北極東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃
——以俄羅斯北部海域?yàn)槔?/h1>
2017-11-07 12:13:31葛珊珊巨玉乾
海洋工程 2017年5期
王 哲，張 韌，葛珊珊，巨玉乾，曹 朕
(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊(duì)，河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊(duì)，河北 滄州 061000)
北極東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃
——以俄羅斯北部海域?yàn)槔?/p>
王 哲1，張 韌1，葛珊珊2，巨玉乾3，曹 朕4
(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊(duì)，河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊(duì)，河北 滄州 061000)
在全球變暖背景下，針對(duì)北極海冰融化和東北航道開(kāi)通的航行風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，利用海冰密度、風(fēng)速、能見(jiàn)度、氣溫和高程等指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，開(kāi)展了對(duì)北極東北航道主要航段自然環(huán)境危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)綜合風(fēng)險(xiǎn))的評(píng)估與區(qū)劃等工作，討論各指標(biāo)因子對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度，得到如下結(jié)果：1)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，北極東北航道適宜通航的月份為7～10月，從風(fēng)險(xiǎn)量化角度分析得出東北航道7～10月自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較其它月份低，對(duì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。2)研究區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)分布為“東高西低”，即巴倫支海的綜合風(fēng)險(xiǎn)較低，咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。3)可通航月內(nèi)(7～10月)，9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，其次是8、7月份，10月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最高。4)除去個(gè)別年份(2008和2009年)，研究區(qū)在2004～2015年綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2015年達(dá)到最低值。5)敏感性分析得：海冰對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度最大；風(fēng)速、水深次之；氣溫對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最小。
東北航道；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jù)預(yù)測(cè)2050年夏季北極海冰或?qū)⑼耆А脮r(shí)，北極航道的開(kāi)通及能源大規(guī)模開(kāi)采可能成為現(xiàn)實(shí)。國(guó)際海事組織IMO2016年批準(zhǔn)的《極地規(guī)則》及其修正案[1]，已于2017年1月1日生效。該規(guī)則的通過(guò)，發(fā)出了一個(gè)迫切的信號(hào)：未來(lái)航行船只要通過(guò)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(xiàn)階段北極地區(qū)商業(yè)活動(dòng)仍有較多障礙。首先，多數(shù)國(guó)家船員對(duì)東北航道各部分海域海況及氣象要素掌握有限，沒(méi)有足夠的北極航行經(jīng)驗(yàn)。其次，北極環(huán)境狀況復(fù)雜多變，不同區(qū)域以及季節(jié)的環(huán)境差異巨大，也為能源開(kāi)采帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。但是，相關(guān)國(guó)家對(duì)北極油氣開(kāi)發(fā)及航運(yùn)活動(dòng)十分重視，可以預(yù)見(jiàn)北極地區(qū)大規(guī)模商業(yè)活動(dòng)必然會(huì)成為未來(lái)全球格局的重要支點(diǎn)。因此，對(duì)北極航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步研究很有必要。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)北極地區(qū)自然環(huán)境及其風(fēng)險(xiǎn)的研究已有不少成果。DNV GL船級(jí)社基于WEB-GIS，建立了以冰況、救援能力和能見(jiàn)度等為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)估模型，對(duì)整個(gè)北冰洋進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[2]；Bahin[3]等采用IF-AHP法，基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)北極航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別與量化；S Kum[4]等采用事故樹(shù)分析法，對(duì)1993～2011年北極地區(qū)的航行事故以及發(fā)生原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。Haas C等[5]對(duì)西北航道海冰厚度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)冰分裂、夏季冰情況和海冰對(duì)夏季航運(yùn)危害評(píng)估具有重要意義。楊理智[6]運(yùn)用ARCGIS對(duì)北極西北航道風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行了初步探討；楊孟倩等[7]對(duì)北極機(jī)遇、挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理；汪楊駿等[8]基于博弈論思想，對(duì)環(huán)北極各國(guó)在多種不同合作模式下的爭(zhēng)端情況進(jìn)行了模擬預(yù)估與實(shí)驗(yàn)仿真。閆力[9]采用灰色模糊理論對(duì)北極航道進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為航道不安全但可通航。此外，對(duì)北極航道在法律法規(guī)、航線經(jīng)濟(jì)性、北極資源等方面[10-12]也有較多研究。
然而，以上對(duì)北極航道自然環(huán)境的研究，仍有可改進(jìn)之處：1)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立比較簡(jiǎn)單，不能全面反映航行風(fēng)險(xiǎn)。2)過(guò)于依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估結(jié)論易受到專(zhuān)家水平影響。3)評(píng)估指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料可靠性和準(zhǔn)確性有待提高。4)評(píng)估尺度宏觀寬泛，對(duì)象目標(biāo)較為模糊，難以用于實(shí)際航行參考，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃精度有待提高。5)模型指標(biāo)權(quán)重的確定方式單一，主觀性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)度高，對(duì)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性有影響。
結(jié)合以上討論，基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論及北極地區(qū)自然環(huán)境條件，合理選取風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立北極東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)體系，以北極東北航道為例，進(jìn)行自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，為北極地區(qū)海洋工程活動(dòng)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(qū)域概況
研究選取北極東北航道主要航道進(jìn)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(dá)58個(gè)，其中最主要的有10個(gè)，不同海域氣象條件等要素各有差異。
航道從北歐出發(fā)，向東穿過(guò)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(duì)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(gè)海域40%。同時(shí)夏季多霧，能見(jiàn)度不良；拉普捷夫海平均水深達(dá)到519 m，但53%水深不足50 m。南部海域全年9個(gè)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(yán)寒，結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月。
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1數(shù)據(jù)處理
使用的海冰密度、溫度和風(fēng)速等格點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期預(yù)報(bào)中心，能見(jiàn)度數(shù)據(jù)來(lái)源于全球氣象站點(diǎn)，高程格點(diǎn)數(shù)據(jù)采用ETOP1數(shù)據(jù)(表1)。由于數(shù)據(jù)源不同，進(jìn)行指標(biāo)融合時(shí)，需要對(duì)海冰密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，與高程數(shù)據(jù)的空間分辨率進(jìn)行匹配。
表1 數(shù)據(jù)來(lái)源網(wǎng)址Tab.1 Data source URL
2.2研究方法
風(fēng)險(xiǎn)理論認(rèn)為：風(fēng)險(xiǎn)是危害事故發(fā)生的可能性與危害事故嚴(yán)重程度的綜合度量[13]。衡量風(fēng)險(xiǎn)大小的指標(biāo)是風(fēng)險(xiǎn)度R(risk)，它等于事故的威脅性T(threat)大小與承災(zāi)體脆弱性V(vulnerability)的乘積，事故的威脅性T可用孕災(zāi)環(huán)境敏感性S(Sensitivity)和致災(zāi)因子危險(xiǎn)性D(Danger)表示。風(fēng)險(xiǎn)R可表示為：
敏感性S表示災(zāi)害發(fā)生環(huán)境對(duì)災(zāi)害的放大效應(yīng)，危險(xiǎn)性D表示目標(biāo)遭受災(zāi)害襲擊的強(qiáng)度；脆弱性V表示災(zāi)害導(dǎo)致承災(zāi)體損壞發(fā)生的概率，即襲擊導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)生損失的期望。
在此僅對(duì)北極東北航道自然環(huán)境的危險(xiǎn)性D進(jìn)行研究，風(fēng)險(xiǎn)值采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法(WCA)[14]進(jìn)行計(jì)算，公式：
式中：Cj表示風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算值；Xi是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wi是指標(biāo)i的權(quán)重；n是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)個(gè)數(shù)。
指標(biāo)融合的過(guò)程中，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重合理確定非常重要。不同指標(biāo)對(duì)最終風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果的貢獻(xiàn)度不同，本文采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度法[15]確定指標(biāo)權(quán)重W。
3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估建模
3.1指標(biāo)選取以及體系建立
目前，北極地區(qū)氣象水文資料相對(duì)較為缺乏，在建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系和選取指標(biāo)時(shí)，既要考慮指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的重要程度，也要考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性。海冰密度過(guò)大是阻礙東北航道通航的關(guān)鍵因素，若航行時(shí)能見(jiàn)度狀況不好，那么在視野不良且海冰密度過(guò)大情況下，一旦發(fā)生嚴(yán)重碰撞，將會(huì)造成不可挽回的損失。同時(shí)，北極地區(qū)的極寒天氣會(huì)對(duì)船員的身體健康和設(shè)備操作造成負(fù)面影響，從而使航行存在安全隱患。北極地區(qū)特殊的地磁場(chǎng)環(huán)境，也可能會(huì)使船舶電子設(shè)備出現(xiàn)失靈情況。
基于以上討論，建立北極東北航道自然環(huán)境指標(biāo)體系，見(jiàn)圖2。
圖2 東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系Fig.2 Natural environment risk index system of northeast channel
3.2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理
指標(biāo)體系中不同指標(biāo)的量綱不同，采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱差異并保留原始數(shù)據(jù)關(guān)系。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：
溫度：
T為評(píng)估單元原始溫度值，Tmin為研究區(qū)域該指標(biāo)最小值-12.34°C。航道水深：
航道越淺，船舶發(fā)生擱淺、觸礁等的可能性越大。dep為水深絕對(duì)值，參考值K2取50 m。水深超過(guò)50 m，致險(xiǎn)度為0。
海冰密度：
I'為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，I為原始值，Imin為最小值0，Imax最大值為1。
大風(fēng)強(qiáng)度：
從能量學(xué)角度出發(fā)，評(píng)估單元內(nèi)風(fēng)的強(qiáng)度由風(fēng)速大小決定，W'為大風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)，W為評(píng)估單元內(nèi)年平均風(fēng)速，Wmin為大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)蒲福風(fēng)力等級(jí)表，大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值為10.8 m/s。
能見(jiàn)度：
V為評(píng)估單元年的月平均能見(jiàn)度，V0為低能見(jiàn)度參考值，依據(jù)國(guó)際霧級(jí)規(guī)定，將V0取為4 000 m。V>4 000 m為高能見(jiàn)度，風(fēng)險(xiǎn)度為0；V≤4 000 m為低能見(jiàn)度，值越小，風(fēng)險(xiǎn)度越高。
3.3指標(biāo)權(quán)重確定
改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度法本質(zhì)是對(duì)多位專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷權(quán)重與某一專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷的最大值(設(shè)定)進(jìn)行量化比較，根據(jù)其彼此差異性的大小分析確定專(zhuān)家群體經(jīng)驗(yàn)判斷數(shù)值的關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷趨于一致，該指標(biāo)在整個(gè)指標(biāo)體系中的重要程度就越大，權(quán)重也就越大。
權(quán)重確定步驟如下：
計(jì)算步驟：
1)設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m個(gè)專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)權(quán)重作出經(jīng)驗(yàn)判斷，組成指標(biāo)權(quán)重的經(jīng)驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)列，用矩陣形式表示如下:
2)確定參考序列：
從X中挑選一個(gè)最大的權(quán)重值作為“公共”參考權(quán)重值，各專(zhuān)家的參考權(quán)重值均賦此值，組成參考數(shù)據(jù)列X0：
3)求各個(gè)指標(biāo)序列X1，X2…，Xn與參考數(shù)據(jù)列X0之間的距離：
4)求各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：
5)求各指標(biāo)的歸一化權(quán)重：
根據(jù)以上計(jì)算公式，得到指標(biāo)體系權(quán)重結(jié)果如表2所示。
表2 指標(biāo)權(quán)重確定表Tab.2 Indicator weight determination table
4 區(qū)劃結(jié)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。圖中，巴倫支海大部分海域全年風(fēng)險(xiǎn)較低，其它海域除7～10月份風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低以外，其它月份風(fēng)險(xiǎn)值基本處于0.6以上，風(fēng)險(xiǎn)較高，不宜航行。尤其在4月和11月，部分海域風(fēng)險(xiǎn)值高達(dá)0.8。航行經(jīng)驗(yàn)上看，北極東北航道適航月份為7～10月，本文從風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估的角度對(duì)這一經(jīng)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3中，7～10月研究區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)整體呈現(xiàn)“先降低，再增加”的趨勢(shì)。
7月份巴倫支海以及咯拉海西部區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值基本處于0.35以下(黑色等值線)，風(fēng)險(xiǎn)較低?？├Ｓ驏|部偏南區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)較高，風(fēng)險(xiǎn)值在0.35～0.45(藍(lán)色等值線)左右，處于中等風(fēng)險(xiǎn)。拉普捷夫海和東西伯利亞海區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到0.45以上，綜合風(fēng)險(xiǎn)偏高船舶航行時(shí)需要注意防范風(fēng)險(xiǎn)。
與7月份相比，8月份拉普捷夫海域中心區(qū)域以及東西伯利亞海域東部區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)下降較快，基本處于0.35以下，航行風(fēng)險(xiǎn)較輕。
9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，航道主體區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.35以下，風(fēng)險(xiǎn)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(qū)域風(fēng)險(xiǎn)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(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值均有明顯增加，基本達(dá)到0.55以上，處于中等風(fēng)險(xiǎn)。
此外，維利基茨基海峽以及周邊海域風(fēng)險(xiǎn)較高，個(gè)別區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到0.6以上，主要原因可能來(lái)源于兩方面，一是海峽周?chē)菀自斐珊１逊e，海冰密度過(guò)大；二是海峽周?chē)Ｓ蜉^淺。
以上分析表明，東北航道適航月份內(nèi)，航行風(fēng)險(xiǎn)最低的月份為9月份，其次是8月、7月，10月份航行風(fēng)險(xiǎn)最高。
圖3 2002～2015年多年1～12月月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)(注：從左到右，從上到下依次為2002～2015年區(qū)劃圖)Fig.3 Monthly average combined risk from January to December over the years 2002～2015
4.2適航月份驗(yàn)證
為了驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的合理性及準(zhǔn)確性，將圖3中7～10月區(qū)劃圖與DNV GL船級(jí)社繪制的7～10月區(qū)劃圖作比較(圖4白色框內(nèi)區(qū)域)。DNV GL船級(jí)社的區(qū)劃圖風(fēng)險(xiǎn)值同樣呈現(xiàn)“西低東高”的形式，即巴倫支海和咯拉海西部風(fēng)險(xiǎn)較低，咯拉海東部區(qū)域、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果也是9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，8月、7月次之，10月份最高，本文所做區(qū)劃與圖4結(jié)論有較好的一致性。
圖4 DNV GL船級(jí)社北極風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖Fig.4 Arctic risk zoning map of DNV GL Classification Society
4.3適航月份年際平均風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析
為了細(xì)致分析東北航道風(fēng)險(xiǎn)分布時(shí)空狀況，計(jì)算了2004～2015年每年研究區(qū)7～10月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)。圖5中，2004、2006和2008年三年的風(fēng)險(xiǎn)值偏高，拉普捷夫海和東西伯利亞海的風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.6(黑的等值線)以上。而從2009年開(kāi)始，拉普捷夫海域的風(fēng)險(xiǎn)值開(kāi)始降低，基本在0.4(紅色等值線)以下。從2011年開(kāi)始，東西伯利亞海一半以上海域風(fēng)險(xiǎn)值下降到0.35(藍(lán)色等值線)以下。2004～2015年，咯拉海和巴倫支海的風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.35以下，航行風(fēng)險(xiǎn)較低?？梢园l(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域中航道關(guān)鍵海峽周?chē)娘L(fēng)險(xiǎn)一般較高，例如圖中維利基茨基海峽西面的風(fēng)險(xiǎn)值，有六年高于0.6。主要原因可能是在海表面風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)值Fig.5 Average annualized risk values for the periods from July to October,2004～2015
4.4年際變化趨勢(shì)分析
為了研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)，計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)2004～2015年7～10月逐年月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)的回歸系數(shù)，并繪制回歸系數(shù)等值線。
圖6中，黑色等值線為回歸系數(shù)為0的等值線，可以看出，2004～2015年研究區(qū)大部分區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。僅在新地島以西海域和東西伯利亞海域北部回歸系數(shù)大于0，有較小的增加趨勢(shì)，拉普捷夫海綜合風(fēng)險(xiǎn)下降趨勢(shì)最大。可以推斷，北極東北航道的綜合風(fēng)險(xiǎn)的確在不斷地下降，對(duì)未來(lái)北極東北航道大規(guī)模通航十分有利。
圖6 2004～2015年7～10月研究區(qū)域逐年月平均風(fēng)險(xiǎn)值趨勢(shì)Fig.6 Monthly average risk value trend of research area in July to October,2004～2015
4.5敏感性分析
風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的最終目的是發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、防范風(fēng)險(xiǎn)及針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)給出應(yīng)對(duì)方案，對(duì)多年月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)敏感性分析，提取關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)要素，使風(fēng)險(xiǎn)的防范具有針對(duì)性。
圖7 溫度區(qū)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(qū)劃，研究區(qū)域內(nèi)，巴倫支海域整體氣溫較其它海域高；7～9月三個(gè)月內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)氣溫基本在0°C以上，可知7～9月氣溫風(fēng)險(xiǎn)接近零。因?yàn)閮H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(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度較小。
圖8 海冰區(qū)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(qū)劃， 9月份研究區(qū)海冰密度最小，8月次之，7月、10月相對(duì)較為嚴(yán)重，巴倫支海和咯拉海大部分區(qū)域幾乎沒(méi)有海冰。冰情較為嚴(yán)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(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大。
圖9 風(fēng)速區(qū)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(fēng)速區(qū)劃?？梢钥闯觯?、8兩個(gè)月整體風(fēng)速偏小，基本在6 m/s及以下。9月、10月兩個(gè)月整體風(fēng)速偏大，巴倫支海域和咯拉海域的風(fēng)速相對(duì)其它研究區(qū)域最大。周璐[16]等認(rèn)為北極海冰密度的減少，主要由動(dòng)力原因和熱力原因引起。因此，巴倫支海域較高的風(fēng)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(fēng)速對(duì)于綜合風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)區(qū)域，在巴倫支海和咯拉海兩個(gè)海域，船舶航行至此時(shí)需要防范大風(fēng)可能帶來(lái)的航行風(fēng)險(xiǎn)。
圖10 地形區(qū)劃Fig.10 Terrain zoning
圖10為研究區(qū)域內(nèi)水深危險(xiǎn)度區(qū)劃圖，風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域主要集中在離岸海域，且離岸越近風(fēng)險(xiǎn)值越大。幾個(gè)關(guān)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?chē)Ｓ蝻L(fēng)險(xiǎn)較大，船舶航行時(shí)需要注意防范觸礁以及擱淺等事故發(fā)生。沒(méi)有直接繪制水深圖原因有兩方面：1)研究區(qū)域大部分海域水深超過(guò)100 m，幾乎沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。2)不同區(qū)域水深差距巨大，不利于作圖以及區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)度。
5 結(jié) 語(yǔ)
以上研究發(fā)現(xiàn)：1)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較其它月份最低，對(duì)適宜通航月進(jìn)行了驗(yàn)證。2)東北航道綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)“東高西低”的趨勢(shì)，即巴倫支海為低風(fēng)險(xiǎn)，咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。3)可航行的月份里，不同月風(fēng)險(xiǎn)不同，9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，其次是8月，7月份較高，10月份最高。4)除去個(gè)別年份(2008年、2009年)，研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)從2004～2015年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2015年研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)最低。5)敏感性分析可知，海冰對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度最大；風(fēng)速、水深次之；氣溫對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)有較小貢獻(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論為基礎(chǔ)，從自然環(huán)境角度研究了北極東北航道部分海域的航行風(fēng)險(xiǎn)，得到一些結(jié)論并進(jìn)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有政治風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、人文風(fēng)險(xiǎn)等等。在不久的將來(lái)，北極航道的開(kāi)發(fā)與利用必然將會(huì)對(duì)世界航運(yùn)格局造成深遠(yuǎn)的影響。研究北極航道的過(guò)程中，不僅要對(duì)北極航道進(jìn)行深入全面的研究，同時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有傳統(tǒng)能源通道，將全球能源通道作為體系進(jìn)行研究，為我國(guó)能源運(yùn)輸安全等提供科學(xué)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的建立有待完善。其二，北極地區(qū)航行風(fēng)險(xiǎn)不僅僅包括自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有人文風(fēng)險(xiǎn)等，下一步工作將考慮引入人文風(fēng)險(xiǎn)對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步區(qū)劃。其三，本文僅對(duì)北極東北航道部分海域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，下一步工作將考慮對(duì)整個(gè)北極區(qū)域進(jìn)行自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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?yàn)楹Ｑ髴?zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)研究。E-mail:376657030@qq.com
張 韌。E-mail: zrpaper@163.com
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王 哲，張 韌，葛珊珊，巨玉乾，曹 朕
(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊(duì)，河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊(duì)，河北 滄州 061000)
北極東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃
——以俄羅斯北部海域?yàn)槔?/p>
王 哲1，張 韌1，葛珊珊2，巨玉乾3，曹 朕4
(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101; 2.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169; 3.空軍95920部隊(duì)，河北 衡水 253801; 4.空軍95809部隊(duì)，河北 滄州 061000)
在全球變暖背景下，針對(duì)北極海冰融化和東北航道開(kāi)通的航行風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，利用海冰密度、風(fēng)速、能見(jiàn)度、氣溫和高程等指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，開(kāi)展了對(duì)北極東北航道主要航段自然環(huán)境危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)綜合風(fēng)險(xiǎn))的評(píng)估與區(qū)劃等工作，討論各指標(biāo)因子對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度，得到如下結(jié)果：1)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)看，北極東北航道適宜通航的月份為7～10月，從風(fēng)險(xiǎn)量化角度分析得出東北航道7～10月自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較其它月份低，對(duì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。2)研究區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)分布為“東高西低”，即巴倫支海的綜合風(fēng)險(xiǎn)較低，咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。3)可通航月內(nèi)(7～10月)，9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，其次是8、7月份，10月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最高。4)除去個(gè)別年份(2008和2009年)，研究區(qū)在2004～2015年綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2015年達(dá)到最低值。5)敏感性分析得：海冰對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度最大；風(fēng)速、水深次之；氣溫對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最小。
東北航道；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jù)預(yù)測(cè)2050年夏季北極海冰或?qū)⑼耆А脮r(shí)，北極航道的開(kāi)通及能源大規(guī)模開(kāi)采可能成為現(xiàn)實(shí)。國(guó)際海事組織IMO2016年批準(zhǔn)的《極地規(guī)則》及其修正案[1]，已于2017年1月1日生效。該規(guī)則的通過(guò)，發(fā)出了一個(gè)迫切的信號(hào)：未來(lái)航行船只要通過(guò)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(xiàn)階段北極地區(qū)商業(yè)活動(dòng)仍有較多障礙。首先，多數(shù)國(guó)家船員對(duì)東北航道各部分海域海況及氣象要素掌握有限，沒(méi)有足夠的北極航行經(jīng)驗(yàn)。其次，北極環(huán)境狀況復(fù)雜多變，不同區(qū)域以及季節(jié)的環(huán)境差異巨大，也為能源開(kāi)采帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。但是，相關(guān)國(guó)家對(duì)北極油氣開(kāi)發(fā)及航運(yùn)活動(dòng)十分重視，可以預(yù)見(jiàn)北極地區(qū)大規(guī)模商業(yè)活動(dòng)必然會(huì)成為未來(lái)全球格局的重要支點(diǎn)。因此，對(duì)北極航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步研究很有必要。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)北極地區(qū)自然環(huán)境及其風(fēng)險(xiǎn)的研究已有不少成果。DNV GL船級(jí)社基于WEB-GIS，建立了以冰況、救援能力和能見(jiàn)度等為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)估模型，對(duì)整個(gè)北冰洋進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[2]；Bahin[3]等采用IF-AHP法，基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)北極航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別與量化；S Kum[4]等采用事故樹(shù)分析法，對(duì)1993～2011年北極地區(qū)的航行事故以及發(fā)生原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。Haas C等[5]對(duì)西北航道海冰厚度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)冰分裂、夏季冰情況和海冰對(duì)夏季航運(yùn)危害評(píng)估具有重要意義。楊理智[6]運(yùn)用ARCGIS對(duì)北極西北航道風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行了初步探討；楊孟倩等[7]對(duì)北極機(jī)遇、挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理；汪楊駿等[8]基于博弈論思想，對(duì)環(huán)北極各國(guó)在多種不同合作模式下的爭(zhēng)端情況進(jìn)行了模擬預(yù)估與實(shí)驗(yàn)仿真。閆力[9]采用灰色模糊理論對(duì)北極航道進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為航道不安全但可通航。此外，對(duì)北極航道在法律法規(guī)、航線經(jīng)濟(jì)性、北極資源等方面[10-12]也有較多研究。
然而，以上對(duì)北極航道自然環(huán)境的研究，仍有可改進(jìn)之處：1)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立比較簡(jiǎn)單，不能全面反映航行風(fēng)險(xiǎn)。2)過(guò)于依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估結(jié)論易受到專(zhuān)家水平影響。3)評(píng)估指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料可靠性和準(zhǔn)確性有待提高。4)評(píng)估尺度宏觀寬泛，對(duì)象目標(biāo)較為模糊，難以用于實(shí)際航行參考，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃精度有待提高。5)模型指標(biāo)權(quán)重的確定方式單一，主觀性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)度高，對(duì)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性有影響。
結(jié)合以上討論，基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論及北極地區(qū)自然環(huán)境條件，合理選取風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立北極東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)體系，以北極東北航道為例，進(jìn)行自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，為北極地區(qū)海洋工程活動(dòng)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(qū)域概況
研究選取北極東北航道主要航道進(jìn)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(dá)58個(gè)，其中最主要的有10個(gè)，不同海域氣象條件等要素各有差異。
航道從北歐出發(fā)，向東穿過(guò)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(duì)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(gè)海域40%。同時(shí)夏季多霧，能見(jiàn)度不良；拉普捷夫海平均水深達(dá)到519 m，但53%水深不足50 m。南部海域全年9個(gè)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(yán)寒，結(jié)冰期長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月。
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1數(shù)據(jù)處理
使用的海冰密度、溫度和風(fēng)速等格點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期預(yù)報(bào)中心，能見(jiàn)度數(shù)據(jù)來(lái)源于全球氣象站點(diǎn)，高程格點(diǎn)數(shù)據(jù)采用ETOP1數(shù)據(jù)(表1)。由于數(shù)據(jù)源不同，進(jìn)行指標(biāo)融合時(shí)，需要對(duì)海冰密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，與高程數(shù)據(jù)的空間分辨率進(jìn)行匹配。
表1 數(shù)據(jù)來(lái)源網(wǎng)址Tab.1 Data source URL
2.2研究方法
風(fēng)險(xiǎn)理論認(rèn)為：風(fēng)險(xiǎn)是危害事故發(fā)生的可能性與危害事故嚴(yán)重程度的綜合度量[13]。衡量風(fēng)險(xiǎn)大小的指標(biāo)是風(fēng)險(xiǎn)度R(risk)，它等于事故的威脅性T(threat)大小與承災(zāi)體脆弱性V(vulnerability)的乘積，事故的威脅性T可用孕災(zāi)環(huán)境敏感性S(Sensitivity)和致災(zāi)因子危險(xiǎn)性D(Danger)表示。風(fēng)險(xiǎn)R可表示為：
敏感性S表示災(zāi)害發(fā)生環(huán)境對(duì)災(zāi)害的放大效應(yīng)，危險(xiǎn)性D表示目標(biāo)遭受災(zāi)害襲擊的強(qiáng)度；脆弱性V表示災(zāi)害導(dǎo)致承災(zāi)體損壞發(fā)生的概率，即襲擊導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)生損失的期望。
在此僅對(duì)北極東北航道自然環(huán)境的危險(xiǎn)性D進(jìn)行研究，風(fēng)險(xiǎn)值采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法(WCA)[14]進(jìn)行計(jì)算，公式：
式中：Cj表示風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算值；Xi是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wi是指標(biāo)i的權(quán)重；n是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)個(gè)數(shù)。
指標(biāo)融合的過(guò)程中，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重合理確定非常重要。不同指標(biāo)對(duì)最終風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果的貢獻(xiàn)度不同，本文采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度法[15]確定指標(biāo)權(quán)重W。
3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估建模
3.1指標(biāo)選取以及體系建立
目前，北極地區(qū)氣象水文資料相對(duì)較為缺乏，在建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系和選取指標(biāo)時(shí)，既要考慮指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的重要程度，也要考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性。海冰密度過(guò)大是阻礙東北航道通航的關(guān)鍵因素，若航行時(shí)能見(jiàn)度狀況不好，那么在視野不良且海冰密度過(guò)大情況下，一旦發(fā)生嚴(yán)重碰撞，將會(huì)造成不可挽回的損失。同時(shí)，北極地區(qū)的極寒天氣會(huì)對(duì)船員的身體健康和設(shè)備操作造成負(fù)面影響，從而使航行存在安全隱患。北極地區(qū)特殊的地磁場(chǎng)環(huán)境，也可能會(huì)使船舶電子設(shè)備出現(xiàn)失靈情況。
基于以上討論，建立北極東北航道自然環(huán)境指標(biāo)體系，見(jiàn)圖2。
圖2 東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系Fig.2 Natural environment risk index system of northeast channel
3.2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理
指標(biāo)體系中不同指標(biāo)的量綱不同，采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱差異并保留原始數(shù)據(jù)關(guān)系。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：
溫度：
T為評(píng)估單元原始溫度值，Tmin為研究區(qū)域該指標(biāo)最小值-12.34°C。航道水深：
航道越淺，船舶發(fā)生擱淺、觸礁等的可能性越大。dep為水深絕對(duì)值，參考值K2取50 m。水深超過(guò)50 m，致險(xiǎn)度為0。
海冰密度：
I'為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，I為原始值，Imin為最小值0，Imax最大值為1。
大風(fēng)強(qiáng)度：
從能量學(xué)角度出發(fā)，評(píng)估單元內(nèi)風(fēng)的強(qiáng)度由風(fēng)速大小決定，W'為大風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)，W為評(píng)估單元內(nèi)年平均風(fēng)速，Wmin為大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)蒲福風(fēng)力等級(jí)表，大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值為10.8 m/s。
能見(jiàn)度：
V為評(píng)估單元年的月平均能見(jiàn)度，V0為低能見(jiàn)度參考值，依據(jù)國(guó)際霧級(jí)規(guī)定，將V0取為4 000 m。V>4 000 m為高能見(jiàn)度，風(fēng)險(xiǎn)度為0；V≤4 000 m為低能見(jiàn)度，值越小，風(fēng)險(xiǎn)度越高。
3.3指標(biāo)權(quán)重確定
改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度法本質(zhì)是對(duì)多位專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷權(quán)重與某一專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷的最大值(設(shè)定)進(jìn)行量化比較，根據(jù)其彼此差異性的大小分析確定專(zhuān)家群體經(jīng)驗(yàn)判斷數(shù)值的關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷趨于一致，該指標(biāo)在整個(gè)指標(biāo)體系中的重要程度就越大，權(quán)重也就越大。
權(quán)重確定步驟如下：
計(jì)算步驟：
1)設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m個(gè)專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)權(quán)重作出經(jīng)驗(yàn)判斷，組成指標(biāo)權(quán)重的經(jīng)驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)列，用矩陣形式表示如下:
2)確定參考序列：
從X中挑選一個(gè)最大的權(quán)重值作為“公共”參考權(quán)重值，各專(zhuān)家的參考權(quán)重值均賦此值，組成參考數(shù)據(jù)列X0：
3)求各個(gè)指標(biāo)序列X1，X2…，Xn與參考數(shù)據(jù)列X0之間的距離：
4)求各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：
5)求各指標(biāo)的歸一化權(quán)重：
根據(jù)以上計(jì)算公式，得到指標(biāo)體系權(quán)重結(jié)果如表2所示。
表2 指標(biāo)權(quán)重確定表Tab.2 Indicator weight determination table
4 區(qū)劃結(jié)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。圖中，巴倫支海大部分海域全年風(fēng)險(xiǎn)較低，其它海域除7～10月份風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低以外，其它月份風(fēng)險(xiǎn)值基本處于0.6以上，風(fēng)險(xiǎn)較高，不宜航行。尤其在4月和11月，部分海域風(fēng)險(xiǎn)值高達(dá)0.8。航行經(jīng)驗(yàn)上看，北極東北航道適航月份為7～10月，本文從風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估的角度對(duì)這一經(jīng)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3中，7～10月研究區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)整體呈現(xiàn)“先降低，再增加”的趨勢(shì)。
7月份巴倫支海以及咯拉海西部區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值基本處于0.35以下(黑色等值線)，風(fēng)險(xiǎn)較低?？├Ｓ驏|部偏南區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)較高，風(fēng)險(xiǎn)值在0.35～0.45(藍(lán)色等值線)左右，處于中等風(fēng)險(xiǎn)。拉普捷夫海和東西伯利亞海區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到0.45以上，綜合風(fēng)險(xiǎn)偏高船舶航行時(shí)需要注意防范風(fēng)險(xiǎn)。
與7月份相比，8月份拉普捷夫海域中心區(qū)域以及東西伯利亞海域東部區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)下降較快，基本處于0.35以下，航行風(fēng)險(xiǎn)較輕。
9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，航道主體區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.35以下，風(fēng)險(xiǎn)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(qū)域風(fēng)險(xiǎn)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(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值均有明顯增加，基本達(dá)到0.55以上，處于中等風(fēng)險(xiǎn)。
此外，維利基茨基海峽以及周邊海域風(fēng)險(xiǎn)較高，個(gè)別區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到0.6以上，主要原因可能來(lái)源于兩方面，一是海峽周?chē)菀自斐珊１逊e，海冰密度過(guò)大；二是海峽周?chē)Ｓ蜉^淺。
以上分析表明，東北航道適航月份內(nèi)，航行風(fēng)險(xiǎn)最低的月份為9月份，其次是8月、7月，10月份航行風(fēng)險(xiǎn)最高。
圖3 2002～2015年多年1～12月月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)(注：從左到右，從上到下依次為2002～2015年區(qū)劃圖)Fig.3 Monthly average combined risk from January to December over the years 2002～2015
4.2適航月份驗(yàn)證
為了驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的合理性及準(zhǔn)確性，將圖3中7～10月區(qū)劃圖與DNV GL船級(jí)社繪制的7～10月區(qū)劃圖作比較(圖4白色框內(nèi)區(qū)域)。DNV GL船級(jí)社的區(qū)劃圖風(fēng)險(xiǎn)值同樣呈現(xiàn)“西低東高”的形式，即巴倫支海和咯拉海西部風(fēng)險(xiǎn)較低，咯拉海東部區(qū)域、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果也是9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，8月、7月次之，10月份最高，本文所做區(qū)劃與圖4結(jié)論有較好的一致性。
圖4 DNV GL船級(jí)社北極風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖Fig.4 Arctic risk zoning map of DNV GL Classification Society
4.3適航月份年際平均風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析
為了細(xì)致分析東北航道風(fēng)險(xiǎn)分布時(shí)空狀況，計(jì)算了2004～2015年每年研究區(qū)7～10月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)。圖5中，2004、2006和2008年三年的風(fēng)險(xiǎn)值偏高，拉普捷夫海和東西伯利亞海的風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.6(黑的等值線)以上。而從2009年開(kāi)始，拉普捷夫海域的風(fēng)險(xiǎn)值開(kāi)始降低，基本在0.4(紅色等值線)以下。從2011年開(kāi)始，東西伯利亞海一半以上海域風(fēng)險(xiǎn)值下降到0.35(藍(lán)色等值線)以下。2004～2015年，咯拉海和巴倫支海的風(fēng)險(xiǎn)值基本在0.35以下，航行風(fēng)險(xiǎn)較低?？梢园l(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域中航道關(guān)鍵海峽周?chē)娘L(fēng)險(xiǎn)一般較高，例如圖中維利基茨基海峽西面的風(fēng)險(xiǎn)值，有六年高于0.6。主要原因可能是在海表面風(fēng)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(fēng)險(xiǎn)值Fig.5 Average annualized risk values for the periods from July to October,2004～2015
4.4年際變化趨勢(shì)分析
為了研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)，計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)2004～2015年7～10月逐年月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)的回歸系數(shù)，并繪制回歸系數(shù)等值線。
圖6中，黑色等值線為回歸系數(shù)為0的等值線，可以看出，2004～2015年研究區(qū)大部分區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。僅在新地島以西海域和東西伯利亞海域北部回歸系數(shù)大于0，有較小的增加趨勢(shì)，拉普捷夫海綜合風(fēng)險(xiǎn)下降趨勢(shì)最大。可以推斷，北極東北航道的綜合風(fēng)險(xiǎn)的確在不斷地下降，對(duì)未來(lái)北極東北航道大規(guī)模通航十分有利。
圖6 2004～2015年7～10月研究區(qū)域逐年月平均風(fēng)險(xiǎn)值趨勢(shì)Fig.6 Monthly average risk value trend of research area in July to October,2004～2015
4.5敏感性分析
風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的最終目的是發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、防范風(fēng)險(xiǎn)及針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)給出應(yīng)對(duì)方案，對(duì)多年月平均綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)敏感性分析，提取關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)要素，使風(fēng)險(xiǎn)的防范具有針對(duì)性。
圖7 溫度區(qū)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(qū)劃，研究區(qū)域內(nèi)，巴倫支海域整體氣溫較其它海域高；7～9月三個(gè)月內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)氣溫基本在0°C以上，可知7～9月氣溫風(fēng)險(xiǎn)接近零。因?yàn)閮H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(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度較小。
圖8 海冰區(qū)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(qū)劃， 9月份研究區(qū)海冰密度最小，8月次之，7月、10月相對(duì)較為嚴(yán)重，巴倫支海和咯拉海大部分區(qū)域幾乎沒(méi)有海冰。冰情較為嚴(yán)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(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大。
圖9 風(fēng)速區(qū)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(fēng)速區(qū)劃?？梢钥闯觯?、8兩個(gè)月整體風(fēng)速偏小，基本在6 m/s及以下。9月、10月兩個(gè)月整體風(fēng)速偏大，巴倫支海域和咯拉海域的風(fēng)速相對(duì)其它研究區(qū)域最大。周璐[16]等認(rèn)為北極海冰密度的減少，主要由動(dòng)力原因和熱力原因引起。因此，巴倫支海域較高的風(fēng)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(fēng)速對(duì)于綜合風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)區(qū)域，在巴倫支海和咯拉海兩個(gè)海域，船舶航行至此時(shí)需要防范大風(fēng)可能帶來(lái)的航行風(fēng)險(xiǎn)。
圖10 地形區(qū)劃Fig.10 Terrain zoning
圖10為研究區(qū)域內(nèi)水深危險(xiǎn)度區(qū)劃圖，風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域主要集中在離岸海域，且離岸越近風(fēng)險(xiǎn)值越大。幾個(gè)關(guān)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?chē)Ｓ蝻L(fēng)險(xiǎn)較大，船舶航行時(shí)需要注意防范觸礁以及擱淺等事故發(fā)生。沒(méi)有直接繪制水深圖原因有兩方面：1)研究區(qū)域大部分海域水深超過(guò)100 m，幾乎沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。2)不同區(qū)域水深差距巨大，不利于作圖以及區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)度。
5 結(jié) 語(yǔ)
以上研究發(fā)現(xiàn)：1)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較其它月份最低，對(duì)適宜通航月進(jìn)行了驗(yàn)證。2)東北航道綜合風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)“東高西低”的趨勢(shì)，即巴倫支海為低風(fēng)險(xiǎn)，咯拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海風(fēng)險(xiǎn)較高。3)可航行的月份里，不同月風(fēng)險(xiǎn)不同，9月份綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，其次是8月，7月份較高，10月份最高。4)除去個(gè)別年份(2008年、2009年)，研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)從2004～2015年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2015年研究區(qū)域綜合風(fēng)險(xiǎn)最低。5)敏感性分析可知，海冰對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度最大；風(fēng)速、水深次之；氣溫對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)有較小貢獻(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論為基礎(chǔ)，從自然環(huán)境角度研究了北極東北航道部分海域的航行風(fēng)險(xiǎn)，得到一些結(jié)論并進(jìn)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有政治風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、人文風(fēng)險(xiǎn)等等。在不久的將來(lái)，北極航道的開(kāi)發(fā)與利用必然將會(huì)對(duì)世界航運(yùn)格局造成深遠(yuǎn)的影響。研究北極航道的過(guò)程中，不僅要對(duì)北極航道進(jìn)行深入全面的研究，同時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)有傳統(tǒng)能源通道，將全球能源通道作為體系進(jìn)行研究，為我國(guó)能源運(yùn)輸安全等提供科學(xué)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的建立有待完善。其二，北極地區(qū)航行風(fēng)險(xiǎn)不僅僅包括自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有人文風(fēng)險(xiǎn)等，下一步工作將考慮引入人文風(fēng)險(xiǎn)對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步區(qū)劃。其三，本文僅對(duì)北極東北航道部分海域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，下一步工作將考慮對(duì)整個(gè)北極區(qū)域進(jìn)行自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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?yàn)楹Ｑ髴?zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)研究。E-mail:376657030@qq.com
張 韌。E-mail: zrpaper@163.com
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