PLANOWANIE TRASY STATKU DLA WARUNKÓW ŻEGLUGI BEZLODOWEJ NA PÓŁNOCNEJ DRODZE MORSKIEJ

TADEUSZ PASTUSIAK doi: 10.12716/1002.29.04 Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji PLANOWANIE TRASY STATKU DLA WARUNKÓW ŻEGLUGI BEZLODOWEJ NA PÓŁNOCNEJ DRODZE MORSKIEJ W artykule omówiono możliwości i ograniczenia skutecznego planowania trasy statku na Północnej Drodze Morskiej. Badania obejmują cechy lodu morskiego, zdolność statków (o relatywnie niskiej cenie ich budowy) do pokonywania pokrywy lodowej o określonych właściwościach, zasady optymalizacji żeglugi w lodach, międzyroczną zmienność warunków lodowych oraz dzienną zmienność warunków lodowych obrazowaną za pomocą różnych źródeł informacji pod kątem spełnienia kryteriów ekonomicznych planowania trasy statku na PDM. Podstawą optymalizacji planowanej żeglugi w lodach jest wyznaczanie trasy przez najlżejsze warunki lodowe, czyli przez wody wolne od lodu. Warunki lodowe na PDM są nieprzewidywalne. Wielkości rocznych anomalii liczby dni bezlodowych od linii trendu uniemożliwiają wiarygodne prognozowanie, czyli ekstrapolowanie warunków minionych na kolejny sezon nawigacyjny. Jakość planowania trasy w rejonach zlodzonych zależy między innymi od aktualności posiadanych informacji. Również wiarygodność informacji pozyskiwanych z ogólnodostępnych źródeł, nawet tych wymienianych przez Międzynarodową Organizację Meteorologiczną (WMO), może prowadzić do podejmowania błędnych decyzji. Wynikające stąd straty czasu podróży względem wstępnie zaplanowanej mogą wynosić od 1 do 4 dni. Słowa kluczowe: liczba dni bezlodowych, Północna Droga Morska, zmiany pokrywy lodowej, planowanie trasy statku w lodach. WSTĘP Morza, przez które przebiega Północna Droga Morska (PDM), co roku zamarzają. Obserwacje pokrywy lodowej tego obszaru prowadzone przez wielu badaczy wykazały, że zarówno w ciągu roku, jak i z roku na rok zmienia się zasięg występowania lodów, ich grubość czy koncentracja. Z kolei występowanie lodu stałego w pobliżu wybrzeży czy też występowanie latem dużych skupień lodów zimowych charakteryzuje się dużą stabilnością. Najbardziej szczegółowy opis średnich warunków lodowych przeprowadzony z punktu widzenia bezpieczeństwa żeglugi znajduje się w rosyjskich locjach opisujących morza, przez które przebiega PDM [8, 9, 10, 11, 12], i kilku pracach poświęconych Północnej Drodze Morskiej [4, 14, 17, 21, 22, 23, 24, 25]. Rosyjskie publikacje oficjalne wraz z publikacjami opartymi na informacjach z ostatniego okresu przyspieszonego globalnego ocieplenia klimatu i zmniejszania się pokrywy lodowej na Oceanie Arktycznym wydają się być wystarczające dla planowania podróży na PDM z bardzo dużym wyprzedzeniem. Jednakże ich wartość użytkowa dla planowania taktycznego i w szczególności operacyjnego [16] wydaje się być mała. Najbardziej ekonomiczne na PDM jest eksploatowanie

32 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 statków o relatywnie niskiej cenie ich budowy i niskich kosztach zużycia paliwa. W pracy zbadano cechy lodu morskiego, zdolność statków o relatywnie niskiej cenie ich budowy do pokonywania pokrywy lodowej o określonych właściwościach, zasady optymalizacji żeglugi w lodach, międzyroczną zmienność warunków lodowych oraz dzienną zmienność warunków lodowych obrazowaną za pomocą różnych źródeł informacji pod kątem spełnienia kryteriów ekonomicznych planowania trasy statku na PDM. 1. CECHY LODU MORSKIEGO MAJĄCE WPŁYW NA BEZPIECZEŃSTWO I NAWIGACJĘ STATKU NA PDM Jednym z podstawowych czynników określających możliwość korzystania z PDM jako szlaku żeglugowego jest charakter pokrywy lodów morskich występujących w danym momencie na akwenach tworzących ten szlak. Pokrywę lodową charakteryzuje wiele parametrów, takich jak: powierzchnia wody zajęta przez lód na danym akwenie, grubość i rozmiary poziome fragmentów lodu pokrywającego daną powierzchnię, zwarcie (koncentracja) lodów dryfujących, występowanie procesów zwierania i rozwierania lodów dryfujących i ich skutków (wały i zwały lodów, masywy lodowe, połynie, otwory w lodzie), rzeźba powierzchni lodu itp. Wszystkie te parametry wprowadzają określone ograniczenia dla statku poruszającego się w lodach. Główną cechę charakterystyczną pokrywy lodowej mórz stanowi koncentracja (zwartość) lodu. Jest to ułamek wyrażający w dziesiątych częściach całości wielkość powierzchni wody pokrytej lodem w stosunku do całkowitej powierzchni rozpatrywanego obszaru. Skala zwartości lodu obejmuje 10 stopni, od 1/10 do 10/10. Każdy stopień odpowiada liczbie procent pokrycia powierzchni morza przez lód [36]. W ogólnej klasyfikacji stopnia zlodzenia stosowanej w nawigacji [20] wyróżnia się klasę open water, którą określa się wody o pokryciu lodem od 0 do 1/10 (do 1/8, do 10 12,5%). Na takich wodach statek może rozwinąć na dłuższych odcinkach pełną prędkość eksploatacyjną, a ewentualnie występujące na jego trasie fragmenty lodu omijać bez istotnego zmniejszania prędkości. Dolna granica powierzchni zlodzonej równa 15% jest bardzo bliska granicy open water, umożliwiającej praktycznie żeglugę bez przeszkód. W przypadku pokrycia lodem powierzchni morza nieprzekraczającej 4/10, co oznacza, że nie mniej niż 60% powierzchni morza tworzy czysta woda, przeciętnie na ~75% długości trasy statek będzie mógł utrzymać prędkość eksploatacyjną, a na ~25% trasy zajdzie potrzeba zmniejszenia prędkości w związku z koniecznością manewrowania w lodach oraz wydłużenia trasy z powodu konieczności obejścia skupień lodu. Wraz z dalszym wzrostem powierzchni zlodzonej warunki żeglugi ulegają szybkiemu, nieliniowemu pogarszaniu (spadek prędkości podróżnej, wydłużenie drogi, zwiększona strata czasu). Przy koncentracji lodów równej 7/10 samodzielna żegluga statku niebędącego lodołamaczem staje się niemożliwa. Statkowi grozi ugrzęźnięcie i wmarznięcie w lód, a następnie poruszanie się dalej w niekontrolowany sposób wraz z dryfującym lodem.

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 33 Drugą ważną dla nawigacji charakterystyką lodu jest jego wiek, czyli grubość. W warunkach spokojnego zamarzania tworzą się w wodzie morskiej początkowe postaci lodu. Dalszy proces zamarzania akwenu powoduje ich zmarzanie i powstanie początkowo cienkiej (do 5 cm), później coraz to grubszej warstwy lodu (do 30 cm). Dalszy wzrost grubości lodu prowadzi do przejścia w tak zwany lód zimowy (lód pierwszoroczny). Jego grubość zależy od warunków pogodowych i długości zimy. Jeśli lód zimowy w lecie nie stopnieje, co bardzo często się zdarza w warunkach polarnych, to może się on przekształcić w lód stary (dwuletni) o grubości na ogół poniżej 250 cm lub wieloletni o grubości przekraczającej 300 cm. W centralnych partiach Arktyki jego grubość może przekraczać 450 cm [36]. Według Arikajnena i Tsubakova [2], Arikajnena [1] oraz Kjerstada [18] prędkość statku płynącego w lodach zależy przede wszystkim od koncentracji i grubości lodu. Im większa zwartość i grubość lodu, tym trudniej pokonywać dany odcinek trasy. Zdaniem cytowanych autorów podczas żeglugi w lodzie o koncentracji powyżej 5/10, wraz ze wzrostem grubości lodu, gwałtownie rosną opory kadłuba statku, zwłaszcza wtedy gdy lód, przez który płynie statek, dryfuje. 2. ZDOLNOŚĆ POKONYWANIA LODÓW PRZEZ STATEK Statek bez specjalnych wzmocnień przeciwlodowych kadłuba posiada ograniczenia w poruszaniu się w lodach, przy określonej ich koncentracji, grubości i sposobie rozmieszczenia. Stwierdzono [1, 6, 15], że bezpieczne pływanie po obszarze zlodzonym statkiem bez wzmocnień lodowych może odbywać się tylko wtedy, gdy dryfujący lód pokrywa powierzchnię wody poniżej 3 4/10. Jeżeli koncentracja lodu jest w granicach 5 6/10, statek, aby mógł samodzielnie się poruszać z zachowaniem wymogów bezpieczeństwa, musi spełniać warunek posiadania odpowiedniej klasy lodowej oraz właściwy stosunek wyporności statku do mocy silnika głównego (K L < 2). Gdy koncentracja lodu wynosi 7 9/10, konieczny do przeprowadzenia statku jest lodołamacz, nawet gdy statek posiada odpowiednią klasę lodową i bardzo korzystny współczynnik K L [32]. Zdolność pokonywania lodu ze względu na wytrzymałość kadłuba opisał również Pietrov [28]. Podkreślił on, że warunki lodowe pod wpływem wiatrów, prądów i temperatury zmieniają się z dowolną szybkością. Tam, gdzie dzisiaj stan lodu pozwala statkowi lekko przejść do wyznaczonego punktu, jutro może utworzyć się lodowa przeszkoda. 3. PLANOWANIE PODRÓŻY Z PUNKTU WIDZENIA STATKU Zakres czasowy planowania obejmuje dziewięć dni. Na planowanie długoterminowe (operacyjne) według Timco i in. [33] potrzeba od dziewięciu do jednego dnia i jest ono wykonywane w przedziałach jednodniowych. Zawiera trasę

34 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 przed wejściem w lody, jak również drogę w lodach. Planowanie krótkookresowe (taktyczne) zajmuje do jednej doby. W jego zakres wchodzi planowanie o zasięgu dobowym oraz szczegółowy plan jednogodzinny. W pracy przyjęto rosyjską nomenklaturę klasyfikacji planowania podróży (z punktu widzenia operatora lądowego). Faza planowania podróży przez statek przed wejściem w lody [34] będzie nazywana planowaniem taktycznym [16], zaś faza planowania po wejściu w strefę lodów morskich [34] planowaniem operacyjnym [16]. Założono, że pierwsza faza planowania operacyjnego (po wejściu w strefę lodów) posiada podobny charakter do planowania taktycznego (ostatnie 30 10 dni przed wejściem w strefę lodów). W tych okresach statek powinien planować trasę, zbierając wszelkie możliwe źródła informacji włącznie z bieżąco rozpowszechnianymi mapami lodowymi [34]. Za punkt wyjścia autor niniejszej pracy przyjął stwierdzenie Holeca i Tymańskiego [13], że obszary pojawienia się wszelkich form lodu należy omijać, jeżeli tylko to jest możliwe i jeśli nie wiąże się z nadmiernym wydłużeniem się czasu podróży oraz stwierdzenie Judzińskiego [15], że podstawą planowania nawigacji w lodach, czyli wyboru i opracowania trasy rejsu, jest unikanie spotkania lodów, których statek nie może pokonać samodzielnie. W wyżej wymienionej publikacji Holeca i Tymańskiego przedstawiono również ocenę wyboru trasy według kryterium najkrótszego czasu podróży na podstawie wzoru H. Seilkopfa z 1934 roku. Idea tej metody wydaje się odzwierciedlać w pewnym stopniu zasadę doboru trasy w lodach: bezpieczne i najbardziej efektywne ekonomicznie wyznaczenie trasy planowanej podróży [2, 3, 15, 18], ale nie uwzględnia kryterium bezpieczeństwa żeglugi w lodach. Na całej trasie PDM nie ma możliwości przeprowadzenia remontów uszkodzeń kadłuba ani układu napędowego. Jakiekolwiek poważniejsze uszkodzenia systemu napędowego wymagają usług holowniczych. Wysokie koszty usług ratowniczych i holowniczych, remontów, wynajmu suchego doku i konsekwencji opóźnień dostawy towarów w uzgodnionym czasie wskazują również, że celem optymalizacji wyznaczanej trasy powinno być dobieranie do żeglugi najlżejszych warunków lodowych w każdym zakresie przestrzennym. Powyższe rozważania prowadzą do zasady [3, 17], że najszybsza droga jest rzadko najkrótsza (rys. 1). Takie podejście do zagadnienia określa, że kryterium optymalizacji żeglugi w lodach jest wyznaczanie trasy przez najlżejsze warunki lodowe. To minimalizuje również dobowe zużycie paliwa. Ponieważ zasada bezpiecznego i najbardziej efektywnego ekonomicznie wyznaczenia trasy planowanej podróży przyjmuje bezpieczeństwo pływania w lodach poprzez dobór najlżejszych warunków lodowych, przyjęto to kryterium za podstawę dalszego rozwiązywania problemu. Najlżejszymi warunkami żeglugi lodowej są warunki bezlodowe. Czas podróży jest wynikiem zaplanowanej trasy.

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 35 a) b) Rys. 1. Wyznaczanie trasy statku według najlżejszych warunków lodowych: a) wg Kjerstada, b) wg Arikajnena i Tsubakova Źródło: A.I. Arikajnen, K.N. Tsubakov, Azbuka ledovogo plavanija, Transport, Moskva 1987; CCG, Ice Navigation in Canadian Waters, Canadian Coast Guard, Ottawa 1992; N. Kjerstad, Ice Navigation, Tapir Academic Press, Trondheim 2011. 4. POJĘCIE ŻEGLUGI BEZLODOWEJ Należy podkreślić, że jako granicę pokrywy lodowej przyjmuje się poziom 15-procentowej koncentracji lodu [30]. Błąd oszacowania koncentracji kry lodowej za pomocą metody Bootstrap z danych SMMR i SSM/I ocenia się na 5 10%. Nowocześniejsze metody umożliwiają zmniejszenie wartości błędu oceny koncentracji [5, 30]. Morze wolne od lodu (open water) oznacza występowanie pokrywy lodowej o koncentracji nie wyższej niż 15%. Początek sezonu bezlodowego (ice free) w danym miejscu wymaga występowania pięciu kolejnych dni o koncentracji mniejszej niż 15%. Koniec żeglugi lodowej w danym miejscu wymaga wystąpienia pięciu kolejnych dni z koncentracją nie mniejsza niż 15% [26, 30]. Z punktu widzenia ekonomii zużycia paliwa statku korzystna jest żegluga bezlodowa pozwalająca na wykorzystanie statku o relatywnie niskiej klasie lodowej bądź bez klasy lodowej. Pod pojęciem niskiej klasy lodowej przyjęto rozumieć klasę statków transportowych powszechnie stosowanych na PDM i niespełniających wymagań dla lodołamaczy. Statki o niskiej klasie lodowej lub bez klasy lodowej są bardziej ekonomiczne pod względem kosztu budowy statku i kosztów zużywanego paliwa niż statki z klasą lodołamaczy. 5. MIĘDZYROCZNA ZMIENNOŚĆ SEZONU BEZLODOWEGO NA MORZACH ARKTYKI ROSYJSKIEJ Sezon nawigacyjny definiuje się jako liczbę dni w roku, w których warunki lodowe pozwalają prowadzić żeglugę. Generalnie oznacza to dni, w których koncentracja kry lodowej wynosi mniej niż 50% [7, 19]. Podobnym wskaźnikiem określającym możliwość realizowania transportu morskiego na PDM, zwłaszcza

36 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 przez statki bez wzmocnień lodowych, jest liczba dni wolnych od lodu na danym akwenie. Takie dni dotyczą występowania w określonym rejonie koncentracji kry lodowej niższej od 15% [26, 29, 30, 31]. Okres ten można nazwać okresem żeglugi bezlodowej. Parametr ten może być rozpatrywany w skali ogólnej (dla całej PDM) lub w skali regionalnej (dla poszczególnych mórz leżących wzdłuż trasy PDM). Dla lat 1979 2008 zmiany liczby dni wolnych od lodu (LDB) na poszczególnych morzach, przez które przebiega PDM, opracował Rodrigues [30]. Podstawą jego badań były analizy dobowej koncentracji kry lodowej oparte na źródłach satelitarnych pochodzących od NASA i National Snow and Ice Data Center. Przy ustalaniu liczby dni wolnych od lodu Rodrigues założył, że warunki żeglugi bezlodowej są spełnione, gdy stan koncentracji lodu wynosił mniej niż 15%. Istotną rolę w obliczeniach liczby dni bezlodowych odgrywało ustalanie dnia zmiany warunków lodowych. Rodrigues przyjął, że dla zmiany warunków na bezlodowe i na odwrót wymagane było wystąpienie danych warunków przez kolejne pięć dni. Piąty dzień potwierdzał zmianę stanu ( bezlodowego lub lodowego ). Dzięki tej metodzie Rodrigues eliminował krótkotrwałe zmiany koncentracji lodu niewpływające istotnie na warunki uprawiania żeglugi. Z analizy przebiegu liczby dni wolnych od lodu opracowanych na podstawie danych Rodriguesa [30] wynika, że głównym ograniczeniem dla transportu morskiego przez PDM są warunki lodowe na morzach Łaptiewów i Wschodniosyberyjskim. Czas trwania żeglugi bezlodowej na morzach Barentsa i Beringa jest wyraźnie dłuższy niż na pozostałych morzach PDM. W latach 1979 2008 długość sezonu bezlodowego na wszystkich morzach, poza Morzem Beringa, wykazuje wzrost i trend ten jest istotny statystycznie. Jednakże na poszczególnych morzach jego wartość nie jest taka sama. Należy więc przyjąć, że nie będzie wiadomo, na którym morzu wystąpią danego roku najtrudniejsze warunki dla transportu morskiego. Na podstawie danych statystycznych nie można więc przewidzieć długości drogi przechodzącej w trudniejszych warunkach lodowych ani ustalić, które z mórz będzie najtrudniej pokonać. Z powyższej analizy wynika, że LDB w głównych cieśninach PDM to jest Karskich Wrotach i Cieśninie Wilkickiego charakteryzuje się bardzo dużą, nieregularną zmiennością z roku na rok. Najkrótszych okresów żeglugi bezlodowej można oczekiwać odpowiednio w Cieśninie Karskie Wrota (18 dni), Cieśninie Wilkickiego (30 dni), Cieśninie Szokalskiego (5 dni), na północ od Wysp Nowosyberyjskich (40 dni) i Cieśninie De Longa (60 dni). Analiza rysunku 2 wskazuje, że należy brać pod uwagę możliwe coroczne znaczne odstępstwa (anomalie) od linii trendu. W celu uzupełnienia informacji zawartych w opracowaniu Rodriguesa [30] o najświeższe dane przeprowadzono analizę liczby dni bezlodowych dla wybranych mórz Arktyki rosyjskiej. W przeciwieństwie do Rodriguesa nie dzielono tych mórz na części. Przyjęto założenie, że istotny jest tylko fakt, czy dane morze jest wolne od lodu. Należałoby więc się spodziewać, że przyjęte przez autora założenie jest łatwiejsze do spełnienia niż to ustalone przez Rodriguesa i skutkować będzie wyższą liczbą zaobserwowanych dni bezlodowych. Badania objęły okres od 2008 do 2014 roku. Analizy dla roku 2008 wykonano w celu porównania wyników otrzymanych przez autora tej pracy i Rodriguesa [30].

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 37 Rys. 2. Zmiany liczby dni bezlodowych w poszczególnych rejonach PDM w latach 1979 2014 z aproksymacyjną funkcją wielomianową trzeciego stopnia. Linie zmian rocznych i linie aproksymacji wielomianowych: Morze Karskie, Morze Łaptiewów, - - - Morze Wschodniosyberyjskie Źródło: oprac. własne na podst. J. Rodrigues, The increase in the length of the ice-free season in the Arctic, Cold Regions Science and Technology, 2009, 59, s. 78 101; http://www.natice.noaa. gov/products/daily_products.html. Do analizy wykorzystano mapy wektorowe dotyczące koncentracji lodu Mariginal Ice Zone (MIZ) na Morzu Arktycznym w formacie Shapefile o pomiarach dokładniejszych niż 50 metrów na piksel wydawanych przez National Ice Center [37]. Skala koncentracji lodu wykorzystywana na tych mapach jest uproszczona względem precyzyjnie określonej przez WMO [35, 36] i obejmuje: pole CT81 oznaczające koncentrację powyżej 80%, pole CT18 (MIZ) oznaczające koncentrację pomiędzy 15 i 80% oraz pole wody wolnej od lodu, czyli koncentrację od zera do 15%. Dzięki koncentracji granicznej 15% rozdzielającej wody zlodzone i wody wolne od lodu zachowano spójność z danymi źródłowymi wykorzystywanymi przez Rodriguesa [30]. Przyjęto, że rejon jest wolny od lodu, jeżeli pomiędzy dowolnymi punktami wejścia i wyjścia z danego rejonu na kierunku ogólnym wschód zachód można wyznaczyć trasę na wodach wolnych od lodu (o koncentracji poniżej 15%). Przyjęto zgodną z Rodriguesem zasadę, że zmianę warunków lodowych na bezlodowe i na odwrót potwierdza piąty kolejny dzień o tych samych właściwościach. Łącznie wykonano 17 535 pomiarów (prób). Wyniki pracy autora niniejszego artykułu wykazują niższe wartości o średnio 53 dni (od 21 do 85 dni) od wyników Rodriguesa [30]. Rozbieżność ta może wynikać z odmiennych danych źródłowych lub/i też uwzględniania przez Rodriguesa [30] przypadków, gdy lód występował na niewielkich powierzchniach. Jeżeli lód zajmował nawet niewielkie powierzchnie, ale znajdował się w cieśninach, przez które mogą prowadzić różne warianty PDM, autor uznawał takie przypadki jako sytuacje, w których morze nie jest wolne od lodu. W celu przedstawienia wyników analizy otrzymanych przez autora i Rodriguesa [30] na wspólnym wykresie liczby dni wolnych od lodu dla poszczególnych lat uzyskane przez autora pracy pomniejszono o wartość różnicy wyników Rodriguesa [30] i autora otrzymanej dla roku 2008, dla którego dokonano porównania.

38 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 Analiza aproksymacji trendów za pomocą funkcji wielomianowej trzeciego stopnia przedstawionych na rysunku 2 wskazuje, że początek szybszego wydłużania się okresu żeglugi bezlodowej rozpoczyna się w roku 1996, z wyraźnym przyspieszeniem tendencji zmian dla większości mórz po roku 2000. W ostatnich dziesięciu latach podobne wzrostowe tendencje zmian liczby dni bez lodu występowały na morzach Łaptiewów i Wschodniosyberyjskim. W tym samym okresie dużo większe przyspieszenie wzrostu liczby dni bezlodowych występowało na Morzu Karskim. Zauważalna jest tendencja szybkiego wzrostu liczby dni bez lodu po zachodniej stronie PDM na Morzu Karskim (rys. 2). Pozwala to przyjąć, że na tym morzu dalszy rozwój żeglugi związany z polepszaniem się warunków lodowych nie powinien napotykać przeszkód. Najwolniej zmienia się LDW w środkowej części PDM na morzach Łaptiewów i Wschodniosyberyjskim. W tych właśnie miejscach należałoby oczekiwać największych utrudnień dla żeglugi. Powyższą tematykę autor szerzej opisał w innej pracy [25]. 6. DZIENNA ZMIENNOŚĆ POKRYWY LODOWEJ W poprzednim rozdziale analizowano liczbę dni bezlodowych dla poszczególnych mórz Arktyki rosyjskiej. Ma ona jednak znamiona analizy statystycznej przydatnej do wstępnego, taktycznego [16] planowania terminu i czasu trwania podróży tranzytowej statku na PDM. Do operacyjnego [16] planowania podróży potrzebne są dane o aktualnych warunkach lodowych, a w szczególności o rejonach najlżejszych warunków lodowych, czyli wód wolnych od lodu (open water albo ice free). Powyższe kryterium sprecyzowano w punktach 3 i 4. Liczba dni bezlodowych dla poszczególnych mórz wydaje się odzwierciedlać możliwość realizacji żeglugi bezlodowej na tych morzach statkami o niskiej klasie lodowej lub bez klasy lodowej. Przedstawiana w poprzednim rozdziale statystyka dni bezlodowych na poszczególnych morzach może jednak prowadzić do wyciągania błędnych wniosków. Występowanie warunków żeglugi bezlodowej na przylegających do siebie morzach nie oznacza, że istnieje ciągłość żeglugi bezlodowej przez oba przylegające do siebie morza. Sytuację taką ilustruje rysunek 3. W dniu 9 września (w dniu 252. według kalendarza juliańskiego) roku 2014 w archipelagu Ziemi Północnej zostały spełnione kryteria dla żeglugi bezlodowej zarówno na Morzu Karskim, jak i na Morzu Łaptiewów. W Cieśninie Wilkickiego rejon o koncentracji kry lodowej poniżej 18% na Morzu Łaptiewów przekracza granicę mórz i wchodzi na Morze Karskie. Jednak statek chcący pokonać drogę ze wschodu na zachód napotkałby na Morzu Karskim przeszkodę w postaci strefy MIZ o koncentracji kry lodowej od 18 do 81%. Zaistniałe warunki nie sprzyjają żegludze bezlodowej. W Cieśninie Szokalskiego rejon o koncentracji kry lodowej poniżej 18% na Morzu Łaptiewów przekracza granicę mórz i wchodzi na Morze Karskie. Jednak statek chcący pokonać drogę ze wschodu na zachód napotkałby na Morzu Karskim

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 39 przeszkodę w postaci strefy MIZ o koncentracji kry lodowej od 18 do 81%, a nawet strefę o koncentracji powyżej 81%. Zaistniałe warunki również nie sprzyjają żegludze bezlodowej. Na północ od archipelagu Ziemi Północnej rejon o koncentracji kry lodowej poniżej 18% na Morzu Karskim przekracza granicę mórz i wchodzi na Morze Łaptiewów. Jednak statek chcący pokonać drogę z zachodu na wschód napotkałby na Morzu Łaptiewów przeszkodę w postaci strefy MIZ o koncentracji kry lodowej od 18 do 81%. Pomimo spełnienia statystycznych kryteriów żeglugi bezlodowej w trzech przejściach archipelagu Ziemi Północnej w dniu 9 września 2014 roku w rzeczywistości nie zaszła ciągłość warunków sprzyjających żegludze bezlodowej na obu morzach. Rys. 3. Stan pokrywy lodowej w rejonie archipelagu Ziemi Północnej 9 września 2014 roku. Koncentracja kry lodowej: kolor biały rejonu morza CT < 18%, szary CT = 18 81%, czarny CT > 81%; kierunek, w którym wody wolne od lodu przekroczyły rejon następnego morza Źródło: oprac. własne na podst. http://www.natice.noaa.gov/products/daily_products.html. W celu określenia stanu istniejących warunków lodowych w rejonie archipelagu Ziemi Północnej poddano wstępnej analizie trzy źródła informacji. Pierwszym źródłem były pliki dziennych warunków lodowych pochodzących ze strony internetowej [37]. Można je zobrazować w programie Global Mapper w postaci map koncentracji lodu w uproszczonej skali MIZ (rys. 4a): 0 17%, 18 81%, 82 100%. Warunkom żeglugi bezlodowej odpowiadał więc przedział 0 17%. Drugim źródłem były mapy obliczeniowe pól kwadratów średnich warunków lodowych pochodzących ze strony internetowej [38]. Odzwierciedlały one koncentrację kry lodowej w następującej skali dziesiętnej: lód stały, 0 5%, 5 10%, 10 35%, 35 55%, 55 85%, 85 100% (rys. 4b). Przyjęto, że warunkom żeglugi

40 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 bezlodowej odpowiadał w tej skali przedział 0 10%. Można było je otrzymać dla odstępów 3-godzinnych. Trzecim źródłem informacji były mapy izolinii koncentracji kry lodowej (rys. 4c) będące interpretacją warunków występujących w polach kwadratów średnich warunków lodowych przedstawianych na poprzedniej mapie. Poszczególne izolinie odpowiadały koncentracji kry lodowej o następujących wartościach: 5%, 10%, 35%, 55%, 85%. Przyjęto, że warunkom żeglugi bezlodowej odpowiadał w tej skali również przedział 0 10%. Skale koncentracji kry lodowej przypisane poszczególnym mapom nie umożliwiały dokonania precyzyjnego porównania wyników. Mapy przedstawiające izolinie nie odzwierciedlały warunków ani w wąskich cieśninach, ani w pobliżu lądu. W związku z powyższym pominięto je w toku dalszych badań. Rys. 4. Stan pokrywy lodowej w rejonie archipelagu Ziemi Północnej 9 września 2014 roku: a) NATICE (MIZ), b) AARI (kwadraty średnich warunków lodowych), c) AARI (izolinie koncentracji będące interpretacją warunków występujących w polach kwadratów średnich warunków lodowych) Źródło: oprac. własne autora na podst. http://www.natice.noaa.gov/products/daily_products.html; http://ocean8x.aari.nw.ru. Dalsze badania dotyczyły dwóch najszerszych przejść przez archipelag Ziemi Północnej: Cieśniny Wilkickiego i regionu na północ od archipelagu. Przeanalizowano informacje dotyczące koncentracji kry lodowej z obu źródeł w odstępach 24 godzin dla okresu od 238. dnia (26 września) do 275. dnia (2 października) 2014 roku według kalendarza juliańskiego. Tylko w tym okresie powyższe źródła wykazywały strefy bezlodowe dogodne dla żeglugi tranzytowej w rejonie Ziemi Północnej. Na podstawie analizy map zlodzenia stwierdzono, że źródła amerykańskie wykazywały 22 dni, a źródła rosyjskie 25 dni sprzyjających żegludze bezlodowej w rejonie na północ od archipelagu (rys. 5). Zgodność informacji pochodzących z obu źródeł była na poziomie 68,42%. Rozbieżność wyników nie przekraczała trzech dni. Natomiast zgodność informacji o zmianie statusu żeglugi bezlodowej w odstępach nie większych niż jedna doba była na poziomie 37,50%. Źródła amerykańskie wykazywały dużo większą zmienność statusu żeglugi bezlodowej. Również dłuższy okres od pierwszego do ostatniego dnia warunków bezlodowych wynikał ze źródeł amerykańskich.

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 41 Rys. 5. Wykresy statusu warunków bezlodowych na północ od archipelagu Ziemi Północnej w sezonie nawigacyjnym w 2014 roku na podstawie źródeł informacji pochodzących z [37] ( ) i [38] ( ): 1 żegluga bezlodowa, 0 żegluga lodowa. Oś czasu jest wyrażona w dniach kalendarza juliańskiego Źródło: oprac. własne autora na podst. http://www.natice.noaa.gov/products/daily_products.html; http://ocean8x.aari.nw.ru. Źródła amerykańskie wykazywały 13 dni, a źródła rosyjskie 18 dni sprzyjających żegludze bezlodowej w rejonie Cieśniny Wilkickiego (rys. 6). Zgodność informacji pochodzących z obu źródeł była na poziomie 68,42%. Rozbieżność wyników nie przekraczała czterech dni. Natomiast zgodność informacji o zmianie statusu żeglugi bezlodowej w odstępach nie większych niż jedna doba była na poziomie 0,0%. Źródła rosyjskie wykazywały większą zmienność statusu żeglugi bezlodowej. Również dłuższy okres od pierwszego dnia warunków bezlodowych do ostatniego dnia warunków bezlodowych wykazywały źródła rosyjskie. Rys. 6. Wykresy statusu warunków bezlodowych w Cieśninie Wilkickiego w sezonie nawigacyjnym w 2014 roku na podstawie źródeł informacji pochodzących z [37] ( ) i [38] ( ): 1 żegluga bezlodowa, 0 żegluga lodowa. Oś czasu jest wyrażona w dniach kalendarza juliańskiego Źródło: oprac. własne autora na podst. http://www.natice.noaa.gov/products/daily_products.html; http://ocean8x.aari.nw.ru. Rozbieżności statusu warunków bezlodowych przedstawianych przez poszczególne źródła informacji dla konkretnych wąskich gardeł Północnej Drogi Morskiej wskazują, że mogą one prowadzić do podejmowania błędnych decyzji nawigacyjnych dotyczących wyboru trasy podróży statku. Przykładowo, gdy w przypadku przejścia statku z zachodu na wschód w punkcie trasy wymagającym

42 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 podjęcia decyzji (φ = 76,8812 N, λ = 084,7931 E za Marchenko [21]) dotyczącej skierowania statku w kierunku jednego z wąskich gardeł dostępna wówczas informacja będzie błędna, to statek zrealizuje podróż na odcinku 280 mil morskich w kierunku Cieśniny Wilkickiego, po czym okaże się, że dalsze kontynuowanie podróży nie jest możliwe. Wtedy statek może podjąć decyzję zatrzymania się i wyczekiwania przez 1 4 dni na polepszenie się warunków lodowych albo skierowania się okrężną trasą wkoło rejonów zlodzonych (rys. 2) do drugiego wąskiego gardła, pokonując kolejne 680 mil morskich. Wówczas, przyjmując prędkość statku wynoszącą 12,9 węzłów [17], skierowanie statku okrężną drogą do kolejnego wąskiego gardła oznacza stratę czasu dla wyjścia z rejonu Morza Karskiego wynoszącą 2,2 dni. Każda z wymienionych wyżej decyzji będzie obarczona ryzykiem dysponowania błędną informacją, czyli występowania warunków niesprzyjających żegludze bezlodowej z prawdopodobieństwem rzędu 30%. WNIOSKI Podstawą optymalizacji planowanej żeglugi w lodach jest wyznaczanie trasy przez najlżejsze warunki lodowe. Najkorzystniejszymi warunkami lodowymi są wody wolne od lodu (ice free). Umożliwiają one wykorzystanie statków o relatywnie niskich cenach budowy oraz niskich kosztach zużycia paliwa. Są to statki o niskiej klasie lodowej oraz statki bez klasy lodowej. Warunki lodowe na morzach, przez które przebiega Północna Droga Morska, są nieprzewidywalne. Linie trendów warunków żeglugi bezlodowej w kolejnych sezonach nawigacyjnych w dłuższym okresie wskazują na systematyczną poprawę. Jednakże wielkość rocznych anomalii liczby dni bezlodowych od linii trendu uniemożliwiają wiarygodne prognozowanie, czyli ekstrapolowanie warunków minionych na kolejny sezon nawigacyjny. Linie trendów oraz linie LDB w krótszym okresie (od 2008 do 2014 roku) wskazują na ponad dwukrotną redukcję LDB na Morzu Karskim i Morzu Łaptiewów w roku 2014 w stosunku do roku 2008. To właśnie te morza stanowią wąskie gardło na PDM. Duża wartość zmian rocznych LDB nie pozwala wskazać, które z wąskich gardeł okażą się danego roku najtrudniejsze do pokonania, a które najkorzystniejsze. Stąd też wstępnie zaplanowana trasa statku może okazać się niewykonalna. Jakość planowania trasy w rejonach zlodzonych zależy między innymi od aktualności posiadanych informacji o warunkach żeglugi lodowej. Odstęp czasu do uaktualnienia informacji przy planowaniu operacyjnym trasy statku nie powinien być dłuższy niż 24 godziny. Najlepiej, gdyby nie przekraczał 3 godzin. Należy brać również pod uwagę wiarygodność informacji pozyskiwanych z ogólnodostępnych źródeł. Nawet źródła wymieniane przez WMO mogą prowadzić do podejmowania błędnych decyzji. Straty czasu, czyli wydłużenie okresu podróży w stosunku do planowanego, mogą w rozpatrywanym przypadku przejścia archipelagu Ziemi Północnej wynosić 1 4 dni.

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 43 LITERATURA 1. Arikajnen A.I., Sudokhodstvo vo l dakh Arktiki, Transport, Moskva 1990. 2. Arikajnen A.I., Tsubakov K.N., Azbuka ledovogo plavanija, Transport, Moskva 1987. 3. CCG, Ice Navigation in Canadian Waters, Canadian Coast Guard, Ottawa 1992. 4. Chinoy K.H., Shipping viability over Arctic routes versus established routes, University of Strathclyde, UK 2007. 5. Comiso J.C., Bootstrap Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I. National Snow and Ice Data Center, Boulder, CO. Digital Media, 1999. (updated 2005). 6. Duda D., Jankowski E., Kazanecki E., Żegluga w warunkach lodowych, Wyższa Szkoła Morska, Gdynia 1970. 7. Eger K.M., Natural Conditions of the Arctic Significant for Shipping, CHNL, 2012, http://www.arctis-search.com [13.08.2012]. 8. GUNiO/1, Locija Karskogo Morja, Čast 1. GUNiO nr 1115, poprawione do 05.02. 2011, 1998/1. 9. GUNiO/2, Locija Vostočno-Sibirskogo Morja. GUNiO nr 1119, 1998, poprawione do 05.02.2011, 1998/2. 10. GUNiO/3, Locija zapadnoj časti Čukotskogo Morja, Beringovo Proliva i Severo-Zapadnoj časti Beringovo Morja. GUNiO Nr 1120, 1999, poprawione do 30.04.2011. 11. GUNiO/4, Locija Barenceva Morja. GUNiO nr 1112, 2006, poprawione do 30.04.2011. 12. GUNiO/5, Locija Morja Laptevych. GUNiO nr 1118, 2009, poprawione do 05.02.2011. 13. Holec M., Tymański P., Podstawy meteorologii i nawigacji meteorologicznej, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1973. 14. Johannessen O.M., Alexandrov V.Yu., Frolov I.Ye., Sandven S. et. al., Remote Sensing of Sea Ice in the Northern Sea Route: Studies and Applications, Praxis Springer, 2007. 15. Jurdziński M., Planowanie nawigacji w lodach, Wyższa Szkoła Morska, Gdynia 2000. 16. Khvochtchinski N.I., Batskikh Y.I., The northern sea route as an element of the ICZM system in the Arctic: problems and perspectives, Ocean & Coastal Management, 1998, 41, s. 161 173. 17. Kitagawa H., The Northern Sea Route. The Shortest Sea Route Linking East Asia and Europe. Ship & Ocean Foundation, Tokyo (Japan) 2001. 18. Kjerstad N., Ice Navigation, Tapir Academic Press, Trondheim 2011. 19. Liu M., Kronbak J., The potential economic viability of using the Northern Sea Route (NSR) as an alternative route between Asia and Europe, Elsevier, Journal of Transport Geography 2010, 18, s. 434 444. 20. MANICE, Manual of Standard Procedures for Observing and Reporting Ice Condi-tions MANICE, June 2005. 21. Marchenko N., Russian Arctic Seas. Navigational Conditions and Accidents, Springer, Berlin-Heidelberg 2012.

44 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 29, 2014 22. Marchenko N., Navigation in the Russian Arctic: Sea Ice Caused Difficulties and Accidents, ASME 2013, 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Vol. 6: Polar and Arctic Sciences and Technology; Offshore Geotechnics; Petroleum Technology Symposium, Nantes, France, June 9 14, 2013. 23. Mulherin N.D., The Northern Sea Route. Its development and evolving state of operationsin the 1990s., CRELL Report 96-3, US Army Corps of Engineers, 1996. 24. Mulherin N.D., Eppler D.T., Proshutinsky T.O., Proshutinsky A.Yu. et. al., Development and results of a Northern Sea Route Transit Model, CRELL Report 96 5, US Army Corps of Engineers, 1996. 25. Mulherin N., Sodhi D., Smallidge E., Northern Sea Route and Icebreaking Technology. An Overview of Current Conditions, CRELL Report No. 3520, US Army Corps of Engineers, 1994. 26. NSIDC, Frequently Asked Questions on Arctic Sea Ice, Arctic Sea Ice News and Analysis, 2008, http://nsidc.org/arcticseaicenews/faq/ [05. 01.2014]. 27. Pastusiak T., Zmienność sezonu bezlodowego na Północnej Drodze Morskiej, Problemy Klimatologii Polarnej, 2014, nr 24, s. 93 100. 28. Pietrov M.K., Plavanie vo l dach, Morskoj Transport, Moskva 1955. 29. Rodrigues J., Recent changes in the sea ice distribution in the Russian Arctic: ice extent, area and length of the ice-free season, [in:] International Workshop: Arctic Sea Ice Thickness: Past, Present and Future, Scientific Report, Wadhams P., Amanatidis G. (eds.), Office for Official Publications of the European Communities, Luxemburg 2006, s. 244 291. 30. Rodrigues J., The increase in the length of the ice-free season in the Arctic, Cold Regions Science and Technology, 2009, 59, s. 78 101. 31. Rodrigues J., The rapid decline of the sea ice in the Russian Arctic, Cold Regions Science and Technology, 2008, 54(2), s. 124 142. 32. Szapajev W.M., Gidrometeorologiceskije uslovija i morjeplavanije, Transport, Moskva 1975. 33. Timco G.W., Gorman B., Falkingham J., O Connell B., Scoping Study: Ice Information Requirements for Marine Transportation of Natural Gas from the High Arctic, Technical Report CHC-TR-029, Canadian Hydraulics Centre, Ottawa 2005. 34. Wiśniewski B., Drozd A., Żegluga na wodach kanadyjskich, Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie, Szczecin 2000. 35. WMO/1, WMO colour code standards, WMO/TD-No. 1215, 2004, JCOMM Technical Report No. 24, 2004/1. 36. WMO, WMO sea ice nomenclature terminology, WMO/OMM/ВМО No. 259, Vol. 1, 2004/2, 7 s. 37. http://www.natice.noaa.gov/products/daily_products.html. 38. http://ocean8x.aari.nw.ru.

T. Pastusiak, Planowanie trasy statku dla warunków żeglugi bezlodowej na Północnej Drodze Morskiej 45 SHIP S PASSAGE PLANNING FOR ICE-FREE CONDITIONS ON NSR Summary The work discusses the possibilities and limitations of effective planning routeing on Northern Sea Route. Research includes characteristics of sea ice, the ability of vessels with relatively low price of their construction to overcome the ice cover of specified characteristics, optimization principles for navigation in ice, interannual variability in ice conditions and the daily variation of ice cover presented by different sources of information in terms of meeting the economic criteria of route planning of the vessel on NSR. The basis for the optimization of the planned navigation in ice is to determine the route through the lightest ice conditions, that is, by the ice-free water. The ice conditions on the PDM are unpredictable. The range of annual anomalies of the length of ice free season from the trend line makes impossible to do reliable forecasting, i.e. extrapolation of past conditions for next navigation season. The quality of route planning in the areas covered by sea ice depends among other things on time delay of available data sources. Also the reliability of the information obtained from public sources, even those mentioned by the International Meteorological Organization (WMO) may lead to wrong decisions. The resulting loss of time with respect to the preplanned vessel s voyage may range from 1 to 4 days. Keywords: length of ice-free season, Northern Sea Route, changes of sea ice cover, planning route in ice.