气候变化背景下西北航道自然环境危险性评估

葛珊珊，张韧，杨孟倩

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101）

气候变化背景下西北航道自然环境危险性评估

葛珊珊，张韧，杨孟倩

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101）

在气候变化背景下，北冰洋“西北航道”开通预期提前，为我国能源战略带来良好的发展机遇，同时其社会政治效应及气候变化和影响的复杂性、不确定性也使该航道面临潜在风险和挑战。引进风险分析的理论和方法，对全球气候变化对影响“西北航道”的自然环境开展研究。针对气候变化对“西北航道”自然环境潜在风险要素进行梳理，构建危险性评价指标体系，对自然灾害危险性进行综合定量的评估区划。

气候变化；西北通道；指标体系；危险性评估

北极“西北航道”的探索史始于15世纪新航路开辟运动，当时欧洲各国纷纷探索通往东方的海上航道，英国人率先取道北冰洋，希望穿越北极海域到达太平洋。恶劣的气候及地理环境条件，使得探险家在20世纪初才得以完全从水域穿行“西北航道”，航道因其安全系数过低被历史尘封，而关于航道的研究也较少出现。

在全球温度普遍升高的情况下，北半球高纬度地区的升幅最大，近百年来，北极的升温速率是全球平均水平的两倍，随之带来的是冰川的消融和海冰覆盖面积的大范围减少，有科学家推测25~ 30年内，北冰洋的海冰将在夏天消失，届时，“西北航道”的通航将会实现。特殊的地理位置使得“西北航道”具有的巨大经济效益、资源利益以及军事价值，从而受到世界各国的广泛关注。

（1）“西北航道”给我国经济发展带来一个契机。

首先，远洋航运成本降低，利于对外贸易发展。“西北航道”是连接大西洋和太平洋的捷径之一，可以使我国与北美东海岸及西欧的航运距离减少1/3甚至更多，减少人力物力的消耗以及时间的损耗，对远洋贸易有促进作用。其次，新航道的通航会改变世界航运格局，亚洲的航运中心地位将得到凸显，我国北方部分港口有机会在国际贸易中获得更多发展（李振福，2009）。

（2）“西北航道”打开北极大门，增加资源来源。

北极蕴藏着丰富的石油、天然气、矿物和渔业资源，“西北航道”的通航将使其开采变成现实，积极参与“西北航道”及北极的开发工作，将很大程度上缓解我国部分所缺资源的补给问题（刘江萍，2008a）。

（3）作为未来的“舰队高速公路”，“西北航道”的军事意义重大。

未来战争一旦爆发，“西北航道”便会成为一条“舰队高速公路”，假若战争在大西洋海域发生，我国作为太平洋沿岸的大国，潜艇及军舰可以经由这条航线迅速前往事发海域，在最短的时间内对非常局面作出反应，以最短的时间到达战略攸关地区，为本国占领地缘政治先机（刘江萍，2008b）。

（4）航道的通航使我国面临各方面的压力。

一方面对外贸易取得发展的同时，国内企业会由于进口贸易的增加而面临更大的竞争，南北方经济也有可能因为航运格局的改变而受到不同影响，造成地区差异；另一方面航道的主权归属尚未有法律规定，主权争端不利于世界和平发展（李振福，2009）。

“西北航道”的通航无疑使我国的对外贸易以及能源运输增加了一个途径，可以缓解我国海上运输过度依赖南海-印度洋海域通道的情况，而能源的供给是否充足直接关系到一个国家的经济、政治稳定。因此，对“西北航道”的通航进行必要的研究不仅具有科研价值，也是关系国家安全的重要内容。基于风险分析的理论，在气候变化背景下，本文梳理了“西北通道”自然环境的潜在风险要素，构建危险性指标体系，明确了指标的定义和数学表达，对其自然灾害的危险性进行综合定量的评估。

1 研究思路

1.1气候变化对西北航道的影响及研究进展

首先，气候变暖使得海冰融化是航道开通的基本前提，但是“西北航道”位于65°N以北，海冰的形成及存在仍会是影响航道安全最重要的因素之一，气候变暖影响着海冰密集度、厚度和流冰数量、速度,这些要素均制约着船舶航行安全，甚至破坏船体，造成安全事故发生。其次，航道所处地理环境相当复杂，岛屿、暗礁星罗棋布，对船员驾驶技术和经验等素质要求较高，复杂的地形加之气候变化引起的海平面上升及其它不确定因素的增加，都会使得航行船舶面临一定的安全风险。自然环境风险因子及承险体辨识如表1所示（刘志国等，2015）。

表1 自然环境风险因子及承险体辨识表

“西北航道”的沉寂主要是由于北极海冰使航道一年大部分时间处于冰冻状态，所以近年的科学研究主要围绕海冰的研究。IPCC的评估报告专门讲述了北极海冰的变化；国外一些学者对北冰洋海冰及加拿大北极群岛水域的海冰进行了分析，以探究“西北航道”通航的可能性（Sou et al，2009；Howell et al，2009）。另外，加拿大交通部在2005年对“西北航道”专门开展了一次研究活动，即“加拿大北极航运评估”。苏洁等（2010）利用AMSR-E的6.25 km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，统计分析沿航道各条线路冰障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细节。胡宪敏等（2007）采用滑动t检验和小波分析方法对白令海和楚科奇海1953-2004年海冰范围的年际变化、年代际变化和总体趋势变化进行分析。曹玉墀（2010）指出在全球持续变暖的推动和影响下，北冰洋海冰也正经历着历史的、空前的变化—范围持续缩减、厚度不断变薄、多年冰的比例也大幅度降低。关于“西北航道”主权问题，也有一些研究及探讨，但是都未得出国际公认的结论。郭培清等（2009）对北极航道的国际问题进行了比较全面系统的总结，《北极问题研究》中也特别对“西北航道”进行了阐述（北极问题研究编写组，2011）。

以往的研究多数是从自然环境或人文环境的某一种要素或某一类问题进行研究，但是气候变化对“西北通道”的影响是气象水文、地理环境、交通条件等要素的综合影响，因此如何将影响要素综合考虑，并进行定量化分析是需要重点攻克的技术难题。

1.2指标体系

自然环境风险的危险性评估描述的是各风险因子可能导致的危险程度，可通过对风险因子气候态的活动频率和强度进行综合分析。

自然环境风险危险性层次结构模型如图1所示，从上至下依次为目标层、准则层和一级指标层、二级指标层，各层指标大小由其下层评价指标大小所决定。

图1 自然环境风险危险性层次结构模型

1.2.1 大气海洋环境风险危险性指标

1）海冰危险性指标

d1—海冰面积指数

定义：评估单元海冰密集度。d1越大，海冰覆盖越广，对航行安全影响越大，致险度越大。

d2—海冰厚度指数

定义：评估单元海冰平均厚度。d2越大，海冰越厚，对船体伤害越大，致险度越大。

d3—流冰漂移速度

定义：评估目标单元内的流冰漂移速度，与风速、海流有关。d3越大，对船体冲撞能力及阻力越大，致险度越大。

d4—无冰及轻冰天数

定义：评估单元年海冰密集度小于50%的总天数。d4越大，通航期越长，致险度越低，指标融合时，其值取负。

2）大风危险性指标

d5—大风强度

定义：从能量学角度出发，评估单元内风的强度由风速大小决定。可简单量化为：

式中：d5为大风强度指标，V为评估单元内年平均风速，Vmin为大风最低标准值，依据蒲福风力等级表，大风最低标准值可取值为10.8 m/s。

d6—大风频率

定义：评估单元每年出现大风的次数。可量化为：

式中：d6为大风的频率指标，N为统计时段出现大风的次数，Y为统计时段的年数。

3）低能见度危险性指标

d7—低能见度强度

定义及量化：

式中：V为评估单元年平均能见度，V0为低能见度参考值。依据国际雾级规定，将V0取为4 km。d7>1为高能见度，值越大能见度越好；d7<1为低能见度，值越小，能见度越差。

d8—低能见度频率

定义：评估单元年出现低能见度的次数。

量化方法同公式（3），其中N为统计时段出现低能见度总次数，Y为统计时段总年数。

1.2.2 地理环境风险危险性指标

1）地形危险性指标

d9—航道水深指数

航道水深越浅，船舶发生搁浅、触礁等的可能性越大。万吨级船舶吃水深度在10 m左右，30万吨级约20 m，当水深与吃水深度之比小于1.5时，就会发生浅水效应（胡学金，2010），影响船舶安全。

定义及量化：

式中：dep为水深绝对值，参考值K1取50 m。水深超过50 m，对船舶几乎无影响，致险度为0；水深小于50 m时，d9大于0，水深越浅，d9越大，致险度越大。

d10—岛屿暗礁密集度

定义：评估单元格内岛屿及暗礁、浅滩的数目。量化按标准化方案式（5）进行。

2）交通危险性指标

d11—航道宽度指数

定义及量化：

式中：wid为航道两侧海岸距离，即航道宽度，参考值选取K2=50 km。航道宽度大于50 km时，无风险；航道宽度小于50 km时，宽度越小，d11越大，致险度越高。

d12—海岸距离指数

依据船舶近岸航行的安全距离，采用赋值法将海岸距离指数量化如下：

式中：s为航道不同路段与海岸的距离。船舶距岸5 km以内，海岸距离指数最大，致险度最高；距岸25 km以外，致险度为0。

1.3危险性评估模型

采用指标融合方式，构建危险性评估数学模型如下：

式中：Thread为自然环境危险性，Hj为危险性第j项指标，W为各自对应权重，J为危险性指标数目。

2 样区和数据

本文研究区域选定为“西北航道”主航段所在的加拿大北极群岛水域以及航道入海处巴芬湾、波弗特海部分海域，经纬度范围为140°W-60°W，65°N-80°N。对其海冰、大风、能见度、地理和交通的危险性进行定量化评估。

为了分析研究区最新的危险性特征，并且考虑到数据的可获取性和多种要素资料的时间一致性，数据的时间段选取在2006-2010年。海冰数据来源于美国国家冰雪中心的2006-2010年日平均SIGRID-3资料，资料格式为GIS可识别的矢量、栅格数据。

气象要素数据采用亚洲-太平洋大气海洋数据中心（APDRC）2006-2010年2.5°×2.5°的ECMWF ERA-40地表月平均数据和ECBilt-CLIO气候模拟数据。亚洲-太平洋大气海洋数据中心欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供实测天气数据、模式预报产品及全球海气模式运算所需数据（李晓婷，2010）。ECMWF再分析月平均资料数据集按00、06、12、18四个时次统计，共62个变量，包括高空11个、地面51个，变量场格点化为2.5°×2.5°网格资料场。ECMWF数据目前已应用于研究局地极端天气气候和气象水文要素异常事件，为灾害预测预警服务。

地面高程数据采用国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的空间分辨率为90 m的SRTM3数据。

3 实验和结论

3.1权重确定

在运用多项指标进行综合评估时，从评估的目的看，各指标对评估对象的作用并不是同等的，这时可以引进一个系数表明不同指标在评估体系中的地位和相对重要程度，即权重。权重的差异一般由两方面因素决定，一是评价者的主观认识差异，二是指标间的客观差异。由于指标权重对于评估结果起着较为重要的作用，有时其改变甚至可以产生截然相反的结果，因此在评估工作中如何确定指标权重也是一项重点。本文采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）法确定权重，它是一种定性与定量结合的决策方法，可以将决策者的思维数学化、主观判断定量化，利用较少定量信息方便简洁的处理无法完全用定量方法分析的复杂问题。引入一致性指标CI是对判断矩阵的一致性进行检验，为了度量不同阶矩阵是否有满足的一致性，再引入判断矩阵的平均一致性指标RI。计算CR=CI/RI，若CR<0.1，则认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要对判断矩阵进行调整。由于决定各层指标的次级指标数目不同，因此其判断矩阵的大小有所不同，根据AHP计算原理，当评价指标为1~2个时，判断矩阵一定一致而无须进行一致性检验。表2所列为进行一致性检验的各指标权重确定。

3.2危险性评估

根据指标定义及量化方法，分别计算出单项评估指标，并按照指标融合方法计算得到各层次风险因子危险性，其空间分异如图2-图6所示。

由各要素危险性空间分异可以看出：

（1）海冰危险性分布由东至西、由南至北呈现出增大的趋势，且南北路段危险性大小相差较大，南路的海冰危险性明显低于北路。

表2 自然环境风险危险性指标权重

图2 海冰危险性空间分异图

图3 低能见度危险性空间分异图

图4 大风危险性空间分异图

图5 地形危险性空间分异图

图6 交通危险性空间分异图

（2）相比而言，南路低能见度危险性较北路大，存在两个高值中心。

（3）大风危险性对于南路和北路航线来说在空间分布上较为均匀。

（4）宽度较窄海峡与离岸较近航道的危险性较大，如帕利水道（MCS-VMS-BS-LS）东段和PRI线路（AG-CG-QMG-VS-FS-PRI）中段。

（5）地形危险性的高值较少，“西北航道”周围虽岛屿众多，但通航区域具有较大水深，对船舶吨位的限制较少。

由次级风险因子危险性合成自然环境风险危险性指数，最大值为0.863415，最小值为0.054 622 1，风险等级划分见表同表2，风险分级区划结果见图7。本文采用自然断点法对风险值进行分类，自然断点法是依据数据的统计特征，通过聚类分析的手段将相似性最大的数据分在同组。该方法充分考虑数据的固有属性和自然分组，最为客观（汤国安等，2004）。

图7 自然环境危险性空间分异

表3 自然环境风险危险性等级划分

图7中可见，“西北航道”各个路段自然环境危险性具有一定差异，呈现出空间分异特征：

（1）相比波弗特海，巴芬湾的危险性较小；

（2）北路航道的危险性较南路大；

（3）连接南北路的四条中路水道，即分别经过威尔士王子海峡（PWS）、麦克林托科海峡（MCC）、皮尔海峡（PS）和利金特王子湾（PRI）的四条水道中，PRI航道的危险性相对较小；

（4）相对而言，现有航线中PRI航道整体危险性较小，最具通航意义。

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（本文编辑：袁泽轶）

Natural environment threat assessment for the Northwest Passage in the context of climate changes

GE Shan-shan,ZHANG Ren,YANG Meng-qian
（Meteorology and OceanographySchool,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China）

The expect for the open of Northwest Passage in the Arctic under the climate change would bring favorable chance for our energy strategy development,while the complexity and uncertainty of social and political effect and the impact of climate changes may expose the passage to some underlying risks and challenges.This paper would study the impact of global climate changes on the Northwest Passage and the risk assessment of Northwest Passage based on the theory and method of risk analysis.The potential factors which affect the Northwest Passage in the context of global climate changes are analyzed.And the risk analysis index system is established to evaluate the natural disaster risk threat of the Northwest Passage quantitatively and comprehensively.

climate change;Northwest Passage;index system;threat assessment

P732.5

A

1001-6932（2017）02-0121-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.001

2015-07-31；

2016-01-23

葛珊珊（1981-），博士，讲师，主要从事气候变化对海上能源通道安全研究。电子邮箱：gss.nnu@qq.com。