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北極東北航道自然環境風險區劃
——以俄羅斯北部海域為例

2017-11-07 12:13:31葛珊珊巨玉乾
海洋工程 2017年5期
關鍵詞:海冰區域

王 哲,張 韌,葛珊珊,巨玉乾,曹 朕

(1.國防科技大學 氣象海洋學院,江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學院,江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊,河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊,河北 滄州 061000)

北極東北航道自然環境風險區劃
——以俄羅斯北部海域為例

王 哲1,張 韌1,葛珊珊2,巨玉乾3,曹 朕4

(1.國防科技大學 氣象海洋學院,江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學院,江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊,河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊,河北 滄州 061000)

在全球變暖背景下,針對北極海冰融化和東北航道開通的航行風險問題,采用風險評估理論,利用海冰密度、風速、能見度、氣溫和高程等指標數據,構建風險指標體系,開展了對北極東北航道主要航段自然環境危險性風險(以下簡稱綜合風險)的評估與區劃等工作,討論各指標因子對綜合風險的貢獻度,得到如下結果:1)經驗上來看,北極東北航道適宜通航的月份為7~10月,從風險量化角度分析得出東北航道7~10月自然環境風險較其它月份低,對經驗結論進行了驗證。2)研究區綜合風險分布為“東高西低”,即巴倫支海的綜合風險較低,咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風險較高。3)可通航月內(7~10月),9月份綜合風險最低,其次是8、7月份,10月份綜合風險最高。4)除去個別年份(2008和2009年),研究區在2004~2015年綜合風險呈現下降趨勢,2015年達到最低值。5)敏感性分析得:海冰對綜合風險的貢獻度最大;風速、水深次之;氣溫對綜合風險貢獻最小。

東北航道;風險區劃;風險評估;北極航道;北部海域

全球氣候變暖背景下,北極海冰不斷融化,據預測2050年夏季北極海冰或將完全消失。屆時,北極航道的開通及能源大規模開采可能成為現實。國際海事組織IMO2016年批準的《極地規則》及其修正案[1],已于2017年1月1日生效。該規則的通過,發出了一個迫切的信號:未來航行船只要通過北極航道,必須符合IMO所制定的通航條件,否則不予通航。

然而,現階段北極地區商業活動仍有較多障礙。首先,多數國家船員對東北航道各部分海域海況及氣象要素掌握有限,沒有足夠的北極航行經驗。其次,北極環境狀況復雜多變,不同區域以及季節的環境差異巨大,也為能源開采帶來了很大挑戰。但是,相關國家對北極油氣開發及航運活動十分重視,可以預見北極地區大規模商業活動必然會成為未來全球格局的重要支點。因此,對北極航道自然環境風險進行初步研究很有必要。

目前,國內外對北極地區自然環境及其風險的研究已有不少成果。DNV GL船級社基于WEB-GIS,建立了以冰況、救援能力和能見度等為評價指標的評估模型,對整個北冰洋進行了風險區劃[2];Bahin[3]等采用IF-AHP法,基于專家經驗對北極航行風險進行了識別與量化;S Kum[4]等采用事故樹分析法,對1993~2011年北極地區的航行事故以及發生原因進行了統計分析。Haas C等[5]對西北航道海冰厚度進行了研究,研究結果對預測冰分裂、夏季冰情況和海冰對夏季航運危害評估具有重要意義。楊理智[6]運用ARCGIS對北極西北航道風險區劃進行了初步探討;楊孟倩等[7]對北極機遇、挑戰與風險進行了系統梳理;汪楊駿等[8]基于博弈論思想,對環北極各國在多種不同合作模式下的爭端情況進行了模擬預估與實驗仿真。閆力[9]采用灰色模糊理論對北極航道進行評估,認為航道不安全但可通航。此外,對北極航道在法律法規、航線經濟性、北極資源等方面[10-12]也有較多研究。

然而,以上對北極航道自然環境的研究,仍有可改進之處:1)評價指標體系建立比較簡單,不能全面反映航行風險。2)過于依賴專家經驗,評估結論易受到專家水平影響。3)評估指標的數據資料可靠性和準確性有待提高。4)評估尺度宏觀寬泛,對象目標較為模糊,難以用于實際航行參考,風險區劃精度有待提高。5)模型指標權重的確定方式單一,主觀性強,經驗依賴度高,對評估結果準確性有影響。

結合以上討論,基于風險評估理論及北極地區自然環境條件,合理選取風險指標,建立北極東北航道自然環境風險體系,以北極東北航道為例,進行自然環境風險區劃,為北極地區海洋工程活動和航線選擇提供參考。

圖1 東北航道概況Fig.1 Overview of the Northeast Passage

1 研究區域概況

研究選取北極東北航道主要航道進行研究(20°E~180°E,68°N~83°N),航道大部分航段位于俄羅斯北部沿海的北冰洋離岸海域。東北航道上連接五大海域的海峽多達58個,其中最主要的有10個,不同海域氣象條件等要素各有差異。

航道從北歐出發,向東穿過北冰洋巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海和楚科奇海五大海域直到白令海峽。巴倫支海平均水深約229 m,氣候相對溫暖,冰情較輕;咯拉海水深較淺,平均118 m,水深不足50 m的海域占到整個海域40%。同時夏季多霧,能見度不良;拉普捷夫海平均水深達到519 m,但53%水深不足50 m。南部海域全年9個月氣溫在0°C以下;東西伯利亞海極淺,平均水深不足45 m,氣候極度嚴寒,結冰期長達9個月。

2 數據與方法

2.1數據處理

使用的海冰密度、溫度和風速等格點數據來自歐洲中期預報中心,能見度數據來源于全球氣象站點,高程格點數據采用ETOP1數據(表1)。由于數據源不同,進行指標融合時,需要對海冰密度等數據進行插值處理,與高程數據的空間分辨率進行匹配。

表1 數據來源網址Tab.1 Data source URL

2.2研究方法

風險理論認為:風險是危害事故發生的可能性與危害事故嚴重程度的綜合度量[13]。衡量風險大小的指標是風險度R(risk),它等于事故的威脅性T(threat)大小與承災體脆弱性V(vulnerability)的乘積,事故的威脅性T可用孕災環境敏感性S(Sensitivity)和致災因子危險性D(Danger)表示。風險R可表示為:

敏感性S表示災害發生環境對災害的放大效應,危險性D表示目標遭受災害襲擊的強度;脆弱性V表示災害導致承災體損壞發生的概率,即襲擊導致目標產生損失的期望。

在此僅對北極東北航道自然環境的危險性D進行研究,風險值采用加權綜合評價法(WCA)[14]進行計算,公式:

式中:Cj表示風險度的計算值;Xi是對應于因子j的指標i的標準化值;Wi是指標i的權重;n是對應于因子j的指標個數。

指標融合的過程中,各個指標的權重合理確定非常重要。不同指標對最終風險結果的貢獻度不同,本文采用改進的灰色關聯度法[15]確定指標權重W。

3 風險評估建模

3.1指標選取以及體系建立

目前,北極地區氣象水文資料相對較為缺乏,在建立風險評價體系和選取指標時,既要考慮指標對風險的重要程度,也要考慮指標數據的可獲取性。海冰密度過大是阻礙東北航道通航的關鍵因素,若航行時能見度狀況不好,那么在視野不良且海冰密度過大情況下,一旦發生嚴重碰撞,將會造成不可挽回的損失。同時,北極地區的極寒天氣會對船員的身體健康和設備操作造成負面影響,從而使航行存在安全隱患。北極地區特殊的地磁場環境,也可能會使船舶電子設備出現失靈情況。

基于以上討論,建立北極東北航道自然環境指標體系,見圖2。

圖2 東北航道自然環境風險指標體系Fig.2 Natural environment risk index system of northeast channel

3.2指標標準化處理

指標體系中不同指標的量綱不同,采用極值標準化法進行標準化處理,以消除量綱差異并保留原始數據關系。指標標準化公式如下:

溫度:

T為評估單元原始溫度值,Tmin為研究區域該指標最小值-12.34°C。航道水深:

航道越淺,船舶發生擱淺、觸礁等的可能性越大。dep為水深絕對值,參考值K2取50 m。水深超過50 m,致險度為0。

海冰密度:

I'為指標標準化值,I為原始值,Imin為最小值0,Imax最大值為1。

大風強度:

從能量學角度出發,評估單元內風的強度由風速大小決定,W'為大風強度指標,W為評估單元內年平均風速,Wmin為大風最低標準值,依據蒲福風力等級表,大風最低標準值為10.8 m/s。

能見度:

V為評估單元年的月平均能見度,V0為低能見度參考值,依據國際霧級規定,將V0取為4 000 m。V>4 000 m為高能見度,風險度為0;V≤4 000 m為低能見度,值越小,風險度越高。

3.3指標權重確定

改進的灰色關聯度法本質是對多位專家經驗判斷權重與某一專家經驗判斷的最大值(設定)進行量化比較,根據其彼此差異性的大小分析確定專家群體經驗判斷數值的關聯程度。關聯度越大,說明專家經驗判斷趨于一致,該指標在整個指標體系中的重要程度就越大,權重也就越大。

權重確定步驟如下:

計算步驟:

1)設有n個評價指標,m個專家對各指標權重作出經驗判斷,組成指標權重的經驗判斷數據列,用矩陣形式表示如下:

2)確定參考序列:

從X中挑選一個最大的權重值作為“公共”參考權重值,各專家的參考權重值均賦此值,組成參考數據列X0:

3)求各個指標序列X1,X2…,Xn與參考數據列X0之間的距離:

4)求各個指標的權重:

5)求各指標的歸一化權重:

根據以上計算公式,得到指標體系權重結果如表2所示。

表2 指標權重確定表Tab.2 Indicator weight determination table

4 區劃結果分析

4.1適航月份分析

圖3為2004~2015年多年1~12月的月平均風險區劃圖。圖中,巴倫支海大部分海域全年風險較低,其它海域除7~10月份風險相對較低以外,其它月份風險值基本處于0.6以上,風險較高,不宜航行。尤其在4月和11月,部分海域風險值高達0.8。航行經驗上看,北極東北航道適航月份為7~10月,本文從風險量化評估的角度對這一經驗結論進行了驗證。圖3中,7~10月研究區的風險整體呈現“先降低,再增加”的趨勢。

7月份巴倫支海以及咯拉海西部區域風險值基本處于0.35以下(黑色等值線),風險較低??├S驏|部偏南區域風險較高,風險值在0.35~0.45(藍色等值線)左右,處于中等風險。拉普捷夫海和東西伯利亞海區域風險值達到0.45以上,綜合風險偏高船舶航行時需要注意防范風險。

與7月份相比,8月份拉普捷夫海域中心區域以及東西伯利亞海域東部區域風險下降較快,基本處于0.35以下,航行風險較輕。

9月份綜合風險最低,航道主體區域風險值基本在0.35以下,風險較低,最適合航行。到了10月份,除了巴倫支海和咯拉海西部區域風險值維持較低水平,巴倫支海東半部分、拉普捷夫海以及東西伯利亞海大部分區域風險值均有明顯增加,基本達到0.55以上,處于中等風險。

此外,維利基茨基海峽以及周邊海域風險較高,個別區域的風險值達到0.6以上,主要原因可能來源于兩方面,一是海峽周圍容易造成海冰堆積,海冰密度過大;二是海峽周圍海域較淺。

以上分析表明,東北航道適航月份內,航行風險最低的月份為9月份,其次是8月、7月,10月份航行風險最高。

圖3 2002~2015年多年1~12月月平均綜合風險(注:從左到右,從上到下依次為2002~2015年區劃圖)Fig.3 Monthly average combined risk from January to December over the years 2002~2015

4.2適航月份驗證

為了驗證風險區劃的合理性及準確性,將圖3中7~10月區劃圖與DNV GL船級社繪制的7~10月區劃圖作比較(圖4白色框內區域)。DNV GL船級社的區劃圖風險值同樣呈現“西低東高”的形式,即巴倫支海和咯拉海西部風險較低,咯拉海東部區域、拉普捷夫海和東西伯利亞海風險較高。同時,風險區劃結果也是9月份綜合風險最低,8月、7月次之,10月份最高,本文所做區劃與圖4結論有較好的一致性。

圖4 DNV GL船級社北極風險區劃圖Fig.4 Arctic risk zoning map of DNV GL Classification Society

4.3適航月份年際平均風險區劃分析

為了細致分析東北航道風險分布時空狀況,計算了2004~2015年每年研究區7~10月平均綜合風險。圖5中,2004、2006和2008年三年的風險值偏高,拉普捷夫海和東西伯利亞海的風險值基本在0.6(黑的等值線)以上。而從2009年開始,拉普捷夫海域的風險值開始降低,基本在0.4(紅色等值線)以下。從2011年開始,東西伯利亞海一半以上海域風險值下降到0.35(藍色等值線)以下。2004~2015年,咯拉海和巴倫支海的風險值基本在0.35以下,航行風險較低??梢园l現,研究區域中航道關鍵海峽周圍的風險一般較高,例如圖中維利基茨基海峽西面的風險值,有六年高于0.6。主要原因可能是在海表面風的影響下,海冰容易在海峽入口或者出口堆積。

圖5 2004~2015年7~10月逐年季平均風險值Fig.5 Average annualized risk values for the periods from July to October,2004~2015

4.4年際變化趨勢分析

為了研究區域綜合風險的變化趨勢,計算每個格點2004~2015年7~10月逐年月平均綜合風險的回歸系數,并繪制回歸系數等值線。

圖6中,黑色等值線為回歸系數為0的等值線,可以看出,2004~2015年研究區大部分區域綜合風險呈現逐年下降趨勢。僅在新地島以西海域和東西伯利亞海域北部回歸系數大于0,有較小的增加趨勢,拉普捷夫海綜合風險下降趨勢最大??梢酝茢?,北極東北航道的綜合風險的確在不斷地下降,對未來北極東北航道大規模通航十分有利。

圖6 2004~2015年7~10月研究區域逐年月平均風險值趨勢Fig.6 Monthly average risk value trend of research area in July to October,2004~2015

4.5敏感性分析

風險區劃的最終目的是發現風險、防范風險及針對不同的風險給出應對方案,對多年月平均綜合風險區劃結果進行指標敏感性分析,提取關鍵風險要素,使風險的防范具有針對性。

圖7 溫度區劃Fig.7 Temperature zoning

圖7中(a)、(b)、(c)、(d)分別為2004~2015年多年7~10月各月的月平均溫度區劃,研究區域內,巴倫支海域整體氣溫較其它海域高;7~9月三個月內,研究區域內氣溫基本在0°C以上,可知7~9月氣溫風險接近零。因為僅在10月份咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海域氣溫為-5°C~0°C左右,低于0°C,所以氣溫對綜合風險貢獻度較小。

圖8 海冰區劃Fig.8 Sea ice zoning

圖8中(a)、(b)、(c)、(d)分別為2004~2015年多年7~10月各月的月平均海冰密度區劃, 9月份研究區海冰密度最小,8月次之,7月、10月相對較為嚴重,巴倫支海和咯拉海大部分區域幾乎沒有海冰。冰情較為嚴重的7月、10月,維利基茨基海峽和拉普捷夫海峽周邊均有大面積的高密度海冰堆積??梢钥闯?,在拉普捷夫海域以及東西伯利亞海,海冰密度對綜合風險貢獻較大。

圖9 風速區劃Fig.9 Wind speed zoning

圖9中(a)、(b)、(c)、(d)分別為2004~2015年多年7~10月各月月平均風速區劃??梢钥闯?,7、8兩個月整體風速偏小,基本在6 m/s及以下。9月、10月兩個月整體風速偏大,巴倫支海域和咯拉海域的風速相對其它研究區域最大。周璐[16]等認為北極海冰密度的減少,主要由動力原因和熱力原因引起。因此,巴倫支海域較高的風速和其受到北大西洋暖流的雙重影響可能是該海域海冰密度最低的原因。風速對于綜合風險的主要貢獻區域,在巴倫支海和咯拉海兩個海域,船舶航行至此時需要防范大風可能帶來的航行風險。

圖10 地形區劃Fig.10 Terrain zoning

圖10為研究區域內水深危險度區劃圖,風險較大區域主要集中在離岸海域,且離岸越近風險值越大。幾個關鍵海峽附近,如維利基茨基海峽西部海域以及拉普捷夫海峽周圍海域風險較大,船舶航行時需要注意防范觸礁以及擱淺等事故發生。沒有直接繪制水深圖原因有兩方面:1)研究區域大部分海域水深超過100 m,幾乎沒有風險。2)不同區域水深差距巨大,不利于作圖以及區分風險度。

5 結 語

以上研究發現:1)經驗上來看,北極東北航道通航月份為7~10月,從定量化的角度分析得到:1~12月中,7~10月自然環境風險較其它月份最低,對適宜通航月進行了驗證。2)東北航道綜合風險呈現“東高西低”的趨勢,即巴倫支海為低風險,咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風險較高。3)可航行的月份里,不同月風險不同,9月份綜合風險最低,其次是8月,7月份較高,10月份最高。4)除去個別年份(2008年、2009年),研究區域綜合風險從2004~2015年呈現下降趨勢,2015年研究區域綜合風險最低。5)敏感性分析可知,海冰對綜合風險的貢獻度最大;風速、水深次之;氣溫對綜合風險有較小貢獻度,僅在10月份拉普捷夫海和東西伯利亞海域氣溫低于0°C。

以定量風險評估理論為基礎,從自然環境角度研究了北極東北航道部分海域的航行風險,得到一些結論并進行了分析。但是,北極航道的安全通航包括但不僅限于自然環境風險,還有政治風險、經濟風險、人文風險等等。在不久的將來,北極航道的開發與利用必然將會對世界航運格局造成深遠的影響。研究北極航道的過程中,不僅要對北極航道進行深入全面的研究,同時應當結合現有傳統能源通道,將全球能源通道作為體系進行研究,為我國能源運輸安全等提供科學支持。

以上所做研究,仍有許多不足之處:其一,由于北極氣象資料獲取難度大,綜合風險指標體系的建立有待完善。其二,北極地區航行風險不僅僅包括自然環境風險,還有人文風險等,下一步工作將考慮引入人文風險對綜合風險進一步區劃。其三,本文僅對北極東北航道部分海域進行風險區劃,下一步工作將考慮對整個北極區域進行自然環境風險區劃。

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Natural environment risk division of the Arctic northeast channel——Taking the Northern Sea Area of Russia as an example

WANG Zhe1,ZHANG Ren1,GE Shanshan2,JU Yuqian3,CAO Zhen4

(1.Institute of Meteorology and Oceanography,National University of Defence Technology,Nanjing 211101,China; 2.Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China; 3.Air Force 95920 Troops,Hengshui 253801,China; 4.Air Force 95809 Troops,Cangzhou 061000,China)

Under the conditions of global warming,the problem of navigating in the Arctic sea ice area and the northeast channel is studied.Based on the theory of risk assessment,using sea ice density,wind speed,visibility,temperature and elevation and other data,a risk index system is built.The assessment and zoning of the natural environmental risk (hereinafter referred to as the comprehensive risk) of the main section of the Arctic northeast channel are carried out and the contribution of each index factor to the comprehensive risk is discussed.The study results show that: 1) According to the past experience,the Arctic northeast channel is suitable for navigation from July to October.This paper analyzes the natural environment risk of the northeast channel from the point of view of risk quantification,and verifies the empirical conclusion.2) The comprehensive risk distribution in the study area is "high in the east and low in the west",that is,the combined risk of the Barents Sea is lower,and the risk of the Grada,Laplch and East Siberia is higher.3) In the navigable months (July-October),the lowest overall risk is in September,followed by August and July,and the highest comprehensive risk in October.4) Excluding individual years (2008 and 2009),the combined risk of the study area in 2004~2015 showed a downward trend and reached its lowest level in 2015.5) Sensitivity analysis: sea ice has the greatest contribution to the comprehensive risk; wind speed and water depth are the second; temperature contributes the least to comprehensive risk.

northeast channel; risk division; risk assessment

P97;D518;E818

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.007

1005-9865(2017)05-0061-10

2017-01-31

王 哲(1993-),男,陜西韓城人,碩士研究生,主要研究方向為海洋戰略風險研究。E-mail:376657030@qq.com

張 韌。E-mail: zrpaper@163.com

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