北极航道开通将重塑全球航运碳排放格局：基于贸易整合模型的多情景分析

随着气候变暖导致北极海冰加速消融，北极航道(ASR)逐渐具备商业通航条件，这虽能缩短亚欧间航运距离，却可能引发新的环境问题。本研究通过开发贸易整合航运排放预测(TISEP)模型，综合贸易情景、船舶路径与气候政策路径，量化了ASR开放对全球航运碳排放的长期影响。研究发现，到2100年ASR将使全球航运排放增加8.2%，北极地区排放占比从0.22%升至2.72%，同时东北亚、北欧和北美地区将因航线重构面临更严重的排放暴露不平等。研究评估了三种减排策略，发现IMO 2023战略和绿色走廊战略均无法实现北极净零排放，而采用严格燃料标准和区域分阶段实施的净零战略可完全消除ASR相关排放。该成果对制定北极航运减排政策、保护脆弱极地环境和推进全球环境正义具有重要指导意义。

　　

随着全球气候变暖加剧，北极地区正经历着前所未有的海冰消融过程。这片曾经被厚冰覆盖的白色荒漠，正在逐渐展现出一条条蓝色的航道脉络。北极海路由东北航道、西北航道和中央北极航道共同构成，其开通意味着亚欧之间的航运距离最多可缩短40%，航行时间减少30%。这种地理格局的变革不仅将重塑全球贸易网络，更可能对脆弱的北极生态系统带来深远影响。

国际航运业目前贡献了全球近3%的人为二氧化碳排放。虽然北极航道能够通过缩短航程降低单次航行的碳排放，但预计到2030年，北极航线总交通量的增加——特别是油轮、天然气运输船和化学品运输船等高排放船舶的涌入——可能会完全抵消这种效率收益。更令人担忧的是，航线变化可能导致碳排放负担在全球范围内重新分布，造成新的环境不平等现象。目前的研究多聚焦于北极区域内的局部环境影响，对全球航运排放的整体影响关注不足，缺乏综合贸易决策、航线动态和气候目标的预测模型，更缺少实现北极零排放的可行方案。

针对这些科学问题，北京大学赵鹏军教授团队在《Nature Communications》发表了最新研究成果。研究团队开发了贸易整合航运排放预测(TISEP)模型，该创新模型将未来贸易情景、船舶路径选择和气候政策路径整合到统一框架中，能够量化ASR开放对全球航运碳排放的总体影响，同时捕捉排放的空间重分布特征。

研究采用了多项关键技术方法：基于ARIMAX模型的双边贸易量预测，整合GDP、人口、运输成本等宏观经济指标；利用超过64.9亿条自动识别系统(AIS)信号数据进行全球船舶流重建；结合CMIP6气候预测数据建立北极通航性评估模型；开发基于广义成本最优的航线选择算法；采用混合自下而上/自上而下的碳排放计算方法，并考虑了IMO 2023战略、绿色走廊战略和净零战略三种政策情景下的燃料结构演变。

全球航运流量的变化格局

研究表明，ASR的开通将重塑全球海洋贸易格局，使白令海峡成为关键咽喉要道。目前北极航线年通航量不足2000艘次，而苏伊士运河、巴拿马运河和马六甲海峡则集中了全球主要航运流量。随着海冰消退和贸易增长，这一模式将发生显著变化。到2050年，ASR航次（主要通过东北航道）预计在悲观贸易情景(PTS)下达到12218次，在乐观贸易情景(OTS)下达到23205次。2070年后，冰情改善预计将推动西北航道和中央北极航道的船舶流量急剧增加。到2100年，北极预计将支持所有主要船舶类型的全年通航，ASR在OTS下将处理全球2.25%的交通量（569214航次），在PTS下处理2.07%（180608航次），超过苏伊士运河（OTS:163339航次）和巴拿马运河（OTS:331435航次）的通行量。与没有ASR通航的反事实情景相比，白令海峡的货物流量将增加94.2%至99.8%，而苏伊士运河和巴拿马运河的交通量将分别下降最多5.1%和3.6%，反映了成本驱动下的航线重组将航运流量转向北极。

航运碳排放预测结果

在基准情景(BAU)下，随着燃料结构不变和贸易量增长，ASR的开放预计将推动北极地区航运碳排放大幅增加。根据TISEP模型预测，排放量将从2022年的1.01兆吨二氧化碳当量(Mt CO₂eq)增加到2100年OTS下的117.61Mt和PTS下的36.25Mt，其中中央北极航道贡献58.28%，东北航道贡献17.25%，西北航道贡献24.47%。因此，ASR有望成为全球五大碳密集型航运走廊之一，其全球海运排放份额从0.22%上升到OTS下的2.72%或PTS下的1.01%。这种增长主要发生在2050年后，主要由天然气、石油和化学品运输船增加的交通驱动，这三类船舶在OTS下共同贡献ASR排放的87.37%，在PTS下贡献81.05%。

在全球尺度上，海运排放也预计在本世纪急剧上升，北半球占据了不成比例的增排份额。在OTS下，排放量预计从2022年的217.20Mt CO₂eq增加到2100年的4.71吉吨(Gt) CO₂eq，增长22倍（PTS下为7倍）。北半球持续贡献约80%的总海运排放，而南半球的增长轨迹较为温和。ASR的开放通过将交通重新导向高排放的北部走廊，从结构上强化了这种半球差异。与没有使用ASR的反事实情景相比，到2100年全球排放将在OTS下增加384.29Mt CO₂eq，增长8.2%（PTS下+143.67Mt；+9.5%）。这些发现强调了ASR带来的显著净排放影响，几乎所有的额外碳负担都集中在北半球（OTS下98.67%；PTS下97.82%）。

空间分布与环境不平等

空间上，北极碳排放高度不均衡，集中在少数高影响海域。直到2070年，大多数北极 transit及相关排放将发生在东北航道沿线，特别是通航条件相对有利的卡拉海（2070年：OTS下4.07Mt；PTS下1.62Mt）和东西伯利亚海（OTS下3.09Mt；PTS下1.23Mt）。拉普捷夫海和楚科奇海的排放也将急剧上升，在OTS下均超过1.2Mt，PTS下超过0.4Mt。2070年后，随着海冰进一步消退，航运交通将显著转向中央北冰洋和加拿大北极群岛，受到更短航距和更低运营成本的驱动。到2100年，这一转变将加强先前无法通航水域的碳密集型活动，特别是林肯海（OTS下31.65Mt；PTS下9.62Mt）、巴芬湾（OTS下18.32Mt；PTS下5.68Mt）和挪威海（OTS下10.71Mt；PTS下3.26Mt），扩大北极航运排放的空间足迹。

除了北极地区，ASR诱导的航线重组将在全球海运排放中产生显著的地理差异，东亚、北欧和北美地区热点区域排放强度增加。在西北太平洋，关键咽喉要道包括津轻海峡、吕宋海峡和台湾海峡（走廊ID 9、90和13）预计在OTS下增加30-50Mt CO₂eq，相对于无ASR基线增长2-5倍。这些激增主要来自油轮、天然气运输船和化学品运输船，在中国、日本和韩国附近的南海、东海和日本海组合排放达到43.4-85.8Mt/年。北欧也将经历显著增长，最突出的是奥斯陆-鹿特丹走廊（ID 44），排放量增长超过六倍，从5.30Mt增加到39.37Mt。美国-英国(US-UK)走廊（ID 43）预计出现类似模式，排放增加25.38Mt CO₂eq（从10.99Mt到36.37Mt）。因此，北海将成为受影响最严重的海洋区域之一。相比之下，赤道咽喉要道如马六甲海峡（ID 37）、苏伊士运河和巴拿马运河将因货物分流而出现轻微减少（每段0.49-0.70Mt）。大多数南半球走廊将出现适度下降，但澳大利亚东北部的珊瑚海（ID 29）除外，由于跨太平洋交通增加，排放量预计从1.74Mt上升到6.06Mt。

航运脱碳策略评估

针对这些趋势，研究评估了三种脱碳策略如何改变北极和全球航运碳排放：IMO 2023战略、绿色走廊战略和本研究提出的净零战略。

在BAU基线情景下，北极排放将急剧上升。IMO 2023战略（图3a）将缓和但不会逆转这一趋势，排放量在2070年达到峰值约1.32Mt CO₂eq。绿色走廊战略表现更好，排放更早在2030年达到峰值约0.63Mt，然后下降。只有净零战略提供近线性减排，到2100年实现零排放，相对于IMO 2023战略累计减排>90%。这些差异在PTS下仍然持续，表明政策雄心在塑造北极气候结果方面优于贸易量。

这些策略的结构稳健性仍是关键问题。即使在没有ASR通航的情况下，IMO 2023战略（43.97Mt CO₂eq）和绿色走廊战略（46.46Mt CO₂eq）到2100年仍存在相当数量的残余排放，表明脱碳不完全。相比之下，净零战略无论ASR是否通航，都将在本世纪下半叶维持近零排放。这种差异凸显了一个关键见解：有效减排不仅取决于政策雄心，还取决于吸收结构性冲击（如主要航线开通）的能力。在IMO 2023和绿色走廊战略下，排放持续存在因为交通及相关碳转移至其他高排放路线。只有净零战略通过脱碳整个海运网络，完全解决了这种系统性脆弱性，独立于未来的航线配置。

为了量化ASR的边际影响，研究计算了这些战略在有和无ASR情况下的全球排放净差异。在IMO 2023战略下，ASR到2100年将贡献额外的3.91Mt CO₂eq——比没有ASR的情况增加9%。有些违反直觉的是，绿色走廊战略表现更差，ASR的使用导致增加10.03Mt CO₂eq（+22%），尽管有更强的区域减排措施。这种表现反映了一种反弹效应，特定走廊的有针对性脱碳努力将交通和排放驱赶到监管较少的网络部分。然而，净零战略完全消除了这种边际影响。这些战略之间的对比清楚地表明，全系统脱碳努力对于中和地理和网络诱导的反弹效应至关重要。

空间上，在IMO 2023战略下（图4a），排放将在北极地区最急剧强化，特别是来自天然气和石油运输船的排放，从2025年的<0.05Mt km^-2上升到2100年的>0.87Mt km^-2，而新加坡海峡和北太平洋等传统咽喉要道将减少50%以上。绿色走廊战略（图4b）将减少大多数目标区域的排放（例如，新加坡海峡的集装箱船从6.65降至0.24Mt km^-2），但无法控制北极的增长，那里缓解差距将持续存在。在净零战略下（图4c），所有船舶类型将在所有区域（包括北极）收敛到近零排放，尽管交通增长——这一结果证明了全舰队脱碳的稳健性。这些发现同样反映了北极作为部分缓解战略下主要残余排放热点的出现。

主要绿色航运走廊之间出现进一步的结构对比（图4d）。最初，ASR将以集装箱船和化学品运输船为主，其排放将在2035年前达到峰值然后下降。鹿特丹-新加坡走廊将保持集装箱主导，而韩国-美国和ASR走廊的排放份额将显著上升，分别从14.43%到59.69%和从接近0到0.02%。这些转变表明新兴贸易走廊的扩张速度快于政策执行速度，并暴露了即使在部分缓解的脱碳体制下仍将持续的潜在脆弱性。

研究结论与讨论

TISEP模型的结果表明，ASR的开放不仅将重塑区域航运模式，还会放大全球碳排放并加剧环境不平等。在BAU情景下，北极海运排放预计从2022年的1.00Mt CO₂eq激增到2100年高贸易情况下的117.61Mt，主要驱动来自油轮、天然气运输船和化学品运输船流量的急剧增加，这三类船舶将共同占ASR排放的80%以上。ASR对全球海运排放的贡献将增长超过十二倍，从0.22%到2.72%，使该航线成为全球五大碳密集型走廊之一。空间上，排放将在新通航但生态脆弱的水域强化，如林肯海（31.65Mt）和巴芬湾（18.32Mt）等先前近零排放区域成为关键的碳集中区。这种转变可能加速北极变暖，破坏反照率效应和永久冻土稳定性，从而释放大量甲烷储存并加剧全球气候反馈。尽管ASR通航缩短了航程距离，但这些效率收益将被交通增长规模所淹没。这些发现强调了北极作为新出现排放前沿的角色，挑战如巴黎协定1.5°C目标等全球脱碳努力，并突显了需要区域特异性缓解以保护其关键生态功能。

除了北极地区，ASR诱导的航线重组将引发全球航运排放的显著空间转移，加深区域间环境暴露的不平等。高排放交通将从苏伊士运河和巴拿马运河等传统咽喉要道重新导向高纬度走廊，导致东北亚、北欧和北美地区排放大幅增加。例如，奥斯陆-鹿特丹走廊的年排放量将从5.30Mt增加到39.37Mt，美国-英国走廊排放将增加25.38Mt，使北海成为世界上受影响最严重的海洋区域之一。在西北太平洋，津轻海峡、吕宋海峡和台湾海峡的排放将因服务东亚经济体的油轮、天然气运输船和化学品运输船的航线重组而增加30-50Mt CO₂eq。这些由碳密集型运输船驱动的转变可能增加北部走廊的海洋酸化风险，威胁对全球渔业和生物多样性至关重要的海洋生态系统。相比之下，赤道走廊如马六甲海峡和苏伊士运河将经历排放边际下降，这是海运碳负担半球重新分布的另一个例子。这些不对称结果反映了一个关键的不公平：虽然出口国有望从北极通航中经济受益，但排放将越来越多地离岸到生态敏感和监管不足的过境区，不成比例地影响依赖海洋资源生存的文化和经济的北极原住民社区。

对脱碳策略的评估还表明，目前的国际努力不足以缓解ASR诱导的排放，特别是在北极地区。在IMO 2023战略下，北极航运排放将在2070年达到峰值约1.32Mt CO₂eq，而绿色走廊战略仅将这一峰值降低到约0.63Mt，排放持续到2100年。与直觉相反的是，在绿色走廊情景下ASR的通航将使全球排放比没有通航的情况增加22%，这是由于非监管区域的反弹效应。相比之下，本研究提出的净零战略到2100年将几乎消除北极航运排放，提供相对于IMO基线>90%的累计减排，并中和ASR的全球边际影响。这一成功源于其系统方法，解决了网络范围的交通转移并防止可能触发生态临界点（如加速海冰损失或永久冻土融化）的残余排放。这些结果强调了全系统燃料转型的必要性，并表明部分或地理受限的政策无法保护北极免受长期排放增长或缓解全球环境不平等，特别是当全生命周期排放核算允许损害北极空气质量和冰完整性的尾气管排放时。

净零战略的结构雄心和空间靶向性解释了其有效性。与依赖渐进燃料替代或路线特异性缓解的现有框架不同，净零要求普遍过渡到零排放能源载体，包括绿色氢、电力和核推进，并从204年开始优先在北极部署。这种在高纬度区域的早期部署将解决这些区域 heightened的气候敏感性，并防止排放泄漏到生态脆弱水域。到2050年，该战略将全球扩展，实现到本世纪末完全的舰队范围脱碳。然而，其实施面临挑战，包括氢和电气化基础设施的高昂前期成本，以及协调各国燃料标准的地缘政治障碍。实现这一轨迹需要协调的全球努力，包括对绿色燃料生产、北极专用船舶技术和强化监测系统的投资。这些发现呼吁国际海事组织(IMO)、北极理事会和主要航运国之间加强合作，制定明确的北极排放标准，并对全生命周期排放核算框架进行改革。没有这些赋能条件，碎片化治理和技术惯性可能延迟净零转型， risking不可逆的北极生态系统损害并破坏全球气候目标。

随着持续的气候变化增加北极的可达性，由此产生的海洋地理转变准备通过以深刻不平等的方式重新分配经济机会和环境负担来重构全球贸易网络。 positioned从跨北极航运中受益的国家，如越南、韩国和俄罗斯，可能经历加速的贸易增长，而其他国家随着传统路线失去战略相关性而面临边缘化。例如，苏伊士运河目前是埃及外汇的主要来源，贡献约5%的GDP，其收入下降可能加剧区域经济不稳定。这些转变要求国际社会关注经济补偿机制和适应性规划，以保护弱势地区和社区免受北极主导的贸易重新配置的负面影响。

本研究存在几个局限性。贸易预测依赖于宏观经济变量，可能通过忽视跨欧亚铁路等多式联运替代方案而高估对ASR的依赖。海冰预测虽然基于CMIP6模型，但未考虑soot诱导的海冰损失等未量化的局部反馈，表明我们的预测可能低估长期区域影响。即使在消除碳排放的净零情景下，强化北极交通的非碳外部性仍未解决。这些外部性包括增加的水下噪声、压载水介导的物种入侵风险、石油泄漏和船舶撞击，所有这些都危及极地海洋系统的生态完整性。实现可持续的海运未来需要协调的全球治理，包括加强IMO执法、双边北极合作和绿色技术部署的融资机制，与生物多样性保障和社区韧性相结合以解决航运影响的 full spectrum。ASR的治理必须超越脱碳，拥抱全面的环境保护议程，确保经济收益不以对地球最气候敏感区域之一造成不可逆 harm为代价，并与联合国可持续发展目标对齐以实现公平的全球进展。