Содержание к диссертации
Введение
1 Ледово-географическое районирование арктических морей России 12
1.1 Физико-географическое и ледово-навигационное деление арктических морей 12
1.2 Особенности ледово-географического районирования арктических морей 19
1.3 Арктические моря 22
1.4 Однородные ледовые районы 26
1.5 Ледовые зоны и участки 44
1.6 Ледовые и гидрометеорологические данные о состоянии природной среды в Арктике и арктических морях 46
1.7 Основные особенности районирования арктических акваторий по ледовым и географическим признакам 57
2 Локальное распределение ледяного покрова по пространству арктических морей 60
2.1 Очищение акватории ото льдов 60
2.2 Устойчивость ледовых аномалий 74
2.3 Ледовая классификация 80
2.4 Основные особенности локального распределения льдов по пространству арктических морей 98
3 Крупномасштабное распределение ледяного покрова по пространству арктических морей 101
3.1 Ледовая классификация в попарно смежных арктических морях 101
3.2 Особенности распределения ледовых аномалий между арктическими морями 116
3.3 Ледовая классификация для суммарной площади арктических морей 122
3.4 Формирование ледовых аномалий по пространству арктических морей 135
3.5 Основные особенности крупномасштабного распределения льдов по пространству арктических морей 140
4 Многолетние изменения распределения льдов по пространству арктических морей 144
4.1 Пространственная связанность ледовых условий арктических морей 145
4.2 Формирование многолетних ледовых аномалий на суммарной площади арктических морей 150
4.3 Многолетнее распределение ледовых аномалий между арктическими морями 160
4.4 Формирование ледовой оппозиции между западными и восточными морями в зависимости от многолетней изменчивости солнечной активности 165
4.5 Особенности многолетних изменений в пространственном распределении льдов 184
5 Долгосрочный прогноз распределения ледяного покрова по пространству арктических морей 188
5.1 Формирование ледовых условий по пространству однородных районов в зависимости от аномалий природных факторов 190
5.2 Метод локально-генетической типизации ледовых условий 204
5.3 Сезонная типизация ледовых условий в однородных районах 209
5.4 Опыт составления долгосрочных прогнозов количества и распределения сплоченных льдов в арктических морях 216
5.5 Особенности составления долгосрочных ледовых прогнозов 226
Заключение 229
Список литературы 234
Приложение 250
- Однородные ледовые районы
- Ледовая классификация
- Формирование ледовой оппозиции между западными и восточными морями в зависимости от многолетней изменчивости солнечной активности
- Опыт составления долгосрочных прогнозов количества и распределения сплоченных льдов в арктических морях
Введение к работе
Актуальность проблемы
Ледяной покров является основной физико-географической особенностью и наиболее важным природным отличием арктических морей России. Пространственное распределение льдов решающим образом влияет на затратность, эффективность и безопасность экономической деятельности и морских операций в высоких широтах. Толщина и распространение морских льдов выступают как важные индикаторы климатических трансформаций в Арктике. Поэтому закономерности формирования и изменчивости ледовых характеристик в арктических морях, а также алгоритмизация выявленных природных особенностей в виде методов и технологий прогнозов традиционно являются одной из приоритетных целей отечественных полярных исследований. Таким образом, научная актуальность диссертации определяется устойчивыми и разнообразными российскими социально-экономическими и геополитическими интересами в Арктике, освоением арктических морей и эксплуатацией природных ресурсов, а также необходимостью мониторинга, анализа и прогнозирования состояния ледяного покрова.
Систематическое научное исследование арктических акваторий России началось в конце 19-го века; за четверть столетия до Российской революции были заложены основы отечественных арктических исследований (Колчак, 1909 и Лесгафт, 1913). В этот период ледовые прогнозы составлялись эпизодически для проведения конкретных морских экспедиций, а их методическая база находилась в стадии становления. Кардинальное углубление уровня знаний о природе Арктики произошло в результате начала планомерных работ по практическому освоению северных регионов в течение 1930-х гг. Классическими трудами В.Ю. Визе (1944), Н.Н. Зубова (1944), П.А. Гордиенко (1945) был обозначен приоритет отечественной науки как пионера арктических исследований, в частности, в области обеспечения судоходства по трассам Северного морского пути; были заложены основы долгосрочного физико-статистического ледового прогнозирования.
После II Мировой войны началось изучение ледяных массивов как главного препятствия безопасного плавания с целью предвидения состояния ледяного покрова в арктических морях. Итоги многолетних усилий большого количества исследователей были подведены в коллективной монографии (1972 г.), в которой рассмотрены общие физические и методологические принципы долгосрочных ледовых прогнозов; в последние десятилетия наиболее значимыми попытками по совершенствованию и развитию физико-статистического прогнозирования были работы Е.Г.Ковалева (1979) и В.А.Спичкина (1987). С началом эксплуатации мощных атомоходов и обобщения опыта разработки краткосрочных прогнозов (1983 г.) все большее внимание уделялось термодинамическому моделированию и прогнозированию состояния ледяного покрова (Аппель и Гудкович, 1992). Ледовые прогнозы различной заблаговременности, специализации и детализации превратились в одну из узловых частей гидрометеорологического обеспечения перевозок по трассам Северного морского пути.
Геополитические трансформации конца 20-го века привели к тому, что существовавшая стратегия освоения Крайнего Севера, в том числе система морского транспорта, рухнула: резко упали объемы перевозок, началась стагнация наблюдательной сети, присутствие России в Арктике и в арктических морях критически уменьшилось. Основное содержание гидрометеорологического и ледового прогнозирования в этот период заключалось в развитии ранее созданных традиций, а также поддержанию интеллектуальной и организационной базы (Миронов, 2004).
В течение 2000-х гг. выгодная конъюнктура на мировом рынке углеводородов и истощение прежних источников добычи сделали арктический шельф объектом пристального внимания со стороны отечественных и иностранных нефтегазовых компаний. Изменение состояния полярной среды за последние десятилетия и катастрофические сценарии антропогенного потепления в течение 21-го столетия заставляют рассматривать Северный Ледовитый океан как возможный транзитный коридор морских перевозок (ACIA, 2004). В результате проведение Международного полярного года (2007/08) сопровождается не только усилением научной кооперации и взаимовыгодного сотрудничества, но и обострением геополитических отношений между приарктическими государствами в борьбе за перспективный раздел богатого углеводородами полярного шельфа.
Ожидаемый рост деловой активности в Арктике и в арктических морях предъявляет повышенные требования к мониторингу, диагностике и прогнозу состояния ледяного покрова, как основного природного элемента, лимитирующего экологическую безопасность и экономическую эффективность хозяйственной деятельности. При этом пространственные особенности в распределении являются определяющим свойством ледяного покрова, которое, собственно, и осложняет проведение любых морских операции в арктических акваториях, а ледовое прогнозирование (в том числе, долгосрочное) позволяет принимать ответственные и мотивированные управленческие решения. К сожалению, в практике научно-оперативной работы ААНИИ до последнего времени отсутствовали долгосрочные физико-статистические методы прогнозов распределения льдов, как по конкретным трассам СМП, так и по отдельным акваториям арктических морей. С этих позиций, диссертационная работа, направленная на изучение и предвидение пространственных характеристик ледяного покрова, отвечает современным требованиям прикладного и научного характера.
Таким образом, основная цель настоящего исследования заключается в исследовании пространственных особенностей ледяного покрова арктических морей России различного масштаба – от локального (однородный район) до крупномасштабного (сибирский шельф) – и использовании установленных природных закономерностей при диагностике и долгосрочном прогнозировании распределения ледовых характеристик. При этом анализ, диагноз и прогноз природных условий выполняются с единых ледово-географических, методологических позиций как для относительно небольших участков, так и для обобщенной арктической акватории.
Методы исследования основаны на комплексном физико-географическом подходе к изучению природных объектов с применением методов статистического анализа характеристик ледовых и гидрометеорологических условий.
Научная новизна состоит в том, что на основе оригинального варианта районирования сибирского шельфа выполнен целостный, взаимосвязанный анализ формирования локальных, региональных и крупномасштабных пространственных аномалий ледяного покрова, что позволило разработать единую методику диагностики и долгосрочного прогнозирования распределения сплоченности льдов во всех арктических морях России.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Районирование арктической акватории России по ледово-географическим признакам.
2. Закономерности формирования локальных, региональных и крупномасштабных аномалий ледовых условий.
3. Методы долгосрочного прогноза распределения сплоченности ледяного покрова для всех арктических морей в летний период.
Практическая значимость определяется углублением и расширением представлений о формировании характеристик ледяного покрова различного пространственного масштаба на акватории сибирского шельфа. На основании полученных результатов разработаны методы прогнозов, которые позволяют предвидеть особенности распределения сплоченности льдов с заблаговременностью 1-3 месяца во всех арктических акваториях (юго-западная и северо-восточная части Карского моря, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море). Долгосрочные прогнозы прошли испытания в Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам при Гидрометцентре России и рекомендованы для использования в научно-оперативной работе ААНИИ. В последние годы разработанные автором типизации используются в режимных и прогностических работах, связанных с освоением сибирского шельфа и гидрометеорологическим обеспечением морских операций.
Апробация работы
Результаты исследования докладывались на отечественных и международных семинарах, конференциях и симпозиумах: Всесоюзной конференции “Морские льды и хозяйственная деятельность на шельфе” (1989 г.), I, II, III, IV международных конференциях “Освоение шельфа арктических морей России” (1993, 1995, 1997, 1999 гг.), Российско-норвежском рабочем совещании (1995 г.), международных конференциях POAC’95 (1995 г.), POAC’99 (1999 г.) и РОАС’01 (2001 г.), международной конференции OMAE’99 (1999 г.), IV Российской научно-технической конференции “Современное состояние, проблемы навигации и океанографии” (2001 г.), заключительной конференции международной программы ACSYS (2003 г.), заседании Океанографической комиссии Русского географического общества (2003 г.), XIII гляциологическом симпозиуме “Сокращение гляциосферы: факты и анализ” (2004 г.), научной конференции “Полярные океаны и морская криосфера” (2007 г.), Международной научно-практической конференции “75 лет с начала планомерного изучения и развития Севморпути” (2008 г.), Международной научно-практической конференции “Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций в Арктике” (2009 г.), заседании Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам при Гидрометцентре России (1998-2006 гг.).
Кроме того, основные результаты работы докладывались на заседаниях научного совета отдела ледового режима и прогнозов, секции океанологии и ледоведения Ученого совета ААНИИ и итоговых сессиях Ученого совета ААНИИ. В полном объеме диссертация была представлена на заседании секции океанологии и ледоведения Ученого совета ААНИИ (ноябрь 2008 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано около полусотни работ во всероссийских изданиях (Доклады Академии наук, Метеорология и гидрология, Геомагнетизм и аэрономия и др.), изданиях ААНИИ (Проблемы Арктики и Антарктики, Труды ААНИИ), а также в зарубежных изданиях.
Личный вклад автора заключался в сборе и обработке исходного материала, постановке цели и задачи исследования, их реализации, аналитическом обобщении полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 225 наименований, и приложения. Объем работы составляет 255 страниц, включая 63 рисунка и 133 таблицы.
Однородные ледовые районы
Изменение параметров ледяного покрова и ледовых условий в каждом арктическом море в течение годового цикла определяется сложным воздействием на ледяной покров тепловых и динамических факторов. В зависимости от конкретных физико-географических условий воздействие этих факторов реализуется различным образом, что формирует неоднородность ледового режима акватории. В связи с этим каждое географически обособленное море состоит из нескольких однородных ледовых районов. В каждом из таких районов развитие ледовых процессов в годовом цикле происходит специфично, отличаясь от смежных акваторий. Под физико-географическими условиями можно понимать особенности ориентации береговой линии, наличие или отсутствие в пределах акватории мелководных областей, системы островов, резкого свала глубин и т.д.
Выделение однородных районов в пределах арктического моря соответствует локальному районированию, которое выявляет местные особенности гидрометеорологического и ледового режима. Таксономической единицей такого районирования является однородный ледовый район, в пределах которого полностью реализуются все присущие ему особенности ледового режима, выраженные в упорядоченной пространственной последовательности развития ледовых условий в течение сезона или годового цикла. Однородный ледовый район - это часть арктического моря с близкими характеристиками ледяного покрова и сезонной изменчивостью ледовых условий, отличающейся от смежных акваторий.
В качестве ледово-географического показателя, характеризующего особенности ледовых условий в море, в настоящей работе принята повторяемость сплоченных льдов и чистой воды в квадратах размером 50x50 км в течение 10 летних декад с третьей декады июня по третью декаду сентября за период с 1940 по 2005 гг. При этом резкие пространственные изменения повторяемости принимались за границу смежных ледовых районов; в течение сезона изменчивость внутри однородного района существенно меньше изменчивости на границе районов. Внутри каждого района реализуется свой уровень природной изменчивости, отличный от других районов, что является следствием своеобразия формирования и проявления ледового режима. Это обстоятельство может служить объективным показателем при районировании. Границы между районами не являются четко фиксированными в пространстве, а смещаются от декады к декаде, отражая особенности ледовых условий. В результате граница находится в некоторой переходной полосе, разделяющей соседние районы, а ее итоговое положение соответствует наиболее вероятному в пограничной зоне.
За существенные различия повторяемости (z\P) между ближайшими равновеликими клетками принималось значение, превышающее пятипроцентный уровень значимости; преимущественное значение дР, которое соответствует преобладающему — в течение летнего сезона - диапазону величин от 30% до 80% составляет около 15%. То есть, различия в повторяемости сплоченных льдов в смежных клетках более чем на 15% является сигналом о том, что эти участки могут принадлежать различным однородным акваториям. На рис. 1.4 в качестве примера приведена повторяемость наличия сплоченных льдов в квадратах регулярной сетки по нескольким характерным разрезам в северовосточной части Карского моря. Как видно, хорошо выделяются участки близких значений повышенной и пониженной повторяемости, а также резкие изменения повторяемости предположительно на границе соседних районов. Уверенно выделяются два вида ледовых границ: первый ("провал") — относительно узкая зона пониженной повторяемости сплоченных льдов разделяет акватории повышенной повторяемости (рис. 1.4 а, б); второй ("ступень") — резкий скачок повторяемости двух соседних акваторий (рис. 1.4 в, г).
1. На створе от о. Правды до о. Визе в конце июня припайные льды повторяемостью около 100% отделяются от дрейфующих льдов повторяемостью около 90% резким уменьшением повторяемости (менее 50%) в зоне Центральной Карской полыньи; скачкообразное уменьшение повторяемости разделяет области припайных и дрейфующих льдов за счет формирования заприпайной полыньи.
2. На створе от о. Греэм-Белл до о. Средний в начале августа дрейфующие льды повторяемостью около 80-90% над желобом "Св. Анны" отделяются от дрейфующих же льдов повторяемостью около 80% над желобом Воронина резким уменьшением повторяемости (менее 50%) в зоне Центральной Карской возвышенности; скачкообразное уменьшение повторяемости разделяет две соседние области дрейфующих льдов за счет формирования во второй половине навигации устойчивого разрежения сплоченности ледяного покрова на участке о. Визе - о. Ушакова.
3. На створе от мыса Желания до о. Средний в начале августа дрейфующие однолетние тонкие и средние льды повторяемостью около 25-30% отделяются от дрейфующих однолетних толстых льдов повторяемостью около 70-90%) резким увеличением повторяемости (от 36%) до 66% на расстоянии 50 км) вблизи участка о. Визе — о. Уединения; ступенькообразное увеличение повторяемости разделяет две области (к западу и к востоку от границы) дрейфующих льдов с разным возрастным составом ледяного покрова.
4. На створе от о. Уединения до о. Греэм-Белл в начале августа дрейфующие однолетние льды, повторяемостью около 30%), образовавшиеся в Карском море, отделяются от дрейфующих однолетних толстых и многолетних льдов повторяемостью около 80-90%, поступающих в Карское море из Арктического бассейна, резким увеличением повторяемости (от 45% до 68%) на расстоянии 50 км) на участке к востоку от о. Визе; ступенькообразное увеличение повторяемости разделяет две области дрейфующих льдов разного образования (местные и адвективные).
Собственно, задача районирования заключается в обнаружении положения границ, которые пространственно совпадают с наибольшими различиями повторяемости наличия льдов в соседних акваториях (равновеликих квадратах); эти границы делят изучаемый природный объект на квазиоднородные составные части.
Для определения пространственного положения границ между однородными районами был проанализирован весь летний период изменения ледовых условий с третьей декады июня до третьей декады сентября. На основе анализа двадцати матриц распределения повторяемости сплоченных льдов и чистой воды была построена обобщенная матрица количества существенных различий повторяемости. С этой целью для каждого квадрата регулярной сетки со стороной 100 км было определено количество резких (более 15%) различий повторяемости внутри каждого квадрата за десять летних декад. В обобщенном матричном пространстве выделяются участки с заметно повышенным количеством существенных различий повторяемостей сплоченных льдов и чистой воды, превышающих среднее для акватории значение 4,9 более чем на 0,674 величины с.к.о. (рис. 1.5). Эти граничные переходы разделяют части акватории с различным ледовым режимом и изменчивостью ледовых границ. Таким образом, эти критические участки являются объективным показателем пространственного положения границ между смежными ледовыми районами.
Ледовая классификация
Арктические моря характеризуются не только пространственной неоднородностью ледяного покрова, что делает возможным их деление, но и обладают очевидной ледово-географической целостностью. Целостность определяется уникальной природой льдов как полярного феномена, пространственной обособленностью сибирского мелководья от Северного ледовитого океана, и наличием внутренних связей между ледовыми условиями однородных районов в пределах моря и между ледовыми условиями арктических морей.
Исследовательским аналогом районирования (деление пространственно неоднородного объекта на несколько частей) является классификация как способ уменьшения естественного разнообразия. Цель ледовой классификации состоит в сведении всего размаха ледовых условий в море в несколько типовых ситуаций, каждая из которых описывается характерными количественными и пространственными особенностями. В настоящей работе классификации выполнены с учетом связи между однородными районами (совпадение знака аномалий и крупных аномалий, связь количественных и пространственных показателей, корреляция ледовитости и т.д.). Учет внутренней связи является важным промежуточным звеном, которое сводит воедино региональные и локальные особенности акватории.
Ледовые классы могут быть описаны в нескольких отношениях: количественном (определенная площадь льдов), пространственном (характерное распределение льдов), структурном (распределение ледовых аномалий между районами), генетическом (набор аномалий влияющих факторов), циркуляционном (распределение аномалий давления воздуха). Совокупность всех этих описаний и составляет искомую конечную цель ледовой классификации. Все классификации настоящего исследования выполнены по одному сценарному шаблону: сначала анализируются особенности связи между составными частями классифицируемого объекта, определяются критерии классификации и общее количество классов, затем проводятся расчеты по определению количественных, пространственных и режимных характеристик, устанавливаются генетические и циркуляционные причины формирования ледовых классов.
Первая типизация распределения льдов [159] была предложена Э.Ф.Лесгафтом для акватории всего Карского моря (в границах на начало 20-го века); спустя треть столетия работы В.Ю.Визе [35], М.М.Сомова [198], Д.Б.Карелина [109, ПО], В.Н.Степанова (1947 г.), Н.А.Волкова [40] также были выполнены для предельно крупных акваторий -арктических морей. По мере развития гидрометеорологического обеспечения перевозок по трассам СМП в 1960-70-х гг. был осуществлен переход к более мелким районам и акваториям. Их расположение определялось особенностями проведения морских операций (важные проливы [142, 143], трудные участки проводки (Санцевич, 1970 г.)). Общая классификационная тенденция заключается в постепенном, определяемом степенью изученности и практическими потребностями, переходе от крупных и обобщенных объектов к более мелким и частным, т.е. происходит рост учета ледово-географических подробностей. Настоящая работа, развивая предыдущие исследования, имеет целью выполнить следующую фазу анализа - на основе локальных особенностей разработать типизацию объекта, состоящего из нескольких частей.
Разработка подхода к классификации определяется внутренними связями между ледовыми условиями однородных районов. Анализ показывает, что внутри каждого моря наблюдается относительно высокая согласованность аномальности ледовых условий составных частей. Так, отмечается: совпадение знака аномалии ледовитости между соседними районами - 73%, совпадение знака аномалии ледовитости между всеми районами - 58%, совпадение крупной аномалии ледовитости сразу во всех районах - 22%, коэффициент корреляции между значениями ледовитости - 0,60, к.к. между температурой воздуха за октябрь-апрель - 0,78, к.к. между температурой воздуха за май-июнь - 0,70.
Т.е. формирование ледовой аномалии, как правило, не ограничивается акваторией одного района, а распространяется и на соседние акватории (за исключением случаев крупной аномалии). Особенности режимной связи ледовых показателей позволяют построить классификацию площади и распределения льдов, которая включает классы тяжелых, средних и легких ледовых условий при различных типах пространственного распределения льдов (табл. 2.21). Класс экстремально тяжелых условий (аномалия ледовитости более 1,2 величины с.к.о.) формируется при обязательном отсутствии заприпайных полыней; класс умеренно тяжелых условий (аномалия ледовитости от 0,674 до 1,2 с.к.о.) допускает определенное развитие полыней в море; класс средних условий (аномалия ледовитости менее 0,674 с.к.о.) может наблюдаться при различных вариантах очищения; класс умеренно легких условий (аномалия ледовитости от -0,674 до -1,2 с.к.о.) требует преимущественного развития полыней в море; класс экстремально легких условий (аномалия ледовитости более -1,2 с.к.о.) формируется при обязательном наличии развитых заприпайных полыней.
В юго-западной части Карского моря между однородными районами отмечается хорошая согласованность ледовых условий. Совпадение знака аномалии средней за сезон сплоченности составляет между районами от 76% до 84%, а совпадение знака аномалии во всех трех районах составляет 71%. Однако формирование крупных аномалий отличается неоднородностью по пространству. При крупной положительной аномалии только в 17% случаев она отмечается сразу во всех трех районах, в 17% случаев - в двух районах, в 67% случаев - только в одном районе; при крупной отрицательной аномалии соответственно 0%, 38%, 62%; т.е. крупная аномалия является преимущественно локальной. Коэффициенты корреляции между ледовитостыо однородных районов показывают наиболее тесную связь Новоземельского района (0,73-0,74), а наименьшую - Ямало-Югорского и Обь-Енисейского (0,43). При среднем расстоянии между центрами районов в 380 км наблюдается хорошая согласованность температурного режима акватории: к.к. между температурой воздуха на п/ст. Амдерма, о-в Белый, мыс Желания в среднем за октябрь-апрель составляет 0,82, температурой воздуха в мае - 0,74, в июне - 0,67. Особенности режимной связи ледовых показателей позволяют построить классификацию площади и распределения льдов, которая учитывает значительную часть возможного диапазона количественной изменчивости и включает классы тяжелых, средних и легких ледовых условий при западном и мористом положении сплоченных льдов.
Все пространственное и количественное разнообразие ледовых условий юго-западной части Карского моря в летний период можно свести в 8 характерных классов, по 4 при западном и мористом положении Новоземельского массива (табл. 2.22) с характерными особенностями распределения аномалий между районами (табл. 2.23).
Класс Із характеризуется экстремально тяжелыми ледовыми условиями при западном положении Новоземельского массива (рис. 2.8а), а класс 1м - при мористом положении (рис. 2.86); в первом случае наибольшие аномалии формируются в Ямало-Югорском и Новоземельском районах, а во втором - в Обь-Енисейском районе. Класс 2з характеризуется умеренно положительной аномалией при западном положении Новоземельского массива (рис. 2.8в), а класс 2м - при мористом (рис. 2.8г); наибольшие отличия от класса 1 наблюдаются в августе. Класс Зз характеризуется среднемноголетними условиями при западном положении Новоземельского массива (рис. 2.8д), а класс Зм - при мористом (рис. 2.8е); наибольшие отличия от класса 2 наблюдаются в конце июля и в начале августа. Класс 4з характеризуется легкими ледовыми условиями при западном положении Новоземельского массива (рис. 2.8ж), а класс 4м — при мористом (рис. 2.8з); с начала августа льды массива обычно исчезают.
Формирование ледовой оппозиции между западными и восточными морями в зависимости от многолетней изменчивости солнечной активности
Как было показано в предыдущем разделе, в многолетних особенностях пространственного распределения ледовых аномалий между западными и восточными морями существуют характерные периоды, продолжительность которых близка к одному и двум десятилетиям. Это обстоятельство делает естественным исследовательское предположение, что причина этих зависимостей восходит к солнечной ритмике. Традиция рассматривать солнечную активность как одну из возможных причин изменчивости, вызванной внешними факторами, имеет богатую историю.
Первый опыт сопоставления ледовитости арктических акваторий (Баренцева моря) и среднегодовых чисел Вольфа (по наблюдениям Датского Метеорологического института) выполнил Мекинг в 1916 г. [223], обнаружив обратную зависимость изменения этих показателей. В.Ю. Визе показал [35], что увеличение температуры Арктики в 1930-х гг. и уменьшение ледовитости полярных морей связано с интенсификацией атмосферной циркуляции между умеренными и высокими широтами, зависящей от устойчивого роста солнечной активности. И.В. Максимов выполнил описание изменчивости ледовых условий отдельных арктических морей [161], исходя из предположения о суперпозиции нескольких внешних сил, в том числе и имеющих солнечную природу различной циклической продолжительности. Связь суммарной ледовитости арктических морей с солнечной активностью была обнаружена Е.Г. Ковалевым [129], при этом знак связи меняется от одного периода к другому. В работе Б.А. Слепцова-Шевлевича [191] основное внимание уделено доказательству важной роли двойного солнечного цикла в межгодовых изменениях ледовитости арктических морей и других природных явлений; развитие эти идеи получили в работах [192, 193], где большое внимание уделено длительным (или вековым) изменениям ледовитости, которые коррелируют с соответствующими изменениями индекса магнитной возмущенности. Но наиболее масштабной попыткой использования солнечно-земных связей при анализе формирования ледовых условий в арктических морях и долгосрочном ледовом прогнозировании предпринял В.Н. Купецкий [151, 152, 153]. Опираясь на исследования А.И. Оля об особенностях проявления солнечного цикла изменения числа Вольфа на фоне двойного цикла изменения знака магнитного поля Солнца [176, 177], автор предложил систему диагностики, на основе которой разработал метод прогноза для заблаговременного предвидения практически любого ледового показателя в арктических морях [155]. На основе этих работ были выполнены исследования, в которых анализ солнечно-ледовых связей касался различных показателей состояния ледяного покрова: а) аномальности отдельных арктических морей [167, 187], б) суммарной ледовитости всех арктических морей [129], в) цикличности в изменчивости ледовых аномалий [191], г) генерального распределения льдов на акватории сибирского шельфа [69], д) количества крупных аномалий ледовых условий арктических морей [118], е) ледовитости морей приатлантической Арктики и восточно-канадских вод [193], ж) площади ледяного покрова Гренландского, Баренцева и Карского морей [224], з) ледовитости, площади ледяных массивов и времени наступления практически любой фазы ледовых условий в любом пункте арктических морей [151, 153, 155].
Понятно, что анализ солнечно-ледовых связей является составной частью проблемы "Солнце - атмосфера Земли". Предполагается, что солнечно зависимые изменения давления атмосферного воздуха определяют особенности формирования соответствующих аномалий в состоянии ледяного покрова. В частности, было установлено влияние солнечной активности на изменение индексов атмосферной циркуляции по типизациям различных авторов. Типизация Дзердзеевского показала [186], что корпускулярное воздействие проявляется, прежде всего, в тропосфере высоких широт, а затем через посредство возникающих здесь процессов оказывает воздействие на барический режим остальной части полушария. На основе типизации Вангейгейма-Гирса было установлено [18, 47], что чередование периодов с преобладанием зональной и меридиональной циркуляции совпадает с изменениями тенденций числа Вольфа. Наконец, связь меридиональности с солнечной активностью была показана на индексах А. Л. Каца: с ростом чисел Вольфа растет напряженность и зональной и меридиональной циркуляции [119]. Общий вывод заключается в том, что усиление солнечной активности приводит к блокированию зонального переноса, уменьшению повторяемости зональной циркуляции и увеличению повторяемости меридиональной циркуляции.
Как было показано, перераспределение атмосферного давления под воздействием изменений активности в солнечном цикле приводит к возбуждению планетарного барического импульса по типу стоячей волны. Барическая волна существует не только в солнечном цикле [162], но и в двойном солнечном цикле [114, 115J, а также в 27-суточном цикле обращения Солнца [222]. С помощью этого явления можно обьяснить некоторые характерные свойства солнечно-земных связей, в частности, пространственное непостоянство корреляций между солнечными и гидрометеорологическими показателями.
Несмотря на то, что изменение показателей солнечной активности связано с циркуляционным режимом земной атмосферы, однако отсутствует единое мнение относительно непосредственного метеорологического механизма, обеспечивающего передачу импульса в системе солнечно-земных связей, за который обычно принимается: а) изменение интенсивности циркуляции атмосферы [36], б) изменение повторяемости форм (зональной и меридиональной) атмосферной циркуляции [18, 19, 47, 49], в) пространственная миграция положения и интенсивности центров действия атмосферы [43, 115, 116, 163, 195], г) число и продолжительность элементарных синоптических процессов [38, 73], д) наложение нескольких характерных типов атмосферной циркуляции [151], е) формирование стоячих волн в атмосфере Земли [161, 114, 191], и т.д.
Природный механизм воздействия солнечной активности на приземную атмосферу Земли пока неизвестен. Ни одна из предложенных гипотез, идей или соображений не может объяснить разнообразных и порой противоречивых результатов корреляций солнечных и земных характеристик. По мнению одного из авторитетных авторов, "современное состояние исследований вообще не позволяет выбрать наиболее подходящий механизм и обосновать его справедливость" [197, с. 6]. Именно отсутствие приемлемых физических механизмов является главным препятствием широкого признания реальности воздействия солнечной активности на погоду и климат. Сомнения вызваны тем, что непонятно, "каким образом слабые флуктуации излучаемой Солнцем энергии могут воздействовать на несравнимо более мощные в энергетическом отношении метеорологические процессы" [45, с.23-24]. В связи с этим в настоящем исследовании солнечная обусловленность изменений метеорологических и ледовых показателей понимается как совпадение во времени солнечных и земных явлений, т.е. имеется в виду анализ коррелирующих событий, минуя стадию выяснения причин установленных связей.
Для определения наиболее общих особенностей пространственного расположения барических аномалий в Арктике при формировании ледовой оппозиции и ледовой однородности в арктических морях была проделана следующая процедура. Для однородности: определена разница между средним барическим полем для лет с тяжелыми ледовыми условиями во всех арктических морях и средним барическим поле для лет с легкими ледовыми условиями во всех арктических морях; эта разница показывает пространственное расположение области наибольшей барической изменчивости при формировании ледовой однородности (рис. 4.6а). Для оппозиции: определена разница между средним барическим полем для лет с тяжелыми ледовыми условиями в восточных морях и легкими ледовыми условиями в западных морях и средним барическим поле для лет с легкими ледовыми условиями в восточных морях и тяжелыми ледовыми условиями в западных морях. Разница показывает пространственное расположение области наибольшей барической изменчивости при формировании ледовой оппозиции (рис. 4.66); понятно, что при таком анализе положение границы оппозиции не учитывается.
Хорошо видна основная режимная особенность. Ледовая однородность формируется при устойчивом стационировании зимой и в начале лета аномалий давления к западу от Северной Земли, на меридиане Карского моря. Одинаковые по направлению переносы образуют во всех арктических морях ледовые аномалии одного знака. Напротив, ледовая оппозиция формируется при устойчивом стационировании в летний сезон аномалий давления к востоку от Северной Земли, на меридиане моря Лаптевых. Противоположные по направлению переносы в передней и тыловой части вихря образуют к западу от Северной Земли и к востоку от Новосибирских о-вов ледовые аномалии противоположного знака. Таким образом, формирование ледовой оппозиции и ледовой однородности происходит при пространственном изменении расположения аномалий давления воздуха относительно Северной Земли. В свою очередь, смещение центра барических аномалий относительно Северной Земли приводит к целому спектру метеорологических, ледовых, географических изменений в состоянии природной системы сибирского шельфа, в том числе сочетания ледовых аномалий в арктических морях.
Анализ показал, что существует характерная корреляция между повторяемостью ледовой оппозиции (или ледовой однородности) и структурой солнечного цикла (табл. 4.14). Так, ледовая оппозиция наблюдается преимущественно тогда, когда наблюдается усиление солнечной активности в солнечном цикле; в годы от -4-го до 0-го солнечного цикла формируется около 75% случаев противоположного знака ледовой аномалий между западными и восточными морями. Напротив, ледовая однородность наблюдается преимущественно тогда, когда наблюдается ослабление солнечной активности в солнечном цикле; в годы от +1-го до +6-го солнечного цикла формируется около 70% случаев одинакового знака ледовой аномалий во всех арктических морях.
Опыт составления долгосрочных прогнозов количества и распределения сплоченных льдов в арктических морях
Генетическая типизация ледовых условий в однородных районах является основой при составлении двух прогнозов:
- сезонного хода количества сплоченных льдов в арктических морях,
- сезонного хода распределения сплоченных льдов в арктических морях. Оптимальным периодом составления прогноза является период максимального поступления солнечной радиации и начала таяния, когда формируется фон ледовых условий, - июнь (при определенных обстоятельствах этот период может смещаться или к маю, или к июлю). Таким образом, закономерно обусловленная максимальная заблаговремснность прогноза составляет около трех месяцев. В случае необходимости прогноз может быть уточнен; наиболее удобный период уточнения - начало августа, когда за счет существенного уменьшения интенсивности летнего таяния заметно увеличивается естественная устойчивость ледовых условий. В этом случае заблаговременность прогноза составляет не более двух месяцев.
При составлении прогноза для каждого однородного района необходима информация о толщине ледяного покрова и сроках начала таяния на репрезентативных станциях, пространственном варианте очищения акватории, качественном фоне воздушных переносов после начала таяния льдов. При уточнении ледового прогноза особое внимание уделяется особенностям развития атмосферных процессов. Понятно, что при прогнозировании в режиме реального времени оправдываемость, как правило, несколько меньше методической.
Составление ледового прогноза в начальной фазе летнего периода и его заблаговременность в несколько месяцев естественным образом разделяют все используемые при прогнозировании предикторы на две части - известные к моменту составления прогноза и неизвестные, т.е. характеризующие исходное состояние ледяного покрова и синхронные летние процессы. Успешность предвидения зависит от качества и достоверности исходной информации, а также изменчивости и генетической значимости процессов после составления прогноза. Метод локально-генетической типизации позволяет оценить вклад начальных и последующих процессов в общую изменчивость ледовых условий арктических морей с помощью сравнения среднемноголетисй, фоновой и типовой обеспеченности площади сплоченных льдов по критерию 0,8 величины с.к.о. (табл. 5.27).
Наибольшее влияние исходного состояния ледяного покрова наблюдается в юго-западной части Карского моря, а синхронных процессов - в Восточно-Сибирском море, т.е. успешность прогнозирования в восточных акваториях в большей степени зависит от особенностей протекания, направленности и интенсивности синхронных гидрометеорологических процессов. В целом для морей сибирского шельфа вклад начальных условий составляет около 2/3, что подтверждает широкие возможности для долгосрочного прогнозирования.
В течение конца 1990-х гг. - начала 2000-х гг. были проведены официальные испытания разработанных методов прогнозов во всех арктических морях [171]. Испытания проводились согласно планам работ и регламентирующим документам Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам (ЦМКП) при Гидрометцентре России.
В Карском море прогнозы составлялись отдельно для каждого из 8 однородных районов акватории; количественные показатели для локальных районов сводились в две обобщенные акватории (юго-западную и северо-восточную), а пространственные показатели - в один (Карское море). Всего за период испытаний было составлено 42 прогноза количества и распределения сплоченных льдов в однородных районах юго-западной части Карского моря и 100 прогнозов - в однородных районах северо-восточной части Карского моря. Для юго-западной акватории прогнозировались ледовые условия с третьей декады июня по третью декаду августа, а для северо-восточной - с третьей декады июня по третью декаду сентября. Прогнозы составлялись в июне, и их максимальная заблаговременно сть не превышала трех месяцев. Оправдываемость ледовых прогнозов в среднем составила 84-88% (табл. 5.28-5.31).
Анализ оправдываемости показывает, что прогнозы не только верно воспроизводили ледовый фон в Карском море и его крупных частях, но и локальные особенности режима однородных районов: общее количество сплоченных льдов в море, генеральные особенности пространственного очищения акватории, наличие и последовательность развития Обь-Енисейской и Ямальской полыней, раздельное или соединенное состояние Новозсмельского, Североземельского и Северного Карского ледяных массивов, их пространственная локализация и взаимное расположение, разрежение льдов вдоль судоходных трасс (пролив Карские Ворота - о-в Диксон, мыс Желания - о-в Диксон, о-в Диксон - пролив Вилькицкого) и вокруг небольших островов и т.д. (рис. 5.9а,б).
Решением ЦМКП метод долгосрочного прогноза количества и распределения сплоченных льдов в юго-западной и северо-восточной частях Карского моря заблаговременностью 1-3 месяца рекомендован для использования в научно-оперативной практике ААНИИ.
В море Лаптевых прогнозы составлялись отдельно для каждого из 4 однородных районов акватории. Всего за период испытаний бьшо составлено 12 прогнозов количества и распределения сплоченных льдов заблаговременностью 3 месяца и 12 прогнозов количества и распределения сплоченных льдов заблаговременностью 2 месяца.
Прогнозы ледовых условий заблаговременностью три месяца на период июль-сентябрь составлялись в конце июня-начале июля, по мере получения информации за июнь. Средняя оправдываемость прогнозов количества сплоченных льдов за 3 года испытаний составила 64,1%, при природной обеспеченности 63,6% (табл. 5.32).
Эффективность прогнозов для обобщенной акватории всего моря Лаптевых составила менее 1%, что является недостаточным для его использования в оперативной практике ААНИИ. Для трех однородных районов - Янского, Анабарского, Лаптевского -эффективность прогнозов была достаточно высокой и составила от 8% до 18% при среднем значении около 13%. Однако для Таймырского района эффективность была меньше среднемноголетней (на 15%), что и определило низкую оправдываемость для обобщенной акватории моря Лаптевых. Причиной явилась повышенная изменчивость приземного поля давления над акваторией Таймырского района после момента составления прогноза, прежде всего, во второй половине июля. Не ожидавшаяся долгосрочным метеорологическим прогнозом усиление северных ветров привело к замедлению сроков разрушения льдов Таймырского массива и критическому превышению прогностических показателей.
Технология составления прогноза построена таким образом, что предусматривает возможность его уточнения (или изменения) в течение июля или в начале августа, по мере получения дополнительной информации за июль. В этом случае прогнозируются ледовые условия в августе-сентябре, а заблаговременность предвидения не превышает 2 месяца (рис. 5.10). Оправдываемость составленных в начале августа прогнозов количества сплоченных льдов за 3 года испытаний составила 100%, при климатической обеспеченности 64% и эффективности 36%. Оправдываемость прогнозов распределения сплоченных льдов в августе-сентябре составила в среднем 91% при эффективности 10% (табл. 5.33). Для отдельных однородных районов оправдываемость доходит до 98%, а эффективность увеличивается до 15%.
