Влияние изменчивости полей дрейфа ледяного покрова на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане

Арктика приобретает все большее значение как источник углеводородных и других минеральных ресурсов, а Северный морской путь, проходящий вдоль берегов России, является кратчайшей транспортной магистралью из Европы в Азию и развивается как важнейший элемент международных транспортно-логистических систем, обеспечивая гармоническое развитие добывающей промышленности и береговой инфраструктуры на российском Севере.
Обычно, причины драматических изменений ледяного покрова последних десятилетий связывают с повышением фона температуры воздуха и не рассматривают влияние динамических факторов – изменений структуры и интенсивности циркуляции вод и льдов и перераспределения массивов морского льда в пределах Северного Ледовитого океана, влияющих на формирование условий, определяющих интенсивность нарастания или деградации морского ледяного покрова.
В работе делается акцент на взаимосвязи изменчивости крупномасштабной структуры полей дрейфа в Северном Ледовитом океане и ее роли в долговременных изменениях площади морского ледяного покрова, в формировании ледовой обстановки на трассах Северного морского пути, что необходимо учитывать и при разработке новых прогностических схем, и для оценки климатических изменений на ближайшие годы.
Исследование выполняется на базе уникальных массивов данных о ежедневных полях дрейфа за почти 40-летний период с пространственным разрешением 25 км, являющихся результатом анализа данных спутникового зондирования.
Важнейшим элементом новизны подхода при анализе векторных рядов и полей является использование российских технологий векторно-алгебраического анализа, позволяющего наиболее адекватно и в лаконичной форме наборами скалярных параметров описывать векторные ряды и поля больших размеров.
Таким образом, фундаментальной научной задачей, на решение которой направлено исследование, является определение закономерности пространственно-временной изменчивости дрейфа ледяного покрова в сезонном и многолетнем диапазонах и определить влияние изменчивости дрейфа ледяного покрова на основные характеристики ледового режима в Северном Ледовитом океане.
Согласно полученным результатам, изменчивость поля дрейфа льда напрямую влияет на формирование ледовых условий в Северном Ледовитом океане. За 40-летний период исследований, наблюдается отрицательный тренд ледовитости для летнего и зимнего гидрологического сезонов, при этом скорость дрейфа ледяного покрова увеличивается.

В результате выполненной работы на основе анализа уникальных баз данных
характеристик о полях дрейфа льда в Северном Ледовитом океане с высоким
пространственным и временным разрешением Polar Pathfinder были выявлены
закономерности климатической изменчивости дрейфа ледяного покрова в Северном
Ледовитом океане

В работе был введен новый метод вычисления трендов векторных величин, с
использованием ортогональных и коллинеарных составляющих вектора ⃗, разрешенные
относительно направления вектора ⃗⃗. На основе предложенного метода были оценены
тренды климатической изменчивости дрейфа льда. В результате были выявлены области с
характерными изменениями скоростей дрейфа с максимальным увеличением в проливе
Фрама и уменьшением возле берегов Канадского Арктического архипелага. Данный метод
также позволил определить тенденции изменения направления потоков в поле дрейфа
ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.

Согласно полученным результатам установлено, что в Северном Ледовитом океане
наблюдается увеличение скоростей крупномасштабных структур дрейфа ледяного покрова.
Увеличение скорости дрейфа на периферии антициклонального круговорота ведет к более
быстрому сбросу льдов в Трансарктическое течение, в котором, в свою очередь, скорости
дрейфа также увеличиваются (до 0,32 см/сек/год). Увеличение скорости выноса льда через
пролив Фрама в пик количества льда в бассейне достигает 0,52 см/сек/год, т.е. наблюдается
тенденция выноса льда из Арктического бассейна и как следствие уменьшение количества
льда в акватории, следовательно, можно отметить прямое влияние динамического фактора
на изменение количества льда в Северном Ледовитом океане.

Показано также, что средние направления вектора дрейфа ледяного покрова в
шельфовых морях России смещаются вправо до 0.8°/год. При таком изменении
направления лед с большей вероятностью попадает в Трансарктическое течение, откуда
выносится из Арктического бассейна, а не попадает в антициклональный круговорот у
берегов Канадского Арктического архипелага, где в последствии происходит нарастание
массы льда. Такие изменения направлений также являются динамической причиной
деградации ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.

Был применен спектральный анализ векторов и установлено, что основные
энергонесущие частоты соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Оценены
низкочастотные пики спектральной плотности дрейфа ледяного покрова. В результате была
выявлена межгодовая изменчивость в Карском море с периодом 5.6 лет, для Лаптевых,
Восточно-Сибирского и Чукотского морей период составил 2.8 лет. В проливе Фрама более
выраженная межгодовая изменчивость относительно полученных значений для
Трансарктического течения. В структуре Трансарктического течения наблюдается
низкочастотный пик, соответствующий 11.2 годам. В Антициклоническом круговороте в
море Бофорта большое влияние оказывают долгопериодные изменения. Для южной
периферии круговорота характерный период изменчивости 5.6 лет, а для северной части
11.2 и 2.8 лет.

С помощью гармонического анализа приливного дрейфа были выделены периоды
изменчивости дрейфа льда сопоставимые с долгопериодными приливными гармониками:
солнечные годовая (Sa) и полугодовая (Ssa) гармоники, лунные месячная (Mm) и
полумесячная (Mf) гармоники, и лунно-солнечная полумесячная (MSf) гармоника. Было
установлено, что основные энергонесущие частоты, по результатам спектральной
плотности, соответствуют периодам изменчивости год и полгода. Из этого следует, что
амплитуды и фазы дрейфа на периодах волн Sa и Ssa следует рассматривать как отклик
ледяного покрова на сезонную изменчивость радиационного баланса и всех
гидрометеорологических параметров. При этом полугодовая гармоника Ssa описывает
асимметричность годового хода, т.е. является обертоном годовой волны Sa.

В арктических морях наблюдается отрицательный тренд ледовитости.
Максимальные изменения наблюдаются в Карском море: за период в 30 лет, согласно
полученным результатам, ледовитость уменьшилась на 15%, при этом наблюдаются
значительные изменения в поле скорости: увеличивается скорость выноса льдов в
Арктический бассейн. В Восточно-Сибирском море изменения ледовитости незначительны
по сравнению с Карским. В поле дрейфа в прибрежных районах отмечается незначительное
уменьшение средней скорости, а направление среднего дрейфа отклоняется влево с угловой
скоростью -0.25- -1.25 º/год, что свидетельствует об уменьшении выноса льдов в
Арктический бассейн.

Изменчивость поля дрейфа льда напрямую влияет на формирование ледовых
условий в Северном Ледовитом океане. За 40-летний период исследований, наблюдается
отрицательный тренд ледовитости для летнего и зимнего гидрологического сезонов, при
этом скорость дрейфа ледяного покрова увеличивается.

1.АртамоновЮ.В.,ФедиркоА.В.,СкрипалеваЕ.А.Климатическая
изменчивость переносов в верхнем слое Антарктического циркумполярного течения
по данным спутниковых и контактных измерений // Исследование Земли из космоса.
2016. №: 1-2. С. 76-89
2.Артамонов Ю.В., Скрипалева Е.А., Федирко А.В. Региональные особенности
климатической изменчивости поля температуры на поверхности Черного моря //
Метеорология и гидрология. 2017. № 2. С. 56-66
3.Белоненко Т. В., Колдунов А.В. О трендах стерических колебаний уровня в
северной Атлантике Исследование Земли из космоса. 2018. № 5. С. 31–40
4.Беляков Л.Н., Волков В.А., Пономарев В.И., Чернышов А.Ф. Особенности
межгодовой изменчивости циркуляции вод Арктического бассейна. //Доклады
Академии Наук. 1984, т. 276. № 4. С. 946-949.
5.Боков В.Н., Бухановский А.В., Иванов Н.Е., Рожков В.А. Пространственно-
временная изменчивость поля ветра в умеренных широтах северного полушария //
Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37 №2. С. 170-181.
6.Буйницкий В.Х. Формирование и дрейф ледяного покрова в Арктическом
бассейне // Труды дрейфующей экспедиции Главсевморпути на ледокольном
пароходе “Г. Седов”, 1937-1940 гг. 1951. т. 4. С. 74-179.
7.Волков В.А., Мушта В.А., Демчев Д.М., Коржиков А.Я., Сандвен С. Связь
крупномасштабной изменчивости поля дрейфа льда в Северном Ледовитом океане с
климатическими изменениями общей ледовитости, происходящими в течение
последних десятилетий. //Проблемы Арктики и Антарктики. 2016. № 2. С.50-63.
8.Волков В.А., Мушта А.В., Демчев Д.М. Закономерности изменения
крупномасштабной структуры поля дрейфа морского льда в Северном Ледовитом
океане (на основе спутниковых данных 1978–2017 гг.) // Доклады Российской
Академии наук. 2019. том 488 №4. С. 437-439.
9.Горбунов Ю.А., Лосев С.М., Дымент Л.Н. Дрейф льда в Арктическом
бассейне в 2007-2009 гг. М.: Paulsen, 2011. с. 329–337
10.Гордиенко П.А., Карелин Д.Б. Проблемы перемещения и распространения
льдов в Арктическом бассейне // Проблемы Арктики. 1945. №3. С. 5-35.
11.Гудкович З.М. Движение льдов Арктического бассейна и окраинных морей
Сибирского шельфа, 1974.
12.Гудкович З.М., Гузенко Р.Б., Карклин В. П., Клячкин С.В. О климатической
изменчивости генерального дрейфа льда в Арктическом бассейне // Лед и снег. 2007.
№ 102. С. 187–191.
13.Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. Спб.: Гидрометеоиздат,
2001. 112 с.
14.Демчев Д.М., Волков В. А., Хмелева В.С., Казаков Э. Э. Восстановление
полей дрейфа морского льда по последовательным спутниковым радиолокационным
изображениям методом прослеживания особых точек // Проблемы Арктики И
Антарктики. 2016. № 3 (109). С. 5–19.
15.Зубов H.Н., Сомов М.М. // Проблемы Арктики. 1940. № 2. С. 51.
16.Иванов Н.Е., Лагун В.Е., Луценко Э.И. Особенности климатического режима
станции Русская (западная Антарктида) // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008.
№3 (80). С. 48-71
17.Иванов Н.Е., Макштас А.П., Шутилин С.В., Гунн Р.М.Многолетняя
изменчивостьхарактеристикклиматарайонагидрометеорологической
обсерватории Тикси // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. №1 (81). С. 24-41
18.Иванов Н.Е., Висневский А.А., Соколов В.Т. Ветровой Дрейф Станции
«Северный Полюс-35» // Проблемы Арктики И Антарктики. 2011. № 1 (87). С. 5–21.
19.Клячкин С. В., Гузенко Р. Б., Май Р. И. Численная модель эволюции ледяного
покрова арктических морей для оперативного прогнозирования //Лед и снег. 2015.
Т. 55. № 3. с. 83-96.
20.Клячкин С.В., Гудкович З.М., Гузенко Р.Б., Май Р.И. Результаты испытания
численной модели прогноза распределения льдов в юго-западной части Охотского
моря заблаговременностью 1-5 суток // Результаты испытания новых и
усовершенствованных технологий, моделей и методов гидрометеорологических
прогнозов. 2015. № 42. с. 66-82.
21.Клячкин С.В., Гудкович З.М., Гузенко Р.Б., Май Р.И. Результаты испытания
численной модели прогноза распределения льдов в юго-западной части охотского
моря заблаговременностью 1-5 суток // Результаты испытания новых и
усовершенствованных технологий, моделей и методов гидрометеорологических
прогнозов. 2015. № 42. с. 66-82.
22.Клячкин С.В., Гудкович З.М., Гузенко Р.Б., Май Р.И. Численная модель
прогнозараспределенияльдоввюго-западнойчастиОхотскогоморя
заблаговременностью 1-5 суток // Труды Гидрометеорологического научно-
исследовательского центра Российской Федерации. 2015. № 353. с. 63-87.
23.Клячкин С.В., Гузенко Р.Б., Май Р.И. Результаты испытаний метода
среднесрочного численного прогноза ледовых условий для летнего и зимнего
периодов в Баренцевом и Карском морях заблаговременностью 1-7 суток //
Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей и
методов гидрометеорологических прогнозов. 2017. № 44. с. 89-112.
24.Клячкин С.В., Гузенко Р.Б., Май Р.И. Численная модель эволюции ледяного
покрова арктических морей для оперативного прогнозирования // Лед и снег. 2015.
Т. 55. № 3. с. 83-96.
25.Клячкин С.В., Гузенко Р.Б., Май Р.И., Саперштейн Е.Б., Сергеева И.А.,
Ярославцева С.И. Численное моделирование динамики ледяного покрова в районе
архипелага Шпицберген // Метеорология и гидрология. 2017. № 9. с. 108-118.
26.Кулаков М.Ю., Макштас А.П., Шутилин С.В. AAARI-IOCM – Совместная
Модель Циркуляции Вод И Льдов Северного Ледовитого Океана // Проблемы
Арктики И Антарктики. 2012. № 2 (92). с. 6–18.
27.Мельников В.А., Москаленко Л.В., Кузеванова Н.И. Ветровые циклы и
климатическиетрендыЧёрногоморя//ТрудыГосударственного
океанографического института. Исследования океанов и морей. 2018, Вып. 219. с.
101–123.
28.Трешников А.Ф., Баранов Г.И. Циркуляция вод Арктического бассейна. Л.:
Гидрометеоиздат, 1972. 158 с.
29.Фролов И.Е., Гудкович З.М., Карклин В.П., Ковалев Е.Г., Смоляницкий В.М.
Научные исследования в Арктике. Том 2. Климатические изменения ледяного
покрова морей Евразийского шельфа. СПб.: Наука. 2007. 136 с.
30.Хохлова А.В., Тимофеев А.А. Многолетние изменения ветрового режима в
свободной атмосфере над Европейской территорией России // Метеорология и
гидрология. 2011. № 4. с. 21–33.
31.Ширшов П.П. // Доклады на общем собрании Академии Наук СССР, 14-17
февраля. М.: Изд-во АН СССР, 1944. с. 110-140.
32.Шокальский Ю.М. // Проблемы Арктики. 1940. № 2 с. 34-38.
33.Шулейкин В. В. Физика моря М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1941. 833 с.
34.Bo J., Yongliang W., Jie D., Rong Z., Yuxin L., Xiaoyong W., Yizhou F. Trends of
sea surface wind energy over the South China Sea // Journal of Oceanology and
Limnology. 2019. V. 37. № 5. P. 1510-1522. https://doi.org/10.1007/s00343-019-8307-6
35.Cavalieri D. J., Gloersen P., Campbell W.J. Determination of Sea Ice Parameters
with the NIMBUS-7 SMMR // Journal of Geophysical Research. 1984. 89(D4): 5355-
5369.
36.Comiso, J. C. Characteristics of Arctic Winter Sea Ice from Satellite Multispectral
Microwave Observations // Journal of Geophysical Research.1986. 91(C1): 975-994.
37.Dukhovskoy D., Johnson M., Proshutinsky A.Y. Arctic decadal variability from an
idealized atmosphere-ice-ocean model: 1. Model description, calibration, and validation //
J. Geophys. Res. 2006. № 10.1029/2004JC002821 (111, C06028).
38.Fukamachi Y., Mizuta G., Ohshima K., Toyota T., Kimura N., Wakatsuchi M. Sea
ice thickness in the southwestern Sea of Okhotsk revealed by a moored ice-profiling sonar
// Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. № C9 (111). C. C09018.
39.Hakkinen S., Mellor G.L. Modeling the seasonal variability of a coupled arctic ice-
ocean system // J. Geophys. Res. 1992. № C12 (97). p. 20385–20304.
40.Hibler III W.D. A Dynamic Thermodynamic Sea Ice Model // J. Phys. Oceanogr.
1979. (9). p. 815–846.
41.Holland P.R., Kwok R. Wind-driven trends in Antarctic sea-ice drift // Nature
Geosci. 2012. № 12 (5). C. 872–875.
42.Hunke E.C., Dukowich J.K. An Elastic–Viscous–Plastic Model for Sea Ice
Dynamics // J. Phys. Oceanogr. 1997. p. 1849–1867.
43.Hunke E.C., Lipscomb W.H. CICE: the Los Alamos Sea Ice Model Documentation
and Software User’s Manual 2006.
44.Kwok R., Spreen G., Pang S. Arctic sea ice circulation and drift speed: Decadal
trends and ocean currents // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. № 5 (118). p.
2408–2425/
45.Kwok R., Pang S., Kacimi S. Sea ice drift in the Southern Ocean: Regional patterns,
variability, and trends // Elementa Science of the Anthropocene. 2017. V. 5: 32. doi:
https://doi.org/10.1525/elementa.226
46.Leyba, I.M., Solman, S.A. & Saraceno, M. Trends in sea surface temperature and
air–sea heat fluxes over the South Atlantic Ocean. Clim Dyn 53, 4141–4153 (2019).
https://doi.org/10.1007/s00382-019-04777-2
47.Lund, B., Graber C., Persson O., Smith P., Doble M., Thomson M., Wadhams J.
Arctic Sea Ice Drift Measured by Shipboard Marine Radar // Journal of Geophysical
Research: Oceans. 2018. V.123. doi:10.1029/2018JC013769.
48.Maslowski W., Lipscomb W.H. High resolution simulations of Arctic sea ice,
1979–1993 2003. № 1 (22). p. 67–74.
49.Pryor S., Barthelmie R.,Young D., Takle E., Arritt R., Flory D., Gutowski Jr W.,
Nunes A., Roads J. Wind speed trends over the contiguous United States // Journal of
Geophysical Research. 2009. V. 114. D14105. doi:10.1029/2008JD011416
50.Proshutinsky A.Y., Johnson M.A. // Journal of geophysical research, 1997. June 15.
Vol. 102. № C6. p. 12,493-12, 514.
51.Rozman P. et. al. Validating satellite derived and modelled sea-ice drift in the
Laptev Sea with in situ measurements from the winter of 2007/2008 // Polar Research.
2011. № 1 (30). p. 7218.
52.Spreen G., Kwok R., Menemenlis D. Trends in Arctic sea ice drift and role of wind
forcing: 1992–2009 // Geophysical Research Letters. 2011. № 19 (38). p. L19501.
53.Thorndike A.S., Colony R. Sea ice motion in response to geostrophic winds //
Journal of Geophysical Research: Oceans. 1982. № C8 (87). p. 5845–5852.
54.Volkov V.A., Demchev D.M., Ivanov N.E. Application of a vectorial-algebraic
method for investigation of spatial-temporal variability of sea ice drift and validation of
model calculations in the Arctic Ocean // Journal of Operational Oceanography. 2012. №
2 (5). p. 61–71.
55.Ye Y., Shokr M., Heygster G., Spreen G. Improving Multiyear Sea Ice
Concentration Estimates with Sea Ice Drift // Remote Sensing. 2016. V. 8. D397.
doi:10.3390/rs8050397
56.Zehua Z., Haibo B., Ke S., Haijun H., YanxiaL., Liwen Y. Arctic sea ice volume
export through the Fram Strait from combined satellite and model data: 1979–2012 // Acta
Oceanologica Sinica. 2017. V. 36. № 1. P. 44–55. doi: 10.1007/s13131-017-0992-4
57.Zhang Y., Hunke E.C. Recent Arctic change simulated with a coupled ice-ocean
model // J. Geophys. Res. 2001. № C3 (106). p. 4369–4390.
58.Zhang S., Sheng J., Greatbatch R.J. A coupled ice-ocean modeling study of the
northwest Atlantic Ocean, // J. Geophys. Res. 2004. № 10.1029/2003JC001924 (109,
C04009).