Влияние изменчивости полей дрейфа ледяного покрова на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ДРЕЙФ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 5
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ 8
2.1 ДРЕЙФ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 8
2.2 ЛЕДОВИТОСТЬ 9
2.3 ВОЗРАСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЬДА 10
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ 11
3.1 МЕТОД ОЦЕНКИ ТРЕНДОВ ВЕКТОРНЫХ РЯДОВ 11
3.2 ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИЛИВНОГО ДРЕЙФА 15
3.3 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЕКТОРНЫХ РЯДОВ 17
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ 18
4.1 КЛИМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ 18
4.2 ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПО ДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНОГО
АНАЛИЗА 26
4.3 ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ
ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 31
4.4 ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ В СЕВЕРНОМ
ЛЕДОВИТОМ ОКЕАНЕ 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЛИВНОГО ДРЕЙФА ЛЬДА НА ПРИМЕРЕ 2012 ГОДА 48
ГЛАВА 1. ДРЕЙФ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 5
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ 8
2.1 ДРЕЙФ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 8
2.2 ЛЕДОВИТОСТЬ 9
2.3 ВОЗРАСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЬДА 10
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ 11
3.1 МЕТОД ОЦЕНКИ ТРЕНДОВ ВЕКТОРНЫХ РЯДОВ 11
3.2 ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИЛИВНОГО ДРЕЙФА 15
3.3 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЕКТОРНЫХ РЯДОВ 17
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ 18
4.1 КЛИМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ 18
4.2 ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПО ДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНОГО
АНАЛИЗА 26
4.3 ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ
ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 31
4.4 ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ В СЕВЕРНОМ
ЛЕДОВИТОМ ОКЕАНЕ 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЛИВНОГО ДРЕЙФА ЛЬДА НА ПРИМЕРЕ 2012 ГОДА 48
Арктика приобретает все большее значение как источник углеводородных и других минеральных ресурсов, а Северный Морской путь, проходящий вдоль берегов России, является кратчайшей транспортной магистралью из Европы в Азию и развивается как важнейший элемент международных транспортно-логистических систем, обеспечивая гармоничное развитие добывающей промышленности и береговой инфраструктуры на российском Севере. Для обеспечения безопасности мореплавания и буровых работ на шельфе необходимо развивать систему краткосрочных и долгосрочных ледовых прогнозов, для чего важно понимать причины иногда резких изменений ледовых условий в арктических морях.
Ледяной покров - один из определяющих элементов климатической системы Арктики, изолирующий воды океана от атмосферы, препятствующий массо- и энергообмену. Перемещения элементов ледяного покрова обуславливают такие важные для взаимодействия океана и атмосферы параметры как положение кромки, сплоченность, перераспределение тепла, соли и всех параметров ледяного покрова (толщина, разрушенность льда). Градиенты скорости дрейфа определяют процессы торосообразования, сжатия и разрежения, появления разрывов, полыней, трещин, раскалывание ледяных полей и т.д. Ледяной покров определяет условия судоходства и другой деятельности человека в Северном Ледовитом океане. В данном контексте дрейф льда представляет интерес не только как причина формирования и перераспределения параметров ледяного покрова, но и как независимый фактор, определяющий условия пребывания судов и различных сооружений во льду.
Обычно, причины драматических изменений ледяного покрова последних десятилетий связывают с повышением фона температуры воздуха и недостаточно подробно рассматривают влияние динамических факторов. Исследование режимных характеристик дрейфа ледяного покрова — важная часть исследования природной среды в Арктике. В данном исследовании рассматривается роль динамических факторов в изменениях общей площади арктических льдов - изменений структуры и интенсивности циркуляции вод и льдов и перераспределения массивов морского льда в пределах Северного Ледовитого океана, влияющих на формирование условий, определяющих интенсивность нарастания или деградации морского ледяного покрова. Изменения системы общей циркуляции льдов в Арктическом бассейне влияет на формирование ледовых условий в арктических морях, где проходит главная арктическая магистраль России - Северный морской путь.
В работе делается акцент на исследовании взаимосвязи изменчивости крупномасштабной структуры полей дрейфа в Северном Ледовитом океане и ее роли в долговременных изменениях площади морского ледяного покрова, в формировании ледовой обстановки на трассах Северного морского пути, что необходимо учитывать и при разработке новых прогностических схем, и для оценки климатических изменений на ближайшие годы.
Важнейшим элементом новизны подхода при анализе векторных рядов и полей является использование российских технологий векторно-алгебраического анализа, позволяющего наиболее адекватно и в лаконичной форме наборами скалярных параметров описывать векторные ряды и поля больших размеров.
Таким образом, фундаментальной научной целью, на решение которой направлено исследование, является: выявить закономерности пространственно-временной
изменчивости дрейфа ледяного покрова в сезонном и многолетнем диапазонах, и определить влияние изменчивости дрейфа ледяного покрова на основные характеристики ледового режима в Северном Ледовитом океане.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сформировать специализированные (соответствующие цели ВКР) массивы данных для исследования дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане;
2. Разработать методики оценки статистических характеристик векторных процессов и реализовать эти методы на языке программирования;
3. Определить климатическую и межгодовую изменчивости полей дрейфа ледяного покрова. Описать изменения положения и интенсивности главных элементов крупномасштабной циркуляции льдов: Антициклонического круговорота и Трансарктического дрейфа;
4. Выявить долгопериодные колебания дрейфа льда, оценить их параметры в терминах векторной алгебры;
5. Оценить сезонную изменчивость характеристик дрейфа ледяного покрова;
6. В терминах векторного спектрального анализа определить энергонесущие частоты дрейфа;
7. Выявить взаимосвязи между изменениями характеристик дрейфа и параметров ледяного покрова в различных диапазонах изменчивости;
8. Оценить влияние изменчивости полей дрейфа ледяного покрова на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане.
Ледяной покров - один из определяющих элементов климатической системы Арктики, изолирующий воды океана от атмосферы, препятствующий массо- и энергообмену. Перемещения элементов ледяного покрова обуславливают такие важные для взаимодействия океана и атмосферы параметры как положение кромки, сплоченность, перераспределение тепла, соли и всех параметров ледяного покрова (толщина, разрушенность льда). Градиенты скорости дрейфа определяют процессы торосообразования, сжатия и разрежения, появления разрывов, полыней, трещин, раскалывание ледяных полей и т.д. Ледяной покров определяет условия судоходства и другой деятельности человека в Северном Ледовитом океане. В данном контексте дрейф льда представляет интерес не только как причина формирования и перераспределения параметров ледяного покрова, но и как независимый фактор, определяющий условия пребывания судов и различных сооружений во льду.
Обычно, причины драматических изменений ледяного покрова последних десятилетий связывают с повышением фона температуры воздуха и недостаточно подробно рассматривают влияние динамических факторов. Исследование режимных характеристик дрейфа ледяного покрова — важная часть исследования природной среды в Арктике. В данном исследовании рассматривается роль динамических факторов в изменениях общей площади арктических льдов - изменений структуры и интенсивности циркуляции вод и льдов и перераспределения массивов морского льда в пределах Северного Ледовитого океана, влияющих на формирование условий, определяющих интенсивность нарастания или деградации морского ледяного покрова. Изменения системы общей циркуляции льдов в Арктическом бассейне влияет на формирование ледовых условий в арктических морях, где проходит главная арктическая магистраль России - Северный морской путь.
В работе делается акцент на исследовании взаимосвязи изменчивости крупномасштабной структуры полей дрейфа в Северном Ледовитом океане и ее роли в долговременных изменениях площади морского ледяного покрова, в формировании ледовой обстановки на трассах Северного морского пути, что необходимо учитывать и при разработке новых прогностических схем, и для оценки климатических изменений на ближайшие годы.
Важнейшим элементом новизны подхода при анализе векторных рядов и полей является использование российских технологий векторно-алгебраического анализа, позволяющего наиболее адекватно и в лаконичной форме наборами скалярных параметров описывать векторные ряды и поля больших размеров.
Таким образом, фундаментальной научной целью, на решение которой направлено исследование, является: выявить закономерности пространственно-временной
изменчивости дрейфа ледяного покрова в сезонном и многолетнем диапазонах, и определить влияние изменчивости дрейфа ледяного покрова на основные характеристики ледового режима в Северном Ледовитом океане.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сформировать специализированные (соответствующие цели ВКР) массивы данных для исследования дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане;
2. Разработать методики оценки статистических характеристик векторных процессов и реализовать эти методы на языке программирования;
3. Определить климатическую и межгодовую изменчивости полей дрейфа ледяного покрова. Описать изменения положения и интенсивности главных элементов крупномасштабной циркуляции льдов: Антициклонического круговорота и Трансарктического дрейфа;
4. Выявить долгопериодные колебания дрейфа льда, оценить их параметры в терминах векторной алгебры;
5. Оценить сезонную изменчивость характеристик дрейфа ледяного покрова;
6. В терминах векторного спектрального анализа определить энергонесущие частоты дрейфа;
7. Выявить взаимосвязи между изменениями характеристик дрейфа и параметров ледяного покрова в различных диапазонах изменчивости;
8. Оценить влияние изменчивости полей дрейфа ледяного покрова на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане.
В результате выполненной работы на основе анализа уникальных баз данных характеристик о полях дрейфа льда в Северном Ледовитом океане с высоким пространственным и временным разрешением Polar Pathfinder были выявлены закономерности климатической изменчивости дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане
В работе был введен новый метод вычисления трендов векторных величин, с использованием ортогональных и коллинеарных составляющих вектора а, разрешенные относительно направления вектора Ъ. На основе предложенного метода были оценены тренды климатической изменчивости дрейфа льда. В результате были выявлены области с характерными изменениями скоростей дрейфа с максимальным увеличением в проливе Фрама и уменьшением возле берегов Канадского Арктического архипелага. Данный метод также позволил определить тенденции изменения направления потоков в поле дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.
Согласно полученным результатам установлено, что в Северном Ледовитом океане наблюдается увеличение скоростей крупномасштабных структур дрейфа ледяного покрова. Увеличение скорости дрейфа на периферии антициклонального круговорота ведет к более быстрому сбросу льдов в Трансарктическое течение, в котором, в свою очередь, скорости дрейфа также увеличиваются (до 0,32 см/сек/год). Увеличение скорости выноса льда через пролив Фрама в пик количества льда в бассейне достигает 0,52 см/сек/год, т.е. наблюдается тенденция выноса льда из Арктического бассейна и как следствие уменьшение количества льда в акватории, следовательно, можно отметить прямое влияние динамического фактора на изменение количества льда в Северном Ледовитом океане.
Показано также, что средние направления вектора дрейфа ледяного покрова в шельфовых морях России смещаются вправо до 0.8°/год. При таком изменении направления лед с большей вероятностью попадает в Трансарктическое течение, откуда выносится из Арктического бассейна, а не попадает в антициклональный круговорот у берегов Канадского Арктического архипелага, где в последствии происходит нарастание массы льда. Такие изменения направлений также являются динамической причиной деградации ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.
Был применен спектральный анализ векторов и установлено, что основные энергонесущие частоты соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Оценены низкочастотные пики спектральной плотности дрейфа ледяного покрова. В результате была выявлена межгодовая изменчивость в Карском море с периодом 5.6 лет, для Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей период составил 2.8 лет. В проливе Фрама более выраженная межгодовая изменчивость относительно полученных значений для Трансарктического течения. В структуре Трансарктического течения наблюдается низкочастотный пик, соответствующий 11.2 годам. В Антициклоническом круговороте в море Бофорта большое влияние оказывают долгопериодные изменения. Для южной периферии круговорота характерный период изменчивости 5.6 лет, а для северной части 11.2 и 2.8 лет.
С помощью гармонического анализа приливного дрейфа были выделены периоды изменчивости дрейфа льда сопоставимые с долгопериодными приливными гармониками: солнечные годовая (Sa) и полугодовая (Ssa) гармоники, лунные месячная (Mm) и полумесячная (Mf) гармоники, и лунно-солнечная полумесячная (MSf) гармоника. Было установлено, что основные энергонесущие частоты, по результатам спектральной плотности, соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Из этого следует, что амплитуды и фазы дрейфа на периодах волн Sa и Ssa следует рассматривать как отклик ледяного покрова на сезонную изменчивость радиационного баланса и всех гидрометеорологических параметров. При этом полугодовая гармоника Ssa описывает асимметричность годового хода, т.е. является обертоном годовой волны Sa.
В арктических морях наблюдается отрицательный тренд ледовитости. Максимальные изменения наблюдаются в Карском море: за период в 30 лет, согласно полученным результатам, ледовитость уменьшилась на 15%, при этом наблюдаются значительные изменения в поле скорости: увеличивается скорость выноса льдов в Арктический бассейн. В Восточно-Сибирском море изменения ледовитости незначительны по сравнению с Карским. В поле дрейфа в прибрежных районах отмечается незначительное уменьшение средней скорости, а направление среднего дрейфа отклоняется влево с угловой скоростью -0.25- -1.25 °/год, что свидетельствует об уменьшении выноса льдов в Арктический бассейн.
Изменчивость поля дрейфа льда напрямую влияет на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане. За 40-летний период исследований, наблюдается отрицательный тренд ледовитости для летнего и зимнего гидрологического сезонов, при этом скорость дрейфа ледяного покрова увеличивается.
В работе был введен новый метод вычисления трендов векторных величин, с использованием ортогональных и коллинеарных составляющих вектора а, разрешенные относительно направления вектора Ъ. На основе предложенного метода были оценены тренды климатической изменчивости дрейфа льда. В результате были выявлены области с характерными изменениями скоростей дрейфа с максимальным увеличением в проливе Фрама и уменьшением возле берегов Канадского Арктического архипелага. Данный метод также позволил определить тенденции изменения направления потоков в поле дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.
Согласно полученным результатам установлено, что в Северном Ледовитом океане наблюдается увеличение скоростей крупномасштабных структур дрейфа ледяного покрова. Увеличение скорости дрейфа на периферии антициклонального круговорота ведет к более быстрому сбросу льдов в Трансарктическое течение, в котором, в свою очередь, скорости дрейфа также увеличиваются (до 0,32 см/сек/год). Увеличение скорости выноса льда через пролив Фрама в пик количества льда в бассейне достигает 0,52 см/сек/год, т.е. наблюдается тенденция выноса льда из Арктического бассейна и как следствие уменьшение количества льда в акватории, следовательно, можно отметить прямое влияние динамического фактора на изменение количества льда в Северном Ледовитом океане.
Показано также, что средние направления вектора дрейфа ледяного покрова в шельфовых морях России смещаются вправо до 0.8°/год. При таком изменении направления лед с большей вероятностью попадает в Трансарктическое течение, откуда выносится из Арктического бассейна, а не попадает в антициклональный круговорот у берегов Канадского Арктического архипелага, где в последствии происходит нарастание массы льда. Такие изменения направлений также являются динамической причиной деградации ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.
Был применен спектральный анализ векторов и установлено, что основные энергонесущие частоты соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Оценены низкочастотные пики спектральной плотности дрейфа ледяного покрова. В результате была выявлена межгодовая изменчивость в Карском море с периодом 5.6 лет, для Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей период составил 2.8 лет. В проливе Фрама более выраженная межгодовая изменчивость относительно полученных значений для Трансарктического течения. В структуре Трансарктического течения наблюдается низкочастотный пик, соответствующий 11.2 годам. В Антициклоническом круговороте в море Бофорта большое влияние оказывают долгопериодные изменения. Для южной периферии круговорота характерный период изменчивости 5.6 лет, а для северной части 11.2 и 2.8 лет.
С помощью гармонического анализа приливного дрейфа были выделены периоды изменчивости дрейфа льда сопоставимые с долгопериодными приливными гармониками: солнечные годовая (Sa) и полугодовая (Ssa) гармоники, лунные месячная (Mm) и полумесячная (Mf) гармоники, и лунно-солнечная полумесячная (MSf) гармоника. Было установлено, что основные энергонесущие частоты, по результатам спектральной плотности, соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Из этого следует, что амплитуды и фазы дрейфа на периодах волн Sa и Ssa следует рассматривать как отклик ледяного покрова на сезонную изменчивость радиационного баланса и всех гидрометеорологических параметров. При этом полугодовая гармоника Ssa описывает асимметричность годового хода, т.е. является обертоном годовой волны Sa.
В арктических морях наблюдается отрицательный тренд ледовитости. Максимальные изменения наблюдаются в Карском море: за период в 30 лет, согласно полученным результатам, ледовитость уменьшилась на 15%, при этом наблюдаются значительные изменения в поле скорости: увеличивается скорость выноса льдов в Арктический бассейн. В Восточно-Сибирском море изменения ледовитости незначительны по сравнению с Карским. В поле дрейфа в прибрежных районах отмечается незначительное уменьшение средней скорости, а направление среднего дрейфа отклоняется влево с угловой скоростью -0.25- -1.25 °/год, что свидетельствует об уменьшении выноса льдов в Арктический бассейн.
Изменчивость поля дрейфа льда напрямую влияет на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане. За 40-летний период исследований, наблюдается отрицательный тренд ледовитости для летнего и зимнего гидрологического сезонов, при этом скорость дрейфа ледяного покрова увеличивается.
Подобные работы
- Влияние изменчивости полей дрейфа ледяного покрова на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане
Магистерская диссертация, география. Язык работы: Русский. Цена: 4800 р. Год сдачи: 2020 - Исследование дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане по данным спутниковой информации
Бакалаврская работа, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4550 р. Год сдачи: 2018