不同航运模式下北极东北航道航运经济性评估

姜苗苗 胡麦秀

研究论文

不同航运模式下北极东北航道航运经济性评估

姜苗苗 胡麦秀

(上海海洋大学经济管理学院，上海 201306)

基于1991—2019年北极东北航道的海冰厚度和海冰密集度的监测数据, 利用单航次航运成本和年利润这两个经济性指标, 评估了4种不同航运模式下船舶航行于北极东北航道的航运经济性。评估结果表明: 不仅不同的航运模式会对东北航道的航运经济性产生不同的影响, 海冰的变化也会对其航运经济性产生明显的作用。在不考虑海冰年际变化的情况下, 直达模式的航运经济性整体上高于转运模式, 低冰级船的航运经济性整体上优于高冰级船；在考虑海冰年际变化的情况下, 随着海冰状况的下降, 东北航道的航运经济性明显提升, 尤其是低冰级船的航运经济性的提升幅度更大。

北极 东北航道 航运模式 航运经济性

0 引言

随着全球气候变暖, 北极海冰加速融化, 北极夏季“无冰期”逐渐延长, 基于商业价值的考虑, 越来越多的商船开始试航北极航道。相比传统航道, 北极航道可以使东北亚与欧洲和北美之间的洲际海运航程缩短25%～55%[1], 航行时间大幅节省, 存在潜在的成本优势。北极航道具体包括3条航道: 东北航道、西北航道和中央航道。其中, 东北航道的航行条件相对最为优越, 开发和利用的可行性最高, 商业价值也最大。2013—2020年, 我国中远海运集团已有19艘船舶经东北航道顺利完成了42个航次的亚欧洲际海运贸易, 相比于传统航道, 节省航运里程共计163300海里, 节省航行时间共计508.5天, 节省燃料共计14550吨, 取得了良好的经济效益。因此, 开发和利用北极东北航道, 评估不同航运模式对北极东北航道航运经济性的影响就成为本文的主要研究目的。

目前国内外不乏关于北极东北航道航运经济性评估的研究。Verny等[2]在分析东北航道航行条件优劣势的基础上, 计算了集装箱船经东北航道的航运经济性, 并与传统航道进行对比分析；张侠等[1]基于北极航道的航运里程优势, 通过情景分析和成本估算, 指出利用北极航道每年可节省533亿～1274亿美元的国际贸易海运成本；Xu等[3]将东北航道看作传统航道集装箱运输的季节性替代航线, 评估了混合模式下东北航道集装箱运输的航运经济性；寿建敏等[4]基于轴幅式枢纽港的运输网络, 对比评估了以鹿特丹港为欧洲枢纽港的苏伊士运河航道和以卑尔根港为欧洲枢纽港的东北航道的集装箱运输经济性；钱作勤等[5]对集装箱船和散货船从上海港至欧洲不同港口的单航次经济性进行了比较研究；Pruyn[6]基于对北极航行的众多航运因素的全面考虑, 设计了4种情景计算航运时间和成本；骆巧云等[7]评估了4种集装箱船(普通、Arc4、Arc5和Arc7) 从上海港出发, 分别经东北航道和苏伊士运河航道至鹿特丹港的航运经济性；关晓光等[8]基于对集装箱船的4种主要运输模式特点的分析, 以其运输经济性最大化为目标, 对环绕模式的东北航道—苏伊士运河航道进行优化设计。

综上所述, 有关北极东北航道航运经济性的相关研究, 大多数文献主要基于承运人的微观视角, 利用情景分析法和航运成本模型对其展开研究。有少量文献探讨了航运模式对北极东北航道航运经济性的影响, 但是, 这些文献对于航运模式的界定仅仅局限于航线结构的设计, 而很少有根据东北航道的特点和抗冰船的等级来设计航运模式的研究；另外, 较多文献在设定航行于东北航道的船舶航速时, 主要是根据东北航道的特点, 将整个航道笼统地分为开阔水域、独立航行水域和破冰引航水域, 并将船舶在不同水域的航速设定为平均航速, 而很少有文献对独立航行水域的船舶航速进行进一步细分, 没有考虑独立航行水域的海冰的变化对船舶航速的动态影响。基于此, 本文在已有文献的基础上, 做出如下改进。

1.考虑到东北航道既存在有冰区, 又存在无冰区, 本文设计了2种航运模式, 即直达模式和转运模式, 同时根据船舶抗冰等级的不同, 将这2种航运模式进一步细分为4种航运模式, 并利用单航次航运成本和年利润这两个经济性指标对不同航运模式下东北航道的航运经济性进行评估。

2.将东北航道的有冰区具体分为8个航段, 同时利用海冰厚度和海冰密集度的监测数据, 将这8个航段归类为冰区独立航行航段和冰区协助航行航段, 并计算不同年份各月份船舶经东北航道各航段的船舶航速, 进而考察海冰的年际变化、季节性分布和空间分布特点对东北航道航运经济性的动态影响。

1 北极东北航道通航现状及海冰变化趋势

1.1 北极东北航道通航现状

2009年,德国航运公司Beluga的两艘商船由韩国出发, 经东北航道, 成功抵达荷兰鹿特丹港, 成为历史上首艘通过东北航道实现国际商业航行的船舶。2018年, 马士基航运公司的“”号集装箱船, 从韩国釜山港出发, 经东北航道, 顺利抵达德国不来梅哈芬港, 标志着集装箱船经东北航道开展洲际海运贸易的开端。

1.1.1 北极东北航道过境运输船只数情况

根据俄罗斯北方海航道信息中心(Northern Sea Route Information Office, 简称NSRIO)的监测数据, 2011年经东北航道过境运输的船只数为41艘, 2012年为46艘, 2013年达到最高值71艘, 截止到2020年, 共有381艘船舶经东北航道进行洲际贸易。

1.1.2 北极东北航道航次数季节性分布情况

鉴于北极海冰的季节性分布, 通过东北航道的船舶航次数也呈明显的季节性分布特征。根据俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的统计数据, 2016—2020年7、8、9、10四个月通过东北航道的船舶航次数(包括俄罗斯境内航次和过境航次)之和占全年的59.27%, 通航条件最好的9月份航次数占比高达近20%。图1描述了2016—2020年经北极东北航道航次数的季节性分布情况。

图1 2016—2020年经东北航道航次数的季节性分布.数据来源: 北方海航道信息中心(NSRIO), https:// arctic-lio.com/; 获取时间: 2020年6月, 2021年2月18日

Fig.1.Seasonal distribution of the voyages through the Northeast Passage (2016–2020).Data source: Northern Sea Route Information Office, https://arctic- lio.com/; accessed time: June of 2020 and February 18 of 2021

1.1.3 北极东北航道年货运量及其货运流向情况

自北极东北航道商业通航以来, 经东北航道的海运货运量持续增长, 2012年的海运货运总量为3.88×106t (包括俄罗斯境内海运货运量和过境海运货运量), 2019年增长至31.5×106t, 增长了711.9%。但是, 经东北航道的过境海运货运量并未呈现同步增长的态势, 而且在总货运量中的占比也较小。2012年过境海运货运量为1.26×106t, 占总货运量的32.65%, 2013年达到峰值1.36×106t, 占比高达34.78%, 而2014年开始出现显著下滑, 至2015年过境海运货运量下滑至0.04×106t, 仅占总货运量的0.73%, 之后又有所回升。图2描述了2012—2019年经东北航道的过境货运量和总货运量及其占比情况。

图2 2012—2019年经东北航道过境运输年货运量和年总货运量.数据来源: 北方海航道信息中心(NSRIO), https://arctic-lio.com/; 获取时间: 2020年6月, 2021年2月18日

Fig.2.Annual transiting and total annual freight volume via Northeast Passage (2012–2019).Data source: Northern Sea Route Information Office, https://arctic-lio.com/; accessed time: June of 2020 and February 18 of 2021

经北极东北航道的海运货运量不仅呈现出明显的增长趋势, 而且其货物流向也具有鲜明的分布特征。根据俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的统计数据, 2012—2018年经东北航道的过境海运货物流向呈现明显的西多东少的分布特点, 即从远东至欧洲的货运量明显多于从欧洲至远东的货运量。这主要与中日韩是世界主要的工业制成品出口市场有关。图3描述了2012—2018年经东北航道过境运输的年货运量流向对比情况。

1.1.4 北极东北航道船舶类型及冰级分布情况

俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的统计数据显示, 2016—2019年通航北极东北航道的船舶类型主要包括油轮、散货船、LNG运输船、集装箱船、破冰船、科考船和供给船, 其中, 油轮和散货船通航数量最多, LNG运输船和集装箱船也占有一定的比例。图4描述了2016—2019年通航于北极东北航道的船舶类型分布情况。

图3 2012—2018年经东北航道过境运输的年货运量流向对比.数据来源: 北方海航道信息中心(NSRIO), https://arctic-lio.com/; 获取时间: 2020年6月, 2021年2月18日

Fig.3.Comparison of annual freight traffic flow through Northeast Passage (2012–2018).Data source: Northern Sea Route Information Office, https:// arctic-lio.com/; accessed time: June of 2020 and February 18 of 2021

图4 2016—2019年航行东北航道的船舶类型分布.数据来源: 北方海航道信息中心(NSRIO), https:// arctic-lio.com/; 获取时间: 2020年6月, 2021年2月18日

Fig.4.Distribution of ship types through Northeast Passage (2016–2019).Data source: Northern Sea Route Information Office, https://arctic-lio.com/; accessed time: June of 2020 and February 18 of 2021

就船舶冰级的分布情况而言, 2016—2019年间, 经北极东北航道的船舶的抗冰等级主要包括Arc7级、Arc5级和Arc4级, 其中, Arc7级的通航数量最多, 共计2525航次, 其次为Arc5级, 其通航航次为1423航次, Arc4级的通航航次为1180航次。图5描述了2016—2019年通航于北极东北航道的船舶冰级的分布情况。

图5 2016—2019年航行东北航道的船舶冰级分布.数据来源: 北方海航道信息中心(NSRIO), https:// arctic-lio.com/; 获取时间: 2020年6月, 2021年2月18日

Fig.5.Distribution of ship class through Northeast Passage (2016–2019).Data source: Northern Sea Route Information Office, https://arctic-lio.com/; accessed time: June of 2020 and February 18 of 2021

1.2 北极东北航道海冰变化趋势

近半个世纪以来, 北极地区升温速率约为全球的两倍。北极地区海冰覆盖范围不仅大幅度缩小, 而且其海冰厚度和海冰密集度也呈现明显下降的趋势。据美国国家冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, 简称NSIDC)的海冰监测数据, 从1980年至今, 北极地区冰雪覆盖范围呈明显的逐年下降趋势, 9月份的海冰最小覆盖范围减小了近50%。

同时, 欧洲哥白尼海洋环境监测系统(Copernicus Marine Environment Monitoring System, 简称CMEMS)发布了北极东北航道的海冰密集度和海冰厚度的卫星观测数据。数据显示, 从1991—2019年的29年间, 东北航道海冰密集度和海冰厚度, 不仅呈现明显的年际下降趋势, 而且呈现出显著的季节性变化特征。1991年东北航道的平均海冰厚度为1.02 m, 2019年下降至0.57 m, 29年间下降了44.1%；1991年东北航道的平均海冰密集度为55.6%, 2019年下降至42.13%, 下降了24.2%。其中2005年出现明显的拐点: 海冰厚度和海冰密集度在1991—2005年期间具有明显的下降趋势, 而2006—2019年期间则处于低位波动的状态。前15年(1991— 2005)的平均海冰厚度为0.94 m, 平均海冰密集度为53.87%, 后14年(2006—2019)的平均海冰厚度降至0.54 m, 平均海冰密集也降至45.79%。海冰厚度下降了42.6%, 海冰密集度缩小了15.0%。由此可见, 后14年相较于前15年, 东北航道的海冰状况出现明显下降趋势。图6描述了1991—2019年北极东北航道年平均海冰厚度和海冰密集度的变化趋势。

图6 1991—2019年东北航道年平均海冰厚度和年平均海冰密集度.数据来源: 哥白尼海洋环境监测系统(CMEMS), https://marine.copernicus.eu/; 获取时间: 2020年9月

Fig.6.Annual mean sea ice thickness and concentration of Northeast Passage (1991–2019).Data source: Copernicus Marine Environment Monitoring System, https://marine.copernicus.eu/; accessed time: September of 2020

另外, 从月度数据来看, 6月至11月夏秋季节的平均海冰厚度仅为0.47 m, 其中9、10月份的平均海冰厚度均不足0.2 m, 而12月至5月冬春季节的平均海冰厚度可达0.96 m；同时, 6月至11月的平均海冰密集度为35%, 其中8月份平均海冰密集度达到最低, 仅为11%, 而12月至5月的平均海冰密集度达65%, 其中1、2、3月份的海冰密集度均接近70%。图7描述了1991—2019年东北航道海冰厚度和海冰密集度的季节性分布情况。

图7 1991—2019年东北航道海冰厚度和海冰密集度季节性分布.数据来源: 哥白尼海洋环境监测系统(CMEMS), https://marine.copernicus.eu/; 获取时间: 2020年9月

Fig.7.Seasonal distribution of sea ice thickness and concentration of Northeast Passage (1991–2019).Data source: Copernicus Marine Environment Monitoring System, https://marine.copernicus.eu/; accessed time: September of 2020

2 北极东北航道不同航运模式的设计

2.1 不同航运模式设计的依据

本文所选取的航线是从东北亚的上海港至欧洲的鹿特丹港, 在这条航线上船舶既要航行于无冰区, 也要途径有冰区。依据这一航线特征, 本文将航运模式设计为两种: 直达模式和转运模式。其中直达模式是指从起始港出发直接抵达目的港, 中途不经停任何港口, 全程使用抗冰船运输；而转运模式是指从起始港出发, 不直接运达目的港, 而是在中转港进行普通船和抗冰船的换装, 其中在无冰区使用普通船运输, 而在有冰区使用抗冰船运输。

2.1.1 不同抗冰等级船舶的选取

根据俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的航行统计数据, 经过北极航道运输的抗冰船主要有Ice1、Ice2、Ice3、Arc4、Arc5和Arc7级, 而不同抗冰等级的船舶, 其通航能力和航运成本存在明显差异。

1.抗冰等级对船舶通航能力的影响

传统航道全年全线无冰, 利用普通船舶便能实现全年全线通航；但是, 对于东北航道而言, 海冰的存在使无抗冰能力的普通船舶无法在该航道航行, 而必须使用抗冰船才能完成。不同抗冰等级的船舶, 其抗冰能力是不同的。根据国际船级社协会、加拿大以及俄罗斯对船舶抗冰等级的划分标准, 本文将船舶抗冰等级划分为低冰级和高冰级, 其中低冰级船只能在海冰厚度不超过2 m的一年冰中航行, 而高冰级船却可以在海冰厚度大于2 m的两年冰甚至多年冰中航行。表1列出了国际船级社协会、俄罗斯以及加拿大对船舶抗冰等级的划分标准及其通航能力的界定。

表1 各船级社间船舶抗冰等级的比较及其通航能力的界定

2.抗冰等级对船舶航运成本的影响

不同抗冰等级的船舶, 其航运成本也存在显著的差异。根据广船国际和中远海运的相关数据, 高冰级船舶造价通常比低冰级船高出100%以上, 营运成本高, 但其通航能力更强, 可以节省高昂的破冰引航费；而低冰级船舶通航能力较弱, 在冰情严重时需要破冰引航服务, 需要支付较高的破冰引航费, 但是其造价低, 且相关营运费用低。因此承运人在抉择船舶冰级时面临航次成本和资本成本的权衡取舍。

因此, 基于抗冰等级对船舶通航能力和航运成本的影响, 在直达和转运两种航运模式的基础上需要进一步考虑船舶抗冰等级的选择。

2.1.2 中转港的选取

由于在转运模式中存在着普通船和抗冰船的换装, 在该模式中需设置两个中转港。在设置中转港时, 既要考虑其可行性, 同时也要考虑其经济性。基于此, 本文将彼得罗巴甫洛夫斯克港作为船舶从无冰区进入有冰区的转运港, 而将摩尔曼斯克港作为船舶从有冰区再次进入无冰区的转运港。

彼得罗巴甫洛夫斯克港(52°44′N, 157°59′E)地处勘察加半岛东南岸, 是俄罗斯太平洋沿岸的大型港口之一, 建有集装箱码头且基础设施完善, 商港码头最深可达13 m, 理论上允许不超过第四代(3501～5650 TEU)的集装箱船通行。美国国家冰雪数据中心(NSIDC)2019—2020年的海冰厚度和海冰密集度监测数据显示, 彼得罗巴甫洛夫斯克港通航条件较好, 仅在1—3月份有轻微结冰(海冰厚度不超过0.3 m), 普通船可以通过破冰船引航进入该港。

摩尔曼斯克港是俄罗斯北冰洋沿岸最大的港口, 受北大西洋暖流影响, 终年不冻, 可全年通航。同时, 摩尔曼斯克港是距离冰区较近且航运设施和服务较完善的现代化海港。

2.2 北极东北航道不同航运模式的设计

根据俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的统计数据, 2016—2020年间, 航行于北极东北航道的船舶主要为Arc7、Arc5和Arc4级抗冰船。因此, 本文选取Arc7级抗冰船作为高冰级船, 而将Arc4级抗冰船作为低冰级船。同时, 鉴于东北航道沿线海域目前很少存在两年冰, 其海冰厚度基本都在2 m以下, 根据抗冰船的通航能力, Arc7级抗冰船可全年自由航行于东北航道, 而Arc4级抗冰船在冬春季冰情严重时, 则需要破冰引航服务。

船舶的抗冰等级不仅会影响其通航能力, 而且也会影响其航运成本。鉴于此, 在考虑船舶抗冰等级的基础上, 本文将直达和转运这两种航运模式具体细分为4种: 直达Arc7、直达Arc4、转运Arc7和转运Arc4。表2描述了4种航运模式。

表2 4种航运模式具体说明

3 不同航运模式对北极东北航道航运经济性的影响

3.1 基本假设

在评估不同航运模式对东北航道的航运经济性影响之前, 本文需做出以下几个假设。

假设1.船舶类型的假设

本文将集装箱船作为东北航道航运经济性评估的样本船型, 其理由是: 根据俄罗斯北方海航道信息中心(NSRIO)的统计数据, 航行于东北航道的过境船舶主要为散货船。但是, 隶属于马士基公司的一艘集装箱船已于2018年8月28日完成了初次商业试航。考虑到集装箱船的运输优势, 集装箱船有望成为未来通行于北极东北航道的具有潜在商业价值的船型。

假设2.船舶规模的假设

对于船舶规模的假设主要受以下三个因素的影响。

首先是东北航道最浅海峡的水深。为了避开桑尼科夫海峡、拉普捷夫海峡和喀拉海峡等水深较浅的水域对集装箱船的限制, 本文在选择具体航线时, 在关键海峡节点处选择绕北航行, 具体航线为: 楚科奇海—德朗海峡—东西伯利亚海—新西伯利亚群岛北部—拉普捷夫海—维利基茨基海峡—喀拉海—新地岛北部—巴伦支海, 其中德朗海峡水深在36 m左右, 维利基茨基海峡一般水深为40 m。

其次为中转港码头的水深。摩尔曼斯克港的泊位最大水深可达15 m, 彼得罗巴甫洛夫斯克港的商港码头最深可达13 m, 因此, 样本船型的吃水深度不能超过这两个港口的最大水深。

再者是破冰船宽度。鉴于在冰情严重时, 抗冰船在航行东北航道有冰区过程中, 可能需要破冰船引航方能通行, 这便涉及破冰船破冰宽度对商船宽度的限制。目前最大破冰船的破冰宽度为34 m, 对于集装箱船而言, 船宽小于34 m的最大船型为5万吨级, 载箱量3501～5650 TEU[9]。

因此, 基于中远海运不同规模的集装箱船保有量, 将东北航道船舶规模确定为4506TEU, 其船宽为32 m, 吃水深度约为12.6 m, 以满足上述要求。船舶性能参数参考中远海运的“”号集装箱船。表3描述了4506 TEU普通集装箱船的性能参数。

表3 “COSCO Osaka”号集装箱船相关性能参数

假设3.成本要素核算的假设

1.航速的假设。本文将东北航道的有冰区分为8个航段, 根据不同航段的不同冰况和抗冰船的抗冰等级, 又将这8个航段区分为冰区独立航行航段和冰区协助航行航段。船舶在冰区协助航行航段的航速受到破冰船自身航速的限制, 按照俄罗斯核动力破冰船的船速(一般为3～5节), 本文将该航段的航速确定为4节；船舶在冰区独立航行航段的航速由冰况决定。同时, 鉴于船舶在无冰区的航速也具有一定的随机性, 根据克拉克森航运网(Clarkson Shipping)的统计, 集装箱船在无冰区航行的实际航速一般介于13～25节之间, 因此, 本文利用随机数生成器, 对集装箱船的航速进行20000次模拟, 得出其在无冰区的平均航速约为18节。

2.折旧费核算的相关假设。假设船舶全额购买，根据造船厂提供的相关数据, 假定Arc4级抗冰船的造价比同等规模的普通船高25%，Arc7级抗冰船的造价比同等规模的普通船高150%。

3.保险费核算的相关假设。假定航运公司按照船舶的实际价格向保险公司投保, 即保险金额等于船舶的实际价格, 保险费的计算以此为基础。

4.燃油费核算的相关假设。基于破冰的需要, 抗冰船的功率往往比普通船高。根据造船厂提供的相关数据, 假定Arc4级抗冰船的主机燃油消耗率比同等规模的普通船高25%，Arc7级抗冰船的主机燃油消耗率比同等规模的普通船高200%。

3.2 不同航运模式下东北航道航运经济性评估

3.2.1 航运经济性评价指标的选择

在已有的相关文献中, 国内外学者主要选取了航运成本和航运利润这两类经济性指标来对北极东北航道的航运经济性进行评估。

现有文献对于航运成本指标的选取主要涉及到单位货运成本、必要运费率和年总成本。而无论是年总成本、单位货运成本还是必要运费率的核算均基于单航次航运成本的计算。

对于航运利润指标的选取主要涉及到年利润、单航次利润和单位货物利润。相较于单航次利润和单位货物利润, 年利润则更能反映船舶周转次数对其航运经济性的作用。

因此, 基于前文的基本假设和两个评价指标的特性, 本文采用单航次航运成本来表示航运成本, 而用年利润来表示航运利润, 并用这两个指标作为衡量集装箱船经东北航道的航运经济性的评价指标。

单航次航运成本()由单航次资本成本()、单航次营运成本()和单航次航次成本()三部分组成, 其表达式为:

根据Stopford[10]对这三项成本各自组成要素的划分, 结合前文的基本假设, 单航次资本成本()用船舶单航次折旧费来表示，单航次营运成本()包括保险费、船员工资和维修保养费，单航次航次成本()包括燃油费、破冰引航费和港口使费。

年利润()取决于单航次航运收益()、单航次航运成本()和年总航次数(), 其表达式为:

Σ(TR–TC)取1

其中的单航次航运收益()由集装箱运价()和集装箱载箱量()决定, 其表达式为:×, 其中的集装箱运价()通过上海航运交易所发布的上海出口集装箱运价指数获得。同时, 基于东北航道冰情的季节性分布, 我们考虑根据东北航道各月份冰情的差异以及市场情况, 对不同月份东北航道集装箱运价进行适当调节。根据前文对东北航道海冰的季节性分布特点的统计描述, 对不同季节确定不同的集装箱运价。

图8描述了Stopford[10]对单航次航运成本和单航次航运收益的主要组成要素的划分。

图8 单航次航运成本和单航次航运收益的组成要素.资料来源: 文献[10]

Fig.8.The constituent elements of single voyage shipping cost and revenue.Information source: reference [10]

3.2.2 单航次航运成本具体要素的核算方法

单航次航运成本的核算主要涉及单航次航行时间、折旧费、保险费、船员工资、维修保养费、燃油费、破冰引航费和港口使费等要素, 具体核算方法如下。

1.单航次航行时间。船舶经东北航道的单航次航行时间主要包括无冰区航行时间、中转港在港时间(适用于转运模式)和有冰区航行时间。其中, 无冰区航行时间根据无冰区航运里程和无冰区的船舶航速(前文模拟得到18节)计算获得；为了便于计算, 中转港在港时间主要考虑装卸时间, 根据严庭玉等[11]的研究, 4500 TEU集装箱的一次装卸时间大约需要38个小时；而有冰区航行时间则取决于有冰区各航段的航运里程和各航段的船舶航速。其中有冰区船舶航速分为两部分: 冰区协助航行航速(前文假设得到4节)和冰区独立航行航速。

冰区独立航行航段的航速由冰值决定, 冰值越高, 船舶的航速就越快。影响冰值的因素主要包括海冰类型(即海冰的发展阶段)、海冰密集度和船舶冰级。海冰的发展阶段越早、海冰密集度越小、船舶冰级越高, 则冰值越高。

加拿大北极冰情运输系统(Arctic Ice Regime Shipping System, AIRSS)给出了计算冰值的方法[12]为:

(C x IM)(C x IM)…(C x IM)

在上述公式中,代表冰值, 它是海冰类型、海冰密集度和船舶冰级的函数；CC表示不同类型海冰对应的海冰密集度, 取值区间为[0,10]；IMIM表示不同类型海冰的倍数器, 即根据船舶冰级的不同赋予不同海冰类型不同的倍数, 取值区间为[–4,2], 最小值为–4, 最大值为2, 取值越大, 表明航行条件越优越, 船舶的航速也就越快。

根据前文的假设, 船舶在不同航段是否需要破冰引航以及在冰区独立航行航段的航速均取决于冰值的大小。当某航段的冰值为负值时, 冰级船需要破冰船引航, 其航速就是破冰船的航速；若冰值大于等于零时, 冰级船可在该航段独立航行, 其航速由McCallum[13]给出的冰值与航速的关系式计算所得,其表达式为:

0.0027×3–0.0398×20.2489×3.8385

冰值及船舶在冰区的航速可通过如下路径计算所得, 如图9所示。

图9 冰值及冰区船舶航速的计算路径.资料来源: 北极冰情运输系(AIRSS)[12].https://tc.canada.ca/en/marine- transportation/marine-safety/arctic-ice-regime-shipping- system-pictorial-guide, 获取时间: 2020年7月

Fig.9.The calculation path of the ice numeral and shipping speed in the ice sections.Information Source: Arctic Ice Regime Shipping System[12].https://tc.canada.ca/ en/marine-transportation/marine-safety/arctic-ice-regime-shipping-system-pictorial-guide; Accessed time: July,2020

依据上述核算方法, 利用欧洲哥白尼海洋环境监测系统(CMEMS)发布的1991—2019年这29年的平均月度海冰厚度和密集度数据, 可计算出东北航道不同月份各航段的海冰冰值以及船舶的航速, 在此基础上, 可计算出不同月份各航段的单航次航行时间。

2.折旧费。根据拆船市场的相关数据, 集装箱船的平均使用寿命一般为20年, 净残率一般为5%。目前船舶折旧方法主要有年限平均法、加速折旧法和余额递减法, 根据中远海运控股股份有限公司2019年年报, 集装箱船主要采用年限平均法计提折旧费。船舶单航次资本成本()便等于单航次船舶折旧额(), 其计算公式为:

×(1–5%)/(20×360)

×

其中,表示船舶日折旧额,表示船舶造价,表示单航次航行时间。

3.保险费。船舶年保险费通过保险金额和年保险费率来估算, 其公式为:

ins×ins

其中,ins表示年保险费；表示航运公司投保的保险金额,按照船舶的实际价格投保, 即保险金额等于船舶的实际价格ins表示航运公司与保险公司确定的年保险费率。根据中远海运的相关营运数据, 传统航道的年保险费率一般为1.5%。北极东北航道极寒的自然地理条件和匮乏的沿线航运服务, 增加了船舶遇险的概率, 使东北航道的海运保险费率明显高于传统航道。德鲁里航运顾问有限公司(Drewry Shipping Consultants Ltd.)的船舶营运成本明细报告显示, 北极航道海运保险费率比传统航道高出约60%。

4.船员工资。根据上海航运交易所发布的中国(上海)国际海员薪酬表, 航行于传统航道的集装箱船船员平均工资为3600美元/月/人。鉴于北极航道所经海域航行环境恶劣, 对于船员专业能力和整体素质的要求明显要高于传统航道, 同时, 根据德鲁里航运顾问有限公司的成本数据, 东北航道船员平均工资高出传统航道近50%, 因此, 本文将航行于东北航道的船员平均工资设定为5400美元/月/人。

5.维修保养费。船舶的年度维修保养费与船舶造价相关, 它是通过船舶造价乘以一定的百分率来估算的。根据中远集团相关营运数据, 普通集装箱船年维修费率为2.5%, 而冰级船航行于有冰区, 环境比较恶劣, 因此, 其年维修费率一般会高出同等规模普通船舶20%。

6.燃油费。燃油成本取决于主机燃油消耗率、燃油价格和航行时间, 其计算公式为:

ff×(×)

其中,f表示单航次燃油费,f表示燃油价格,表示主机燃油消耗率(t·h–1),表示单航次航行时间。

7.破冰引航费。俄罗斯北方海航道管理局(Northern Sea Route Administration, NSRA)将破冰引航区域划分为7个航段[14],不同冰级船舶的通航能力不同, 因此, 不同冰级船舶经东北航道的引航段个数也存在差异；与此同时, 根据俄罗斯北方海航道管理局相关规定[15], 不同规模、不同冰级的船舶航经东北航道不同航段的破冰引航费率也有所不同, 主要取决于船舶总吨位、冰级和航行季节。

8.中转港费用。转运模式涉及普通船与冰级船在中转港的换装, 船舶进出中转港以及在中转港换装的相关费用主要包括两部分: 一般的港口使费和普通船在有冰期进入彼得罗巴甫洛夫斯克港的破冰引航费。

其中, 一般的港口使费主要考虑集装箱装卸费、船舶港务费和港口领航费等, 一般以船舶净吨位或箱量和相关费率标准进行计算。不同港口的收费标准不同, 为简化计算, 本文参照《中华人民共和国交通部港口收费规则(外贸部分)》的相关费率: 集装箱装卸包干费约为61 USD·TEU–1, 装载一般货物的集装箱船港务费率约为3 USD·TEU–1, 领航费以净吨为计费单位, 费率约为0.075 USD·t–1。

而对于普通船在有冰期进入彼得罗巴甫洛夫斯克港的破冰引航费, 主要参考俄罗斯北方海航道管理局对东北航道有冰区破冰引航费的征收规则及标准。

表4列出了各种成本要素的核算方法以及相关说明。

表4 成本要素核算方法及说明

Table.4 The calculation methods and instructions of the cost components

3.3 航运经济性的核算及结果分析

就东北航道而言, 海冰是影响其航运经济性的关键因素。根据欧洲哥白尼海洋环境监测系统提供的监测数据, 1991—2019年北极东北航道的海冰呈明显下降趋势, 其中, 2006—2019年的平均海冰厚度和海冰密集度显著低于1991—2005年的平均水平。为了对比海冰的变化对东北航道航运经济性的影响, 本文将区分两种情况对其进行评估, 即不考虑海冰年际变化的不同航运模式的航运经济性和考虑海冰年际变化的不同航运模式的航运经济性。

3.3.1 不考虑海冰年际变化的4种不同航运模式的航运经济性评估

在不考虑海冰年际变化的情况下, 本文将利用东北航道在1991—2019年这29年的平均海冰厚度和平均海冰密集度, 计算出船舶不同月份航行于东北航道各航段的航速和航行时间, 并进一步核算船舶航经东北航道的航运成本。

1.单航次航运成本的核算及结果

根据单航次航运成本的核算方法, 可以估算出4种不同航运模式的单航次航运成本, 其结果如图10所示。从核算结果可以看出, 4种不同航运模式的单航次航运成本存在明显的差异。其中, 直达Arc4模式的单航次航运成本最低, 其次为转运Arc4模式, 而转运Arc7模式的单航次航运成本最高。

2.年利润的核算及结果

为了核算4种不同航运模式下船舶航经北极东北航道的年利润, 首先必须核算出其年收益, 4种航运模式的年收益核算结果为: 直达Arc7模式的年收益为84.84×106美元；直达Arc4模式的年收益为73.24×106美元；转运Arc7模式的年收益为72.24×106美元；转运Arc4模式的年收益为63.40×106美元。

上述结果显示, 4种不同航运模式的年收益也存在明显差异, 造成这种差异的原因主要源于年总航次数的差异: 因为年收益主要由单航次航运收益和年总航次数决定, 而4种不同航运模式的集装箱运价和集装箱船载箱量是相同的, 由此导致其单航次航运收益也是相同的。因此, 年总航次数就成为影响4种不同航运模式年收益的主要因素。

4种不同航运模式的年总航次数分别为: 直达Arc7模式的年总航次数约为15.69个航次；直达Arc4模式为13.55个航次；转运Arc7模式为13.36个航次；转运Arc4模式为11.73个航次。结果显示, Arc7级抗冰船的年总航次数整体多于Arc4级抗冰船, 这主要源于Arc7级抗冰船的通航能力比较强, 航速也比较快, 从而其单航次航行所需时间较短。由此导致直达Arc7模式的年总航次数在4种不同模式中最多, 其年收益也最高；而转运Arc4模式的年总航次数最少, 其年收益也最低。

根据前文所述的年利润的核算方法以及航运成本和航运收益的核算结果, 可以估算出4种不同航运模式的年利润, 其结果如图10所示。

从图10可以看出, 4种航运模式的年利润存在明显差异, 其中直达Arc4模式的年利润最高, 可达32.83×106美元, 这主要得益于其单航次航运成本远低于其他模式，其次为直达Arc7模式, 而转运Arc7模式的年利润最低。

图10 不同航运模式的单航次航运成本和年利润

Fig.10.Single voyage shipping cost and annual profit of different shipping modes

从低冰级船和高冰级船两者之间进行考量, 低冰级船的年利润整体上高于高冰级船, 这主要源于低冰级船相对较低的船舶造价和燃油消耗率使其单航次航运成本低于高冰级船；从直达模式和转运模式两者之间进行考量, 直达模式的年利润整体上高于转运模式, 究其原因, 彼得罗巴甫洛夫斯克港距离冰区较远, 普通船对冰级船的替代效应未得到显著体现, 同时普通船进入彼得罗巴甫洛夫斯克港的破冰引航费拉高了转运模式的单航次航运成本, 使转运模式的经济性大幅下降。

3.3.2 考虑海冰年际变化的4种不同航运模式的航运经济性评估

为了考察海冰的动态变化对北极航道航运经济性的影响, 本文将评估期分为两个时间段: 即1991—2005年北极海冰出现明显下降期和2006—2019年海冰呈现低位震荡期。

其中, 东北航道在低位震荡期的平均海冰厚度和海冰密集度显著低于明显下降期, 而海冰的变化会直接影响船舶航速, 从而进一步影响航行时间和航运成本。

根据国际船级社协会、加拿大和俄罗斯关于船舶抗冰等级的划分标准及其通航能力的界定, Arc7级抗冰船可在海冰厚度不超过2 m的海域自由通航, 而Arc4级抗冰船只能在海冰厚度不超过0.7 m的海域自由航行。同时, 根据欧洲哥白尼海洋环境监测系统的海冰厚度数据, 1991—2019年北极东北航道各月份平均海冰厚度均不足2 m, 其中, 前15年的平均海冰厚度为0.94 m, 8—11月这4个月的平均海冰厚度小于0.7 m；后14年的平均海冰厚度降至0.54 m, 而且平均海冰厚度小于0.7 m的月份延长至7个月。因此, Arc7级抗冰船全年可在东北航道自由通航, 而Arc4级抗冰船仅可在海冰厚度低于0.7 m的月份自由航行。表5描述了不同评估期下各月份北极东北航道的平均海冰厚度情况。

因此, 相比于高冰级船舶, 海冰状况的下降对低冰级船舶经东北航道航速的提升作用更为明显。1999—2005年Arc4级抗冰船的年平均航速为8.89节,2006—2019年提升至11.38节,提高了28%；其中, 七月份Arc4级抗冰船航速提升幅度最大, 由8.54节提升至13.91节,提高了63%。表6描述了不同评估期下Arc4级抗冰船不同月份经东北航道的航速变化。

表5 不同评估期下各月份东北航道平均海冰厚度

表6 不同评估期下Arc4级抗冰船不同月份经东北航道的航速变化

1.单航次航运成本的核算及结果

4种航运模式在不同评估期内的单航次航运成本的核算结果如表7所示。根据评估结果, 随着海冰状况的下降, 4种航运模式的单航次航运成本普遍降低, 平均降低了0.27×106美元。其中Arc4级船的单航次航运成本平均降低0.32×106美元, 降低了9.04%；而Arc7级船的单航次航运成本平均降低0.22×106美元, 降低5.14%。

2.年利润的核算及结果

4种航运模式在不同评估期内的年利润核算结果如表7所示。对比两个评估期的核算结果可以发现, 随着海冰状况的下降, 4种不同航运模式的年利润普遍提高。其中转运Arc4模式的年利润提高了33.77%, 提高幅度最大；其次为转运Arc7模式, 提高了31.04%；直达Arc7模式的年利润提高幅度最小, 仅为19.95%。

根据年利润的核算方法, 4种航运模式年利润的提升既源于单航次航运成本的下降, 也源于年总航次数的增加, 2006—2019年间4种航运模式的年总航次数平均比1991—2005年增加近1个航次(如表7所示)。

表7 不同评估期下4种航运模式的经济性指标核算结果

从不同评估期的单航次航运成本和年利润的评估结果可以看出, 海冰的变化会对东北航道的航运经济性产生显著影响, 并且相比于Arc7级船, 海冰状况的下降对Arc4级船的航运经济性的提升作用更为明显。

4 结论

根据综合评估结果, 船舶航行于北极航道, 其航运经济性不仅受到海冰变化的影响, 而且也会受到不同航运模式的影响。具体结论如下。

结论1: 在不考虑海冰年际变化的情况下, 直达模式的航运经济性整体上高于转运模式, 低冰级船的航运经济性整体上优于高冰级船。其中低冰级船直达模式的航运经济性最佳, 无论是单航次航运成本还是年利润均显著优于其他航运模式, 而高冰级船转运模式的航运经济性最差。

结论2: 在考虑海冰年际变化的情况下, 北极航道的航运经济性呈现明显的阶段性特征, 北极航道的海冰出现明显下降之后, 其航运经济性明显提升，相比于高冰级船舶, 海冰状况的下降对低冰级船舶的航运经济性的提升作用更大。

基于上述结论, 航运公司在利用北极航道进行商业通航时, 在直达模式和转运模式之间应该优先选择直达模式, 在低冰级船和高冰级船之间应该优先选择低冰级船，而且随着海冰的加速融化, 低冰级船的应用将更加广泛。

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Economic evaluation of various shipping modes via the Northeast Passage

Jiang Miaomiao, Hu Maixiu

(College of Economics and Management, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306,China)

Based on the monitoring data of sea ice thickness and sea ice concentration of the Northeast Passage from 1991 to 2019, this paper evaluates the economics of shipping through the Northeast Passage under four shipping modes using two evaluation indicators—the shipping cost of a single voyage and annual profit.The results show that not only do different shipping modes have different effects on the shipping economics of the Northeast Passage, but the retreat of the sea ice also has obvious effects.Without taking into account the inter-annual variation of sea ice, the economic benefits of the direct mode are generally higher than that of the transshipment mode, while those of low-ice-class ships are generally better than those of high-ice-class ships.Considering the inter-annual variation of sea ice, and the decline of sea ice, the economics of shipping through the Northeast Passage has significantly improved, especially for low-ice-class ships.

Arctic, Northeast Passage, shipping mode, shipping economy

2021年1月收到来稿, 2021年3月收到修改稿

国家社会科学基金(17BGJ059)、教育部哲学社会科学研究后期资助重大项目(20JHQ016)资助

姜苗苗, 女, 1993年生。硕士研究生, 主要从事海洋经济与国际贸易研究。E-mail: m190501045@st.shou.edu.cn

胡麦秀, E-mail: mxhu@shou.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20210016