氣候變化背景下北極航線綜合評估模型研究

汪楊駿，張韌，2，王哲，朱穎倩

(1.國防科技大學氣象海洋學院 南京 211101；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心 南京 210044； 3.南京師范大學文學院 南京 210023)

氣候變化背景下北極航線綜合評估模型研究

汪楊駿1，張韌1，2，王哲1，朱穎倩3

(1.國防科技大學氣象海洋學院 南京 211101；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心 南京 210044； 3.南京師范大學文學院 南京 210023)

在全球持續變暖的影響下,北極部分地區夏季出現無冰期，北極航線具有更短的航運距離和相對穩定的地緣政治人文環境。文章從氣候變化角度出發,構建包含航行環境模塊、航跡規劃模塊和航線經濟效益模塊在內的綜合評估模型,評估北極地區海冰、風、浪、流等氣象水文地理要素對船舶航速的影響,確定北極地區的可航行天數；在此基礎上,利用A-Star算法尋找北極航線的最優路徑,并分析該路徑上的航運經濟效益；采用該評估模型對比在RCP4.5情景下2050年船舶往返歐亞大陸之間經東北航線與經蘇伊士運河航線的經濟效益，結果表明，蘇伊士運河航線的經濟效益更高，北極航線可作為替補航線。

北極航線;氣候變化;航行速度;航線規劃;經濟效益

1 引言

海洋貿易是世界貿易中最主要的組成部分，近年來隨著貿易運輸需求的進一步增大，傳統航線變得擁堵，加之自然災害、地緣政治沖突、海盜襲擊等的影響，人們開始尋找新的航運通道。20世紀80年代初，Young等[1]就提出了“北極的生命周期”概念，強調了北極地區的戰略重要性。21世紀以來，在全球氣候持續變暖的影響下，北極部分地區出現無冰，更短的航運距離和相對穩定的地緣政治人文環境，激發起人們探索開發北極航線的熱情。IPCC第五次評估報告指出，在極端情景下，到21世紀中葉北極夏季海域海冰將完全融化，到21世紀70年代末冬季海冰也將完全融化，北極實現通航不再是夢想。

北極航線，通常指穿過北冰洋，連接太平洋和大西洋的海上通道[2]。主要分為3條航線：東北航線、西北航線以及中央航線。其中，東北航線從北歐出發，途經北冰洋的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海，穿過新西伯利亞海和楚科奇海，抵達白令海峽；西北航線從白令海峽出發，沿阿拉斯加北岸，加拿大北極群島，抵達戴維斯海峽；中央航線從白令海峽出發，直接穿越北冰洋中心區域抵達格陵蘭海和挪威海(圖1)。

圖1 北極航道

當前，國內外眾多學者針對北極航線進行了研究，研究成果主要有2類：①從宏觀角度綜合研究北極航線問題。Trausti等[3]針對北極海冰融化的情景，分析了世界航運業格局的變化；戴晉[4]對東北航道的發展前景進行了預測，分析了東北航道開通后我國航運業的機遇與挑戰；Hong等[5]分析了北極航道開通對中國海運的影響及相關對策；解國強[6]闡述了東北航線關鍵海區水文氣象地理要素分布情況，并分析了影響船舶在該水域安全航行的潛在風險，在此基礎上提出若干安全航行的建議。②從經濟成本、海冰條件等要素出發，研究其對北極航道的影響。Stroeve等[7]基于CMIP5、CMIP3及觀測數據，分析了北極地區海冰的年代際變化趨勢及季節性變化規律，為研究北極通航提供了豐富的海洋數據；挪威船級社[8]基于北極當前氣候條件，對未來北極地區船舶活動量及二氧化碳的排放量進行了預測；Somanathan等[9]分析了不同情景下船只通過西北航道和巴拿馬運河時的運費率和航行成本；Liu等[10]比較了干散貨運輸在東北航道和蘇伊士運河的經濟效益；Way等[11]采用概率方法對不同航速下通過北極航道與蘇伊士運河的經濟成本進行了模擬，分析得到最優的航行速度。

綜上所述，對于北極航線自然環境(氣象水文地理條件)的評估主要以描述為主，側重于揭示北極航線上自然環境的現狀與未來變化趨勢。而對船舶在北極航線上的經濟效益的分析中，自然環境常常只是假定的情景，少有文獻進一步考慮自然環境變化對船舶經濟效益的直接影響。

本研究從氣候變化角度出發，構建包含航行環境模塊、航跡規劃模塊、經濟效益模塊在內的綜合評估模型，用以評估海冰、風、浪、流等氣象水文地理要素對船舶航速的影響，判斷北極可航行的天數；并在此基礎上利用A-Star算法，尋找北極航行的最優路徑；最后對該條最優路徑上的航運經濟效益進行分析。

2 模型構建

本評估模型主要分為3個模塊：航行環境模塊、航跡規劃模塊、航線經濟效益模塊(圖2)。在航行環境模塊中，海冰情況、氣象水文等要素被輸入模型中，作為背景場分析其對不同類型船只航速的影響，同時輸出北極航線可航行的天數。在航跡規劃模塊中，根據背景場修正的不同區域船只標準航速結合局地地理信息進行航跡規劃，優選出航行時間最短的最優航線。最后，綜合北極可航行天數以及最優航線，對北極航線的經濟效益進行分析。

圖2 北極航線綜合評估模型

2.1 航行環境模塊

采用加拿大交通部1998年提出的北極冰況運輸系統(AIRSS)，用以評估不同類型的船舶(表1)在北極地區不同海冰狀況下(表2)的航行情況。

表1 船舶類型

表2 海冰類型

在這套系統中，綜合考慮了能見度、航行速度、破冰船的能動性、工作人員的熟練度等，并采用IN指數反映特定船只在特定冰況下當日可航行情況：

IN=(CaIMa)+(CbIMb)+…+(CnIMn)

(1)

式中：Ca代表a類海冰密度；IMn代表n類海冰的海冰乘子，用以計算該類海冰在影響船舶可航行時的權重(表3)。當IN指數大于0時，表示該類船舶可在該類海冰區域中安全航行；當IN指數小于0，則該類船舶不能在該類海冰區域中航行。

表3 海冰乘子 kn/h

2.2 航跡規劃模塊

基于全球氣象水位地理要素建立船舶航行速度在全球范圍內的分布，基于航行時間最短的判別準則，采用A-Star算法尋找目的地間的最優航線。

2.2.1 海冰條件對航速的影響

海冰條件是影響船舶在北極地區航行速度的關鍵因素。海冰越厚、海冰越密集對船舶航行速度的減弱程度越大。最糟糕的航行情景是不得不租用破冰船來幫助航行，這無疑會增加整個航線的航運成本。海冰密度和海冰厚度與航速之間的關系如表4所示。其中，DS指船舶的設計速度，在無冰或者海冰密度小于30%的水域，不考慮其他氣象水文要素，船舶以設計速度航行；此外斜體部分的數值是指在采用破冰船引航后船舶的航速。

表4 海冰條件與船速的關系[12]

2.2.2 海流場、風場、浪高對船速的影響

在北極地區的無冰水域，船舶航速還受到環境要素，如風、浪、流的影響。這些影響因子對船速的影響取決于這些影響因子的數值大小以及其與船舶航行方向之間的夾角。如，若船舶航行方向與風和流的方向一致，則風和流對航速起著促進作用；反之，則阻礙船舶航行。此外，浪越高，船舶航行越困難，航速越慢。風、浪、流與船速之間的關系如表5所示。其中，DS指設計速度，VC指洋流速度，順向指的是船速與風向的夾角小于30°，逆向指船速與風向的夾角大于150°，其余都為側向；此外，當海冰密度超過30%時，這些要素的影響可以被忽略。

表5 海流、風速風向、浪高等要素與船速的關系

2.2.3 A-Star算法

A-Star算法是由P.E.Hart，N.J.Nilsson和B.Raphael共同提出的一種靜態路網中尋找最優路徑的有效搜索方法[13]。常規算法(如Dijkstra算法)能夠確保找到最短路徑但需要遍歷整個網格，效率較低；貪心算法搜索速度快，但并不能保證尋找到最優路徑。相比于Dijkstra算法和貪心算法，A-Star算法建立在啟發式算法之上，既能保證搜索速度，也能在啟發式算法的基礎上保證搜索的全局最優性，其算法具體流程為6步。

(1)確定起始點start，目標點end，開啟列表open，閉合列表close。

(2)使用啟發式算法計算start點的效用函數f(n)，并將start點存入open列表中。

f(n)=g(n)+h(n)

(2)

式中：f(n)是從初始狀態經由狀態n到目標的估計代價值；g(n)是在狀態空間中從初始狀態到狀態n的真實代價值；h(n)是從狀態n到目標狀態的最優路徑估計代價值。

(3)將open列表中效用函數最小的節點取出，作為當前狀態n節點，將該節點存入close列表中。

(4)若n節點就是end節點，則算法結束，退出算法。否則，繼續執行。

(5)考察n節點的所有可通行鄰節點，若close表中存在該節點，則跳過；若open表中不存在該節點，則計算該節點的效用函數f，該節點的父節點賦值為n節點，并將該節點加入open列表中；若open列表中已存在該節點，重新計算該節點的效用函數f，比較2次的效用函數f，用較小的f值替換較大的f值，并將父節點設為n節點。

(6)若open列表不空，則回到步驟(3)。否則，路徑尋找失敗，起始點與目的地之間沒有可通行路徑。

2.3 航線經濟效益模塊

經濟效益從運費、燃油費、船舶折舊費、常規費用及過路費5個方面進行評定，即

經濟效益=運費-燃油費-船舶折舊費-

常規費用-過路費[10]

(3)

式中：運費由貨物裝載量及在不同航道下年往返次數所決定。不同航道中的往返次數又與通過各航道的等待時間、船速及不同航道的路程所決定。北極海域海冰條件決定了北極航道的通航時間及航道積冰情況，與船舶性能共同決定了航速的快慢，從而影響航道總的航行路程和年往返次數。各要素計算方法為：

(4)

(5)

運費=載貨量×年往返次數×運費單價

(6)

總燃油費由航行中燃油消耗量與燃油單價共同決定，其中燃油消耗量是船速和航行總路程的函數。關系表達為：

(7)

式中：N為年往返次數。

總燃油費=燃油消耗量×燃油單價

(8)

船舶折舊費指的是船舶在使用過程中的年折損費用。常規費用是指船舶航行過程中的管理維修費用、保險費用及人工費用。而過路費是指通過不同航道所需繳納的費用，如經過東北航道要繳納破冰費，而經過蘇伊士運河也要繳納一定的過路費。

3 數據與分析

3.1 數據來源

海冰密度和海冰厚度數據來自于美國國家大氣科學中心(NCAR)提供的CCSM4模式在RCP4.5情景下的2006—2010年逐日數據，格點數為360×180。

風場數據來自于美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)提供的GFDL-ESM2G模式在RCP4.5情景下的2006—2010年逐月數據，格點數為360×210。

流場數據來自于1993—2014年法國國家空間研究中心(CNRS)提供的AVISO+多衛星融合逐日數據，格點數為480×241。

海浪資料來自于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的1979—2017年全球大氣再分析產品ERA-Interim逐日數據，精度為0.125°×0.125°。

地形數據來自于美國地球物理中心(NGDC)提供的ETOPO數據，精度為30′。

船舶信息、燃油費、過路費、日常運營費用以及航運收費數據來自于北極航線相關文獻。

3.2 數據分析

由于不同氣象數據以及地理信息數據的精度不同。首先要對數據的空間尺度進行歸一化處理。本研究以地形數據空間尺度為基準，將不同空間尺度的氣象水文要素數據插值到地形數據中。

4 數值仿真

本研究以蘇伊士運河航線作為對照組，運用上述模型，對北極航線東段即東北航線進行評估。

航行方案設定為：①船舶只在蘇伊士運河航線航行;②在北極航線開通的時間內在北極航線上航行，其余時間在蘇伊士運河航線上航行。起點和終點為大連(亞洲)—鹿特丹(歐洲)。

以4 300TEU的集裝箱船為例，具體評估流程為：①利用全球氣象水文地理環境數據建立影響船舶航行的環境背景場。②利用航跡規劃模塊優化從大連到鹿特丹的東北航線(圖3)，得到航線距離和各水域航速。③利用航行環境模塊，計算該優化航線上的年均可航行天數(在本研究中，當且僅當最優航線上所有格點的IN指數均大于0時，才可被記為可安全航行)。④利用航線經濟效益模塊分析航行采用方案1與方案2的經濟效益(表6)。

圖3 氣候變化背景下2050年東北航線航跡規劃(最優航線)

參數東北航線蘇伊士運河可航行天數/d152365距離/nmile8056(7931)10907單次航行時間/d35(33)48船舶類型ICE1B集裝箱船常規集裝箱船船舶基準航速/(kn·h-1)1414船舶折舊費/(萬美元·a-1)528440燃油費/(美元·t-1)350350過路費/(美元·t-1)—240800破冰費/(美元·t-1)446000—常規費用/(美元·d-1)89256100航運收費/(美元·TEU-1)12001200經濟效益/(美元·a-1)43984004623100

注：東北航線中括號內數字為2013年中遠集團永盛輪從中國大連出發到荷蘭鹿特丹，順利完成北極東北航道首航任務實測數據。

綜合評估模型模擬的結果顯示：在RCP4.5情景下，2050年該條北極航線在1 a中有152 d可航行；最優航線長度為8 056 n mile，相比于蘇伊士運河10 907 n mile，該航線距離更短，航行時間可節省13 d。這與2013年中遠集團永盛輪從中國大連出發到荷蘭鹿特丹，順利完成北極東北航線首航任務的實測數據相當接近。經濟效益方面：采用方案1的年收益為4 623 100美元，而采用方案2的年收益為4 398 400美元。因此，在RCP4.5情景下，2050年從大連(亞洲)到鹿特丹(歐洲)，蘇伊士運河航線仍然是主要航運樞紐，比北極航線有更高的經濟效益；但未來北極航線在可航行時段將成為重要的替補航線，用以緩解蘇伊士運河航線日益擁擠的情況。

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IntegratedAssessmentModelofArcticRouteswithClimateChange

WANG Yangjun1，ZHANG Ren1，2，WANG Zhe1，ZHU Yingqian3

(1.Institute of Meteorology and Oceanology，National University of Defense Technology,Nanjing 211101,China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China； 3.College of Liberal Arts，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China)

With the impact of global warming, parts of the Arctic region become ice free in summer. Comparing to the traditional sailing routes, the Arctic routes have shorter distance, more relatively stable geopolitical environment, which have stimulated people to explore the Arctic routes enthusiastically. This paper, from the perspective of climate change, built an integrated assessment model which contains navigation environment module, route planning module and economic profits module to assess the impact of meteorological and hydrological features such as the Arctic sea ice, wind, wave, flow and depth etc. on the sailing speed, to count the number of days that ships can navigate at the north pole. In the model, an A-Star algorithm was used to find the optimal path of Arctic routes and the economic profits of sailing on the Arctic routes had been calculated. The proposed model and algorithm was used to simulate an existing scenario (RCP4.5). The results showed that in the year of 2050, the economic benefits of the route through the Suez Canal will be higher, and the Arctic route can be used as a substitute route.

Arctic routes, Climate change, Navigation speed, Optimal routes, Economic profits

2017-08-10；

2017-11-17

“全球變化與海氣相互作用”國家專項.

汪楊駿,博士研究生,研究方向為海洋環境風險評估

張韌,教授,博士生導師,博士，研究方向為海洋環境影響評估與決策

P731；U697

A

1005-9857(2017)12-0118-07