Исследование дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане по данным спутниковой информации

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕДОВОГО РЕЖИМА В МОРЯХ СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА 7
1.1 Белое море 8
1.2 Баренцево море 8
1.3 Карское море 9
1.4 Море Лаптевых 9
1.5 Восточно-Сибирское море 9
1.6 ЧУКОТСКОЕ МОРЕ 10
1.7 Море Бофорта 10
1.8 Арктический бассейн 10
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 12
2.1 Касательное напряжение на верхней поверхности льда (ветер) 12
2.2 Касательное напряжение на нижней поверхности льда (течения) 13
2.3 СИЛА, обусловленная наклоном уровенной поверхностью моря 14
2.4 Силы внутреннего взаимодействия 14
ГЛАВА 3. ДРЕЙФ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПО СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 15
3.1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРЕЙФА ЛЬДА ПО СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 15
3.2 Обзор существующих баз данных 15
3.3 База данных Polar Pathfinder 16
3.3.1 Спутники и буи, используемые для получения данных 17
3.3.2 Датчики производящие измерения 18
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ВЕКТОРНО-АЛГЕБРАИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РАСЧЕТА РЕЖИМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 20
4.1 Математическое ожидание и дисперсия векторов дрейфа 20
4.2 ТРЕНДЫ ВЕКТОРОВ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 22
ГЛАВА 5. РЕЖИМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 25
5.1 Климатическая и межгодовая изменчивость 25
5.2 СЕЗОННАЯ И СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММА ДЛЯ ЧТЕНИЯ БИНАРНЫХ ФАЙЛОВ БАЗЫ ДАННЫХ POLAR PATHFINDER 48
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КОЭФФИЦИЕНТЫ ЛИНЕЙНОГО ТРЕНДА ДРЕЙФА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ДЛЯ КАЖДОГО МЕСЯЦА ЗА 38 ЛЕТ 49
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОЛЛИНЕАРНЫЕ И ОРТОГОНАЛЬНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ КОЭФФИЦИЕНТА а (УСКОРЕНИЕ ДРЕЙФА) 55
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ 67
Купить

Северный Ледовитый океан (СЛО) находится в северных (полярных) широтах: от 60 до 90 градусов северной широты. Такое местоположение определяет множество особенных факторов, отличающих его от других океанов. Самая главная особенность — это наличие ледяного покрова практически во всех морях СЛО, а также в его открытой части.
Пристальное внимание обращено к морским льдам, т.к. именно он является важнейшей компонентой в формировании гидрологического режима морей Арктики. Многие ученые и научные организации изучают его формирование, развитие, разрушение и движение. Наличие ледяного покрова обуславливает дополнительные сложности для навигации, разведки месторождений полезных ископаемых и при строительстве морских сооружений. Самый короткий транспортный путь из Европы в Азию проходит через СЛО. Сейчас наблюдается интенсивное развитие навигации по Северному Морскому пути и внимание исследователей приковано именно к изучению ледяного покрова. Отдельным направлением можно выделить изучение динамики (дрейф) льда в бассейне. Наличие дрейфующего льда доставляет множество проблем для судоходства из-за этого в зимний период ослабевает навигация в полярных регионах. Также при наличии плавучего льда возникают проблемы с освоением и добычей полезных ископаемых, постройкой портов. Помимо минусов в наличии льда, есть и свои плюсы, например: лед может использоваться как взлетно-посадочные полосы, искусственные причалы и острова. Все плюсы и минусы существования дрейфующего льда формирую дополнительный смысл для определение всех процессов, влияющих на дрейф, и поэтому изучение динамики льда является актуальной проблемой в области океанологии.
Эра систематических наблюдений за ледяным покровом была определена экспедицией Фритьофа Нансена. Он в 1893-1896 гг. совершил дрейф на судне «Фрам» от Новосибирских островов до северной части Гренландского моря. Благодаря этой экспедиции были получены ценные данные по ледовой и погодной обстановке по всему пути следования. На основе полученных результатов были разработаны основные теоретические постулаты о динамике льда в СЛО.
Продолжительны промежуток времени информация о дрейфе ледяного покрова поступала по средствам прямых измерений (in situ) в экспедициях, затем стали получать данные благодаря авиаразведкам, но такой подход очень дорогостоящий и не всегда может произвести съемку в необходимом для исследования районах. Развитие науки и техники позволило в 1957 году запустить первый искусственный спутник Земли (Спутник-1). Спутниковые данные для картирования льдов начали применять с 1970-х годов, когда были запущены первые метеорологические спутники. Спутниковые методики картирования льдов развивались на основе использования авиационных методов, как визуальных, так и инструментальных. Опыт ледовых авиационных разведок, проводившихся с 1914 года, способствовал быстрому развитию и внедрению в оперативную практику новых спутниковых технологи картирования ледяного покрова (Бушуев, Лощилов; 2010).
Высокая эффективность комплексных измерений была продемонстрирована в 1978 г., когда был запущен первый океанографический спутник Seasat, на котором были установлены многоканальный сканирующий микроволновый радиометр, радиометр видимого и ИК- диапазонов, радарный высотомер (альтиметр), скаттерометр - активный микроволновый прибор для определения скорости и направления приводного ветра и радиолокационная станция с синтезированной апертурой. Было показано, что спутниковое радиолокационное зондирование обладает высоким потенциалом для изучения процессов в океане и атмосфере независимо от времени суток, метеорологических условий и освещённости. (Дубина, 2009).
Достоинством спутниковых методов по сравнению с инструментальным - это пространственный охват с постоянным временным интервалом и форматом данных с координатной сеткой, что делает полученную информацию пригодной для оценки модельного несоответствия результатов моделирования морского СЛО, а также проверки полученных инструментальных методом данных.
Сейчас на орбите Земли находится множество искусственных спутников Земли решающие различные задачи, мониторинг окружающей среды является одной из них. Особенное значение имеют спутники, производящие съемку в полярных областях, в особенности, позволяющие производить мониторинг морского ледяного покрова, т.к. в большинстве случаев контактные измерения произвести достаточно сложно или невозможно. Именно поэтому сегодня методы дистанционного зондирования являются основными для изучения окружающей среды в целом и льдов в полярных областях в частности.
В настоящее время проводится регулярное зондирование Мирового океана с многочисленных спутников пассивными и активными приборами, работающими в видимом (0.4 - 0.74 мкм), инфракрасном (0.74 мкм - 1 мм) и микроволновом (1 мм - 1 м) диапазонах электромагнитного спектра. Данные спутникового дистанционного зондирования (ДЗ) используются для определения температуры поверхности океана, характеристик поверхностного волнения, скорости приводного ветра, содержания хлорофилла, сплоченности и границы ледяного покрова, а также для построения карт течений, обнаружения нефтяного загрязнения и др. Каждому методу ДЗ - в зависимости от диапазона длин волн, в котором проводится измерение, и от технических характеристик прибора, присущи свои ограничения и недостатки. Так, в инфракрасном (ИК) и видимом диапазонах спутниковым наблюдениям океана препятствует облачность. Пассивные микроволновые измерения имеют низкое пространственное разрешение. Спутниковые приборы высокого разрешения имеют узкую полосу обзора и низкое временное разрешение. Поэтому при изучении и мониторинге океана наиболее эффективным является подход, при котором один и тот же участок поверхности океана зондируется несколькими устройствами одновременно или с некоторой разницей во времени (Дубина, 2009).
Данные спутниковых наблюдений за дрейфом ледяного покрова сводятся в специальные базы данных. Продукты дрейфа льда, содержащиеся в различных базах данных, отличаются используемыми датчиками, временными интервалами, разрешением. Основные базы данных, находящиеся в открытом доступе в сети Интернет, содержащие спутниковую информацию по дрейфу ледяного покрова это:
• OSI SAF (2002-2006; 2009-present);
• GlobICE (2004-2005; 2007-2011);
• Polar Pathfinder, NSIDS (1978-2015);
• CERSAT, IFREMER (1991 -present);
В работе подробно описана база данных Polar Pathfinder, которая используется в нашей работе.
Согласно тенденции последних лет, количество льда в акватории СЛО уменьшается, что в свою очередь ведет к изменению различных процессов в океане. В работах (Боков и др., 1993; Волков, 2016; Kwok, 2009) рассматривается воль климатической изменчивости по процессы в полярных широтах. На основе имеющихся ресурсов решено проверить влияние климатической изменчивости на динамику ледяного покрова с использованием методов: векторно-алгебраический анализ и линейных трендов.
Целью данной работы является исследовать режимные характеристики дрейфа ледяного покрова в Северном Ледовитом океане на основе спутниковых данных
Задачи:
1. Вычислить средний дрейф льда в Арктическом Бассейне по спутниковой информации;
2. Сформулировать векторно-алгебраический метод расчета тренда векторов в терминах ускорения среднего дрейфа и угловой скорости изменения векторов среднего дрейфа;
3. Определить синоптическую изменчивость дрейфа ледяного покрова;
4. Выявить сезонные особенности дрейфа льда;
5. Оценить влияние климатической изменчивости на динамику льда в Арктике.
Купить