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北极东北航道海冰分布及其对航道利用的影响

摘要

北极海冰是构成北极乃至世界气候系统的关键要素，在复杂海洋环境的作用下，北

极海冰类型多样，按照海冰是否发生位移运动可将其分为固定冰和浮冰两种类型。其中

固定冰是存在于极地沿岸地区的一种特殊的海冰类型，其独特的物理力学特性使得船舶

破冰困难，易导致船舶被困，严重威胁北极地区的航行安全；当浮冰海冰密集度足够高

时，也会引起航道堵塞从而对船舶航行造成不利影响。在全球变暖的背景下，北极海冰

正快速衰减，北极航道开发加速，分析研究北极沿岸地区的海冰分布，可以更全面地了

解北极海冰变化的趋势，为该地区的航道开发利用和船只航行安全提供数据支持。

本文提出了一种合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）影像的北极海冰变

化检测方法，基于Sentinel-1EW影像特征分析的结果，利用直方图阈值分割方法对海

冰融化和冻结期的SAR影像进行冰水分类，得到海冰海水的二值图，根据检验，海冰

和海水分类的总体精度均高于90%，系数高于0.8，表明冰水分类结果较好。然后

kappa

利用变化检测提取在三个相邻时间段内的海冰非变化区域，通过区域生长算法得到与陆

地相邻接的海冰非变化区域并将其认定为固定冰，最后利用人工解译的MODIS可见光

影像对海冰变化检测结果进行了检验，结果表明本研究提出的海冰变化检测方法可基于

SAR卫星影像自动实现较高分辨率的海冰未变区域提取，海冰变化检测结果与人工解译

的固定冰结果部分吻合性较好，但该方法受到近岸浮冰及短时不变浮冰的影响存在一定

误差，固定不变海冰的检测面积与人工解译固定冰结果相距10%—15%。

受到Sentinel-1EW数据影像覆盖不全和研究区域影像时间间隔过长等因素的影响，

基于SAR数据无法获取长时序全覆盖北极不同海冰类型的时间序列。本文基于自动提

取的海冰变化检测数据，并结合美国国家冰中心发布的海冰分析图和不来梅大学的海冰

密集度产品分析了2007-2021年北极东北航道的白令海峡、德朗海峡、新西伯利亚群岛

（桑尼科夫海峡和德米特里·拉普捷夫海峡）和维利基茨基海峡四个关键区域的固定冰

和浮冰情况，利用基于高分辨率卫星影像的固定冰提取结果对基于海冰分析图的提取结

果进行了检验，统计了各个海峡针对不同冰级船舶的适航窗口。结果表明：四个海峡区

域固定冰范围一般3-6月份达到最大，7-8月份减少到最小甚至消失；固定冰占航道海

冰的比例从低到高依次为白令海峡（1.4%），德朗海峡（3.7%）、维利基茨基海峡（27.8%）、

新西伯利亚群岛（51.9%）。对于无抗冰能力的船舶（如中远天真轮），四个海峡区域的

可通航窗口分别是第23~46周、第31~42周、第32~40周、第34~38周，适航窗口均呈

哈尔滨工程大学硕士学位论文

现增长趋势，介于0.22~0.55周/年；对于有一定破冰能力的船舶（如雪龙号PC6级），

四个海峡区域的可通航窗口分别是第20~49周、第28~45周、第29~41周、第30~42周，

适航窗口的平均增速介于0.23~0.53周/年之间；对于不同船舶抗冰等级的适航时间，白

令海峡的平均增速最小（0.20周/年），维利基茨基海峡的平均增速最大（0.62周/年）。

基于高分辨率卫星影像的海冰变化检测方法研究和关键海峡通航窗口的分析有利

于更加清晰地认知北极航道固定冰和浮冰的演变趋势及其对船舶在极地通航的影响。本

文研究结果表明，北极东北航道关键海峡的海冰呈现逐渐减少的趋势，受此影响，北极

东北航道开通时间逐渐延长，北极东北航道在未来的开发利用将更加便捷，本研究对不

同海峡的具体分析结果可为北极航线规划设计和冰区航行等提供更加科学的数据支撑

和参考。

关键词：东北航道；关键海峡；冰水分类；海冰变化检测；通航窗口

北极东北航道海冰分布及其对航道利用的影响

ABSTRACT

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