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。     

北极迅速变暖条件下西北航道的海冰分布变化特征

北极近年迅速变暖使西北航道的通航成为可能。本文利用AMSR-E的6.25km分辨率日平均海冰密集度卫星数据研究了2002-2008年北极西北航道的海冰密集度变化特征。通过统计分析沿西北航线冰障关键流段代表站点的融化期、轻冰期、无冰期、无冰天数和轻冰天数,以及海冰分布和变化的某些细节,加深了对西北航道海冰季节变化和年际变化以及空间分布的主要特征,特别是与通航相关的冰情信息的了解。研究指出西北航道南路比北路容易开通;各线路冰障流段存在的时间呈减小趋势,整条线路无冰/轻冰天数呈增加趋势;冰间湖和冰间水道的产生和发展在很大程度上可能会影响到整个航路的融冰开始时间。     

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。     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

三种海冰密集度产品的北极海冰监测能力比较分析

选取国家海洋卫星应用中心提供的海洋二号B星扫描辐射计数据采用NASA TEAM算法反演的海冰密集度产品(简称HY2数据集),中国海洋大学提供的风云三号D星微波成像仪采用DT-ASI算法得到的海冰密集度产品(简称OUC数据集),以及美国冰雪中心提供的海冰密集度产品(简称NSIDC数据集)三种数据源对北极海冰监测能力进行比较分析。通过与德国不莱梅大学发布的海冰密集度数据产品(简称BRM数据集)和MODIS数据提取的海冰信息的比较发现:在低纬度区域(≤70°N),HY2与BRM数据集最为接近;在中纬度区域(70°N—80°N),OUC与BRM数据集的数据吻合程度最高;在高纬度区域(80°N—87°N),NSIDC数据集与BRM数据集最接近。在北极东北航道区域, HY2数据集适用于通航窗口期第一和第四航段内的海冰监测; NSIDC数据集适用于东西伯利亚海域以及临近窗口期时段的海冰监测;而OUC数据集则适用于北极东北航道大部分航段的海冰监测需求。     

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。     

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。     

基于北极多源卫星数据的海冰厚度时空变化对比与评估

海冰厚度作为海冰的重要变量之一,相较于海冰密集度、海冰漂移速度、海冰范围等,数据时空完整性仍然不足。当前获取北极海冰厚度的主要手段为卫星遥感,除之前的CryoSat-2、SMOS等卫星,2018年11月又新增了ICESat-2卫星。目前,针对北极多源卫星海冰厚度的时空变化差异性对比以及数据精度评估的工作较少,因此,本研究通过选取最近的完整两年(2019—2020年)内的ICESat-2、CryoSat-2以及CS2SMOS(CryoSat-2和SMOS融合产品)海冰厚度数据进行对比分析,量化其时空差异。结果显示,整体上CryoSat-2卫星数据的平均海冰厚度最大, ICESat-2其次, CS2SMOS最小。三种卫星数据间的差异具有明显的时空变化特征,在海冰厚度高值区ICESat-2数据的厚度最大, CryoSat-2与CS2SMOS数据的厚度相近,而在海冰边缘区CryoSat-2数据的厚度最大, CS2SMOS最小。从区域来看,不同卫星数据反演的海冰厚度在东西伯利亚海和波弗特海区域差异较小,在巴伦支海区域差异较大。在此基础上,利用研究时段内的“冰桥行动”实地观测数据对多源卫星数据进行...     

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...     

基于Radarsat-2 SAR图像分类与HY-2微波辐射计反演获取北极海冰密集度的比较研究

在北极东北航道东西伯利亚海和楚科奇海交汇的关键区域,利用四景2012年北极夏季Radarsat-2 SAR海冰图像,通过图像分类提取了海冰密集度;同时采用NASA TEAM算法,基于海洋二号(HY-2)卫星扫描微波辐射计亮温数据反演了对应区域的海冰密集度;并引入美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的SSMIS海冰密集度产品进行了对比研究。通过不同来源海冰密集度数据的分析发现HY-2、SAR和SSMIS的结果在4个研究区域上的分布趋势基本吻合;但在海冰边缘区,由SAR图像分类得到的海冰密集度高于HY-2和SSMIS的反演结果,说明了高分辨率的SAR图像在监测边缘区小尺寸浮冰上有优势。三种数据中,原始分辨率相同(25 km)的HY-2与SSMIS的结果最为相近,而HY-2同SAR的相关性与SAR同SSMIS的相关性一致。在冰边缘,HY-2的反演值偏低于SAR和SSMIS的结果,这是受该处较高水汽含量影响的结果,也是未来发展HY-2微波辐射计反演算法需要重点改进的地方。     

“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。     

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。     

基于新闻大数据的北极地区地缘关系研究

随着全球气候变暖,北极地区海冰大面积消融,引发了严重环境问题,同时使得北极航道成为可能,北极地区的战略地位显著提升.作为近北极国家,北极地区国际关系变化对中国的北极政策有直接影响.全面实时地分析北极地区地缘关系及其变化特征,对中国制定北极地区的政治、经济、外交政策具有重要指导作用.海量全球实时开放数据库的出现以及大数据...     

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...     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

可服务于北极航道的海冰与气象预报信息综合分析

全球气候变暖和北极海冰快速减少背景下,北极航道正在开通,提高海冰和气象预报能力是北极地区船只航行的重要保障。通过获取不同国家的北极高纬共享信息(包括观测数据、预报产品和历史分析资料),分析国际北极地区海冰和气象预报信息特点及存在的问题,能够为我国北极观测预报的常态化、业务化发展提供参考。通过对7个环北极国家、3个非北极国家以及3个信息发布平台共23家机构海冰和气象预报信息的对比,发现近年来各国北极预报水平提升,合作交流扩大,但是仍存在一些问题,如观测数据没有充分应用于预报、北极中央区的预报能力偏弱、预报信息共享度不够、信息应用时需要加以选择、仍需提升信息发布技术。通过上述分析,建议我国持续增加北极科考、国际合作、冰区安全航行预报保障技术研究等的投入,以系统提升我国的极地预报能力,为我国北极科考和极地航运事业提供更加及时有效的预报保障。     

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。     

冬春季北极海冰的变化特征及其与西北太平洋热带气旋活动的关系探讨

采用Hadley中心1953—2012年海冰密集度资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料和1977—2011年日本气象厅台风资料,对冬春季北极海冰变化的主要特征进行了分析,并对冬春季北极海冰变化与西北太平洋台风活动之间的关系进行了初步探讨。结果表明,冬春季北极海冰表现为明显的年代际变化,且在1965—2004年间具有3—4 a的低频振荡周期。在20世纪60年代后期和70年代初期,海冰变化最为显著。冬春季海冰变化与西北太平洋热带气旋生成频次、强度频次的相关性在9月份明显高于其他月份,且为正相关,而与热带气旋强度等级有较显著的负相关性。冬春季北极海冰变化与夏季西太平洋副高强度、副高面积均有很好的负相关关系。冬春季海冰面积偏多(少)时,夏季北美东部、冰岛附近地区、北太平洋以及中低纬度大部地区500 h Pa高度场为负(正)距平分布。冬春季北极海冰面积异常对北半球大气环流的持续性影响,在随后到来的台风盛期有较明显的体现。     

北极航道海运货流类型及其规模研究

从北极海运货源角度出发,根据北极贸易、油气开发以及远东-西北欧、远东-北美东部当前海运货量状况,分析得出未来北极航道主要货物类型和规模的最大理论值为：（1）从俄罗斯、北欧北极地区到远东的液化天然气单向贸易流型式,到2030年,为1 000万t;（2）从远东到欧美的集装箱货物双向贸易流型式,北极东北航道、中央航道分担远东到西北欧航线的货运量,北极西北航道分担远东到北美东部的货运量,如果技术上能够低成本保障全季航行,按分担传统运河航线50%计算,到2030年,北极航道集装箱货运规模最大值约为1 743万TEU,是2011年传统运河航线的85%。由此得出结论：近中期东北航道天然气运输占据主要地位,但对北极航道更大运输需求是集装箱运输。此外,本文还比较了北极航道与运河航线的成本。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明,2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m^–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。