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海冰减少与21世纪跨北极运输路线
N. Melia K1.Haines E2.Hawkins3
（1.英国雷丁大学气象系2.英国雷丁大学气象系第二国家地球观测中心3.英国雷丁大学NCAS-气候系）
摘要：观察到北极海冰的下降趋势还将继续，这将打开横跨北极的较短贸易路线，从而可对全球经济产生影响。这里，我们使用耦合模型比较项目的第5阶段全球气候模型仿真（经过校准以消除空间偏差）进行量化，预测的海冰损失如何增加北极过境运输的机会。到本世纪中叶，开放水域船舶的通航时间翻了一番，并有穿越北极中心的航线。通过海冰-船速关系可以看出，欧洲到亚洲的航线通常到本世纪中叶比其他航线要快10天，到本世纪末要快13天，而北美航线要快4天。到本世纪末，未来的温室气体排放将产生更大的影响。代表浓度途径（RCP）8.5的运输季节将达到4–8个月，是RCP2.6的两倍，两者均具有较大的年际变化。中等强度的冰船可能在世纪末使北极过境10-12个月。
关键词：北极航运；海冰；气候预测
- 引言
由于苏联维护北海航线（NSR）不断投资港口和破冰船，北极航运在1980年代达到顶峰。现在的活动仍然主要是往返北极地区港口的目的地 [ Eguluz等人，2016年Stephenson等，2013a ]。然而，夏季北极海冰的减少使人们对跨境运输可能性的兴趣增加了，利用北冰洋作为太平洋和大西洋港口之间的捷径。与苏伊士运河和巴拿马运河相比，距离的大幅减少可能会因为减少油耗和增加出行频率而节省大量成本[ Lasserre，2014]。这是中国，日本，新加坡和韩国等主要航运国寻求北极理事会观察员地位的原因之一[ Bennett，2014年 ]。较短的运输路线还具有减少全球运输排放的潜力，而高纬度二氧化碳沉积的增加可忽略不计[ Browse et al。，2013 ]。
当前，北大西洋和亚太港口之间的非专业（或开放水域（OW））船可用最快的路线是沿着NSR和西北通道（NWP）（图1a；另请参阅支持信息）。NSR和NWP的航行统计数据显示交通量不断增加[ Eguiacute;luzet al。，2016 ]，尽管跨北极航行的人数较为适中[ Moe，2014 ]，与NWP开放的年份相比，年际变化较大，但NSR却没有，反之亦然（图1一种）。例如，2007年是有记录以来第二低的冰范围；但是，NSR被从主要冰袋向俄罗斯的冰块挡住，这说明海冰范围减小并不一定能保证开放路线。
图1
假想的开阔水域船只路线是通过泛北极冰海模拟和同化系统（PIOMAS） [9]，并在9月的海冰厚度环境下航行的，这是最近八年[ Zhang and Rothrock，2003 ]。仅在可能进行北极过境时绘制路线。1：迈克雷海峡（MClure Strait），最短的北美航线，即NWP。2：阿蒙森海湾（Amundsen Gulf），是较长的NWP南部。3：桑尼科夫海峡。4：Vilkitsky海峡。（b）主要的北极过境选择。
目前，通过苏伊士运河从欧洲直达东亚的航行需要30天；从北美经巴拿马运河航行需要25天（请参阅第2节））。在这里，我们研究了从横滨（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）的不间断航行在21世纪如何尽可能利用跨北极航线变化。许多操作因素也会影响航线选择（例如，货物类型，中间目的地，燃油价格，保险费和吃水限制）；在这里，我们仅专注于海冰，这是北极运输的最大物理危害。这项研究仅评估了北极海冰的变化以及由此增加的该地区运输机会。其他后勤，经济和地缘政治因素也将影响未来的贸易路线选择[ 北极海上运输评估，2009；Hansen等，2016 ]。
我们利用来自多个全球气候模型（GCM）的模拟，每个模型都有多个集合成员，这些模型来自耦合模型比较项目第5阶段（CMIP5）[ Taylor等，2012 ]。我们注意到，在目前的GCM空间分辨率下，尤其是在加拿大群岛，模拟强大的冰动力学是一项挑战。但是，每个GCM均经过了偏差校正，以根据最近的更高分辨率海冰厚度（SIT）数据校准性能[ Melia等，2015]。该校准至关重要，因为每个GCM都包含SIT的空间分布和年际变化的偏差，这些偏差会严重影响沿海航线的区域冰层格局。以前的北极航运研究并未使用这种校准方法，因此得出的预测主要取决于模型[ Stephenson和Smith，2015 ]，掩盖了年际变化和未来排放情景的作用[ Melia，2016 ]。这里使用的校准方法减少了未来海冰的模型间变化[ Melia等，2015]。使用每个校准的GCM中的多个集合成员对年际变化进行采样，与仅使用单个模拟，多模型均值和以前的多年均值方法相比，可以更好地量化不确定性[ Khonet al。，2010 ; 罗杰斯（Rogers）等人，2013年；Stephenson等人。，2011，2013b ]。我们还考虑了整个21世纪的整个季节周期，以反映运输季节未来的延长。
代表性的（温室气体）浓度路径（RCPs）表示了未来的气候变化情景，该路径在2006年之后出现分歧[ Van Vuuren等，2011 ]。RCP8.5是最高的排放途径，到2100年大约相当于全球从工业化前的平均温度升高4.3plusmn;0.7℃。RCP2.6是最低的排放途径，全球平均温度稳定在比工业化前的温度高约1.6plusmn;0.4℃的水平，与联合国巴黎（COP21）的近期目标相一致[ Hulme，2016 ; 政府间气候变化专门委员会，2013年]。还显示了RCP4.5（约2.4plusmn;0.5℃）的结果。评估了两种船级的前景：没有特殊防冰功能的OW船和具有20％的资本成本溢价的极地六级（PC6）船[ Lasserre，2014 ]，但能够在中型第一年的冰中使用。
2计算运输路线
假定的欧洲航线是鹿特丹到横滨（NSR：6930海里， 18天，苏伊士：11580海里，（30天），而北美航线是纽约到横滨（NWP：7480海里，21天），巴拿马：9720海里（25天）。航行时间的计算是在开阔水域中使用16节，在海冰中使用较慢的速度，并使用Tan等人详述的船速数据。[ 2013 ]（图S1）。我们忽略了穿越运河的时间延迟和额外的时间，这是相当可观的。
加拿大海岸警卫队的北极冰区运输系统[ 加拿大运输部，1998年 ]定义了船级进入一定厚度和年龄的冰的能力，对OW产生SIT阈值为0.15 m，对于PC6船舶则为1.2 m。该系统是新的国际海事组织极地规则中概述的少数几个系统之一，该极地代码旨在为操作员使用安全的北极航行，以证明已经采取了足够的措施在北极水域航行[ 国际海事组织，2015 ]。具有SIT-船只速度关系的船舶航路算法[ Tan等，2013]用于查找最快的北极路线，从而可以显示节省的运输时间统计信息。来自所有集合成员的SIT被转换为通过该网格单元的SIT的船舶速度的倒数给出的船舶防冰等级的有效抗冰性。最小成本路径算法[ Dijkstra，1959 ; Van Etten，2015 ]然后被用来计算两个点之间的路线，该路线累计了最低的总时间，由于SIT速度替代，这是最快的路线。
3 GCM选择和校准
为了充分采样内部可变性和场景不确定性，我们选择了在历史时期内针对RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5场景中的每一个至少具有三个整体模拟的GCM [ Van Vuuren等，2011 ]。此外，GCM必须具有足够的空间分辨率，以解决俄罗斯北极和加拿大群岛的主要岛屿和海峡，以实现现实的船舶航行。五个合格的GCM（表1）已根据1995-2014 年间的泛北极冰海建模和同化系统（PIOMAS）再分析[ Zhang和Rothrock，2003年 ] 的SIT统计数据进行了校准。，根据Melia等。[ 2015 ]。该方法受益于利用集合成员来校准GCM的平均响应，而不是每个个体成员的响应，从而使传播平稳发展，以提供未来的不确定性估计。
表1. 有资格进行未来装运分析的GCM列表
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机构 |
GCM名称：缩写 [文献] |
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大都会办公室哈德利中心 |
Hadley中心全球环境模型版本2-地球系统：HadGEM2-ES [HadGEM2开发团队等，2011年] |
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国家大气研究中心 |
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国家大气研究中心 |
社区地球系统模型，社区大气模型，版本5：CESM1-CAM5 [Meehl等，2013] |
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气候学跨学科研究模型（MIROC） |
MIROC版本5：MIROC5 [Watanabe等，2010 ] |
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马克斯·普朗克气象研究所（MPI） |
MPI地球系统模型，低分辨率：MPI-ESM-LR [Jungclaus等，2006] |
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应用物理实验室（华盛顿大学） |
校准解释了空间分布中的重大偏差[ Stroeve等，2014a ]和海冰的可变性，这导致了先前对未来北极海洋通道的先前研究中模型间的广泛传播，正如史蒂芬森和史密斯 [ 2015]深入分析的]。Melia等人开发的均值和方差校正（MAVRIC）。[ 2015 ]通过分离的均值和方差的校准，由此MAVRIC =平均sdot;约束在CMIP5突起的空间分布SIT和时间变异性thinsp;：甲 thinsp; 异常sdot;thinsp; 乙。校准参数A，B在保持个别集合成员的气候波动的同时，采取行动减少SIT预测的扩散（有关详细信息，请参见Melia等人 [ 2015 ]）。
4条更快的21世纪跨北极航线
早在上世纪突起（2015年至2029年，图2和2b）证明北极OW容器转变是可能的9月的至少30％。欧洲航线使用NSR到东亚至少需要18–19天，带有“转乘过境”（即，当NSR被封锁而改为使用NWP时），则需要20-22天。北美航线使用最快的“北NWP”航线（通过MClure海峡；见图1）至少需要21天，而较长的“南NWP”（通过Amundsen海湾）则需要22天，并转换过境通过NSR需要25天。世纪初的转换过境点约占跨大西洋路线的50％，这说明了整个北极可能存在的冰雪条件存在着很大的空间变异性。
来自多模型投影的9月跨北极路线最快。RCP2.6（a，c和e）和RCP8.5（b，d和f）的路线分为三个周期，每个周期包含15个连续的9月，从五个GCM（每个具有三个成员）中划分为每个面板225个模拟。青色线表示开放水域船只（OW），粉红色线表示Polar 6类船只（PC6）；线宽表示使用相同路线的公交次数。灰色虚线表示专属经济区。格陵兰岛上显示的百分比（有色）代表两种船只类别的跨北极潜力。插图“豆”图显示了北美航线和欧洲航线的总运输时间分布
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