北极海冰消融情景下东北航道通航性能演变分析.docx

北极海冰消融情景下东北航道通航性能演变分析 摘要：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。 1 引言随着全球气候持续变暖，北极海冰逐渐消融，为北极航道的开通提供了条件。在克服海冰障碍的情况下，通过北极航道运输在时间、成本、安全性等方面要优于传统航道。北极航道分为东北航道和西北航道，其中东北航道西起西北欧北部海域，东至符拉迪沃斯托克（海参崴），途径巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和白令海峡，沿线国家有冰岛、瑞典、芬兰、俄罗斯等，全线通航期2～3个月在现有关于北极地区海冰变化和北极航道适航性的研究中，Lei等对1979—2012年的多源遥感数据进行了分析，量化东北太平洋沿岸海冰条件的时空变化，发现东北航道的航行开放期从1980年的84 d增加到2012年的146 d在有关北极航道经济成本的研究中，Sch?yen等对干散货分别通过东北航道和苏伊士运河2条航线运输的经济性进行了对比可见，现有研究主要集中于历史海冰数据的趋势评估，或者未来气候变化下完整北极航线的通航时间预测。作为北极航线贸易的起止点，有关东北航道各个关键港口的通航性能的研究较为缺乏，尤其是在海冰消融情景下通航最优路径、通航时长、可通航里程及通航成本研究方面。针对上述问题，本文重点分析2030—2070年海冰消融情况下东北航道的通航性能的变化趋势，绘制不同船型与排放情景下6种气候模式的最优通行航线，量化各航线通航时间的演变，计算在冰况限制下各航线的可通航里程，最后分析未来东北航道的通航成本变化。2 研究数据与方法2.1 研究数据以海港规模、吞吐量、冻结程度等为重要参考指标，选取俄罗斯地区北冰洋沿岸重要港口共8个，名称及坐标位置见表1。港口数据来源于World Port Source网站（）。代表性浓度路径（Representative Concentration Pathways,RCPs）是政府间气候专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）为第5次评估报告而开发的排放情景，该情景的开发结合了气候、大气循环、碳排放、社会经济等多种因素2.2 研究方法本文的整体思路为：首先对研究数据进行预处理，计算北极地区各栅格格网的航行安全指数，然后采用基于航行安全指数的Dijkstra最短路径算法，计算各港口到白令海峡的最优航线，根据最优航线距离及船速生成通航时间，最后完成各港口出发最优航线的通航成本计算。2.2.1 数据处理与航行安全指数计算选择2030年、2040年、2050年、2060年和2070年5个年份作为典型的时间节点，考虑到海冰融化和水域开放时间，将每个时间节点的前后5 a、每年5月1日—10月31日的海冰数据进行均值处理，作为该时间节点的海冰数据，然后按照EASE-Grid北半球方位角等积投影的方式对重采样后的栅格数据投影为360×360个像元格网，像元大小为25 km×25 km使用北极通航可行性模型（Arctic Transport Accessibility Model,ATAM）对通航性进行量化，该模型采用了北极冰区航运系统（Arctic Ice Regime Shipping System,AIRSS）中冰乘数的概念。基于冰型和船级的冰乘数（Ice Multiplier,IM）是一系列从-4～2的非零整数，IM值越高，航行风险越低。IM值小于0，表示该冰区存在重大危险，应该避免在此处航行式中：IM在AIRSS框架下，本文中冰类型被简单划分为2种：冰