Особенности современных изменений ледовитости в Западном секторе Арктики
|
Введение 3
Глава 1. Современные исследования ледового режима Северного Ледовитого океана 7
1.2. Морской ледяной покров как элемент полярной климатической системы 7
1.2 Явление Арктического усиления 10
Глава 2. Характеристика ледового режима в Западном секторе Арктики 14
Глава 3. Материалы и методы исследования 17
3.1. Данные для исследования распространения ледяного покрова 17
3.2. Данные для исследования толщин ледяного покрова 18
3.3. Методы обработки данных 21
Глава 4. Сезонные и межгодовые изменения ледовых условий в Западном секторе Арктики 23
4.1. Анализ распространения морского ледяного покрова 23
4.2. Анализ толщины морского ледяного покрова 28
Заключение 35
Список литературы 37
Приложение 1 43
Приложение 2 44
Приложение 3 45
Приложение 4 46
Приложение 5
Глава 1. Современные исследования ледового режима Северного Ледовитого океана 7
1.2. Морской ледяной покров как элемент полярной климатической системы 7
1.2 Явление Арктического усиления 10
Глава 2. Характеристика ледового режима в Западном секторе Арктики 14
Глава 3. Материалы и методы исследования 17
3.1. Данные для исследования распространения ледяного покрова 17
3.2. Данные для исследования толщин ледяного покрова 18
3.3. Методы обработки данных 21
Глава 4. Сезонные и межгодовые изменения ледовых условий в Западном секторе Арктики 23
4.1. Анализ распространения морского ледяного покрова 23
4.2. Анализ толщины морского ледяного покрова 28
Заключение 35
Список литературы 37
Приложение 1 43
Приложение 2 44
Приложение 3 45
Приложение 4 46
Приложение 5
В последнее время значительное внимание научной общественности уделяется сокращению площади и толщины арктического ледяного покрова. Как известно, в последней четверти XX века были зафиксированы заметные изменения климата (потепление), которые охватили как атмосферу, так и океан, а также морской ледяной покров, который, как важнейший элемент криосферы Земли, является важной составной частью полярной климатической системы. Наиболее ярко изменения климата наблюдаются в приатлантической Арктике - Северо-Европейском бассейне Северного Ледовитого океана (СЛО) (Гудкович и др., 1997; Борзенкова, 2016).
Одним из основных индикаторов потепления в арктических широтах является сокращение ледовитости (распространения), которое наблюдается с начала 1980-х годов (AMAP, 2019). С конца 1990-х годов зафиксировано ускорение сокращения площади морских льдов в Северном Ледовитом океане. Стали отмечаться последовательно рекордные минимумы летней площади морского ледяного покрова (2007, 2012, 2016, 2019, 2020 гг.) с абсолютным минимумом в сентябре 2012 г. В зимний период большая часть океана покрыта морскими льдами, которые распространяются к югу на опресненные акватории морей континентального шельфа (Захаров, 1996).
Помимо площади ледяного покрова важным параметром арктических льдов является их толщина, которая определяет баланс ледовой массы. По сравнению с наблюдениями за площадью ледяного покрова, глобальные наблюдения за толщиной морского льда в СЛО довольно ограничены. До запуска первого спутника, измеряющего толщину льда во всей Арктике, в 2003 году, данные о толщине ледяного покрова получали во время различных арктических экспедиций, с сонаров, которые были установлены на подводных лодках или закреплялись на дне океана, а также с электромагнитных измерений при ледовых авиаразведках (Шалина, Бобылев, 2017).
Также, на основе модели, которая отслеживает появление льда, его движение и исчезновение на основе спутниковых наблюдений (Fowler et al., 2004), ведется мониторинг возраста ледяного покрова. В последние десятилетия наблюдается сокращение многолетнего льда (льда, пережившего летнее таяние) и замещение его однолетним льдом (Александров и др., 2012).
До запуска спутника SeaSat в июне 1978 года, целью которого был сбор данных о различных параметрах океана, данные о ледовых условиях (площадь, сплоченность, а также толщина ледяного покрова) получались посредствам прямых (in situ)наблюдений с самолетов, судов и на береговых станциях. Они носят региональный характер и практически целиком относятся к XX столетию. Качество этих данных неравноценно и в целом ухудшается с удалением в прошлое. Широкое использование авиации для наблюдений за льдами к северу от Сибири началось в самом конце 1930-х годов, а в североамериканских арктических водах - с середины 50-х годов. До этого времени источником сведений о льдах в Арктике служили наблюдения немногочисленных станций и, главным образом, промысловых, транспортных и экспедиционных судов. Со второй половины 1960-х годов важным источником информации о морских льдах, помимо авиаразведок, становятся данные, полученные с метеорологических искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эти данные дополняли сведения о льдах, получаемые традиционными методами, и в целом повышали качество информации о ледовой обстановке. Однако сильная зависимость наблюдений, выполняемых с помощью первых ИСЗ, от облачности и условий освещенности обусловили крайнюю нерегулярность спутниковой ледовой информации. Этот недостаток удалось преодолеть лишь в 1970-е годы, когда на орбиту Земли были выведены спутники, обеспечивающие наблюдения за льдами, независимо от указанных условий (Захаров, 2000).
Для мониторинга распространения льдов наиболее подходят оперативные ИСЗ, информация с которых поступает потребителям без ограничения, в режиме непосредственной передачи. К таким спутникам относятся, в частности, американские ИСЗ с аппаратурой видимого и инфракрасного диапазонов серии NOAA/AVHRR и Terra (Aqua)/MODIS. Поэтому спутники NOAA на сегодняшний день наиболее широко используются национальными ледовыми службами при подготовке информации о состоянии ледяного покрова (Смирнов и др., 2011).
Подавляющее большинство существующих технологий интерпретации спутниковых данных для ледового картирования в национальных ледовых службах основаны на интерактивном анализе с участием опытного ледового эксперта. Наибольшее развитие среди спутниковых технологий, применяемых национальными ледовыми службами, получили технологии, основанные на использовании данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (Смирнов и др., 2011).
Спутниковые данные о толщине морского ледяного покрова по всему Арктическому региону включают в себя данные, полученные с лидарного высотомера, установленного на спутника ICESat, которые проводились с 2003 по 2009 года, а также данные с радиолокационного высотомера со спутника CryoSat-2, запущенного в апреле 2010 года.
Спутниковое дистанционное зондирование является основой современного мониторинга за ледяным покровом, обеспечивая как оперативное получение объективных сведений о состоянии морского льда и наличии опасных ледяных образований, так и накопление информации о трансформациях ледовых условий. Они (наблюдения) позволяют оценивать произошедшие изменения и строить прогнозы (рассматривать сценарии) относительно возможных будущих изменений. Возможности и ограничения методов дистанционного зондирования при мониторинге ледяного покрова зависят от используемого спектрального диапазона средств измерений, типа зондирования (активное или пассивное), а также от параметров съемки и технических свойств аппаратуры (Шалина, Бобылев, 2017).
Несмотря на широкое применение спутниковых данных для анализа ледовых условий в Арктике, данные полученные в ходе полярных экспедиций по-прежнему остаются востребованными, а порой и незаменимыми (например, данные о высоте снега надо льдом, а также данные о физических свойствах морского льда и снега над ним).
Изменения морского ледяного покрова Арктики относятся к наиболее точно установленным трансформациям, произошедшим в этом регионе с начала 1980-х годов прошлого столетия. С научной точки зрения изменения в ледяном покрове имеют важное значение, так как ледяной покров играет важную климатоформирующую роль в Арктическом регионе. Помимо научной значимости, данные о изменениях ледовых условий в Арктике важны для мореходства в Северных морях, а также для прогнозирования и добычи полезных ископаемых на шельфе.
Цель данной работы - Изучить особенности сезонных и межгодовых изменений ледовых условий в Западном секторе Арктики за период 1979-2020 гг.
Для реализации указанной цели был сформулирован ряд задач:
1) Обзор предшествующих исследований, посвященных региональным особенностям сезонных и долгопериодных изменений ледовых условий в исследуемом районе.
2) Выделение характерных сезонов в годовом ходе ледовых условий, а также выявление особенностей изменчивости характеристик морского ледяного покрова для отдельных акватории и всей Западной Арктики в целом.
3) Анализ внутренней структуры колебаний ледовитости.
4) Изучить взаимосвязь толщины льда разного возраста от высоты снежного покрова.
Апробация работы. Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция «Морские исследования и образование: MARESEDU - 2020», Москва, 2020;
2. IV Всероссийская конференция «Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития» имени Л.Н. Карлина, Санкт-Петербург, 2020;
3. XXVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2021», Москва, 2021;
4. VI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Комплексные Исследования Мирового Океана», Москва, 2021;
5. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых в рамках XVII Большого Географического Фестиваля, Санкт- Петербург, 2021;
6. Students in Polar and Alpine Research Conference (SPARC), Brno, Czech Republic, 2021.
Публикации. По теме данной работы опубликовано 7 работ; 6 из них входят в базу РИНЦ, 1 работа входит в базу SCOPUS.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Рубчене Андрею Валерьевичу и доценту кафедры «Океанология» СПбГУ Иванову Борису Вячеславовичу за полезные научные консультации и ценные советы, а также помощь в оформлении результатов данной работы.
Также автор выражает особую благодарность доценту кафедры «Океанология» СПбГУ Шалиной Елене Викторовне и научной сотруднице ААНИИ Ревиной Анастасии Дмитриевне за консультации по вопросам обработки спутниковых данных.
Одним из основных индикаторов потепления в арктических широтах является сокращение ледовитости (распространения), которое наблюдается с начала 1980-х годов (AMAP, 2019). С конца 1990-х годов зафиксировано ускорение сокращения площади морских льдов в Северном Ледовитом океане. Стали отмечаться последовательно рекордные минимумы летней площади морского ледяного покрова (2007, 2012, 2016, 2019, 2020 гг.) с абсолютным минимумом в сентябре 2012 г. В зимний период большая часть океана покрыта морскими льдами, которые распространяются к югу на опресненные акватории морей континентального шельфа (Захаров, 1996).
Помимо площади ледяного покрова важным параметром арктических льдов является их толщина, которая определяет баланс ледовой массы. По сравнению с наблюдениями за площадью ледяного покрова, глобальные наблюдения за толщиной морского льда в СЛО довольно ограничены. До запуска первого спутника, измеряющего толщину льда во всей Арктике, в 2003 году, данные о толщине ледяного покрова получали во время различных арктических экспедиций, с сонаров, которые были установлены на подводных лодках или закреплялись на дне океана, а также с электромагнитных измерений при ледовых авиаразведках (Шалина, Бобылев, 2017).
Также, на основе модели, которая отслеживает появление льда, его движение и исчезновение на основе спутниковых наблюдений (Fowler et al., 2004), ведется мониторинг возраста ледяного покрова. В последние десятилетия наблюдается сокращение многолетнего льда (льда, пережившего летнее таяние) и замещение его однолетним льдом (Александров и др., 2012).
До запуска спутника SeaSat в июне 1978 года, целью которого был сбор данных о различных параметрах океана, данные о ледовых условиях (площадь, сплоченность, а также толщина ледяного покрова) получались посредствам прямых (in situ)наблюдений с самолетов, судов и на береговых станциях. Они носят региональный характер и практически целиком относятся к XX столетию. Качество этих данных неравноценно и в целом ухудшается с удалением в прошлое. Широкое использование авиации для наблюдений за льдами к северу от Сибири началось в самом конце 1930-х годов, а в североамериканских арктических водах - с середины 50-х годов. До этого времени источником сведений о льдах в Арктике служили наблюдения немногочисленных станций и, главным образом, промысловых, транспортных и экспедиционных судов. Со второй половины 1960-х годов важным источником информации о морских льдах, помимо авиаразведок, становятся данные, полученные с метеорологических искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эти данные дополняли сведения о льдах, получаемые традиционными методами, и в целом повышали качество информации о ледовой обстановке. Однако сильная зависимость наблюдений, выполняемых с помощью первых ИСЗ, от облачности и условий освещенности обусловили крайнюю нерегулярность спутниковой ледовой информации. Этот недостаток удалось преодолеть лишь в 1970-е годы, когда на орбиту Земли были выведены спутники, обеспечивающие наблюдения за льдами, независимо от указанных условий (Захаров, 2000).
Для мониторинга распространения льдов наиболее подходят оперативные ИСЗ, информация с которых поступает потребителям без ограничения, в режиме непосредственной передачи. К таким спутникам относятся, в частности, американские ИСЗ с аппаратурой видимого и инфракрасного диапазонов серии NOAA/AVHRR и Terra (Aqua)/MODIS. Поэтому спутники NOAA на сегодняшний день наиболее широко используются национальными ледовыми службами при подготовке информации о состоянии ледяного покрова (Смирнов и др., 2011).
Подавляющее большинство существующих технологий интерпретации спутниковых данных для ледового картирования в национальных ледовых службах основаны на интерактивном анализе с участием опытного ледового эксперта. Наибольшее развитие среди спутниковых технологий, применяемых национальными ледовыми службами, получили технологии, основанные на использовании данных радиолокаторов с синтезированной апертурой (Смирнов и др., 2011).
Спутниковые данные о толщине морского ледяного покрова по всему Арктическому региону включают в себя данные, полученные с лидарного высотомера, установленного на спутника ICESat, которые проводились с 2003 по 2009 года, а также данные с радиолокационного высотомера со спутника CryoSat-2, запущенного в апреле 2010 года.
Спутниковое дистанционное зондирование является основой современного мониторинга за ледяным покровом, обеспечивая как оперативное получение объективных сведений о состоянии морского льда и наличии опасных ледяных образований, так и накопление информации о трансформациях ледовых условий. Они (наблюдения) позволяют оценивать произошедшие изменения и строить прогнозы (рассматривать сценарии) относительно возможных будущих изменений. Возможности и ограничения методов дистанционного зондирования при мониторинге ледяного покрова зависят от используемого спектрального диапазона средств измерений, типа зондирования (активное или пассивное), а также от параметров съемки и технических свойств аппаратуры (Шалина, Бобылев, 2017).
Несмотря на широкое применение спутниковых данных для анализа ледовых условий в Арктике, данные полученные в ходе полярных экспедиций по-прежнему остаются востребованными, а порой и незаменимыми (например, данные о высоте снега надо льдом, а также данные о физических свойствах морского льда и снега над ним).
Изменения морского ледяного покрова Арктики относятся к наиболее точно установленным трансформациям, произошедшим в этом регионе с начала 1980-х годов прошлого столетия. С научной точки зрения изменения в ледяном покрове имеют важное значение, так как ледяной покров играет важную климатоформирующую роль в Арктическом регионе. Помимо научной значимости, данные о изменениях ледовых условий в Арктике важны для мореходства в Северных морях, а также для прогнозирования и добычи полезных ископаемых на шельфе.
Цель данной работы - Изучить особенности сезонных и межгодовых изменений ледовых условий в Западном секторе Арктики за период 1979-2020 гг.
Для реализации указанной цели был сформулирован ряд задач:
1) Обзор предшествующих исследований, посвященных региональным особенностям сезонных и долгопериодных изменений ледовых условий в исследуемом районе.
2) Выделение характерных сезонов в годовом ходе ледовых условий, а также выявление особенностей изменчивости характеристик морского ледяного покрова для отдельных акватории и всей Западной Арктики в целом.
3) Анализ внутренней структуры колебаний ледовитости.
4) Изучить взаимосвязь толщины льда разного возраста от высоты снежного покрова.
Апробация работы. Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция «Морские исследования и образование: MARESEDU - 2020», Москва, 2020;
2. IV Всероссийская конференция «Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития» имени Л.Н. Карлина, Санкт-Петербург, 2020;
3. XXVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2021», Москва, 2021;
4. VI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Комплексные Исследования Мирового Океана», Москва, 2021;
5. Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых в рамках XVII Большого Географического Фестиваля, Санкт- Петербург, 2021;
6. Students in Polar and Alpine Research Conference (SPARC), Brno, Czech Republic, 2021.
Публикации. По теме данной работы опубликовано 7 работ; 6 из них входят в базу РИНЦ, 1 работа входит в базу SCOPUS.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Рубчене Андрею Валерьевичу и доценту кафедры «Океанология» СПбГУ Иванову Борису Вячеславовичу за полезные научные консультации и ценные советы, а также помощь в оформлении результатов данной работы.
Также автор выражает особую благодарность доценту кафедры «Океанология» СПбГУ Шалиной Елене Викторовне и научной сотруднице ААНИИ Ревиной Анастасии Дмитриевне за консультации по вопросам обработки спутниковых данных.
В ходе выполнения работы были исследованы современные ледовые условия в Западном секторе Арктики.
На основе регулярных спутниковых данных собранных в МЦД МЛ ААНИИ были проанализированы особенности распространения ледяного покрова.
На основе спутниковых данных Европейского Космического Агентства (ESA), а также данных с Высокоширотных Воздушных Экспедиций «Север», проводившиеся в XX веке и данных с гидрологических и дрейфующей станции экспедиции «Трансарктика - 2019» была проанализирована толщина ледяного покрова.
Основные результаты выполненных исследований:
1) Выявлен отрицательный тренд изменения ледовых условий (ледовитости и толщины ледяного покрова) в Западном секторе Арктики.
2) Заметное увеличение межгодовых колебаний ледовитости, начиная с 2006 г., свидетельствует о крупномасштабной смене ледового режима в Западной Арктике, что может свидетельствовать о перестройке атмосферной и/или океанической циркуляции в районе исследования.
3) Наблюдается сдвиг 5-6 летних колебаний ледовитости из Гренландского моря в северную часть Карского моря через северную часть Баренцева моря. Таким образом, колебания, которые были характерны для приатлантических морей стали затрагивать Карское море.
4) Спутниковые данные ESA о толщине льда достаточно плохо согласуются с данными in situ.Возможной причиной несоответствия является использование климатических значений плотности льда и снега для расчета толщины ледяного покрова по спутниковым данным.
5) Продемонстрирована взаимосвязь, при которой наблюдается уменьшение толщины льда с увеличением высоты снега на тонком (однолетнем) льду по данным с дрейфующих станции экспедиции «Трансарктика - 2019» и нарушение данной связи на толстом льду (двухлетнем и многолетнем льду) по данным с гидрологических станций экспедиции «Трансарктики - 2019».
Изменения морского ледяного покрова Арктики относятся к наиболее точно установленным трансформациям, произошедшим в этом регионе с начала 1980-х годов прошлого столетия. Благодаря доступности данных последовательных глобальных спутниковых измерений, проводившихся с ноября 1978 года радиометрами микроволнового диапазона, а также по данным радиолокационного высотомера со спутника CryoSat-2 и с радиометра микроволнового изображения, установленным на спутнике SMOS, можно с уверенностью говорить о сокращении площади и толщины ледяного покрова Арктики. Но необходимо заметить, что спутниковые данные о толщине льда требует дальнейшей валидации.
Описанные результаты имеют важное значение как с академической (ледяной покров играет важную роль в климатических моделях), так и с практической (навигация по Северному морскому пути) точек зрения.
На основе регулярных спутниковых данных собранных в МЦД МЛ ААНИИ были проанализированы особенности распространения ледяного покрова.
На основе спутниковых данных Европейского Космического Агентства (ESA), а также данных с Высокоширотных Воздушных Экспедиций «Север», проводившиеся в XX веке и данных с гидрологических и дрейфующей станции экспедиции «Трансарктика - 2019» была проанализирована толщина ледяного покрова.
Основные результаты выполненных исследований:
1) Выявлен отрицательный тренд изменения ледовых условий (ледовитости и толщины ледяного покрова) в Западном секторе Арктики.
2) Заметное увеличение межгодовых колебаний ледовитости, начиная с 2006 г., свидетельствует о крупномасштабной смене ледового режима в Западной Арктике, что может свидетельствовать о перестройке атмосферной и/или океанической циркуляции в районе исследования.
3) Наблюдается сдвиг 5-6 летних колебаний ледовитости из Гренландского моря в северную часть Карского моря через северную часть Баренцева моря. Таким образом, колебания, которые были характерны для приатлантических морей стали затрагивать Карское море.
4) Спутниковые данные ESA о толщине льда достаточно плохо согласуются с данными in situ.Возможной причиной несоответствия является использование климатических значений плотности льда и снега для расчета толщины ледяного покрова по спутниковым данным.
5) Продемонстрирована взаимосвязь, при которой наблюдается уменьшение толщины льда с увеличением высоты снега на тонком (однолетнем) льду по данным с дрейфующих станции экспедиции «Трансарктика - 2019» и нарушение данной связи на толстом льду (двухлетнем и многолетнем льду) по данным с гидрологических станций экспедиции «Трансарктики - 2019».
Изменения морского ледяного покрова Арктики относятся к наиболее точно установленным трансформациям, произошедшим в этом регионе с начала 1980-х годов прошлого столетия. Благодаря доступности данных последовательных глобальных спутниковых измерений, проводившихся с ноября 1978 года радиометрами микроволнового диапазона, а также по данным радиолокационного высотомера со спутника CryoSat-2 и с радиометра микроволнового изображения, установленным на спутнике SMOS, можно с уверенностью говорить о сокращении площади и толщины ледяного покрова Арктики. Но необходимо заметить, что спутниковые данные о толщине льда требует дальнейшей валидации.
Описанные результаты имеют важное значение как с академической (ледяной покров играет важную роль в климатических моделях), так и с практической (навигация по Северному морскому пути) точек зрения.



