Пространственное распределение сплоченности ледяного покрова и методы долгосрочных ледовых прогнозов в арктических морях России

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СПЛОЧЕННОСТИ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА И МЕТОДЫ ДОЛГОСРОЧНЫХ ЛЕДОВЫХ ПРОГНОЗОВ В АРКТИЧЕСКИХ МОРЯХ РОССИИ

Специальность 25.00.28 - океанология

ЕГОРОВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ

Санкт-Петербург - 2010 г.

Работа выполнена в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Нестеров Евгений Самойлович,

доктор географических наук, старший научный сотрудник Панов Владимир Васильевич,

доктор географических наук, профессор Смирнов Николай Павлович.

Ведущая организация:

Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова.

Защита состоится 27 мая 2010 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.327.002.01 при Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте по адресу: 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Арктического и антарктического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан "___"_______________2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Ф. Радионов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение представляет собой преамбулу последующего исследования, где обосновывается актуальность работы, выполнен краткий обзор предыдущих исследований, сформулированы цель и задачи диссертации, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Ледово-географическое районирование арктических морей России" проанализированы существующие варианты деления сибирского шельфа, сформулированы основные принципы разделения акваторий с ледяным покровом, выполнено районирование сибирского шельфа по ледово-географическим признакам в зависимости от конкретных физико-географических условий, установлены различия между западными и восточными арктическими морями и показана их зависимость от климатических, гидрометеорологических, орографических, циркуляционных и прочих факторов.

Районирование является широко распространенным в географии приемом деления природного объекта на несколько составных частей в зависимости от его свойств и задач исследования. Традиционно деление арктических морей, учитывающее факт наличия ледяного покрова, проводилось по двум основным направлениям: физико-географическому и ледово-навигационному. При физико-географическом районировании Арктика рассматривается как единый территориально-акваториальный комплекс (геосистема) ландшафтной оболочки; используются, в основном, климатические показатели, границы таксонов корректируются обычно учетом азонального распределения суши и моря (Атлас Арктики, 1985). Проблема собственно ледового районирования изначально рассматривалась как подчиненная относительно задачи функционирования трассы Северного морского пути как транспортной магистрали; поэтому основным критерием при ледовом районировании на ранней стадии регулярного плавания по трассе СМП являлся навигационный, т.е. определяющий особенности мореплавания во льдах. На основе деления арктических морей на части (Визе, 1944), а ледяного покрова - на массивы (Гордиенко, 1945) была построена система долгосрочного прогнозирования ледовых условий в морях Северного морского пути.

Однако представляется, что сложившиеся и освященные многолетней традицией результаты районирования ледовитых морей не являются единственно возможными, но классификационные подходы могут быть обоснованы на иных методических принципах. Вообще говоря, может быть создано столько различных вариантов районирования арктических морей, сколько существует конкретных целевых установок (Карелин, 1956). При этом последовательно реализуется следующая исследовательская цепочка: определение задачи районирования подбор соответствующего критерия районирования выбор адекватного метода районирования получение конкретного результата. Понятно, что возможность изменения одного (или нескольких) звеньев исследовательской программы неизбежно определяет многовариантность результатов районирования. Несмотря на конвенционально закрепленные результаты районирования, многие исследователи предлагали свои, оригинальные варианты деления, как отдельных морей, так и всего сибирского шельфа (Купецкий, 1989).

Пространственные особенности в распределении льдов являются важнейшим свойством арктических морей России и могут быть разделены на несколько уровней в зависимости от масштаба рассмотрения географических подробностей: крупномасштабного, регионального, локального, местного и т.д. Районирование арктической акватории является отражением ледовой неоднородности в пространстве и служит эффективным инструментом при исследовании особенностей формирования и распределения ледяного покрова. Неоднородности ледяного покрова арктических морей можно свести в три характерные группы. Во-первых, различаются льды местного образования и льды адвективные; первые, как правило, вытаивают, или выносятся за границы арктических морей, а вторые - обычно не вытаивают за летний сезон. Во-вторых, среди льдов местного образования различаются льды припайные и дрейфующие, граница между которыми часто маркируется полыньями. В-третьих, припайные и дрейфующие льды различаются по толщине: льды меньшей толщины вытаивают раньше, льды большей толщины - позже или вообще не вытаивают в течение одного летнего сезона и с наступлением осени переходят в разряд многолетних льдов. Пространственная неоднородность льдов находится в определенном сопряжении с рельефом подстилающей ледяной покров поверхности. Дрейфующие льды из Арктического бассейна обычно локализованы в северной части шельфа (в том числе приурочены к морским впадинам и желобам). Припайные льды формируются на прибрежном мелководье, вокруг архипелагов и островов и локализованы в срединной части шельфа между меридианами Енисея и Колымы; дрейфующие льды располагаются на акваториях с относительно большими глубинами. Толщина ледяного покрова регулируется атмосферными и морскими течениями, которые являются проводником утепляющего влияния Атлантического и Тихого океанов; траектории переноса тепла и влаги зависят от физико-географических условий арктических морей. Взаимное расположение адвективных и припайных льдов имеет, как правило, зональный характер, припайных и дрейфующих льдов различной толщины - меридиональный. Поэтому классификация арктических морей, учитывающая пространственные неоднородности ледяного покрова отражает и зональный, и меридиональный аспекты районирования. В результате, неоднородность ледяного покрова оказывается связанной к географическими особенностями, как всего сибирского шельфа, так и отдельных морей. С другой стороны, в каждом море наблюдается свое, уникальное сочетание неоднородностей ледяного покрова. Поэтому классификация, основанная на учете совместного и взаимно обусловленного влияния ледовых и географических факторов, может быть названа ледово-географическим районированием. Такое районирование является многослойным; на каждом слое (уровне) реализуется неоднородность ледяного покрова определенного масштаба, которому, в свою очередь, соответствует характерная единица деления: сибирский шельф > арктическое море > однородный район > ледовая зона > ледовый участок и т.д.

В результате выполненного районирования арктическая акватория России разделена на три таксономических уровня. Первый (крупномасштабный) уровень имеет преимущественно морфометрический признак выделения: крайняя южная часть Северного Ледовитого океана, прилегающая к побережью Евразии, обособлена от остальной акватории возвышением подводного рельефа. Второй (региональный) уровень районирования имеет преимущественно географический признак выделения: крупные острова и архипелаги естественным образом делят зональную полосу сибирского шельфа на отдельные меридиональные сегменты с различным ледовым режимом - арктические моря (юго-западная часть Карского моря, северо-восточная часть Карского моря, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море). Третий (локальный) уровень районирования имеет преимущественно ледовый признак выделения: ледяной покров каждого из арктических морей характеризуется очевидной неоднородностью, которая определяет свойственную каждому морю упорядоченную во времени пространственную последовательность разрежения льдов и очищения акватории.

Критерием для выделения однородных ледовых районов выбрана общая сплоченность ледяного покрова. Однородность сплоченности льдов является результирующим выражением однородности и других параметров состояния ледяного покрова, а нарушение однородности - показателем нарушения однородности целой совокупности характеристик. Граница резких изменений однородности сплоченности может рассматриваться как надежный показатель при районировании; за существенные различия повторяемости (?P) между ближайшими равновеликими клетками принималось значение, превышающее пятипроцентный уровень значимости. Собственно, задача районирования заключается в обнаружении положения границ, которые пространственно совпадают с наибольшими различиями повторяемости наличия льдов в соседних акваториях; эти границы делят изучаемый природный объект на квазиоднородные составные части (рис. 1).

Рис. 1. Однородные ледовые районы арктических морей России: 1 - Ямало-Югорский, 2 - Обь-Енисейский, 3 - Новоземельский, 4 - Диксонский, 5 - Норденшельдовский, 6 - Карский, 7 - Североземельский, 8 - Визевский, 9 - Анабаро-Оленекский, 10 - Янский, 11 - Таймырский, 12 - Лаптевский, 13 - Новосибирский, 14 - Айонский, 15 - Врангелевский

Всего на акватории арктических морей выделены 15 естественных однородных районов: 3 в юго-западной части Карского моря, 5 - в северо-восточной части Карского моря, 4 - в море Лаптевых, 3 - в Восточно-Сибирском и Чукотском морях. В каждом районе полностью реализуются присущие ему пространственные особенности сезонного разрежения льдов и очищения акватории, отличные от смежных акваторий (Крутских, 1978). Физико-географическая обоснованность районирования дополняется статистическими различиями ледовых условий районов. При необходимости могут быть рассмотрены и следующие по нисходящей уровни районирования. Так, в зависимости от местной специфики (толщины и возрастного состава льдов) каждый естественный район может быть разделен на 5-10 ледовых зон, а каждая зона - на 5-7 участков. В настоящей работе предметом анализа являются особенности формирования ледовых условий на таксономическом уровне сибирского шельфа, арктических морей и однородных ледовых районов; ледовые условия наиболее мелких единиц районирования не рассматриваются.

Сравнительный анализ показывает, что однородные районы арктических морей имеют характерные природные различия, связанные со своеобразием орографии акватории (извилистость береговой линии, врезанность полуостровов, наличие крупных заливов, островов и т.д.), разнообразием глубин (наличие глубоководной впадины, вклинивание желобов, продолжение океанического склона), расположением припая и заприпайных полыней, утепляющим влиянием Северной Атлантики, открытой границы с Арктическим бассейном и т.д. Отмечены две особенности арктических морей и однородных районов: а) арктические моря достаточно близки по площади, однако б) площади ледовых районов заметно различаются между западными и восточными морями. В морях Карском и Лаптевых площади районов составляют от 61 до 171 тыс. км ² при среднем значении 104 тыс. км ², а в морях Восточно-Сибирском и Чукотском - от 309 до 381 тыс. км ² при среднем значении 344 тыс. км ²; т.е. пространственные размеры районов в восточных морях примерно в 3 раза больше, чем в западных. Поэтому моря к западу от Новосибирских островов разделены на 12 однородных районов, а к востоку - только на 3 района. Это свидетельствует о большей ледово-географической сложности западных морей и меньшей - восточных. С востока на запад арктических морей происходит увеличение: средней глубины, количества и площади островной суши, влияния атлантической циклонической циркуляции, выносного ледообмена с Арктическим бассейном, площади заприпайных полыней, объема речного стока, адвекции неарктических океанических вод, а также уменьшение: ширины полосы сибирского шельфа, количества старых льдов, открытой морской границы с Арктическим бассейном.

Используемые в работе данные о состоянии природной среды северной полярной области состоят из двух частей: ледовой и метеорологической. Разделение арктических морей на районы делает возможным количественный анализ показателей ледовых условий в каждой из 15 акваторий в летний период, основой чего являются декадные карты распределения сплоченности льдов в арктических морях в июне-сентябре за 1940-2005 гг. в регулярных квадратах со стороной 50 км (всего на акватории арктических морей 1085 ячеек). Нормальное распределение адекватно описывает подавляющую часть статистических особенностей анализируемой выборки. Генетические условия формирования ледовых аномалий традиционно делятся на две части - тепловые и динамические факторы: первые определяют увеличение толщины льдов зимой и уменьшение - летом, а вторые - перераспределение льдов. Для характеристики тепловых условий для каждого однородного района выбрана репрезентативная полярная станция, а для учета динамических факторов - характерные, связанные с локальной спецификой, створы, направления воздушных переносов и дрейф льдов вдоль которых в наибольшей степени оказывают влияние на ледовые условия; разница атмосферного давления в реперных точках определяет направление и интенсивность адвекции льдов. Сравнительный анализ температурных и динамических предикторов позволяет оценить причину образования ледовых аномалий на уровне количественных оценок четырех показателей: толщины ледяного покрова, сроков начала таяния льдов, степени развития заприпайных полыней, режима воздушных переносов и дрейфа льдов после начала таяния.

Метеорологические данные состоят из двух частей: температурной и барической. Первую представляют стандартные наблюдения на реперных полярных станциях среднемесячного осреднения, вторую - карты о среднемесячном распределении давления за 1932-2005 гг., а также в узлах регулярной сетки (202 точки или 21 обобщенный узел). Эти данные относятся к разряду базовых, используемых в ААНИИ при макроциркуляционной диагностике метеорологических условий, а также в долгосрочном ледовом прогнозировании и при автоматизации поиска оптимальных предсказателей. Ледовые карты представлены в двух видах. Цветные карты в Приложении представляют собой пространственное распределение сплоченности в трех основных градациях (0, 1-6, 7-10 баллов), а также припайных льдов в течение 10 летних декад (июнь-сентябрь). В исследовательской части работы помещены другие ледовые карты; для репрезентативности, экономии места и усиления доказательности выводов, десять летних декад сведены в одну обобщенную карту распределения средней для всего летнего сезона сплоченности ледяного покрова.

Во второй главе "Локальное распределение ледяного покрова по пространству арктических морей" определены сезонные варианты пространственного очищения акватории каждого арктического моря с учетом местных особенностей однородных районов, рассчитаны характеристики сезонной устойчивости ледовых аномалий для различных градаций сплоченности, проанализированы особенности связи ледовых условий однородных районов, построены ледовые классификации для каждого арктического моря, установлены основные причины формирования экстремальных ледовых классов.

Районирование арктических морей по ледово-географическим признакам служит исходным пунктом последующего анализа. Однородный район и состоящее из нескольких районов арктическое море являются естественными природными объектами, в которых реализуются локальные и региональные пространственные особенности формирования и распределения ледяного покрова. Для каждого моря разработана единая исследовательская программа, включающая анализ очищения ото льдов, устойчивости ледовых аномалий, а также построение ледовой классификации. пространственная распределение ледяной арктическое

Пространственная неоднородность в распределении сплоченности ледяного покрова является естественной особенностью арктических акваторий. В каждом море разнообразие формирования ледовых условий характеризуется локальными и региональными особенностями и определяется местными географическими условиями. Как показывает опыт режимных обобщений (Гудкович, Кириллов, Ковалев и др., 1972), пространственное распределение льдов в море может быть сведено в ограниченное количество типов со следующими характерными особенностями. 1. Внутри типа наблюдаются близкие пространственные особенности разрежения и очищения акватории, отличающиеся от других типов. 2. Эти особенности характеризуют состояние ледяного покрова в течение всего летнего сезона (июнь-сентябрь). 3. Каждому типу свойственно определенное сочетание ледовых аномалий между однородными районами. 4. Тип описывает формирование локальных ледовых особенностей, характерных не только для всего моря, но и для его отдельных районов. 5. Тип пространственного очищения несет информацию не только о распределении, но и о количестве льдов. Сезонный тип определяется на основе набора основных режимных элементов, к числу которых традиционно относятся, во-первых, образование и степень развития заприпайных полыней, и, во-вторых, состояние ледяных массивов.

Для каждого моря получены 2-3 типа пространственного очищения акватории. В юго-западной части Карского моря существуют два варианта очищения - при западной и мористой локализации Новоземельского массива в зависимости от взаимосвязанного режима Новоземельской, Ямальской и Обь-Енисейской полыней; в северо-восточной части Карского моря - два варианта очищения в зависимости от развития Центральной Карской полыньи и соединения или разъединения Североземельского и Северного Карского массивов; в море Лаптевых - три варианта очищения (широтный, меридиональный и смешанный) в зависимости от развития Новосибирской западной, Анабарской и Таймырской заприпайной полыньи и состояния Таймырского массива; в Восточно-Сибирском море - три варианта очищения (заприпайный, прибрежный и мористый) в зависимости от развития Новосибирской северной и восточной полыньи и интенсивности прибрежного очищения; в Чукотском море - два варианта очищения (при наличии и отсутствии языка сплоченных льдов) в зависимости от развития заприпайной прогалины и сохранения льдов вдоль чукотского побережья. Для каждого пространственного варианта очищения рассчитаны средние показатели ледовых условий и построены типовые ледовые карты.

При разделении исходной выборки на несколько частей в зависимости от пространственного варианта очищения увеличивается обеспеченность средних значений количества сплоченных льдов по критерию 0,8у во всех арктических морях (от 60 % до 75 %). Связь пространственных и количественных показателей открывает широкие перспективы для долгосрочного ледового прогнозирования. Определив типовой вариант очищения можно с известной уверенностью предвидеть основные особенности состояния ледяного покрова в течение всего летнего периода.

Устойчивость количественных показателей аномальности ледовых условий в течение летнего сезона является одной из стержневых режимных особенностей ледяного покрова. Обычно под устойчивостью понимается сохранение в течение некоторого интервала времени основных количественных (например, ледовитость) и качественных (например, пространственное распределение) особенностей исходного состояния льдов; устойчивость является одним из факторов, использующихся при долгосрочном ледовом прогнозировании. Показано, что наиболее устойчивыми в количественном отношении фрагментами сплоченности являются сплоченные льды, а также чистая вода; при увеличении заблаговременности между сравниваемыми показателями устойчивость уменьшается. Выделяются несколько характерных интервалов ледовых изменений. 1. Декадный интервал, когда состояние льдов наиболее стабильно, а по исходному положению можно экстраполировать будущее распределение сплоченности; устойчивость определяется всеми составляющими - сплоченными льдами, чистой водой, редкими и разреженными льдами. 2. Месячный интервал является более сложным: устойчивость сплоченных льдов и чистой воды остается достаточно высокой (85-90 % от декадной), а редких и разреженных льдов - быстро уменьшается и сохраняется лишь в течение 1-2 декад; с середины августа инерционность льдов 1-6 баллов увеличивается. 3. Сезонный интервал, когда при заблаговременности изменений 1 месяц и более только сплоченные льды и чистая вода обеспечивают количественную устойчивость ледовых условий, которая к исходу 3-го месяца составляет 60-65 % от месячной и лишь 50-55 % от декадной; редкие и разреженные льды не имеют самостоятельного значения.

Сохранение ледовых аномалий в течение лета не является пространственно постоянным, но меняется в зависимости от региональной географии и локальных особенностей арктических морей и однородных районов и зависит, прежде всего, от режима заприпайных полыней. Наиболее устойчивы ледовые условия в северо-восточной части Карского моря, наименее устойчивы - в Чукотском море, в остальных морях устойчивость примерно одинакова; максимум различий между морями наблюдается при интервале изменений в 4-6 декад и составляет 15-17 %. При пространственном объединении нескольких районов (или морей) наблюдается увеличение ледовой устойчивости, которая зависит от количества укрупняемых акваторий, а наибольший эффект отмечается при интервале заблаговременности свыше одного месяца.

Арктические моря характеризуются не только пространственной неоднородностью ледяного покрова, что делает возможным их деление, но и обладают очевидной ледово-географической целостностью, которая определяется уникальной природой льдов как полярного феномена, обособленностью сибирского мелководья от Северного ледовитого океана, и наличием связей между ледовыми условиями однородных районов и арктических морей. В этом случае удачным приемом анализа является построение ледовой классификации, которая как способ уменьшения естественного разнообразия является исследовательским аналогом районирования. 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 (Горбунов, Карелин, Кузнецов и др., 1983). 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.), которая является важным промежуточным звеном, сводящим воедино региональные и локальные особенности акватории. Все классификации выполнены по одному 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.

Между ледовитостью однородных районов внутри моря наблюдается хорошая связанность в формировании аномалий (совпадение знака аномалий в смежных районах, совпадение знака аномалий сразу во всех районах, обычно локальное - в пределах только одного района - формирование крупной аномалии), а также согласованность метеорологических показателей. Особенности режимной связи ледовых показателей позволяют построить классификацию, которая включает классы очень крупных (более 1,2 величины с. к.о.) и умеренных (более величины 0,674 с. к.о.) аномалий, а также средних ледовых условий при различных типах пространственного распределения льдов (рис. 2).

Рис. 2. Среднесезонная сплоченность ледяного покрова (баллы) в различных ледовых классах северо-восточной части Карского моря

Экстремально легкие и тяжелые классы коррелируют, как правило, с наличием или отсутствием заприпайных полыней: в юго-западной части Карского моря - Ямальской и Обь-Енисейской, в северо-восточной части Карского моря - Центральной Карской, в море Лаптевых - Новосибирской западной и Анабарской, в Восточно-Сибирском море - Новосибирской восточной, в Чукотском море - Чукотской прогалины. Количество классов уменьшается с запада на восток (от 8-ми в юго-западной части Карского моря до 6-ти в море Лаптевых и до 5-ти в Чукотском море), что отражает различия в степени ледово-географической сложности морей (большей - западных и меньшей - восточных). В среднем для всех арктических морей обеспеченность декадных значений площади сплоченных льдов по критерию 0,8у составляет 92 % (для районов - 85 %), а разница между соседними классами составляет около 1,0у.

Как установлено, ведущей причиной формирования экстремальных ледовых классов в среднем для всех арктических морей являются аномалии сроков начала таяния льдов (вклад 50 %) и определяющие пространственный вариант очищения воздушные переносы и дрейф мая-июня (вклад 27 %); вклад факторов мая-июня примерно в 2,0-2,5 раза превышает влияние предшествующих факторов (исходной толщины льдов) и примерно в 2,5-3,0 раза - последующих (процессы июля-августа). Каждое море характеризуется региональными особенностями, при этом общей закономерностью является увеличение влияния исходной толщины на западе и синхронных летних переносов - на востоке. Пространственное расположение аномалий приземного давления, дирижирующих распределением сплоченности ледяного покрова, определяется зональной ориентацией сибирского шельфа и региональными особенностями географии морей. Благоприятные ледовые условия формируются, если к западу от моря наблюдается циклон, а к востоку - антициклон. Неблагоприятные - наоборот, если к западу от моря наблюдается антициклон, а к востоку - циклон. Для морей с открытой западной границей (северо-восточная часть Карского и Чукотское моря) неблагоприятные ледовые условия отмечаются также при развитии приполюсной циклоничности, обеспечивающей перемещение льдов с запада на восток.

В третьей главе "Крупномасштабное распределение ледяного покрова по пространству арктических морей" проанализированы особенности ледовых корреляций между соседними арктическими морями, построены классификации для всех попарно смежных арктических морей, определены особенности формирования ледовых аномалий на всем сибирском шельфе, и построена классификация, учитывающая крупномасштабные особенности распределения сплоченности льдов, а также рассмотрены причины формирования ледовой оппозиции и однородности.

Выполненный в предыдущей главе анализ, ограниченный пространством однородного района и отдельного арктического моря, соответствует локальным и региональным особенностям ледового режима. Следующей естественной ступенью исследования является рассмотрение более крупных пространственных объектов, каковыми являются попарно расположенные соседние моря и вся суммарная площадь сибирского шельфа. Такое исследование выполнено, с одной стороны, на тех же методических основаниях, что и для более мелких пространственных объектов, а, с другой, - с учетом характерных режимных особенностей, свойственных более крупным, протяженным арктическим акваториям.

По сравнению с предыдущим таксономическим уровнем, для смежных морей наблюдается существенно меньшая согласованность аномальности ледовых условий, а именно: наблюдается примерное равенство совпадения и различия знака ледовой аномалии в составных частях обобщенной акватории, ледовые показатели которых независимы друг от друга. Поэтому классификация учитывает знак и величину ледовой аномалии в составных частях: а) одинаковые по знаку и более 0,674 с. к.о. по величине аномалии в соседних морях, б) аномалия менее 0,674 с. к.о. в обоих морях, в) противоположные по знаку и более 0,674 с. к.о. по величине аномалии в соседних акваториях. По сравнению с ледовыми условиями арктических морей, состоящих из однородных районов, в классификациях для смежных морей появляется дополнительный класс - оппозиционный. В результате, средние ледовые условия формируются в трех случаях. Во-первых, аномалия менее 0,674 с. к.о. в каждом из морей; во-вторых, образование ледовой оппозиции: сочетание статистически значимых, но противоположных по знаку, аномалий в соседних морях, приводит к тому, что на обобщенной акватории также формируются среднемноголетние условия - противоположные аномалии компенсируют друг друга. Таким образом, классификационные особенности для смежных морей оказываются более разнообразными по сравнению с предыдущим таксономическим уровнем, что связано, прежде всего, со своеобразием корреляций между ледовыми условиями смежных морей по сравнению с однородными районами.

Аномально одинаковые и оппозиционные ледовые классы формируются различными генетическими сценариями. Основной причиной однородно тяжелых и легких ледовых условий в смежных морях являются сроки начала таяния льдов и определяющие пространственный вариант очищения моря воздушные переносы мая-июня; вклад тепловых и динамических факторов мая-июня (77 %) в несколько раз превышает влияние предшествующих факторов (исходной толщины) и последующих (переносы июля-августа); отмечаются региональные особенности: с запада на восток шельфа происходит уменьшение влияния исходной толщины льдов и увеличение - процессов июля-августа. Напротив, оппозиционные классы больше зависят от динамических предикторов - синхронных воздушных переносов июня-августа (вклад 59 %). Поэтому возможность долгосрочного прогнозирования аномально однородных классов выше, чем оппозиционных. Установлены пространственные особенности распределения аномалий приземного давления, определяющих формирование ледовых классов. Одинаково пониженная ледовитость формируется, если к западу от суммарной акватории наблюдается циклон, а к востоку - антициклон; при этом оба моря находятся под влиянием одинакового переноса с юга на север. Одинаково повышенная ледовитость формируются, если к западу от суммарной акватории наблюдается антициклон, а к востоку - циклон; при этом оба моря находятся под влиянием одинакового переноса с севера на юг. Ледовая оппозиция формируется, если на границе соседних морей располагается циклон или антициклон, на западной и восточной периферии которых наблюдаются соответствующие воздушные переносы и аномалии, противоположные по знаку.

Формирование аномалий на суммарной площади сибирского шельфа является наиболее крупномасштабной частью особенностей пространственного распределения ледяного покрова арктических морей (Бородачев, Фролов, 1997). Ведущей режимной особенностью сибирского шельфа является статистическая независимость ледовых показателей арктических морей; коэффициент корреляции между площадью сплоченных льдов в морях, как правило, ниже статистически значимого уровня. Между западными и восточными акваториями наблюдается оппозиционный фон ледовых условий, не превышающий статистически значимых показателей. Формирование одинакового знака ледовой аномалии сразу во всех арктических морях является достаточно редким событием и наблюдается в среднем 1 раз в 10 лет. Крупная аномалия для всего сибирского шельфа происходит преимущественно за счет моря Лаптевых. Независимость формирования ледовых условий делает практически невозможным построение классификации, учитывающей все возможные варианты сочетаний знака аномалии на всем протяжении между Новой Землей и Беринговым проливом. Для решения задачи предлагается сократить количество единиц деления суммарной акватории до трех частей, разделенных естественными разграничителями - Северной Землей и Новосибирскими о-вами: западный фрагмент включает юго-западную и северо-восточную части Карского моря, центральный - море Лаптевых, восточный - Восточно-Сибирское и Чукотское моря.

В зависимости от сочетаний знака сезонной аномалии площади сплоченных льдов в трех фрагментах все многообразие ледовых условий арктических морей сведено в 8 классов с характерными особенностями распределения льдов. Классы можно разделить на три группы: постоянство знака аномалии, чередование знака аномалии, ледовая оппозиция (граница оппозиции вблизи Северной Земли или у Новосибирских о-вов). При постоянстве знака аномалии на всем пространстве акватории наблюдаются или тяжелые, или легкие ледовые условия; при этом в море Лаптевых фиксируется наибольший размах колебаний. При чередовании знака аномалии море Лаптевых отличается от остальных морей противоположностью знака ледовой аномалии, а в морях к западу от Северной Земли и к востоку от Новосибирских островов наблюдается аномалия одинакового знака. При ледовой оппозиции в западных и восточных морях наблюдаются аномалии противоположного знака, а море Лаптевых является промежуточной, буферной зоной с равновероятным знаком аномалии; при этом наибольшие аномалии отмечаются в крайних фрагментах шельфа. Каждый класс отличается характерными пространственными особенностями распределения ледовых условий; наибольшие аномалии наблюдаются: при ледовой однородности - в море Лаптевых, при чередовании аномалий - к западу и востоку от Северной Земли, при оппозиции с границей у Новосибирских о-вов - в СВКМ и на границе ВСМ и ЧМ, при оппозиции с границей у Северной Земли - к северу от Новосибирских о-вов (рис. 3).

Рис. 3. Среднесезонная разница сплоченности ледяного покрова между аномально противоположными ледовыми классами

Формирование крупномасштабных ледовых классов имеет причиной пространственные особенности в распределении аномалий приземного давления воздуха в Арктике, которые можно свести в характерные типы. Постоянство знака ледовой аномалии наблюдается при расположении циклона или антициклона на северной границе арктических морей или разнонаправленных барических тенденциях в западных и восточных акваториях, которые вызывают одинаковый перенос с юга на север и с севера на юг на всем протяжении сибирского шельфа. Ледовая оппозиция связана со стационированием на меридиане моря Лаптевых (над морем или сушей) барической аномалии, на западной и восточной периферии которой формируются противоположные по направлению природные тенденции. Миграция границы оппозиции происходит при пространственном смещении оси барических образований.

Крупномасштабная ледовая однородность и оппозиция характеризуются различными сценариями образования. Однородный знак аномалий формируется, прежде всего, на счет термических предикторов, определяющих исходную толщину зимой и сроки начала таяния льдов весной и ранним летом (вклад 68 %); оппозиционный знак аномалий формируется за счет увеличения влияния динамических предикторов, определяющих развитие полыней и режим перераспределения льдов в течение летнего периода (вклад 62-73 %). Эти различия отражают общие закономерности формирования ледовых классов. Во-первых, каждому классу свойственен свой, индивидуальный генетический сценарий формирования, охватывающий суммарную акваторию арктических морей; следствием является изменение вклада основных природных предикторов. Во-вторых, этот генетический сценарий имеет региональные проявления в каждом отдельном арктическом море. Таким образом, ледовая классификация для суммарной акватории арктических морей учитывает региональные и крупномасштабные пространственные и генетические особенности распределения аномалий и может быть использована при диагностике и прогнозировании природных условий в полярных акваториях.

В четвертой главе "Многолетние изменения распределения льдов по пространству арктических морей" установлены основные особенности формирования многолетних аномалий ледовых условий по суммарной площади сибирского шельфа, а также распределения ледовых аномалий между арктическими морями, чередование длительных периодов преобладания ледовой оппозиции или ледовой однородности, отдельно рассмотрены особенности формирования ледовой оппозиции в зависимости от межгодовой ритмики солнечной активности.

Выполненный в предыдущей главе анализ особенностей формирования сочетаний ледовых аномалий по суммарному пространству арктических морей позволяет перейти к следующему этапу исследования, связанному с реализацией многолетних сценариев распределения льдов. За период современных наблюдений за состоянием ледяного покрова было отмечено несколько крупномасштабных эпох в изменении полярного и ледового климата (потепление Арктики в 1930-40-х гг., похолодание Арктики в 1960-70-х гг., глобальное потепление 1990-2000-х гг.). Причиной природных ритмов различной продолжительности считается изменчивость интенсивности атмосферной циркуляции, вызванная внешними и внутренними факторами (Фролов, Гудкович, Карклин и др., 2007); распространенной гипотезой является критическое увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду (ACIA, 2004). Однако изучение многолетних ледовых изменений обычно ограничивается анализом преимущественно количественных показателей (ледовитость или площадь льдов различной сплоченности), а особенности пространственного распределения ледяного покрова, как правило, остаются за пределами исследовательского внимания. Как представляется, комбинации знака ледовых аномалий между арктическими акваториями могут предоставить новые возможности для расширения и углубления исследования многолетних колебаний.

Как показывает анализ, многолетние ледовые изменения в арктических морях сводятся к суперпозиции нескольких природных ритмов различной продолжительности: перемещение крупномасштабной области наибольшей природной изменчивости с запада на восток арктических морей (два периода продолжительностью около 40 лет каждый), чередование длительных периодов пониженной и повышенной суммарной ледовитости арктических морей (три периода продолжительностью 20-30 лет каждый), многолетнее преобладание характерных комбинаций в распределении ледовых аномалий в виде двух типовых сочетаний - ледовой оппозиции и ледовой однородности (четыре периода продолжительностью около двух десятилетий каждый).

Наиболее важная пространственная тенденция многолетних вариаций заключается в смещении региона наибольшей ледовой изменчивости с западных арктических морей в 1930-60-е гг. (западное колебание) на восточные арктические моря в 1970-00-е гг. (восточное колебание). Каждое из ледовых колебаний состоит из двух стадий, чередующихся по знаку ледовых аномалий. Сначала легкие условия (1930-50-е гг.) сменились тяжелыми (1960-е гг.) при западном колебании, а затем тяжелые условия (1970-80-е гг.) смелись легкими (1990-2000-е гг.) при восточном колебании. Переход западного колебания в восточное состоялся на границе 1960/70 гг. при повышенной ледовитости. При этом наибольшие отклонения наблюдались вблизи границы припайных и дрейфующих льдов: во время западного колебания в северо-восточной части Карского моря, а во время восточного колебания - в Восточно-Сибирском море. Основная причина западного колебания заключается в повышенной изменчивости приземного давления к западу от Северной Земли зимой; при этом конфигурация барических изолиний летом определяет локализацию зоны наибольших градиентов в районе северо-восточной части Карского моря. Основная причина восточного колебания заключается в повышенной изменчивости приземного давления к востоку от Северной Земли зимой; при этом конфигурация изолиний летом определяет локализацию наибольших барических градиентов к востоку от Новосибирских о-вов.

Анализ особенностей ледовых комбинаций в течение более или менее длительных временных периодов (Захаров, 1976) показал, что имеющийся ряд наблюдений может быть разделен на несколько временных интервалов, так, чтобы в течение каждого из них отмечалась бы одна, преобладающая комбинация знаков ледовых аномалий между арктическими морями. Наблюдаются длительные периоды преобладания оппозиционного и однородного сочетания ледовых аномалий между западными и восточными морями, а также многолетние оппозиционно-однородные ледовые преобразования, которые заключаются в том, что длительный период преобладания ледовой оппозиции сменяется во времени длительным периодом преобладания ледовой однородности, и наоборот. За последние три четверти века наблюдается следующая преемственная цепочка ледовых преобразований: ледовая оппозиция (1930-40-е гг.) ледовая однородность (1950-60-е гг.) ледовая оппозиция (1970-80-е гг.) ледовая однородность (1990-2000-е гг.). Длительный период, как оппозиции, так и однородности также показывает существование характерного преобразования внутри периода, которое заключается: а) для оппозиции - в смещении границы оппозиции с запада на восток арктических морей, и б) для однородности - в чередовании легких и тяжелых ледовых условий. То есть уточненная цепочка ледовых преобразований выглядит так: оппозиция на западе (1932-39 гг.) оппозиция на востоке (1940-47 гг.) однородно легкие ледовые условия (1948-61 гг.) однородно тяжелые ледовые условия (1962-72 гг.) оппозиция на западе (1973-80 гг.) оппозиция на востоке (1981-94 гг.) однородно легкие ледовые условия (1995-08 гг.) (однородно тяжелые ледовые условия (?)). Продолжительность квазиоднородных подпериодов меняется от 8-ми до 14-ти лет (среднее около 11 лет); повторяемость преобладающей однородности или оппозиции составляет в среднем около 79 % (табл. 1).