2002—2020 年北極西北航道夏季適航性多要素綜合評估

王月云，龐小平*，季 青，劉清全

（1. 武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079；2. 重慶市規(guī)劃設計研究院，重慶 401147）

在過去的幾十年里，北極地區(qū)的海冰面積急劇下降[1]，夏季降幅尤為明顯[2-3]，極大地延長了北極航道夏季通航時間[4-5]。一方面，與通過蘇伊士運河或巴拿馬運河的傳統航道相比，北極航道在航行距離和經濟成本方面都更具優(yōu)勢[6-7]；另一方面，北極地區(qū)蘊含著豐富的水資源、礦產資源和生物資源[8]，而我國作為地緣上的“近北極國家”，北極航道的通航勢必影響我國的經濟貿易格局、能源格局和政治格局[9]。因此，在全球氣候與海冰快速變化的背景下，對北極航道夏季適航性進行評估，不僅能為我國更好地開展極地科考和商業(yè)航行提供一定的借鑒，還能維護我國的極地權益，為我國更好地認識和利用北極服務。

北極航道通航環(huán)境具有自然和社會雙重屬性，能否通航、通航安全與否受到多種因素影響[10]。Haas C[11]等通過研究西北航道海冰厚度變化發(fā)現，現階段西北航道海冰厚度情況依然會給航運帶來較大風險；Melia N[12]等通過全球氣候模型模擬船舶航行北極航線認為，到本世紀中期中央航道也有極大可能性通航；李新情[13]等利用海冰密集度數據對2014年東北航道冰情和開通情況進行了分析；王相宜[14]等利用海冰密集度和海冰類型數據分析了2005—2015年東北航道途經海域通航環(huán)境的變化情況；馬龍[15]等利用2005—2014年的海冰密集度產品，選擇東北航道對航線通航窗口進行了提取，并分析了其變化特征；汪楚涯[16]等基于海冰密集度數據研究了西北航道的通航情況。上述研究對北極航道通航環(huán)境和關鍵海峽進行了分析與評估，但多為針對單一海冰要素對通航性的影響分析，缺乏結合航道氣溫、風速、風向等氣象條件以及水深、洋流等水文環(huán)境信息的綜合量化研究，且當前國內針對北極航道相關研究中對西北航道適航性的研究較少[17]，評估過程中權重確定方法也多采用層次分析法等主觀權重確定方法[18-20]。

鑒于此，本文嘗試綜合海冰、氣象和水文因素數據，結合量化的法律政策、港口與助航設施等非自然影響因素，采用主客觀權重相結合的定權方法定量評估北極西北航道2002—2020年的夏季適航性，以期為更好地認知北極、開發(fā)利用北極西北航道提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況和數據來源

西北航道是指從北大西洋經加拿大北極群島進入北冰洋，再進入大西洋的一條航道，東起加拿大東北部戴維斯海峽和巴芬灣，西至美國阿拉斯加北面的波弗特海。本文選取的研究區(qū)范圍為66.5°~82°N、55°~170°W；采用的數據為美國國家雪冰數據中心提供的海冰密集度產品，歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA-Interim 全球大氣再分析資料中的2 m 氣溫、10 m 風場和海表溫度數據，美國國家環(huán)境預測中心發(fā)布的CFSR 再分析資料中的經向海流、緯向海流和云水混合比數據，北冰洋國際等深線圖（IBCAO） 的水深數據，北冰洋劃界信息數據[21]，ERSI 發(fā)布的世界港口指數（World Port Index Twen?ty Fifth Edition, 2016） 以及北半球基礎地理底圖數據。

2 綜合評估模型的建立

近年來，西北航道夏季冰情在不斷減輕，每年的7—10 月為西北航道海冰范圍的低值期，一般在9 月達到最小值[22]。在西北航道可通航的年份中，可通航的開始日期一般在8 月，結束日期在9 月底至10 月初[16]。西北航道通航情況與其通航環(huán)境風險程度密不可分。目前，由于北極航道通航環(huán)境評估多采用主觀賦值法[18-20]，考慮到其對評價結果客觀性的影響，王哲[23]等在評估過程中引入粗糙集方法確定權重，進而構建模型對航道適航性進行評估。為了更客觀、合理地對北極西北航道適航性進行綜合評價，本文采用主客觀相結合的指標權重確定方法，以實現主客觀權重的優(yōu)勢互補。首先采用層次分析法確定北極西北航道適航性評價指標的主觀權重，再利用粗糙集方法[24]確定客觀權重，最后利用線性加權組合法[25]對主、客觀權重按偏好系數進行計算，得到組合權重值，進而構建綜合評估模型。

2.1 評價指標體系的建立

西北航道的海冰、氣象、水文、海底地形等情況較為復雜。西北航道日平均最低氣溫在2 月，可達-40~-35℃，夏季航區(qū)的氣溫約在6~10℃；航區(qū)的霧很頻繁，在西南和東南風時產生的平流霧濃度很大，能見度非常低，霧最大頻率發(fā)生在6—9月，沿岸和冰緣間常有蒸汽霧和輻射霧產生；航道大部分海域一年中主要為西北風，其中加拿大沿岸以西北風為主，波弗特海多為東南風，巴芬灣和戴維斯海峽以西北和東南風占優(yōu)勢[26]；航道巴芬灣和戴維斯海峽平均流速約為2 kn，波弗特海平均流速為0.5 kn[27]；航道在加拿大北極群島北側的兩條航線（經梅爾維爾子爵海峽）水深超過400 m，南側的幾條航線多淺灘和巖礁，航線相對復雜，且待行船只吃水深度不能超過10 m[28]。西北航道沿岸港口設施和考察站建設的位置在地理空間分布上具有不均勻性，同時在航道航行的船舶也受國際公約和各國相關法律的限制和約束。因此，西北航道的適航性是上述各因素綜合作用的結果。

針對各影響因素數據進行檢索，結合專家意見對影響因素進行篩選，本文將影響西北航道適航性的因素分為海冰、氣象環(huán)境、水文環(huán)境、地理環(huán)境、助航設施和政治影響，并進一步細化指標，從而建立北極西北航道適航性評價指標體系，如表1所示。

表1 北極西北航道適航性評價指標體系

2.2 指標量化

指標量化計算是針對二級指標進行的。由于不同指標的量綱不同，進行指標融合前，必須對各指標進行標準化處理，轉化為0~1的無量綱值。

1）海冰密集度用于評估單元海冰的密集程度。d1越大，海冰密集度越高，越不適合通航，風險度越高。

式中，d1為海冰密集度標準化值；C 為評估單元原始海冰密集度；Cmin為最小值；Cmax為最大值。

2）海冰厚度用于評估單元海冰厚度。d2越厚，越不適合通航，風險度越高。

式中，d2為海冰厚度標準化值； H 為評估單元原始海冰厚度；Hmax為研究區(qū)域內海冰厚度最大值。

3）氣溫用于評估單元氣溫。 d3越大，溫度越低，越不適合通航，風險度越高。

式中， d3為氣溫標準化值；T 為評估單元原始氣溫；Tmin為研究區(qū)域內氣溫最小值。

4）能見度用于評估單元能見度。d4越大，能見度越低，越不適合通航，風險度越高。

式中，d4為能見度標準化值；V 為評估單元原始能見度值；V0為低能見度參考值，依據國際霧級規(guī)定，將V0取4 000 m。

5）風速用于評估單元風速。 d5越大，風速越高，越不適合通航，風險度越高。

式中， d5為風速標準化值；W 為評估單元原始風速；Wmax為研究區(qū)域內風速最大值。

6）海流流速用于評估單元流速。d6越大，流速越高，越不適合通航，風險度越高。

式中，d6為流速標準化值；S 為評估單元原始流速；Smax為研究區(qū)域內流速最大值。

7）海表溫度用于評估單元海表溫度。d7越大，溫度越低，越不適合通航，風險度越高。

式中，d7為海表溫度標準化值； F 為評估單元原始海表溫度；Fmin為研究區(qū)域內海表溫度最小值。

8）航道深度用于評估單元水深。d8越大，深度越淺，越不適合通航，風險度越高。

式中， d8為深度標準化值； D 為評估單元原始深度；D0為深度參考值，取50 m。

9）航道寬度用于評估單元與兩側海岸的距離。d9越大，寬度越窄，越不適合通航，風險度越高。

式中，d9為寬度標準化值；wid 為評估單元與兩側海岸的距離；K0為寬度參考值，取50 km。

10）港口設施用于評估單元與港口距離。d10越大，與港口距離越遠，風險度越高。

式中，d10為港口設施標準化值； D'為評估單元與港口的距離；K1為距離參考值，取250 km。

11）國際法限制用于評估單元所屬區(qū)域的性質。d11越大，受國際法影響越大，風險度越高。

式中，d11為國際法限制標準化值；D'為評估單元屬性。

2.3 權重的確定

主客觀相結合的權重定權方法首先需要分別確定評價指標的主觀權重和客觀權重。評價指標的主觀權重采用層次分析法計算得到。本文面向相關單位和研究領域（國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心、中國國家海洋環(huán)境預報研究中心、國家海洋局海洋研究所、大連理工大學等科研院所和院校）的專家發(fā)放調查問卷40份，根據調查問卷得到評判矩陣調查基礎數據，經計算得到北極西北航道適航性評價指標主觀權重，如表2所示。

表2 北極西北航道適航性評價指標主觀權重

評價指標的客觀權重采用粗糙集方法確定。本文利用2002—2020 年7—10 月的月均海冰密集度、氣溫、能見度、風速、海流流速、海表溫度等數據計算海冰因素、氣象環(huán)境因素和水文環(huán)境因素的客觀權重，其中能見度根據Kunkel提出的能見度計算公式[29]由云含水量數據計算得到。首先將數據離散化處理和屬性值約簡；然后刪除屬性值相同的樣本得到簡化的決策表，并分別按條件屬性和決策屬性對決策表論域進行分類；再計算得到各條件屬性集關于決策屬性的近似精度，分析每條屬性關于決策屬性的重要性；最后歸一化得到海冰密集度、氣溫、能見度、風速、海流流速和海表溫度的客觀權重為0.42、0.05、0.19、0.10、0.14、0.10。評價指標的組合權重通過線性加權組合法計算得到。西北航道指標權重如表3所示。

表3 北極西北航道適航性評價指標組合權重

2.4 適航性評估模型的構建

本文采用線性加權組合法得到組合權重并將指標標準化后，則可構建北極航道適航性評估的數學模型。其表達式為：

式中，W 為北極航道適航性風險指數；i 為各影響指標； n 為總指標數；Ci為其對應的影響指標指數；WCi為其對應的權重。

3 西北航道夏季適航性分析

根據指標定義和量化方法，本文分別計算得到二級指標的權重值，再采用加權疊加的方法分析北極西北航道的夏季適航性。由各指標數據加權疊加得到西北航道夏季適航性的風險指數，最大值為0.769，最小值為0.085，適航性等級劃分如表4所示，適航性分級區(qū)劃結果如圖1所示。

表4 北極西北航道夏季適航性等級劃分

通過對比2002—2020年北極西北航道夏季適航性等級空間分布圖發(fā)現，西北航道夏季適航性在近19年有較明顯的改善，2002—2005 年西北航道2/3 以上的區(qū)域適航性較差，波弗特海沿岸海域和巴芬灣海域相對較好，麥克盧爾海峽、梅爾維爾子爵海峽以及維多利亞島東部海域船舶難以航行；2006—2008 年波弗特海域適航性有顯著改善，較安全可通航的海域面積逐漸增加，維多利亞島東部海域由不可通航變?yōu)檩^不安全可通航；2009 年不安全可通航的航道范圍再次擴張，北極群島周邊幾個關鍵海峽船舶難以航行；2010—2012年不安全可通航的航道區(qū)域明顯減少，大部分地區(qū)適航性較好；2013—2017年波弗特海海域和加拿大深海平原由大面積的不安全可通航變?yōu)榇竺娣e的較安全可通航，加拿大北極群島周邊海域基本為較不安全可通航；2018—2020年加拿大北極群島周邊海域不可通航的范圍有所增加。總體來看，加拿大北極群島周邊海域的適航性變化不具有趨勢性，西北航道適航性最好的年份是2012年。

4 結 語

本文綜合考慮影響北極西北航道船舶航行的多方面因素，建立了北極西北航道適航性評價體系，采用主客觀相結合的權重確定方法，并利用國內外多源數據評估了北極西北航道近19 年的夏季適航性。其主要結論為：①由各影響因素的權重值可知，海冰因素依然是影響北極航道適航性的關鍵因素，其次是氣象環(huán)境因素和水文環(huán)境因素；②2002—2020 年夏季西北航道整體適航性有一定的提升，適航性較好的區(qū)域主要是楚科奇海和波弗特海沿岸的海域；③加拿大北極群島周邊海域適航性年際變化較大，是影響通航的關鍵區(qū)域。