周雪飛， 徐 嘉， 張緒冰

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430078；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

北極西北航道是大西洋和太平洋之間最短的航道，其通航將對(duì)全球自然資源開發(fā)與利用、海運(yùn)交通及國(guó)際貿(mào)易格局產(chǎn)生重要影響。西北航道通航具有季節(jié)差異性和區(qū)域差異性等時(shí)空變化特征[1］，海冰密集度是影響航道通航的主要限制因素[2-3］。通過(guò)遙感影像非監(jiān)督分類實(shí)現(xiàn)對(duì)海冰密集度的時(shí)空變化監(jiān)測(cè)，分析西北航道的通航適宜性，對(duì)于尋找適航通道，把握適航窗口，打造中國(guó)特色的“冰上絲綢之路”，促進(jìn)北極地區(qū)航道規(guī)劃與海洋資源開發(fā)具有重要的理論與實(shí)踐意義。

通過(guò)遙感手段實(shí)現(xiàn)航道區(qū)域海冰密集度的時(shí)空變化監(jiān)測(cè)具有重要價(jià)值[4］，已有研究的常用方法包括可見(jiàn)光近紅外遙感[5-8］、被動(dòng)微波遙感[9-11］和主動(dòng)微波遙感[12-14］。Sentinel-1 搭載的合成孔徑雷達(dá)（SAR），相較于可見(jiàn)光近紅外遙感更不易受大氣和太陽(yáng)輻射的影響；而相較于被動(dòng)微波遙感，具有更高的空間分辨率，可在海冰邊界表現(xiàn)出更多細(xì)節(jié)[15-17］；而且相比于其他SAR 衛(wèi)星具有開源、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。目前，SAR 影像在海冰密集度方面的應(yīng)用均是利用其高分辨率優(yōu)勢(shì)提高海冰密集度的估算精度，研究區(qū)域范圍較小，在探究海冰密集度時(shí)空變化規(guī)律方面仍是空白。北極航道通航適宜性有關(guān)研究主要集中在東北航道[18］，現(xiàn)在西北航道通航適宜性研究中僅有基于千米級(jí)空間分辨率微波遙感數(shù)據(jù)的研究[19-21］，且時(shí)間多為2015 年以前或冬季，仍少見(jiàn)到對(duì)北極西北航道大范圍、高時(shí)空分辨率、具有時(shí)效性的通航時(shí)空特征分析。而且，對(duì)于僅在夏季通航的西北航道而言，其通航服務(wù)意義較弱，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確分析北極西北航道的通航時(shí)空變化特征及重要海灣和海峽的海冰密集度對(duì)通航的重要性。

鑒于此，本文從北極西北航道所經(jīng)海域的海冰密集度時(shí)空變化特征出發(fā)，結(jié)合高分辨率Sentinel-1 SAR 數(shù)據(jù)，采用k 均值分類法反演得到2015—2019年每年9 月的海冰密集度，分析北極西北航道海冰密集度的時(shí)空變化規(guī)律，為西北航道的開辟與選擇提供數(shù)據(jù)支持；并進(jìn)一步細(xì)化時(shí)間尺度，通過(guò)反演2019 年8 月1 日—9 月20 日西北航道的海冰密集度，以70%的海冰密集度為通航閾值，分析西北航道夏季最佳通航窗口以及各分支航線的適航性，有助于規(guī)劃船舶在北極西北航道航行過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注的海灣、海峽和時(shí)間段。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北極西北航道西起波弗特海，經(jīng)過(guò)加拿大北極群島（Canadian Arctic Archipelago，CAA）到達(dá)戴維斯海峽和東部的巴芬灣，最終連接太平洋和大西洋。北極西北航道位于65°~75° N 間，較蘇伊士運(yùn)河或巴拿馬運(yùn)河等傳統(tǒng)航道而言縮短近一半的距離[22］。該地區(qū)氣候惡劣，海水幾乎終年被冰雪覆蓋，一般情況下僅在8—9月的沿岸海域出現(xiàn)狹窄的無(wú)冰海域可用于通航，在有冰地區(qū)航行則需準(zhǔn)確及時(shí)的海冰信息[12］。西北航道的分支航道眾多，本文結(jié)合以往文獻(xiàn)和北極航道指南[23-24］，對(duì)其較為常見(jiàn)的6 條分支航道進(jìn)行總結(jié)，如圖1 所示。其中，除了航道E 以福克斯灣（F.B.）為終點(diǎn)，其余5 條航道均西起波弗特海，東至巴芬灣。航道A、B 經(jīng)波弗特灣后，分別在班克斯島兩側(cè)形成2條分支，在梅爾維爾子爵海峽（V.M.S.）匯合，后半段共用同一條路線；航道C、D、E、F 中，前半段共用同一條沿岸海域路線，至維多利亞海峽（V.S.）后，分別在威爾士王子島、薩默塞特島和巴芬島兩側(cè)形成4 條分支，航道C、D、F在蘭開斯特海峽（L.S.）匯合后進(jìn)入巴芬灣，而航道E 則向南經(jīng)過(guò)布希亞灣（G.B.）、弗瑞赫克拉海峽（F.H.S.），進(jìn)入?？怂篂常‵.B.）。

圖1 西北航道示意圖Fig. 1 Map of the Northwest Passage

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

目前，采用被動(dòng)微波遙感的海冰密集度產(chǎn)品其空間分辨率大多為千米級(jí)，最高為3.25 km，難以細(xì)致地研究加拿大北極群島間狹窄水道中的海冰分布變化特征，而光學(xué)傳感器在極地海冰領(lǐng)域的應(yīng)用有限。Sentinel-1 在空間分辨率、重訪周期、覆蓋范圍、及時(shí)性等方面的優(yōu)勢(shì)，使其能夠滿足本文相關(guān)應(yīng)用的要求。研究區(qū)L1 級(jí)地距探測(cè)影像（GRD）數(shù)據(jù) 均 來(lái) 源 于 美 國(guó) 航 空 航 天 局（NASA）（https：//search. earthdata. nasa. gov/），該級(jí)別影像已經(jīng)過(guò)多視處理、消除熱噪聲，以提高圖像質(zhì)量。Sentinel-1作為一個(gè)雙星系統(tǒng)包含Sentinel-1A 和Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星，單個(gè)衛(wèi)星重訪周期為12 天，雙星座重訪周期縮短為6 天。本文主要采用Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，輔以Sentinel-1B 數(shù)據(jù)，用于填補(bǔ)固定軌道角度而造成的影像間的空隙。Sentinel-1 共有四種成像模式，每種模式的參數(shù)如表1 所示。本文采用C 波段合成孔徑雷達(dá)超寬幅（EW）模式下的雙極化（HH/HV）數(shù)據(jù)，其幅寬為400 km，入射角范圍為19°~47°，像素間距為40 m，分辨率為93 m×87 m。

表1 Sentinel-1四種成像模式的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the four imaging modes of Sentinel-1

影響船舶航行和安全的主要因素是冰情[25］，而海冰密集度作為海冰的一個(gè)重要物理參量，對(duì)冰情影響較大，是確定船舶交通運(yùn)輸安全的關(guān)鍵因素[26］。因此，為了分析北極西北航道的適航性，本文選擇海冰密集度作為評(píng)價(jià)通航標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)，從月和旬兩個(gè)時(shí)間尺度分析其時(shí)空變化特征，分別選取2015—2019年每年9月11日—20日和2019年8月1日—9 月20 日兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行海冰密集度反演，2015年共選取14 景影像，2016 年共18 景，2017 年共20景，2018年共21景，2019年8月共49景，2019年9月共35景。

1.3 方法

本文計(jì)算海冰密集的方法主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、海冰分類和海冰密集度計(jì)算。首先，利用ENVI平臺(tái)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，根據(jù)如下公式將振幅數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為σ值。

式中：Pd為傳感器接收到的后向散射強(qiáng)度；Pt為傳輸功率；GtA和GrA分別為透射和接收天線增益；θel和θaz分別為天線仰角和天線方位角；λ為微波的波長(zhǎng)；Gr

E為雷達(dá)接收器的電流增益；Gp為處理器常數(shù)；R為距離傳播損耗；La和Ls分別為大氣和系統(tǒng)的損耗；A為散射面積；σo為后向散射系數(shù)；Pn為附加功率。其次，利用Refined Lee 濾波去除SAR 圖像的斑點(diǎn)噪聲[27］。再運(yùn)用距離多普勒正射校正方法[28］，對(duì)雷達(dá)幾何圖像中的SAR 場(chǎng)景進(jìn)行地理編碼，并轉(zhuǎn)化為dB 值輸出。最后，將其投影方式設(shè)為WGS84 North Pole LAEA Canada，并將影像中包含陸地的區(qū)域進(jìn)行掩膜。經(jīng)預(yù)處理后的影像如圖2所示。

圖2 原始影像和預(yù)處理后的影像Fig. 2 Original（a）and preprocessed（b）images

1.3.1 基于k均值的海冰分類

在SAR 影像中，像素的灰度值反映了地面目標(biāo)的后向散射強(qiáng)度，灰度值代表了不同下墊面的后向散射系數(shù)。表面粗糙的厚海冰，引起的后向散射較大，在影像上較亮；而平靜的海水介電常數(shù)很高，幾乎所有的雷達(dá)波能量都會(huì)被水面反射[29］，返回的雷達(dá)波較少，在影像上幾乎為純黑，而薄冰的后向散射介于厚冰與平靜的海水之間，在影像上呈現(xiàn)出較灰暗的粗顆粒。但由于北極復(fù)雜的氣候環(huán)境，在部分區(qū)域則會(huì)出現(xiàn)冰、水混淆的情況。例如，冰上融池使得海冰的后向散射變低，導(dǎo)致其在影像上較暗。海風(fēng)使海水表面更為粗糙，增強(qiáng)其后向散射，導(dǎo)致冰、水亮度較為接近。通過(guò)大量觀察研究區(qū)域影像發(fā)現(xiàn)，在SAR 影像中的HH 波段更容易造成上述情況的混淆，而HV 波段中海冰和海水的亮度差異十分顯著，能較好地區(qū)分。且冰上融池一般出現(xiàn)在大片海冰的中央，呈圓形，根據(jù)周圍海冰的位置可以很好地對(duì)其判斷。不同海水和海冰類型如圖3所示。

圖3 海水和海冰類型Fig. 3 Sea water and sea ice types：thick ice（a），thin ice（b），melt pond（c），smooth sea（d）and rough sea（e）

為對(duì)北極海冰密集度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序高頻次的分析，基于海冰和海水在SAR 影像上表現(xiàn)出的顯著亮度差異，本文采用k均值非監(jiān)督分類算法，在保證精度的前提下提取效率較高。k 均值算法在所有聚類算法中應(yīng)用較廣泛[30］，且在海冰提取分類的相關(guān)研究中也得到了廣泛應(yīng)用[31-33］。該方法是基于樣本間相似性度量的間接聚類方法，其聚類準(zhǔn)則是使每一類中的各點(diǎn)至中心點(diǎn)距離的平方和最小。其具體步驟如下：

（4）對(duì)于所有的i=1，2，…，k，若Z(n)j=Z(n+1)j，則迭代結(jié)束；否則轉(zhuǎn)到步驟（2）繼續(xù)進(jìn)行迭代，直至滿足結(jié)束條件。

k均值的初始聚類中心具有隨機(jī)性，表2為隨機(jī)10 次初始類中心得到的聚類結(jié)果，每次均分為5 類（參考表3）、迭代50次，可以看出不同的初始聚類中心所得的聚類結(jié)果中心數(shù)值相同，僅不同類的中心有所交換，可通過(guò)目視解譯進(jìn)行重分類并確定海冰和海水最終指代的具體類別，因此在本文的研究中，隨機(jī)選取聚類中心并不影響最終海水及海冰的分類結(jié)果。但聚類中心穩(wěn)定時(shí)的迭代次數(shù)會(huì)隨初始類中心的變化而改變，這將影響分類的效率[34］。在迭代過(guò)程中，每一類中的各點(diǎn)至聚類中心點(diǎn)的平均距離會(huì)隨迭代次數(shù)而變化，如圖4所示，平均距離隨迭代次數(shù)的增加而下降，且大約在第21次迭代后收斂，表明各類別的像素點(diǎn)在第21次迭代時(shí)明顯集中，且之后趨于平穩(wěn)。因此本文將迭代次數(shù)設(shè)為21。

圖4 平均距離隨迭代次數(shù)變化Fig. 4 Average distance varies with number of iterations

表2 隨機(jī)10次初始類中心得到的聚類結(jié)果Table 2 Clustering results by random 10 initial class centers

k 均值算法的分類數(shù)k值需要人工確定，一般來(lái)說(shuō)k值為所需分類數(shù)的2~3 倍[35］，為了達(dá)到最優(yōu)分類精度，本文以影像局部范圍為例，采用用戶精度、總體精度和Kappa 系數(shù)三個(gè)指標(biāo)，研究k分別為2~6 時(shí)海冰分類的精度，以此確定k的最優(yōu)值。由于研究區(qū)地處北極，獲得研究區(qū)真實(shí)海冰分布狀況的難度較大，本文通過(guò)灰度直方圖與目視解譯，確定區(qū)分海冰和海水的閾值為51，將閾值分割后的海冰分布圖作為真實(shí)海冰分布，如圖5 所示。k 均值算法取不同k值時(shí)海冰分類結(jié)果的混淆矩陣如表3所示。

表3 不同k值海冰分類結(jié)果混淆矩陣Table 3 Confusion matrix of sea ice classification results with different k values

當(dāng)k=5時(shí)，海冰和海水的用戶精度分別為0.98、0.76，總體精度為0.93，Kappa 系數(shù)為0.79，分類結(jié)果在這5 類中最好，因此將分類數(shù)k值確定為5。由于k值大于實(shí)際需分類數(shù)，在分類完成后，需要進(jìn)行分類合并，并結(jié)合圖5（b）中所示目視解譯方法對(duì)圖像中的誤分類區(qū)域進(jìn)行人工糾正。如圖6所示，（a）為原始影像，（b）為k 均值初分類結(jié)果，根據(jù)原始影像目視解譯判斷其中紅色為海水，黃色、淺藍(lán)色、深藍(lán)色和綠色為海冰，（c）為最終重分類結(jié)果，其中紅色為海水，淺藍(lán)色為海冰。

圖5 海冰閾值分割Fig. 5 Sea ice threshold segmentation：sea ice and sea water grayscale histograms（a）and sea ice visual interpretation（b）

圖6 海冰提取結(jié)果示例Fig. 6 Example of sea ice extraction results：original image（a），k-means initial classification result（b）and reclassification result（c）

1.3.2 海冰密集度計(jì)算

海冰密集度是指研究區(qū)域內(nèi)被冰覆蓋的水面面積與整個(gè)研究區(qū)域水面面積的比值。通過(guò)小窗口滑動(dòng)計(jì)算窗口區(qū)域內(nèi)海冰像素的個(gè)數(shù)與窗口區(qū)域像素總數(shù)的比值，最終得到整個(gè)研究區(qū)域的海冰密集度。其公式為

式中：C為海冰密集度；Ai為研究區(qū)域內(nèi)海冰像元數(shù)量；At為研究區(qū)域內(nèi)的總像元數(shù)量。海冰密集度以百分比（0~100%）顯示。窗口的大小對(duì)海冰密集度結(jié)果存在一定影響，若窗口過(guò)大，面積較小的冰間水道信息則會(huì)損失。為了能體現(xiàn)更多的海冰信息，本文選擇10個(gè)像素×10個(gè)像素的窗口大小進(jìn)行海冰密集度計(jì)算，最終海冰密集度結(jié)果圖的空間分辨率為原始影像的10 倍。圖7 為局部研究區(qū)海冰密集度結(jié)果示例。

2 結(jié)果與分析

2.1 加拿大北極群島海冰密集度時(shí)空變化

本文擬定9 月為一年中最適宜通航的月份，分析2015—2019 年每年9 月海冰密集度的變化特征，如圖8 所示?？傮w來(lái)說(shuō)，2015—2019 年加拿大北極群島內(nèi)海冰密集度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，且2018 年9 月的海冰分布范圍及海冰密集度在90%以上的占比面積在這5年中最大。

從地理位置而言，海冰密集度主要沿著海冰分布邊界由低緯度向高緯度逐漸增高。在同一緯度上，海冰密集度仍存在較大差異。高緯度海域的海冰分布位置相對(duì)固定，且其密集度一直保持高密集度的狀態(tài)，并不影響西北航道的通航。隨著緯度的降低，海冰密集度及海冰分布范圍存在不同程度的變化，變化較大的海域主要集中在加拿大北極群島區(qū)域，主要有阿蒙森灣（A. G.）、麥克林托科海峽（M. C. C.）、麥克盧爾海峽（M. C. S.）和皮爾海峽（P. S.）等。阿蒙森灣的海冰密集度在2015—2017年趨近于0，2018 年顯著增高而到2019 年降低。麥克林托科海峽2015 年僅西側(cè)沿岸的海冰密集度在90%以上，2016—2017 年高密集度海冰由北部向南延伸，直至2018 年覆蓋整個(gè)海峽，而至2019 年?yáng)|部海冰密集度降低。麥克盧爾海峽2015 年西側(cè)海冰密集度較高，2016 年直至波弗特海域海冰密集度均低于10%，2017 年西側(cè)海冰密集度再次增高，至2018年高密集度海冰覆蓋整個(gè)海峽，2019年海冰密集度降低。2015年皮爾海峽南部的海冰密集度大致在40%~60%，2016年集中在海峽中部的海冰密集度大致在50%~90%，2017—2019年海冰密集度先由趨近于0，增長(zhǎng)至90%以上，再降低至10%以下。2015—2018年，在科羅內(nèi)申灣（C.G.）、布希亞灣（G.B.）和弗瑞赫克拉海峽（F. H. S.）等較低緯度的沿岸海域仍然存在小范圍高密集度的海冰，而到2019 年，較低緯度沿岸海域的海冰消融，為西北航道低緯度航線的通航打開窗口。由于9月海冰分布邊緣地區(qū)正好位于加拿大北極群島范圍內(nèi)，也正是西北航道所經(jīng)之地，因此，海冰分布邊緣地區(qū)的海冰密集度成為判斷西北航道通航狀況的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 精度驗(yàn)證

本文選取2019年9月10日—20日西北航道中6條分支航道區(qū)域內(nèi)的海冰密集度分別進(jìn)行精度驗(yàn)證。驗(yàn)證數(shù)據(jù)為德國(guó)不萊梅大學(xué)發(fā)布的Merged MODIS-AMSR2 Daily 1 km SEA-ICE CONCEN?TRATION 產(chǎn)品（下面簡(jiǎn)稱MODIS-AMSR2 SIC 產(chǎn)品），數(shù)據(jù)時(shí)間為2019 年9 月15 日。提取MODISAMSR2 SIC 產(chǎn)品在相同航道區(qū)域內(nèi)的海冰密集度值，與本文反演的結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算，差值（絕對(duì)值）空間分布圖及各航道差值折線圖如圖9~10所示。

圖9 反演結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)差值空間分布Fig. 9 Spatial distribution of differences between inversion results and validation data

本文基于SAR 影像反演結(jié)果的空間分辨率為100 m，是MODIS-AMSR2 SIC 產(chǎn)品空間分辨率的10 倍，更高的空間分辨率意味著單個(gè)像元所代表的海冰面積更精確，從而使得海冰邊緣處位置精度更高，且海冰密集度分級(jí)更加細(xì)致，對(duì)于數(shù)十米寬的破冰船而言適配度更高。對(duì)比結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)反演結(jié)果和驗(yàn)證數(shù)據(jù)在各個(gè)重要海灣及海峽的海冰密集度的反演趨勢(shì)基本一致。由于Sentinel-1 高空間分辨率的特性，本文反演結(jié)果總體上比MODISAMSR2 SIC 產(chǎn)品反演結(jié)果的海冰密集度高，僅在麥克盧爾海峽、梅爾維爾子爵海峽東部、科羅內(nèi)申灣、利金特王子灣、?？怂篂澈望溈肆滞锌坪{南部這6 處海峽中，比MODIS-AMSR2 SIC 產(chǎn)品反演結(jié)果的海冰密集度低。在蘭開斯特海峽、阿蒙森灣、科羅內(nèi)申灣、毛德皇后灣、維多利亞海峽、富蘭克林海峽、皮爾海峽、利金特王子灣、布希亞灣、弗瑞赫克拉海峽和?？怂篂尺@11 處，其海冰密集度均在0~10%，二者反演結(jié)果差值較小，其中最大差值僅為3.21%，位于皮爾海峽，在利金特王子灣的最小差值達(dá)0.05%。而麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽東部的海冰密集度在20%~30%和60%~70%區(qū)間，但其反演結(jié)果差值均低于2%，在梅爾維爾子爵海峽東部的差值僅為0.04%。其余海冰密集度在10%以上的海灣及海峽，二者反演結(jié)果存在不同程度的差異。由于冰水混合導(dǎo)致二者反演結(jié)果差異較無(wú)海冰處反演結(jié)果差異大，最大差值在麥克林托科海峽北部達(dá)到了20.09%?？傮w來(lái)說(shuō)，無(wú)海冰區(qū)域二者反演結(jié)果差值較小，可以達(dá)到反演一致的結(jié)果；而在冰水混合區(qū)域，二者反演結(jié)果差值較無(wú)海冰區(qū)域反演結(jié)果差值大。由于劃分能否通航的標(biāo)準(zhǔn)為70%的海冰密集度，二者在節(jié)點(diǎn)處的反演結(jié)果均大于70%或均小于70%時(shí)，存在一定的誤差并不會(huì)影響能否通航的判斷，因此本文認(rèn)為該研究方法適用于對(duì)北極海冰密集度的反演及最佳通航窗口和航道的選擇。

圖10 各航道反演結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)差值折線圖Fig. 10 Line chart of the difference between inversion results of each channel and verification data：Channel A（a），Channel B（b），Channel C（c），Channel D（d），Channel E（e）and Channel F（f）

2.3 長(zhǎng)時(shí)序宏觀跟蹤西北航道重要海灣及海峽的海冰密集度變化

海冰密集度的地域差異性和海冰分布邊界的不規(guī)整性決定了西北航道在各海灣及海峽通航的不同步性。因此，本文選取了西北航道上各分支航線所經(jīng)過(guò)的17個(gè)重要海灣及海峽作為通航節(jié)點(diǎn)，其基本情況如表4所示。其中，最寬處在毛德皇后灣，達(dá)280 km[36］，而最窄處在貝洛特海峽，僅0.77 km。綜合17 個(gè)海灣及海峽的寬度，建立直徑為100 km的通航范圍。中國(guó)“雪龍”號(hào)可以在海冰密集度小于60%的海域通航[37］，“雪龍2”號(hào)的通航能力更強(qiáng)，根據(jù)俄羅斯等其他國(guó)家擁有可以在海冰密集度大于70%的海域通航的破冰船數(shù)量，為適應(yīng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)大多數(shù)破冰船的破冰能力，將70%的海冰密集度作為通航閾值，并以西北航道2015—2019 年每年9 月的海冰密集度值作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，得到西北航道2015—2019年每年9月的通航情況圖，如圖11所示。

圖11 2015—2019年每年9月西北航道通航情況Fig. 11 Navigation of the Northwest Passage in September from 2015 to 2019：September 2015（a），September 2016（b），September 2017（c），September 2018（d）and September 2019（e）

表4 西北航道重要海灣及海峽的基本情況Table 4 Basic information on important bays and straits of the Northwest Passage

由表4 和圖11 可知，2018 年9 月整體通航情況最差，海冰密集度高于70%的覆蓋面積在研究時(shí)段內(nèi)最大，達(dá)302 916.34 km2，占總航道面積的35.24%，共計(jì)10 個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，其中，航道B、C、E和F同時(shí)有4個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，且在航道A的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽形成了長(zhǎng)達(dá)1 140.70 km的連續(xù)不可通航航段，且此處的海冰密集度常年在60%以上[38］，在航道B 的阿蒙森灣、威爾士王子海峽和梅爾維爾子爵海峽分別形成了長(zhǎng)達(dá)265.42 km 和425.63 km 的不可通航航段，在航道F 的麥克林托科海峽也形成了長(zhǎng)達(dá)361.94 km 的不可通航航段；其次是2015年和2017年9月，均共計(jì)6 個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，雖然2015 年海冰密集度高于70%的覆蓋面積在這5年中最小，僅48 180.30 km2，占總航道面積的5.61%，且在威爾士王子海峽、毛德皇后灣、皮爾海峽和巴羅海峽不可通航距離較短，均低于50 km。但在航道C同時(shí)出現(xiàn)5個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，不連續(xù)不可通航距離累計(jì)570.80 km。整體通航情況較好的是2016年和2019年9月，共計(jì)僅有4 個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，只在高緯度航道A 的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，并且在航道C均可實(shí)現(xiàn)全線通航。

航道A 因其筆直而寬闊的水域是西北航道中最理想的航道，但其內(nèi)部冰情復(fù)雜[39］，2015—2018年每年9月不可通航的節(jié)點(diǎn)由巴羅海峽和蘭開斯特海峽轉(zhuǎn)向麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽，相比而言，航道A 東部的通航適宜性比西部強(qiáng)。西部的蘭開斯特海峽由于北大西洋暖流而有無(wú)冰趨勢(shì)，巴羅海峽由于靠近來(lái)自東部的表面暖流而海冰較少[40］。由于航道B中梅爾維爾子爵海峽—蘭開斯特海峽與航道A 重疊，因此除了2015 年、2017 年和2018年9月在威爾士王子海峽和2018年9月在阿蒙森灣出現(xiàn)新的不可通航節(jié)點(diǎn)，其余通航情況與航道A 一致，不可通航的節(jié)點(diǎn)主要集中在航道中段。航道C 中，在2015 年9 月有5 處不可通航的節(jié)點(diǎn)，分別是科羅內(nèi)申灣、毛德皇后灣、皮爾海峽、巴羅海峽和蘭開斯特海峽；到2016 年9 月，皮爾海峽分布有小范圍密集度大于70%的海冰，但對(duì)通航影響不大，可以實(shí)現(xiàn)全線通航；到2017 年9 月向南轉(zhuǎn)移至富蘭克林海峽；2018 年9 月冰情返重，阿蒙森灣、科羅內(nèi)申灣、皮爾海峽和巴羅海峽不可通航；直到2019年9月再次全線通航。航道D 中阿蒙森灣—富蘭克林海峽與航道C重合，2015年9月在科羅內(nèi)申灣、毛德皇后灣和蘭開斯特海峽不可通航；從2016 年9 月開始，貝洛特海峽由于兩岸間距狹窄長(zhǎng)期受海冰阻礙，最窄處僅770 m，通航條件困難。航道E 以富蘭克林海峽向西與航道D 重合，通航情況與其一致，此外，2016 年至2018 年9 月均在弗瑞赫克拉海峽不可通航。航道F2015年和2018年的9月通航情況最差，2015年9月不可通航的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多，共4個(gè)，而2018年9月連續(xù)不可通航距離最長(zhǎng)，達(dá)1 140.70 km，其余年份不可通航的節(jié)點(diǎn)均只有1處?？傮w來(lái)說(shuō)西北航道的海冰情況呈現(xiàn)東輕西重、南輕北重的格局，不可通航節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)東少西多、南少北多。汪楚涯等[38］研究了2015—2018 年西北航道通航情況，其研究同樣證實(shí)了巴羅海峽、皮爾海峽、維多利亞海峽、科羅內(nèi)申灣和毛德皇后灣等位于西北航道南部和東部的海灣及海峽通航情況更好，結(jié)果與本文結(jié)論一致。

統(tǒng)計(jì)2015—2019 年每年9 月各分支航道所經(jīng)重要海灣及海峽的累計(jì)不可通航次數(shù)，如圖12 所示。其中，不可通航次數(shù)最多的為4次，包括麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽，而維多利亞海峽、利金特王子灣、布希亞灣和?？怂篂逞芯繒r(shí)段內(nèi)均可通航?？傮w來(lái)說(shuō)，航道D 和F 所經(jīng)重要海灣及海峽的累計(jì)不可通航次數(shù)最少，共9次。阿蒙森灣、蘭開斯特海峽、科羅內(nèi)申灣、毛德皇后灣、維多利亞海峽和巴羅海峽在西北航道中所經(jīng)次數(shù)最多，對(duì)其通航貢獻(xiàn)最大。阿蒙森灣—科羅內(nèi)申灣處于西北航道的開端，直接影響船舶能否順利進(jìn)入加拿大北極群島。毛德皇后灣—維多利亞海峽處于西北航道的中段，是諸多支線的分叉點(diǎn)，且常年有各海域的流冰淤積于此，因此此處的冰情直接影響分支航線的選擇。巴羅海峽—蘭開斯特海峽處于西北航道的末端，雖然該海域受西格陵蘭暖流的影響，但所處緯度較高，仍會(huì)影響通航。

圖12 2015—2019年每年9月西北航道累計(jì)不可通航次數(shù)Fig. 12 Accumulated number of non-navigable times of the Northwest Passage in September from 2015 to 2019

2.4 短時(shí)序精細(xì)分析西北航道重要海灣及海峽的海冰密集度變化

經(jīng)上述分析，9 月西北航道密集度大于70%的海冰分布范圍仍然容易堵塞航道中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，僅在2016 年和2019 年的航道C 各出現(xiàn)1 條全線通航的航道，為了進(jìn)一步縮小西北航道出現(xiàn)全線通航的窗口，本文反演得到2019 年8 月1 日—9 月20 日的海冰密集度，以上述同樣方法，每10天為一周期，得到 西 北 航 道2019 年8 月1 日—9 月20 日5 個(gè) 周 期 的通航情況圖，如圖13所示。

圖13 西北航道2019年8月1日—9月20日的通航情況Fig. 13 Navigation of the Northwest Passage from August 1 to September 20，2019：August 1—10（a），August 11—20（b），August 21—31（c），September 1—10（d）and September 11—20（e）

由圖13 可知，自2019 年8 月下旬航道C、D、E開始出現(xiàn)全線通航的窗口，航道A、B、F 僅1 個(gè)不可通航節(jié)點(diǎn)，直到9 月上旬仍然保持航道C、D、E3 條全線通航的狀態(tài)，航道A 增加為2個(gè)不可通航節(jié)點(diǎn)，9 月中旬受貝洛特海峽高密集度海冰的影響，減少為僅航道C 全線通航，航道C 可通航時(shí)間最久。而在8月上、中旬，密集度大于70%的海冰分布范圍較廣，分別達(dá)到了176 549.92 km2和132 299.58 km2，占總航道面積的20.54%和15.39%，沒(méi)有出現(xiàn)可以全線通航的航道，不可通航的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多，尤其是8 月上旬，共有9 個(gè)不可通航節(jié)點(diǎn)，且在航道A 的麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽形成了長(zhǎng)達(dá)1 206.08 km 的連續(xù)不可通航航段，在航道B的梅爾維爾子爵海峽形成了567.15 km 的不可通航航段，在航道C 的富蘭克林海峽和皮爾海峽形成了438.17 km 的連續(xù)不可通航航段，在航道D 的富蘭克林海峽、貝洛特海峽和利金特王子灣形成了長(zhǎng)達(dá)494.44 km 的連續(xù)不可通航航段，在航道E 的富蘭克林海峽、貝洛特海峽和布希亞灣形成了長(zhǎng)達(dá)597.74 km 的連續(xù)不可通航航段，在航道F 的麥克林托科海峽形成了640.34 km的不可通航航段。

航道A 所經(jīng)高緯度海域，受來(lái)自北冰洋的多年冰流的影響，高密集度海冰長(zhǎng)期分布在麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽[41］，即使在8 月下旬梅爾維爾子爵海峽仍然分布51 440 km2密集度大于70%的海冰，且梅爾維爾子爵海峽受到來(lái)自麥克盧爾海峽多年冰的積累，其通航適宜性一直較麥克盧爾海峽差[42］。航道B中阿蒙森灣和威爾士王子海峽一直處于可以通航的狀態(tài)，由于經(jīng)過(guò)威爾士王子海峽北部與梅爾維爾子爵海峽相連，仍會(huì)存在一些浮冰阻礙通航[24］。航道C 由8 月上旬富蘭克林海峽和皮爾海峽2 個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，到8 月中旬減少至富蘭克林海峽1 個(gè)不可通航的節(jié)點(diǎn)，證明皮爾海峽的海冰大多向富蘭克林海峽漂移[24］，到8 月下旬至9 月中旬一直保持全線通航。航道D 需經(jīng)過(guò)狹窄的貝洛特海峽，此處由于島嶼間距僅770 m，水流湍急，最高可達(dá)8 000 海里，且利金特王子灣的海冰常會(huì)淤積至此，從而阻礙通航，僅在8 月下旬至9 月上旬可以全線通航。航道E經(jīng)貝洛特海峽后向南轉(zhuǎn)入低緯度海域，除了8月上旬在富蘭克林海峽、貝洛特海峽和布希亞灣形成的597.74 km 的連續(xù)不可通航航段，其余周期基本沒(méi)有高密集度海冰分布，其全線通航窗口在8 月下旬至9 月上旬。而航道F 由于麥克林托科海峽一直存在大面積密集度大于70%的海冰，沒(méi)有出現(xiàn)全線通航的窗口。僅在9月上旬，其高密集度海冰的分布范圍縮小至70 113.25 km2，可以借助破冰船通航。從通航窗口期來(lái)看，8 月下旬至9 月上旬為北極西北航道的最佳通航時(shí)期，期間共出現(xiàn)3條全線通航的航道，Stephenson 等[43］、Meng等[44］、Ng 等[45］研究均表明，近年來(lái)西北航道的通航窗口主要集中在8 月和9 月。此外，Chen 等[22］預(yù)測(cè)2021—2025 年開放水域船舶可以在9 月通航，破冰等級(jí)為PC6 級(jí)的船舶可以在8 月中旬進(jìn)入西北航道。從航道選擇來(lái)看，Liu 等[23］研究表明航道D 為2015 年北極西北航道的最佳通航路線，航道E 可以作為候選航道，而本文研究發(fā)現(xiàn)到2019 年航道C 成為北極西北航道的最佳通航路線，其連續(xù)通航時(shí)間最長(zhǎng)，可連續(xù)通航3 個(gè)周期。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)影響航道D、E 成為2019 年北極西北航道的最佳通航路線的關(guān)鍵在貝洛特海峽，其海峽過(guò)于狹窄，可通航期海水流速較快，高度流動(dòng)的海冰對(duì)船舶的威脅較大，且到9月中旬島嶼邊緣海冰便迅速連結(jié)，一般船舶更傾向選擇較寬較深的海峽通航。本文研究與Liu 等[23］研究對(duì)比，均認(rèn)為位于高緯度的航道A 通航適宜性最差。

3 結(jié)論

本文利用Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選用k 均值聚類算法提取北極西北航道的海冰并計(jì)算海冰密集度，并以70%為通航閾值，分析北極西北航道2015—2019 年不同時(shí)間尺度的海冰密集度及通航時(shí)空變化格局，結(jié)論如下：

（1）研究時(shí)段9 月加拿大北極群島內(nèi)海冰密集度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，并沿著海冰分布邊界由低緯度向高緯度逐漸增高；在同一緯度上，海冰密集度分布仍存在較大差異。高緯度海域的海冰對(duì)西北航道的通航影響程度較小，較低緯度的沿岸海域在2019年相較往年海冰消融范圍大，為西北航道低緯度航線的通航打開窗口。

（2）西北航道的通航情況取決于17個(gè)重要海灣或海峽的海冰密集度。統(tǒng)計(jì)2015—2019 年每年9月各分支航道所經(jīng)重要海灣及海峽的累計(jì)不可通航次數(shù)，阿蒙森灣、蘭開斯特海峽、科羅內(nèi)申灣、毛德皇后灣、維多利亞海峽和巴羅海峽的通航情況對(duì)西北航道通航的貢獻(xiàn)較大。不可通航次數(shù)最多的為麥克盧爾海峽和梅爾維爾子爵海峽，達(dá)4次，次數(shù)最少的為維多利亞海峽、利金特王子灣、布希亞灣和?？怂篂?，為0 次。航道D 和F 所經(jīng)重要海灣及海峽累計(jì)不可通航的次數(shù)最少，共9次。

（3）8月下旬至9月上旬為北極西北航道的最佳通航時(shí)期；航道C為北極西北航道的最佳通航路線。本文以70%的海冰密集度及全線通航作為通航標(biāo)準(zhǔn)，意在為破冰能力較弱的船舶尋找最佳通航窗口及路線，泛化北極西北航道對(duì)船舶性能的包容力。另外，西北航道的通航適宜性存在顯著的年際變化，有待于后續(xù)從不同年份的微觀時(shí)間尺度深入分析，以進(jìn)一步探究通航窗口的年際變化規(guī)律。