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海冰减少与21世纪跨北极航线

N.Melia1, K. Haines2, and E. Hawkins3

Department of Meteorology, University of Reading, Reading, UK, 2National Centre for Earth Observation, Department of Meteorology, University of Reading, Reading, UK, 3NCAS-Climate, Department of Meteorology, University of Reading, Reading, UK

摘要：观测到的北极海冰减少预计将持续，这不仅将开启横跨北极的更短的贸易路线，全球经济也会受到潜在影响。我们利用“耦合模型比对项目第5阶段”消除了空间偏差的模拟结果，对海冰减少后北极航运增加的可能性进行了量化分析。到21世纪中叶，对于开放水域的标准船舶来说，可航行期内的航行频率将增加一倍。海冰-船速关系表明，欧洲通往北亚的航线将比21世纪中叶的路线快10天，21世纪末将快13天；同时北美航线的航行速度也将快4天。在本世纪末，温室气体排放对航运会产生更大的影响;在典型浓度路径（RCP）8.5排放情景下，可航运季节将达到4-8个月，为RCP2.6的两倍，且两者都具有显著的年际变化。在本世纪末期，中等强度的破冰船很可能使北极的可航行时间延长到10-12个月。

1.引言

由于苏联持续对北海航线（NSR）的港口和破冰船的持续投资，北极航运在20世纪80年代达到顶峰。至今，北极航海活动仍主要以往返于港口间的交通方式进行[Eguiacute;luz等人,2016;Stephenson等人,2013a]。但夏季北极海冰的减少使得人们逐渐开始关注跨北极航运的可行性，北冰洋便成为了连接太平洋和大西洋各港口的一条捷径。与苏伊士运河和巴拿马运河的航线相比，横跨北冰洋将节省大量的航运成本，减少油耗同时也将提高航行频率[Lasserre, 2014]。这就是为什么中国，日本，新加坡和韩国等主要航运国家向北极理事会申请观测员的原因之一[Bennett, 2014]。更短的航运路线也可能减少航运污染物排放，使得高纬度地区黑碳沉积的增加可以忽略不计[Browse 等人, 2013]。

目前对于普通船只来说，在北大西洋和亚洲太平洋港口之间（或开放水域（OW））用时最短的可行航道是NSR和西北航道（NWP）（图1a；另请见参考信息）。NSR和NWP的航次的统计数据显示[Eguiacute;luz 等人, 2016]，当NWP（而不是NSR）开放的时候（图1a），尽管跨北极航次数量比年际变化来得小（MOE，2014年），但是航次数量依旧在增加，反之亦然（图1a）。例如，2007年是冰情记录中次良好的年份；然而，NSR航线被从主冰层向俄罗斯延伸出的冰阻挡，说明了冰情的缓和不一定保证开放航线的可通行性。

目前，船舶从欧洲到东亚（通过苏伊士运河）不间断航行需要30天；从北美通过巴拿马运河需要25天（见第2节）。这里我们研究从横滨（代表东亚港口）到鹿特丹（代表欧洲港口）和纽约（代表北美港口）的传统航线如何在21世纪尽可能利用跨北极航线实现转变。同时，许多运营因素也会影响航线的选择（例如货物类型、中间目的地、燃油价格、保险费和吃水限制）；这里我们只关注海冰这个影响航运的主要因子。本研究仅评估北极海冰的变化以及因此增加的跨极航运。同时其他物流、经济和地缘政治因素也会影响未来航运贸易路线的选择[Arctic Marine Shipping Assessment, 2009; Hansen等人., 2016]。

我们利用了来自多个全球气候模型（GCMs）的模拟。其中，每个模型都有多个集合成员，且它们均来自“耦合模型对比项目第5阶段” 这一研究计划(CMIP5) [Taylor 等人, 2012]。我们注意到，在当前的GCM空间分辨率下模拟强冰运动是十分困难的，尤其是在加拿大群岛附近；但是，与最近的一项更高分辨率的海冰厚度（SIT）数据校准性能相比，每个GCM都经过了偏差校正[Melia等人, 2015]。由于每个GCM在SIT的空间分布和年际变化中都存在偏差，航线上的区域冰模式受到了较大影响——因此GCM的校准偏差是极其重要的。先前的北极航运研究并未使用这种校准，所以海冰的研究主要依赖于最初始的模型[Stephenson and Smith, 2015]，导致它忽略了年际变化和航行预期排放[Melia, 2016]。这里使用的校准方法减少了未来的海冰模型之间的差异[Melia等人., 2015]。比起以前仅使用单一模拟、多模平均值和多年度平均值，使用来自每个校准的GCM的多个集合成员对年际变化进行采样，不确定性得到了更好的量化[Khon等人, 2010; Rogers等人, 2013; Stephenson等人, 2011, 2013b]。我们还考虑到整个21世纪的整体季节周期，预见到未来的航运季节将会延长。

未来的气候变化状况由2006年开始偏差的典型（温室气体）浓度路径（RCPs）作指标[Van Vuuren等人l., 2011]。到2100年为止，作为排放最多的方式的RCP8.5大约将使全球平均气温比前工业时期上升4.3plusmn;0.7°C; RCP2.6作为最低的排放路径，它将使全球平均温度将高于前工业时期约1.6plusmn;0.4°C，符合最近的联合国巴黎（COP21）的温度标准[Hulme, 2016; Intergovernmental Panel on Climate Change, 2013]。我们也给出了RCP4.5（~2.4plusmn;0.5°C）的研究结果。这里同时对两类船舶的应用前景进行了评估：一是没有特殊破冰能力的OW船舶，二是资本成本溢价为20%，但可以在第一年中期冰上运行的极地六类（PC6）船舶 [Lasserre, 2014]。

图1.（a）由泛北极冰海模拟和同化系统（PIOMAS）再分析[Zhang and Rothrock，2003]假设的开放水域海冰厚度现场最近8年的9月航线。 路线只在北极过境时绘制.1：MClure海峡，北美最短路线，北部NWP.2：阿蒙森海湾，更长的南部NWP.3：Sannikov海峡.4：Vilkitsky海峡。（b）主要的北极过境选择。

表1.符合未来航运分析机构的GCM列表

机构 GCM名称：缩写[文献]

大都会哈德利中心 哈德利中心全球环境模型版本2地球系统：HadGEM2-ES

[HadGEM2开发团队等，2011]

国家大气研究中心 公共气候系统模型，版本4：CCSM4

[Gent等人。，2011]; Vavrus等，2012]

国家大气研究中心 公共地球系统模型，社区大气模型，第5版：CESM1-CAM5 [Meehl等，2013]

气候跨学科研究模型（MIROC） MIROC第5版：MIROC5 [Watanabe等，2010]

Max Plank气象研究所（MPI） MPI地球系统模型，低分辨率：MPI-ESM-LR [Jungclaus等，2006]应用物理实验室（华盛顿大学） 泛北极冰海模拟和同化系统：PIOMASa

[Zhang和Rothrock，2003]

*仅仅用作GCM校准的再分析。

2.航线计算

这里假设欧洲航线由鹿特丹至横滨（NSR：6930海里，~18天，苏伊士航道：11,580海里，~30天），北美航线由纽约至横滨（NWP：7480航海里程，约21天，巴拿马：9720海里，约25天）。利用Tan等人详细描述的船速数据，在开放水域中使用16节船速且在海冰中使用较慢的速度计算航行时间。[2013]（图S1）。我们省略了通过运河所需的延误时间和额外时间，即使这也是值得考虑的一个影响因素。

加拿大海岸警卫队的北极海冰运输系统[加拿大运输部，1998]定义了各船舶种类破开一定年龄、厚度的冰的能力，即OW产生0.15米的SIT阈值和PC6船产生1.2米的SIT阈值。该系统是新国际海事组织的极地系统中为数不多的一个，其设计用于保障运营商船进行北极航行的安全性，以验证操作者在北极水域航行中已采取了适当的措施[国际海事组织，2015]。SIT-船速关系的船舶航路算法[Tan等人，2013]可以用来计算出用时最短的北极航线，航线的长短令节省的运输时间的统计数据得到了直观的呈现。来自所有集合成员的SIT被转换为由通过网格单元SIT的船速的倒数得出的船舶冰级的有效冰阻力。由于转换后的SIT速度是最快的航线速度,所以接下来使用的是最低成本路径算法[Dijkstra，1959; Van Etten，2015]以计算积累总时间最短的两点之间的路线。

3.GCM的选择和校准

为了充分地对GCM的内部偏差和冰情不确定性进行抽样，我们选择了历史时期内至少有三个集合模拟的GCM，用于模拟RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5[Van Vuuren等人，2011]。此外，GCM必须具有足够的空间分辨率才能用于分析俄罗斯北极和加拿大群岛的主要岛屿和海峡以实现真实的船舶航线模拟。根据1995-2014年期间泛北极冰海模拟和同化系统（PIOMAS）再分析[Zhang和Rothrock，2003]的SIT统计数据，五个合格的GCM（表1）利用每个模型中的三个集合成员进行校准，其结果与Melia等人的相符[2015]。 该方法得益于利用全部成员来校准GCM的平均反馈而不是单个成员的反馈，从而允许集合扩展平滑演化以给出未来的不确定性估计。

正如Stephenson和Smith [2015]分析，这种校准对空间分布中较大的偏差[Stroeveetal，2014a]和海冰的变化做出了解释，使得以前对当时未来北冰洋通道的研究有了相当大的模型间传播。由Melia等人开发的均值和方差校正法（MAVRIC）[2015]通过分离均值和方差校准来约束CMIP5投影中的空间SIT分布和时间变化，其中MAVRIC =平均A 异常B。校准参数A，B用于减少SIT预测中的发散，同时保留来自模型集合中的个体成员的气候浮动（详见Melia等人[2015]）。

4.更快的21世纪跨北极航线

21世纪前期的地图投影（2015-2029，图2a和2b）显示，至少有30％OW船舶能在9月过境北极。欧洲航线使用NSR路线到东亚需要至少18-19天；当航线更变时（当NSR被阻挡而改为使用NWP），需要20-22天。在北美区域的北极航行中使用最快的“北部NWP”路线（通过MClure海峡;参见图1）至少需要21天；较长的“南部NWP”路线（通过阿蒙森海湾）则需要22天；通过 NSR需要25天。21世纪前期的航线变更中包含大约50％的跨北极航线，说明北极地区在冰情上可能存在相当大的空间变化。

由于拥有较高的SIT阈值，PC6船在21世纪前期具有90％运输潜力（图2a和2b）。通过利用不同的跨北极航路（TSR）来模拟大部分的欧洲航海过程，PC6也可以航行在OW船舶无法通过的更短的捷径上；北美航海大多使用较短的北部NWP路线。除了航行频率增大的优势外，PC6的北极航行的时间变化也小于1天，而对比之下OW为7天。这种航行的连贯性对于航运来说是非常有益的，主要是因为港口和运输公司遵守着极其严格的作业时间表。

到21世纪中叶（2045-2059，图2c和2d），无论以什么标准的RCP为排放背景，9月OW运输潜力预计都将翻倍。TSR航线将首次变得开阔[Smithand Stephenson，2013]，并且会比NSR航线快1-2天。最普遍的欧洲航线是NSR的较短版本，它没有通过Vilkitsky和Sannikov海峡（见图1a）; 这对于航海来说可能是有利的，因为Sannikov海峡有着吃水深度的限制——即大型船舶无法通过。由于航行可以节省一天的时间，北美航线更倾向于走较短的北部NWP而不是南部的NWP。北冰洋除了更大的潜在利用价值之外，因为大片区域在9月份没有冰，船舶路线选择的多样性也会有所增加。从本世纪中叶开始，几乎每年9月份，PC6船都可以沿着TSR（欧洲，约17天）和北部NWP（北美，约20天）的最短路线进行通航。

21世纪末（2075-2089）的航行模拟表明，九月份以RCP8.5为标准的OW船舶几乎可以通行在开阔的北极区域（图2f）。欧洲航线将更偏向选择仅需17天的TSR；北美航行更偏向耗时仅20天的NWP。在RCP2.6（图2e）条件下，欧洲和北美航线在9月份有68%的开放时间，平均时间为18天和21天，所以NWP和NSR的所有航线仍会经常有船舶通行。

通过使用图2所示的北极航线和苏伊士（至少30天）的传统欧洲航线，通往东亚的平均用时可以得到大幅缩短。随着北极航线在本世纪变得逐渐可通航，跨北极航行将会更加通畅，各方面的节约也将逐步实现。在21世纪初，利用北极开放水域通行的所有欧洲（北极 苏伊士）航线的平均最短行程时间为26天；到本世纪中叶为20天；而在RCP8.5的排放背景下，本世纪末花费的时间为17天。以RCP2.6为背景，世纪中叶的通航时间为23天，到世纪末为22天。因为通过巴拿马的路线最少只要25天，北美的跨极航行对于船舶而言变成次要选择（图2）。根据航线的选择和冰情，北美到东亚的NWP航行需要20-22天；当NWP无

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