP的1973-2002年南极海冰密集度资料,对近30年南极海冰冰密集度的季节变化、年际变化及其与南极海冰涛动指数的长期变化关系进行了分析研究。结果表明,南极海冰的季节变化特点是海冰融化速度远大于凝结速度,而北极海冰融化速度与凝结速度基本相同。南极海冰存在着明显的年际变化,海冰面积指数呈增加趋势,年平均倾向率为28/10a。而北极海冰年际变化则相反,呈减少趋势,年平均面积指数的倾向率-3.5/10a。南极海冰涛动指数能代表南极地区近1/3的海水变化,是南极海冰变化的重要指数,具有10年、3-5年和2年左右的准振荡周期。     

1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。     

北极海冰消融情景下东北航道通航性能演变分析

全球气候增暖,导致北极海冰消融加速,冰上丝绸之路的开通逐渐提上日程。本文针对2030—2070年俄罗斯8个重要港口通过东北航道到达白令海峡的通航性能,采用6种CMIP5气候模式在2种排放情景下的海冰数据,以及PC6破冰船和普通商船2种船型,分别对最优航线、通航时长、可通航里程以及通航成本4项要素进行研究。主要结论为：① 随着时间变化,各条最优通航线路逐渐集中有序,普通商船的通航能力显著提高,到2070年拥有和PC6近似相等的通航能力;② 俄港口到白令海峡间的运输时长每过10 a下降14 h,其中圣彼得堡港运输时长下降最为显著。到2070年,俄港口与白令海峡的经度差每增加1°,该港口的运输时长下降0.4 h;③ 未来50 a,东北航道可通航里程平均每隔10 a增加166 km,其中圣彼得堡港可通航里程的变化模式和平均变化模式最为相近;④ 从北冰洋港口出发的航线通航成本每10 a下降1万美元,商船在高浓度排放情景下总通航成本的下降幅度最明显。结合海冰变化情况,俄中西部港口具有巨大的资源运输潜力。本文量化并评估了东北航道在未来海冰消融情景下的通航性能演变态势,为东北航道通航以及北极港口贸易情况提供了理论和数据支撑。     

2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

我国北极航道开拓的战略选择初探

对于我国,正在发展和形成中的洲际贸易航线——北极航道是当今经济全球化、政治多极化和气候变化大趋势下出现的重大机遇,也是"一带一路"的重要补充,具有较高战略价值。根据北极航道当前发展状况,从开拓北极航道的战略选择角度,针对航运条件、法律和地缘政治等方面对北极东北航道、西北航道和穿极航道三条不同海运路径做了概括性比较,以期为北极航道发展的战略选择做一些前期思考。结果表明:(1)近年来虽然世界贸易和航运业不景气,但北极航运逆势而上,呈现扩大化增长趋势,无强力破冰船引航的商船独立航行时代已初显端倪;(2)三条北极航道处于不同发展阶段:东北航道发展最快,散货船和油气轮方式的资源和过境运输已形成小规模的运营业务;西北航道次之,正在尝试散货船的资源运输;穿极航道过境通行潜力开始受到越来越多关注。三条航道的集装箱过境运输尚处于空白;(3)针对三条北极航道不同发展阶段和趋势,结合战略需求,我国北极航道开拓应采取"用一个、试一个、探一个"的发展思路,即:东北航道做实质性的投入;西北航道做尝试性的投入;穿极航道做探索性的投入。投入重点当为我国有较大需求的中-欧和中-美集装箱船过境运输;(4)科学考察和商业利用是我国北极航道开拓和利用的先导,鉴于北极航道的不同国际法和地缘政治环境,作为"一带一路"北线的实施可采取"对接"和"探索"并行的发展策略。     

北冰洋海冰/气候系统及其对全球气候的影响

结合前人对北冰洋海冰、气候系统的研究成果和 1 999年 8月在北冰洋对海冰的现场观测 ,本文综述了海冰分布、厚度的变化 ,海冰表面特征、积雪变化及北冰洋天气、气候特征和分区。讨论了北极海冰与南极海冰的差异。文章认为 ,北冰洋与周围地区气候变化趋势的不一致 ,主要是由于夏季在北冰洋海冰与开阔水域的相间分布、海冰漂移、融化吸热 ,均衡了周围大气、海洋温度的变化。     

“北极航道”开通与中国及其受影响区域的贸易增长潜力分析

在考虑船舶等待时间和海冰因素的基础上,以航行时间替代航运距离,对传统的贸易引力模型进行修正,量化评估了"北极航道"开通对中国及其受影响区域的贸易增长潜力。结果表明:(1)航行时间与进出口总额之间呈负相关关系,航行时间每减少1%,将使中国的进出口贸易总额增加0.6590%;(2)海冰因素会对贸易潜力的提升产生较大影响。在存在海冰的情况下,由于"北极航道"在航运距离上的天然优势,将使中国的贸易潜力增长10.95%,使中国受影响的北部沿海地区和东部沿海地区的贸易潜力分别增长12.02%和11.22%;一旦海冰消融、"北极航道"全面通航,中国及其受影响的北部沿海地区和东部沿海地区的贸易潜力则会得到进一步提升,提升效应将达到20%以上。     

东西伯利亚海海冰季节变化特征及主要影响因素分析

利用1997-2005年美国国家冰雪中心提供的卫星遥感数据,对东西伯利亚海海冰周年变化特征及其动力和热力学机制进行详细分析,以1999年海冰状况为例讨论了该海域海冰的周年变化。按照海冰变化的区域特征和融化机制差异,将全年的海冰变化过程分为密集冰封期、陆坡开裂期、西部融化期、全面融化期和秋季结冰期。不同年份各个阶段发生的具体日期不尽相同,海冰覆盖面积最小值及其发生时间有所差异,但是,各年海冰变化的5个阶段都清晰可辨。海冰融化时间持续3个月,冻结时间仅为1个半月左右。每年5月份东西伯利亚海陆坡处海冰发生开裂,主要是该时期风场辐散的作用。1999年,除5月份以外的其他月份,东西伯利亚海海表面风场是辐聚风场,不利于海冰融化和开阔水域面积的扩大。东西伯利亚海海冰融化的决定性因素是陆地径流,因迪吉尔卡河、科雷马河、亚纳河和勒拿河四条河流在海冰融化过程中发挥主要作用。海冰覆盖面积最小值出现的时间一般是9月下旬,整个海域的沿岸带海冰全部消失,形成大范围的开阔水。夏季北半球气温的升高和太阳辐射的加热作用,为海冰融化提供持续的热量。