葛珊珊，張韌，楊孟倩

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

氣候變化背景下西北航道自然環(huán)境危險性評估

葛珊珊，張韌，楊孟倩

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

在氣候變化背景下，北冰洋“西北航道”開通預期提前，為我國能源戰(zhàn)略帶來良好的發(fā)展機遇，同時其社會政治效應及氣候變化和影響的復雜性、不確定性也使該航道面臨潛在風險和挑戰(zhàn)。引進風險分析的理論和方法，對全球氣候變化對影響“西北航道”的自然環(huán)境開展研究。針對氣候變化對“西北航道”自然環(huán)境潛在風險要素進行梳理，構建危險性評價指標體系，對自然災害危險性進行綜合定量的評估區(qū)劃。

氣候變化；西北通道；指標體系；危險性評估

北極“西北航道”的探索史始于15世紀新航路開辟運動，當時歐洲各國紛紛探索通往東方的海上航道，英國人率先取道北冰洋，希望穿越北極海域到達太平洋。惡劣的氣候及地理環(huán)境條件，使得探險家在20世紀初才得以完全從水域穿行“西北航道”，航道因其安全系數(shù)過低被歷史塵封，而關于航道的研究也較少出現(xiàn)。

在全球溫度普遍升高的情況下，北半球高緯度地區(qū)的升幅最大，近百年來，北極的升溫速率是全球平均水平的兩倍，隨之帶來的是冰川的消融和海冰覆蓋面積的大范圍減少，有科學家推測25~ 30年內(nèi)，北冰洋的海冰將在夏天消失，屆時，“西北航道”的通航將會實現(xiàn)。特殊的地理位置使得“西北航道”具有的巨大經(jīng)濟效益、資源利益以及軍事價值，從而受到世界各國的廣泛關注。

（1）“西北航道”給我國經(jīng)濟發(fā)展帶來一個契機。

首先，遠洋航運成本降低，利于對外貿(mào)易發(fā)展?！拔鞅焙降馈笔沁B接大西洋和太平洋的捷徑之一，可以使我國與北美東海岸及西歐的航運距離減少1/3甚至更多，減少人力物力的消耗以及時間的損耗，對遠洋貿(mào)易有促進作用。其次，新航道的通航會改變世界航運格局，亞洲的航運中心地位將得到凸顯，我國北方部分港口有機會在國際貿(mào)易中獲得更多發(fā)展（李振福，2009）。

（2）“西北航道”打開北極大門，增加資源來源。

北極蘊藏著豐富的石油、天然氣、礦物和漁業(yè)資源，“西北航道”的通航將使其開采變成現(xiàn)實，積極參與“西北航道”及北極的開發(fā)工作，將很大程度上緩解我國部分所缺資源的補給問題（劉江萍，2008a）。

（3）作為未來的“艦隊高速公路”，“西北航道”的軍事意義重大。

未來戰(zhàn)爭一旦爆發(fā)，“西北航道”便會成為一條“艦隊高速公路”，假若戰(zhàn)爭在大西洋海域發(fā)生，我國作為太平洋沿岸的大國，潛艇及軍艦可以經(jīng)由這條航線迅速前往事發(fā)海域，在最短的時間內(nèi)對非常局面作出反應，以最短的時間到達戰(zhàn)略攸關地區(qū)，為本國占領地緣政治先機（劉江萍，2008b）。

（4）航道的通航使我國面臨各方面的壓力。

一方面對外貿(mào)易取得發(fā)展的同時，國內(nèi)企業(yè)會由于進口貿(mào)易的增加而面臨更大的競爭，南北方經(jīng)濟也有可能因為航運格局的改變而受到不同影響，造成地區(qū)差異；另一方面航道的主權歸屬尚未有法律規(guī)定，主權爭端不利于世界和平發(fā)展（李振福，2009）。

“西北航道”的通航無疑使我國的對外貿(mào)易以及能源運輸增加了一個途徑，可以緩解我國海上運輸過度依賴南海-印度洋海域通道的情況，而能源的供給是否充足直接關系到一個國家的經(jīng)濟、政治穩(wěn)定。因此，對“西北航道”的通航進行必要的研究不僅具有科研價值，也是關系國家安全的重要內(nèi)容?；陲L險分析的理論，在氣候變化背景下，本文梳理了“西北通道”自然環(huán)境的潛在風險要素，構建危險性指標體系，明確了指標的定義和數(shù)學表達，對其自然災害的危險性進行綜合定量的評估。

1 研究思路

1.1氣候變化對西北航道的影響及研究進展

首先，氣候變暖使得海冰融化是航道開通的基本前提，但是“西北航道”位于65°N以北，海冰的形成及存在仍會是影響航道安全最重要的因素之一，氣候變暖影響著海冰密集度、厚度和流冰數(shù)量、速度,這些要素均制約著船舶航行安全，甚至破壞船體，造成安全事故發(fā)生。其次，航道所處地理環(huán)境相當復雜，島嶼、暗礁星羅棋布，對船員駕駛技術和經(jīng)驗等素質要求較高，復雜的地形加之氣候變化引起的海平面上升及其它不確定因素的增加，都會使得航行船舶面臨一定的安全風險。自然環(huán)境風險因子及承險體辨識如表1所示（劉志國等，2015）。

表1 自然環(huán)境風險因子及承險體辨識表

“西北航道”的沉寂主要是由于北極海冰使航道一年大部分時間處于冰凍狀態(tài)，所以近年的科學研究主要圍繞海冰的研究。IPCC的評估報告專門講述了北極海冰的變化；國外一些學者對北冰洋海冰及加拿大北極群島水域的海冰進行了分析，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年對“西北航道”專門開展了一次研究活動，即“加拿大北極航運評估”。蘇潔等（2010）利用AMSR-E的6.25 km分辨率日平均海冰密集度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究了2002-2008年北極西北航道的海冰密集度變化特征，統(tǒng)計分析沿航道各條線路冰障流段代表站點的融化期、輕冰期、無冰期、無冰天數(shù)和輕冰天數(shù)，以及海冰分布和變化的細節(jié)。胡憲敏等（2007）采用滑動t檢驗和小波分析方法對白令海和楚科奇海1953-2004年海冰范圍的年際變化、年代際變化和總體趨勢變化進行分析。曹玉墀（2010）指出在全球持續(xù)變暖的推動和影響下，北冰洋海冰也正經(jīng)歷著歷史的、空前的變化—范圍持續(xù)縮減、厚度不斷變薄、多年冰的比例也大幅度降低。關于“西北航道”主權問題，也有一些研究及探討，但是都未得出國際公認的結論。郭培清等（2009）對北極航道的國際問題進行了比較全面系統(tǒng)的總結，《北極問題研究》中也特別對“西北航道”進行了闡述（北極問題研究編寫組，2011）。

以往的研究多數(shù)是從自然環(huán)境或人文環(huán)境的某一種要素或某一類問題進行研究，但是氣候變化對“西北通道”的影響是氣象水文、地理環(huán)境、交通條件等要素的綜合影響，因此如何將影響要素綜合考慮，并進行定量化分析是需要重點攻克的技術難題。

1.2指標體系

自然環(huán)境風險的危險性評估描述的是各風險因子可能導致的危險程度，可通過對風險因子氣候態(tài)的活動頻率和強度進行綜合分析。

自然環(huán)境風險危險性層次結構模型如圖1所示，從上至下依次為目標層、準則層和一級指標層、二級指標層，各層指標大小由其下層評價指標大小所決定。

圖1 自然環(huán)境風險危險性層次結構模型

1.2.1 大氣海洋環(huán)境風險危險性指標

1）海冰危險性指標

d1—海冰面積指數(shù)

定義：評估單元海冰密集度。d1越大，海冰覆蓋越廣，對航行安全影響越大，致險度越大。

d2—海冰厚度指數(shù)

定義：評估單元海冰平均厚度。d2越大，海冰越厚，對船體傷害越大，致險度越大。

d3—流冰漂移速度

定義：評估目標單元內(nèi)的流冰漂移速度，與風速、海流有關。d3越大，對船體沖撞能力及阻力越大，致險度越大。

d4—無冰及輕冰天數(shù)

定義：評估單元年海冰密集度小于50%的總天數(shù)。d4越大，通航期越長，致險度越低，指標融合時，其值取負。

2）大風危險性指標

d5—大風強度

定義：從能量學角度出發(fā)，評估單元內(nèi)風的強度由風速大小決定?？珊唵瘟炕癁椋?/p>

式中：d5為大風強度指標，V為評估單元內(nèi)年平均風速，Vmin為大風最低標準值，依據(jù)蒲福風力等級表，大風最低標準值可取值為10.8 m/s。

d6—大風頻率

定義：評估單元每年出現(xiàn)大風的次數(shù)?？闪炕癁椋?/p>

式中：d6為大風的頻率指標，N為統(tǒng)計時段出現(xiàn)大風的次數(shù)，Y為統(tǒng)計時段的年數(shù)。

3）低能見度危險性指標

d7—低能見度強度

定義及量化：

式中：V為評估單元年平均能見度，V0為低能見度參考值。依據(jù)國際霧級規(guī)定，將V0取為4 km。d7>1為高能見度，值越大能見度越好；d7<1為低能見度，值越小，能見度越差。

d8—低能見度頻率

定義：評估單元年出現(xiàn)低能見度的次數(shù)。

量化方法同公式（3），其中N為統(tǒng)計時段出現(xiàn)低能見度總次數(shù)，Y為統(tǒng)計時段總年數(shù)。

1.2.2 地理環(huán)境風險危險性指標

1）地形危險性指標

d9—航道水深指數(shù)

航道水深越淺，船舶發(fā)生擱淺、觸礁等的可能性越大。萬噸級船舶吃水深度在10 m左右，30萬噸級約20 m，當水深與吃水深度之比小于1.5時，就會發(fā)生淺水效應（胡學金，2010），影響船舶安全。

定義及量化：

式中：dep為水深絕對值，參考值K1取50 m。水深超過50 m，對船舶幾乎無影響，致險度為0；水深小于50 m時，d9大于0，水深越淺，d9越大，致險度越大。

d10—島嶼暗礁密集度

定義：評估單元格內(nèi)島嶼及暗礁、淺灘的數(shù)目。量化按標準化方案式（5）進行。

2）交通危險性指標

d11—航道寬度指數(shù)

定義及量化：

式中：wid為航道兩側海岸距離，即航道寬度，參考值選取K2=50 km。航道寬度大于50 km時，無風險；航道寬度小于50 km時，寬度越小，d11越大，致險度越高。

d12—海岸距離指數(shù)

依據(jù)船舶近岸航行的安全距離，采用賦值法將海岸距離指數(shù)量化如下：

式中：s為航道不同路段與海岸的距離。船舶距岸5 km以內(nèi)，海岸距離指數(shù)最大，致險度最高；距岸25 km以外，致險度為0。

1.3危險性評估模型

采用指標融合方式，構建危險性評估數(shù)學模型如下：

式中：Thread為自然環(huán)境危險性，Hj為危險性第j項指標，W為各自對應權重，J為危險性指標數(shù)目。

2 樣區(qū)和數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域選定為“西北航道”主航段所在的加拿大北極群島水域以及航道入海處巴芬灣、波弗特海部分海域，經(jīng)緯度范圍為140°W-60°W，65°N-80°N。對其海冰、大風、能見度、地理和交通的危險性進行定量化評估。

為了分析研究區(qū)最新的危險性特征，并且考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和多種要素資料的時間一致性，數(shù)據(jù)的時間段選取在2006-2010年。海冰數(shù)據(jù)來源于美國國家冰雪中心的2006-2010年日平均SIGRID-3資料，資料格式為GIS可識別的矢量、柵格數(shù)據(jù)。

氣象要素數(shù)據(jù)采用亞洲-太平洋大氣海洋數(shù)據(jù)中心（APDRC）2006-2010年2.5°×2.5°的ECMWF ERA-40地表月平均數(shù)據(jù)和ECBilt-CLIO氣候模擬數(shù)據(jù)。亞洲-太平洋大氣海洋數(shù)據(jù)中心歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）提供實測天氣數(shù)據(jù)、模式預報產(chǎn)品及全球海氣模式運算所需數(shù)據(jù)（李曉婷，2010）。ECMWF再分析月平均資料數(shù)據(jù)集按00、06、12、18四個時次統(tǒng)計，共62個變量，包括高空11個、地面51個，變量場格點化為2.5°×2.5°網(wǎng)格資料場。ECMWF數(shù)據(jù)目前已應用于研究局地極端天氣氣候和氣象水文要素異常事件，為災害預測預警服務。

地面高程數(shù)據(jù)采用國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的空間分辨率為90 m的SRTM3數(shù)據(jù)。

3 實驗和結論

3.1權重確定

在運用多項指標進行綜合評估時，從評估的目的看，各指標對評估對象的作用并不是同等的，這時可以引進一個系數(shù)表明不同指標在評估體系中的地位和相對重要程度，即權重。權重的差異一般由兩方面因素決定，一是評價者的主觀認識差異，二是指標間的客觀差異。由于指標權重對于評估結果起著較為重要的作用，有時其改變甚至可以產(chǎn)生截然相反的結果，因此在評估工作中如何確定指標權重也是一項重點。本文采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）法確定權重，它是一種定性與定量結合的決策方法，可以將決策者的思維數(shù)學化、主觀判斷定量化，利用較少定量信息方便簡潔的處理無法完全用定量方法分析的復雜問題。引入一致性指標CI是對判斷矩陣的一致性進行檢驗，為了度量不同階矩陣是否有滿足的一致性，再引入判斷矩陣的平均一致性指標RI。計算CR=CI/RI，若CR<0.1，則認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要對判斷矩陣進行調(diào)整。由于決定各層指標的次級指標數(shù)目不同，因此其判斷矩陣的大小有所不同，根據(jù)AHP計算原理，當評價指標為1~2個時，判斷矩陣一定一致而無須進行一致性檢驗。表2所列為進行一致性檢驗的各指標權重確定。

3.2危險性評估

根據(jù)指標定義及量化方法，分別計算出單項評估指標，并按照指標融合方法計算得到各層次風險因子危險性，其空間分異如圖2-圖6所示。

由各要素危險性空間分異可以看出：

（1）海冰危險性分布由東至西、由南至北呈現(xiàn)出增大的趨勢，且南北路段危險性大小相差較大，南路的海冰危險性明顯低于北路。

表2 自然環(huán)境風險危險性指標權重

圖2 海冰危險性空間分異圖

圖3 低能見度危險性空間分異圖

圖4 大風危險性空間分異圖

圖5 地形危險性空間分異圖

圖6 交通危險性空間分異圖

（2）相比而言，南路低能見度危險性較北路大，存在兩個高值中心。

（3）大風危險性對于南路和北路航線來說在空間分布上較為均勻。

（4）寬度較窄海峽與離岸較近航道的危險性較大，如帕利水道（MCS-VMS-BS-LS）東段和PRI線路（AG-CG-QMG-VS-FS-PRI）中段。

（5）地形危險性的高值較少，“西北航道”周圍雖島嶼眾多，但通航區(qū)域具有較大水深，對船舶噸位的限制較少。

由次級風險因子危險性合成自然環(huán)境風險危險性指數(shù)，最大值為0.863415，最小值為0.054 622 1，風險等級劃分見表同表2，風險分級區(qū)劃結果見圖7。本文采用自然斷點法對風險值進行分類，自然斷點法是依據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，通過聚類分析的手段將相似性最大的數(shù)據(jù)分在同組。該方法充分考慮數(shù)據(jù)的固有屬性和自然分組，最為客觀（湯國安等，2004）。

圖7 自然環(huán)境危險性空間分異

表3 自然環(huán)境風險危險性等級劃分

圖7中可見，“西北航道”各個路段自然環(huán)境危險性具有一定差異，呈現(xiàn)出空間分異特征：

（1）相比波弗特海，巴芬灣的危險性較小；

（2）北路航道的危險性較南路大；

（3）連接南北路的四條中路水道，即分別經(jīng)過威爾士王子海峽（PWS）、麥克林托科海峽（MCC）、皮爾海峽（PS）和利金特王子灣（PRI）的四條水道中，PRI航道的危險性相對較??；

（4）相對而言，現(xiàn)有航線中PRI航道整體危險性較小，最具通航意義。

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（本文編輯：袁澤軼）

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，講師，主要從事氣候變化對海上能源通道安全研究。電子郵箱：gss.nnu@qq.com。