Долгосрочный прогноз площади остаточных льдов в сентябре в Северном Ледовитом океане

В статье рассматривается возможность долгосрочного (с заблаговременностью от 5 до 8 месяцев) прогнозирования площади остаточных льдов в сентябре, которые сохранятся в Северном Ледовитом океане после периода летнего таяния. Это важный показатель, характеризующий предстоящую сложность навигационной обстановки в морях российской Арктики. Результаты прогноза позволяют планировать морские операции на трассе СМП, а также оценивать состояние климатической системы атмосфера-лед-океан на предстоящий летний сезон.

Ключевые слова: Северный Ледовитый океан, ледовый режим, площадь остаточных льдов, долгосрочные ледовые прогнозы

Во-первых, площадь льдов в Северном Ледовитом океане является наиболее доступным и информативным показателем состояния климатической системы «атмосфера-лед-океан» и происходящих в этой системе изменений [1].

Во-вторых, очень важным является прикладное значение этого показателя. Чем больше льдов исчезнет в результате летнего таяния, тем более обширные акватории океана и его морей очистятся ото льда, что будет способствовать судоходству. Например, если площадь остаточных льдов в сентябре составляет менее 5 млн км², то это означает, что ледяной покров интенсивно разрушался в течение летнего периода и акватория российских арктических морей будет полностью свободна ото льда (рис. 1а). Если площадь остаточных льдов в сентябре более 5 млн км², то на акватории некоторых арктических морей будет сохраняться ледяной покров, что негативно отразится на возможности и безопасности плавания судов (рис. 1б). Если в течение летнего периода разрушение и таяние ледяного покрова происходило с низкой интенсивностью, то площадь остаточного льда в сентябре будет более 7 млн км² и плавание судов по трассе СМП будет происходить в очень сложных ледовых условиях.

Рисунок 1. Распределение льда в середине сентября в 2012 г (а, площадь остаточных льдов 3,5 млн км ²) и в 2013 г. (б, площадь остаточных льдов 5,2 млн км ²) (www.aari.ru)

Сезонная изменчивость ледяного покрова. Начиная с конца 70-х годов прошлого века, спутниковая информация о состоянии ледяного покрова оперативно поступает в распоряжение специалистов, которая оценивается с большой точностью и дискретностью (с частотой не менее 1 суток).

В сезонном ходе изменения площади льда в СЛО хорошо прослеживаются два противоположных процесса: осенне-зимнее увеличение площади льдов в результате ледообразования и летнее уменьшение площади льдов в результате таяния. На рисунке 2, приведенном ниже, показан среднемноголетний сезонный ход изменения площади льдов в СЛО за ряд наблюдений с 1979 по 2018 гг., а также его минимальные и максимальные значения (данные архива Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) http://wdc.aari.ru/datasets/ssmi/data/north/extent/).

Рисунок 2. Сезонное изменение количества льдов в Северном Ледовитом океане

Из приведенного рисунка видно, что в осенний период, начиная с сентября, происходит интенсивное нарастание площади льдов. С сентября по ноябрь площадь ледяного покрова увеличивается в среднем на 2,0 млн км² в месяц. С ноября по декабрь интенсивность нарастания площади льдов уменьшается до 1,3 млн км². Всего же за осенние месяцы до конца года в среднем появляется до 85% вновь образованных льдов. За оставшиеся зимние месяцы до апреля площадь льдов увеличивается только на 15%, несмотря на период самых низких температур. В апреле увеличение площади льдов прекращается.

Таким образом, в осенний период года с сентября по декабрь происходит основное увеличение площади льдов в СЛО. Это молодые и однолетние льды осенне-зимнего образования. В оставшиеся зимние месяцы с января по апрель увеличение площади льдов уже незначительно, но именно в этот период продолжается интенсивное нарастание толщины этих льдов.

В течение апреля-мая начинается уменьшение площади льдов в результате летнего таяния, которое продолжается до середины сентября. Остаточная площадь льдов в СЛО в сентябре характеризует интенсивность летних процессов таяния. В среднем за летний период разрушается и тает около 5,8 млн км². В середине сентября в СЛО сохраняются остаточные льды, площадь которых в среднем (за весь ряд наблюдений с 1979 по 2017 гг.) составляет около 6,1 млн км².

Межгодовая изменчивость ледяного покрова. Необходимо отметить, что в динамике летнего таяния и разрушения льдов за последние два десятилетия произошли существенные изменения. Сравнение остаточной площади льдов в СЛО в сентябре за последнее десятилетие 2008-2017 гг. с данными за более холодное десятилетие 1978-1986 гг. показывает, что наблюдается уменьшение количества остаточных льдов в сентябре в среднем с 7,2 до 4,7 млн км ². То есть в Северном Ледовитом океане в последнее десятилетие после летнего таяния стало оставаться меньше льдов в среднем на 2,5 млн км². Гигантские акватории океана и его морей, которые еще три десятка лет назад были покрыты льдом в сентябре, сейчас полностью очищаются ото льда.

На рисунке 3 представлен межгодовой ход площадей льдов в СЛО в декабре предшествующего года и в сентябре текущего года (данные архива ААНИИ http://wdc.aari.ru/datasets/ssmi/data/north/extent/). Из данных, приведенных на рисунке, хорошо прослеживается тенденция сокращения остаточной площади льдов, наблюдаемая в последние два десятилетия.

Рисунок 3. Межгодовой ход площади льдов в СЛО в декабре и сентябре (красная точка – прогноз на сентябрь 2018 г)

Очищение больших акваторий ледовитых морей и увеличение длительности безледного периода существенно снижает зависимость от ледяного покрова хозяйственной деятельности различных направлений: плавания судов и перевозки грузов, разведки и добычи минерального сырья в шельфовых районах, экспедиционных исследований, операций ВМФ [2].

Таким образом, становится очевидным важность мониторинга изменения площади ледяного покрова и его прогноза.

Прогноз площади остаточных льдов. В отделе ледового режима и прогнозов ААНИИ в результате изучения взаимосвязи накопления льда в зимний период года с последующим его сокращением в летний период было установлено, что существует хорошая зависимость между интенсивностью осенне-зимнего накопления льда в СЛО и его последующего таяния. Величина коэффициента корреляции (КК) площади льда в декабре предшествующего года с площадью льда в сентябре текущего года для ряда наблюдений в 39 лет составила 0,84. Величина R площади ледяного покрова в марте (период максимального накопления льда) составила 0,81. Это значимые и очень большие значения коэффициентов корреляции, доказывающие неслучайный характер связи.

Прогнозирование природных процессов с большой временной заблаговременностью, составляющей от 1 до 6 месяцев, является сложной исследовательской задачей. Научно обоснованный прогноз с большой заблаговременностью возможен только в том случае, если есть правильное понимание природы формирования прогнозируемого явления и определены формирующие его факторы, установлены надежные и информативные предикторы.

Физический механизм связи сроков начала осеннего ледообразования, интенсивности накопления льда в зимний период и последующего летнего разрушения, в принципе, понятен. Раннее и интенсивное накопление льда в СЛО, нарастание его толщины и торосистости приводит к формированию большого количества мощных льдов. Позднее начало ледообразования и низкая интенсивность нарастания льда приводит к формированию ледяного покрова гораздо меньшей мощности. В свою очередь, чем больше мощных льдов (по количеству и толщине) появляется на акватории морей океана к концу периода нарастания, тем больше их остается после летнего таяния.

Выявленные зависимости между площадями льдов в различные сезоны года и установленные ранее взаимосвязи изменчивости площади льдов с крупномасштабными показателями температуры воздуха и воздушных переносов позволяют использовать их для построения прогностической модели.

На основе автоматизированной прогностической системы «Пегас» (АПС «Пегас»), разработанной в ААНИИ и успешно использующейся в оперативной практике, была построена прогностическая модель, позволяющая оценивать площадь остаточного льда в СЛО в сентябре [2].

Основным назначением АПС "Пегас" является исследование информативности различных гидрометеорологических полей, построение расчетных и прогностических моделей. Она позволяет оценивать статистическую связь между показателями метеорологического и ледового режима, по заданному критерию выбирать наиболее информативные данные, проводить обобщение всей информации и строить линейную прогностическую модель.

В качестве исходных данных в модели прогноза площади остаточных льдов в сентябре используются основные показатели состояния ледяного покрова, воздушных переносов и крупномасштабные показатели температуры воздуха, приведенные в таблице 1. По приведенным в таблице частным коэффициентам корреляции видно, что наиболее информативными для прогноза являются площади льдов в предшествующие периоды формирования ледяного покрова и температура воздуха в осенне-зимний период.

Таблица 1 – Даты разработки и исходные данные для прогноза остаточной ледовитости СЛО в сентябре

Технология прогноза площади остаточного льда в СЛО в сентябре основана на двух этапах – предварительном прогнозе и основном прогнозе. В предварительном прогнозе, составляемом в первой декаде января, заблаговременностью 8 месяцев, учитываются осенние процессы накопления льда предшествующего года по декабрь включительно. В основном прогнозе, составляемом в первой декаде апреля, заблаговременностью 5 месяцев, учитываются осенне-зимние процессы накопления льда в СЛО на период максимального накопления ледяного покрова, которое наблюдается в конце марта - начале апреля.

Оправдываемость  ретроспективных расчетов   для предварительного прогноза составляет 88% (при допустимой ошибке для сверхдолгосрочных прогнозов равной ±1,0 σ) и для основного прогноза 92 % (при допустимой ошибке для долгосрочных прогнозов равной ±0,8 σ).

На сентябрь 2018 г. был составлен предварительный прогноз в начале января и основной прогноз в начале апреля. Результаты прогноза приведены в таблице 2. По результатам мониторинга ледяного покрова в конце сентября 2018 г. прогноз будет проверен на успешность.

Таблица 2 – Основные результаты прогноза площади 

остаточного льда в СЛО в сентябре 2018 г.

 Выводы. По разработанному прогнозу ожидается, что площадь остаточных льдов в СЛО в сентябре 2018 г. составит 4850 тыс. км². Это меньше среднемноголетнего значения за полный ряд наблюдений с 1979-2017 гг. (39 лет) на 1300 тыс. км² или на величину -1,18σ, которая показывает, что аномалия площади остаточных льдов относится к крупной отрицательной аномалии. Однако, если рассмотреть изменения площади остаточных льдов в сентябре за последнее теплое десятилетие (с 2008-2017 гг.), то выявляется интересная особенность. Становится очевидным, что после аномального сокращения площади остаточных льдов, которое наблюдалось в сентябре 2012 г. и составило 3346 тыс. км², площадь остаточных льдов начинает медленно повышаться (см. рис. 3 нижняя кривая).

По разработанному прогнозу ожидается, что площадь остаточных льдов в сентябре 2018 г. превысит на 230 тыс. км²  величину площади льдов предыдущего 2017 г., а также на 120 тыс. км²  превысит норму ряда наблюдений за последнее десятилетие с 2008-2017 гг.

Таким образом, прогноз на сентябрь 2018 г. продолжает «климатическую паузу» в изменении площади льдов в СЛО, которая наблюдается в последние пять лет.

Значительных изменений в площади остаточных льдов в сентябре, которые смогли бы объективно и однозначно подтвердить одну из двух существующих ключевых гипотез ожидаемого изменения климата – необратимость и нарастание потепления или циклический характер изменений в 2018 г., не ожидается.

Список литературы: