Анализ откликов в динамике площади морских льдов отдельных районов Арктики на изменение инсоляции

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы № 01201154424 – Геоэкологическая безопасность Российской Арктики и «Картографирование, моделирование и оценка риска опасных природных процессов» (№ АААА-А16-116032810093-2).

Ведение

Одним из важнейших компонентом природы в полярных районах Земли являются морские льды. В Северном полушарии в среднем морские льды занимают около 80% от всей покрытой льдом территории ^[1]. Сезонные изменения морского оледенения в Арктике в настоящее время происходят на площади 10 – 17 млн. км². В летнее полугодие площадь морских льдов сокращается примерно вдвое по отношению к зимнему полугодию. Также приблизительно вдвое (на 46%) сокращается поступление солнечной радиации в зимнее полугодие по сравнению с летним полугодием ^{[2, 3, 4]}. Летний минимум площади морских льдов хронологически четко локализован в годовом ходе и приходится на сентябрь (осеннее равноденствие, окончание летнего астрономического полугодия в Северном полушарии). Максимум более растянут во времени и отмечается с февраля по апрель (период вблизи весеннего равноденствия, окончание зимнего и начало летнего астрономического полугодия в северном полушарии) ^[5]. Максимум в годовом ходе инсоляции в Северном полушарии приходится на июнь – июль, минимум – на декабрь – январь. То есть, экстремальные характеристики площади морского льда характеризуются сдвигом по фазе в годовом ходе относительно экстремальных значений в поступлении солнечной радиации приблизительно на два – три месяца.

Ледяной покров является результатом взаимодействия океана и атмосферы в определенных температурных условиях ^[5-10]. Важнейшей характеристикой ледяного покрова является его площадь. Площадь морских льдов испытывает изменения во времени: сезонные, межгодовые и многолетние. Изучение временных и пространственных изменений площади распространения морских льдов и причин, их вызывающих, составляет одну из наиболее актуальных задач криолитологии и морского ледоведения ^{[5, 7-9]}.

Изменение площади морских льдов в разных районах Арктики определяется многими факторами, которые связаны с географическим положением региона и характерными для него особенностями циркуляционных процессов в атмосфере ^[11], морских течений и в приходе солнечной радиации. Одним из факторов динамики площади морских льдов также является их состояние (объем). Многолетние и однолетние морские льды по-разному откликаются на внешние воздействие.

Ранее нами были найдены тесные связи между многолетними изменениями площади морских льдов и многолетними изменениями инсоляционной контрастности в Северном полушарии ^{[12, 13]}. Инсоляционная контрастность (ИК) – это разность солнечной радиации, поступающей за год в область, являющуюся источником тепла (0° с.ш. – 45° с.ш.) и поступающей в область стока тепла (45° с.ш. – 90° с.ш.). Однако, в отдельных районах Арктики многолетние и межгодовые изменения в динамике площади морских льдов на фоне общей тенденции к сокращению имеют и различия. Цель работы – определить для отдельных районов Арктики, отклики изменения площади морских льдов на инсоляционный фактор. Это, таким образом, также позволит определить суммарную роль других факторов в динамике площади морских льдов для отдельных районов Арктики.

Для изучения этих откликов в работе используются выполненные ранее расчеты инсоляции Земли ^[2-4]. Также исследуются региональные связи в изменении площади морских льдов с целью определения алгоритма прогноза площади морских льдов и районов его возможного применения. Для этого анализировались корреляционные связи между показателями площади морских льдов в 9-ти районах Арктики (Баренцево и Карское моря – суммарно, Гренландское море, море Баффина, Берингово море, Охотское море, Гудзонов залив, залив Св. Лаврентия, заливы и проливы Канадского арктического архипелага, Арктический океан – центральная часть СЛО). Также анализировалась динамика площади морских льдов для всего Северного полушария.

Исходными данными по динамике площади морских льдов в Арктике были результаты спутниковых наблюдений, размещенные на электронном ресурсе Национального центра по изучению снега и льда ^[14]. Эти данные охватывали период с 1979 по 2012 гг.

Результаты и их обсуждение

Анализ региональных связей в многолетних изменениях месячных значений площади морских льдов

Для каждого региона исследовались внутренние региональные связи между многолетними рядами среднемесячных значений площади морских льдов. Например, определялся уровень корреляционной связи площади морских льдов в регионе за январь для периода с 1979 по 2012 гг. с данными за февраль, март и т.д. Далее февральские данные сравнивались с мартовскими, апрельскими и т.д. Такой последовательный корреляционный анализ проведен для каждого региона. Выявлены тесные внутренние связи в многолетней изменчивости месячных значений площади морских льдов в отдельных регионах. В табл. 1 приведены результаты, отражающие связи между многолетними рядами последовательных месяцев года (связь последующего месяца с предшествующим). По этому показателю исследованные регионы делятся на три группы с характерными, для каждой категории, типами связи.

Табл. 1. Значения коэффициента корреляции между многолетними рядами последовательных месячных значений площади морских льдов в отдельных регионах Арктики. Все значения коэффициента корреляции достоверны с вероятностью 0,99.

Примечание: в столбце 2 – коэффициент корреляции многолетних изменений площади морских льдов в январе с многолетними изменениями в феврале.

Первый тип – тесная связь в первой половине календарного года (январь – май). Это период максимального развития площади морских льдов (включая максимум – март). Он характерен для Охотского моря, Берингова моря и залива Св. Лаврентия. Следует отметить, что только в этих из всех исследуемых регионов в летние месяцы (август – сентябрь) морской лед тает полностью.

Второй тип – тесная связь во вторую половину года. Она отмечается для Гудзонова залива, Арктического океана и Канадского архипелаг. На этот период приходится минимум морских льдов (сентябрь).

Третий тип – тесная связь площади морских льдов в последовательные месяцы года характерна для всего года. Этот тип связи характерен для моря Баффина, Гренландского моря, Карского и Баренцева морей (суммарно).

Кроме найденных связей в многолетней изменчивости последовательных месяцев, определены тесные (внутренние региональные) связи и между другими многолетними месячными значениями площади морских льдов. Для этого определялась корреляция между многолетним рядом январских значений площади морского льда в регионе с рядами февральских, мартовских и т.д. значений. Далее многолетние месячные значения февраля сравнивались с мартовскими, апрельскими и т.д. Такой корреляционный анализ выполнен для каждого региона, что позволило определить характер внутренних региональных связей в динамике площади морских льдов (табл. 2). Число связей рассчитано только для коэффициента корреляции превышающего 0,6.

Табл. 2. Общее число связей в многолетней изменчивости месячных значений площади морских льдов и среднее значение коэффициента корреляции для отдельных районов Арктики.

Сходные, с приведенными в табл. 1, типы связи отмечаются и для значений межгодовой изменчивости месячных значений площади морских льдов. Связи определялись для последовательных месяцев (табл. 3).

Табл. 3. Значения коэффициента корреляции между многолетними рядами межгодовой изменчивости последовательных месячных значений площади морских льдов в отдельных регионах Арктики

Указаны значения R>0,6 (со статистической достоверностью 0,99).

Также для каждого региона исследовались связи между многолетними рядами месячных значений площади морских льдов и многолетними рядами межгодовой изменчивости площади морских льдов. Тесные связи между ними обнаруживаются только для районов с первым и вторам типами связи между многолетними рядами межгодовой изменчивости последовательных месячных значений площади морских льдов. В регионах с третьим типом, связи между многолетними рядами месячных значений площади морских льдов и многолетними рядами межгодовой изменчивости площади морских льдов не выявлены (табл. 4).

Табл. 4. Значения коэффициента корреляции (>0,6) между многолетними рядами последовательных месячных значений межгодовой изменчивости площади морских льдов в отдельных регионах Арктики.

При этом для первого типа связи здесь связь проявляется в течение всего года (исключая период полного исчезновения льда летом). Для второго типа тесная связь отмечается в первой половине года.

Анализ межгодовой изменчивости площади морских льдов в годовом ходе

Анализировался годовой ход межгодовой изменчивости площади морских льдов. Амплитуда межгодовой изменчивость определялась средним модулем разности текущего и среднего многолетнего для месяца значения площади морских льдов. Делением полученных среднемесячных значений амплитуды (среднего модуля разности) на среднее многолетнее месячное значение площади морских льдов рассчитывалась амплитуда межгодовой изменчивости для каждого месяца года в процентах (табл. 5).

Табл. 5. Амплитуда межгодовой изменчивости площади морских льдов, % от среднемноголетней месячной площади льда в регионе (годовой ход межгодовой изменчивости)

Максимальные амплитуды в % совпадают с минимальными значениями площади морского льда. Это может быть связано с тем, что относительные величины амплитуды определяются делением ее абсолютных значений на среднюю многолетнюю площадь, которая минимальна в этот период (рис. 1).

Рис. 1. Годовой ход амплитуды межгодовой изменчивости месячных значений площади морских льдов в отдельных районах Северного полушария (в %).

Из полученных результатов следует, что в трех регионах (Канадский архипелаг, Арктический океан и Гудзонов залив в первую половину года площадь морских льдов, в общем, остается постоянной, как год от года, так и в течение многих лет). Для Канадского архипелага и Арктического океана отмечаются минимальные значения межгодовой изменчивости площади морских льдов (менее 20%). Межгодовые и многолетние изменения площади морских льдов в этих (консервативных) районах связаны с летним полугодием. Межгодовая изменчивость отмечается для всех месяцев года в Охотском, Гренландском (здесь ее амплитуда не превышает 30%), Беринговом морях и в заливе Св. Лаврентия. Максимальные относительные значения амплитуды межгодовой изменчивости (более 50%) отмечаются в Баренцевом и Карском морях и в Беринговом море (рис. 1), то есть в пограничных районах СЛО с Атлантическим и Тихим океанами.

Определялась корреляционная связь годового хода амплитуды межгодовой изменчивости (месячных значений) площади морских льдов между регионами (по значениям, приведенным в табл. 5). Тесные межрегиональные связи для морей, на которых лед в летний период не исчезает полностью, представлены в табл. 6.

Табл. 6. Значения коэффициента корреляции (>0,6) между годовым ходом амплитуды межгодовой изменчивости месячных значений площади морских льдов в отдельных регионах Арктики.

Примечание: 1 – Гудзонов залив, 2 – море Баффин, 3 – Гренландское море, 4 – Карское и Баренцево моря, 5 – Арктический океан. 6 – Канадский архипелаг, 7 – Северное полушарие.

Наиболее тесные связи в годовом ходе амплитуды межгодовой изменчивости характерны для Карского и Баренцева моря с Арктическим океаном и Канадским архипелагом, которые также тесно связаны между собой.

Анализ откликов в динамике площади морских льдов на изменение инсоляции в годовом ходе

Для определения отклика изменения площади морских льдов на изменение инсоляции анализировалась связь годового хода площади морских льдов в отдельных регионах с годовым ходом инсоляции Северного полушария (рис. 2).

Рис. 2. Годовой ход инсоляции Вт/м².

Наиболее тесная связь отмечается при сдвиге по фазе многолетних рядов месячных значений площади морского льда (за период с 1979 по 2012 гг.) на 2 месяца (июньские значения инсоляции в этом случае сопоставляются с августовскими значениями площади морского льда). При сдвиге на 3 месяца (июньские значения инсоляции в этом случае сопоставляются с сентябрьскими значениями площади морского льда) связь становится слабее (табл. 7).

Табл. 7. Связь годового хода площади морских льдов с годовым ходом инсоляции Северного полушария

По представленным в табл. 7 результатам выделяются три группы с различной степенью связи. Максимально тесная связь с годовым ходом инсоляции характерна для Охотского, Берингова морей, моря Баффина и Северного полушария в целом.

Тесные связи отмечаются для залива Св.Лаврентия, Гудзонова залива, Гренландского моря, Карского и Баренцево морях. Менее тесные связи отмечаются для Арктического океана и Канадского архипелага (наиболее инертные с мощными многолетними льдами).

Годовой ход площади морских льдов в арктических регионах представлен на рис. 3.

Рис. 3. Годовой ход площади морских льдов в отдельных районах Северного полушария (км²)

Из рис. 3 также следует, что наиболее консервативные районы в Арктике – Канадский арктический архипелаг и Арктический океан (здесь площадь морских льдов почти не меняется или мало меняется летом). Отдельный тип – Охотское море, Берингово море и залив Св. Лаврентия. – в этих районах морской лед в летний период исчезает полностью. Еще один тип – море Баффина, Гренландское море, Карское и Баренцево моря, Гудзонов залив и все Северное полушарие в целом (летом площадь морского льда заметно сокращается, но он не исчезает полностью).

Определялась связь между площадью морских льдов (рис. 3) и межгодовой изменчивостью площади морских льдов (рис. 1) в годовом ходе (табл. 8).

Табл. 8. Значения коэффициента корреляции площади морских льдов и межгодовой изменчивости площади морских льдов в годовом ходе.

По характеру связи в арктическом регионе также выделяются определенные ранее группы районов. Консервативные районы (Канадский архипелаг, Арктический океан) с максимальными значениями коэффициента корреляции. Мобильные районы (Охотское и Берингово моря, залив Св. Лаврентия) с минимальными значениями коэффициента корреляции межгодовой изменчивости площади морских льдов и площади морских льдов в годовом ходе. Для остальных районов характерны тесные связи межгодовой изменчивости площади морских льдов и изменением площади морских льдов в годовом ходе (табл. 8).

Анализ откликов многолетних изменений месячных значений площади морских льдов, на изменение инсоляционной контрастности

Анализировалась связь многолетних изменений месячных значений (многолетние ряды январских значений, февральских и т.д.) площади морских льдов (за период с 1979 по 2012 гг.) в регионах с ИК (инсоляционная контрастность) в СП. Напомним, что ИК – это разность солнечной радиации, поступающей за год в область, являющуюся источником тепла (0° с.ш. – 45° с.ш.) и поступающей в область стока тепла (45° с.ш. – 90° с.ш.). Таким образом, были определены региональные отклики изменения площади морских льдов на многолетние изменения годовой ИК Северного полушария (табл. 9).

Табл. 9. Значения коэффициента корреляции многолетних изменений годовых ИК для Северного полушария и многолетних месячных значений площади морского льда в отдельных районах Арктики (R>0,6)

Для многолетних рядов годовых значений площади морского льда (рис. 4) тесная связь с годовой ИК в Северном полушарии отмечается для Гудзонова залива (-0,768), моря Баффина (-0,662), Гренландского моря (-0,714), Арктического океана (-0,761), Северного полушария (-0,895). Ранее тесные отрицательные связи с годовой ИК Северного полушария были обнаружены в динамике баланса массы льда в ледниковых районах Северного полушария ^[15].

Рис. 4. Многолетняя изменчивость годовой площади морских льдов в отдельных районах Арктики

Определялась корреляционная связь между многолетними рядами годовых значений площади морских льдов отдельных регионов. В парной корреляции тесные связи отмечаются Гудзонов залив – море Баффина (0,777), Гудзонов залив – Канадский архипелаг (0,659), Гудзонов залив – Северное полушарие (0,712). Море Баффина также тесно связано с заливом Св. Лаврентия (0,642) и Северным полушарием (0.669). Гренландское море связано с Карским и Баренцевым морями (0,601) и Северным полушарием (0,717). Карское и Баренцево моря тесно связаны с Арктическим океаном (0,749) и с Северным полушарием (0,869). Арктический океан связан с Северным полушарием (0,898).

Найденные внутри региональные и межрегиональные связи важны для прогноза и понимания особенностей сезонной. межгодовой и многолетней динамики площади морских льдов в различных районах Арктики.

По результатам проведенного в работе анализа можно сделать следующие выводы:

1) В отдельных регионах Арктики определены уровни внутренних региональных связей между многолетними месячными изменениями. Так в море Баффина выделяются 39 тесных корреляционных связей между рядами многолетних месячных значений со средним коэффициентом корреляции (R), равным 0,754. Для Гренландского моря определяется 32 корреляционные связи со средним R, равным 0,750. Тесная связь между многолетними месячными изменениями установлена для Карского и Баренцева морей – 58 связей, со средним R, равным, 0,758. Для общей площади морских льдов всего Северного полушария отмечается тесная связь для всех многолетних рядов месячных значений площади морских льдов (66 корреляционных связей со средним значением R, равным 0,818).

2) Определены особенности в годовом ходе амплитуды межгодовой изменчивости месячных значений площади морского льда для отдельных районов Арктики. Найдены межрегиональные связи в годовом ходе амплитуды межгодовой изменчивости.

3) Для многолетних рядов годовых значений площади морских льдов тесная связь с годовой ИК отмечается для Гудзонова залива, (R = -0,768), моря Баффина (-0,662), Гренландского моря (-0,714), Арктического океана (-0,761), СП (-0,895).

4) Определены тесные связи между многолетними месячными значениями площади морских льдов и ИК (табл. 8). В Беринговом море тесные связи с ИК отмечаются для июльских, сентябрьских и октябрьских значений площади льда (среднее значение R = -0,819). В заливе Св. Лаврентия тесная связь отмечается для июня (R = -0,675), в Гудзоновом заливе с мая по декабрь (R = -0,694), в Арктическом океане с июля по ноябрь (R = -0,721), в море Баффина в июне, июле, ноябре и декабре (R = -0,719). В Гренландском море тесная связь отмечается с февраля по апрель и в ноябре (R = -0,682). В Карском и Баренцевом морях тесные связи характерны для января, марта, с июня по август, ноября и декабря (R = -0,7). Для Северного полушария тесная связь отмечается между всеми многолетними рядами месячных значений площади морских льдов (среднее значение R = -0,826).

5) На основе найденных связей предложен алгоритм оценочного прогноза изменения площади морских льдов. Для прогноза, например, многолетних месячных значений по ИК перспективными (по отклику) представляются районы с тесными связями изменения площади морских льдов с ИК Северного полушария. В этом случае изменение площади морских льдов прогнозируется по рассчитанным ранее значениям ИК на основе регрессионной модели. Для многолетних рядов месячных значений площади морских льдов, для которых связь с ИК слабая, прогноз осуществляется на основе найденных в регионе связей между многолетними рядами месячных значений. На этом этапе оценочный прогноз осуществляется (также по регрессионной модели) на основе выполненного прогноза многолетнего ряда месячных значений для ряда, с тесной корреляционной связью с ИК. Таким образом, многолетние оценочные прогнозы для региона выполняются по найденным связям многолетних рядов с ИК (для тех рядов, для которых такие связи определены). Далее прогнозы осуществляются по связям многолетних рядов месячных значений площади морских льдов, выявленных в регионе.

Заключение

На основе анализа внутренних связей многолетних и внутригодовых изменений площади морских льдов в регионах Арктики, а также их связей с инсоляцией и ИК предложен алгоритм оценочного прогноза изменения площади морских льдов в отдельных районах Арктики и Северного полушария в целом.

Перспективными районами для прогноза многолетних изменений площади морских льдов по ИК и внутригодовым связям являются: море Баффина, Гренландское море, Карское и Баренцево моря и Северное полушарие в целом.