В статье приводятся новые данные измерений толщины ровного дрейфующего льда (вне торосистых образований) на участке Земля Франца-Иосифа – Северный полюс в летний период (июль-август). Измерения проводились в 2006–2009 гг. с борта российских судов и ледоколов с помощью разработанного в Арктическом и антарктическом институте цифрового телевизионного комплекса. Общий объем данных составляет более 55 000 измерений толщины льда. Проведенное сравнение данных наблюдений, полученных в 1990-х годах, перед началом современного потепления Арктики, с данными, собранными в 2006–2009 гг. показало уменьшение средней толщины льда на 33 %. Одновременно с этим в период 2006–2009 гг. зафиксировано существенное снижение количества старых льдов в Арктическом бассейне. Уменьшение толщины однолетних льдов в период 2006–2009 гг. достигло 21 %, а старых льдов – 7–13 %. Выполненное исследование позволяет утверждать, что на общее распределение толщины льда в Арктическом бассейне главным образом влияет соотношение однолетних и старых льдов в районе, что в свою очередь обусловливается циркуляцией льдов в бассейне под воздействием атмосферных процессов.
Основной источник данных о характеристиках ледяного покрова – искусственные спутники Земли (ИСЗ) – не позволяют получить надежные значения такого важного индикатора современных климатических изменений, как толщина льда. Данные ИСЗ используются преимущественно для оценки изменчивости площади, занятой льдом. Поскольку измерения толщины льда контактным методом (бурением) в последние годы носят эпизодический характер и осуществляются в локальных районах, основное внимание на современном этапе уделяется развитию дистанционных неконтактных методов ее измерений: аппаратурой, установленной на летательных аппаратах, подводных лодках и заякоренных подледных установках (Proceedings, 2005). В то же время появляется все больше возможностей для попутных измерений с борта ледоколов и судов активного ледового плавания по мере увеличения количества плаваний в высоких широтах.
В связи с продолжающейся дискуссией о величине и причинах изменения толщины льда в Арктическом бассейне на протяжении последних 50 лет (Lemke and Reu, 2007), результаты судовых наблюдений и измерений представляют особый интерес. Основные оценки изменений толщины льда в Арктическом бассейне, представленные в работах (Belchansky et al., 2008; Laxon et al., 2003; McLaren et al., 1994; Rothrock et al., 1999; Shy and Walsh, 1996; Tucker et al., 2001; Winsor, 2001) носят неоднозначный характер. Эти оценки основаны по большей части на данных измерений осадки льдов, под которыми проходили маршруты плавания подводных лодок (ПЛ). Измерения, проводимые с подводных лодок, заключаются в регистрации осадки дрейфующего льда, включая кили торосистых гряд, что не всегда позволяет достаточно уверенно оценить непосредственно толщину ровного льда естественного нарастания.
В работе (Kwok and Rothrock, 2009) выполнено обобщение и сравнение данных о толщине льда в Арктике, полученных за период 1958–2008 гг. (ПЛ 1958–1976 гг., 1993–1997 гг. и ИСЗ ICESat 2003–2008 гг.). Толщина льда по данных ICESat 2003–2008 гг. уменьшилась по сравнению с данными ПЛ 1958–1976 гг. на 1,6 м или на 53 %, а по сравнению с данными ПЛ 1993–1997 гг. – на 0,2 м или на 12 %. Также в работах (Kwok et al., 2009; Kwok and Rothrock, 2009) указывается на существенное уменьшение средней толщины льда с 2003 г по 2008 г по данным ICESat, обусловленное значительным снижением количества многолетних льдов в Арктическом бассейне.
В контексте неоднозначных оценок произошедших изменений в толщине льдов Арктического бассейна необходимы оценки на основе новых источников данных, какими являются измерения толщины льда с борта судна по протяженным маршрутам плавания с помощью разработанного в 2004 г. в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) телеметрического комплекса.
Целью внедрения цифрового телевизионного комплекса (далее ТК) в практику специальных судовых ледовых наблюдений является получение достоверного, статистически значимого массива данных наблюдений за толщиной льда на пути плавания судна. Основная задача решаемая с помощью ТК – автоматизация части трудоемких наблюдений, их унификация и исключение влияния субъективных факторов на объем и качество ледовых наблюдений. ТК представляет собой стандартную систему видеоконтроля, адаптированную специалистами ААНИИ для специфических условий судовых ледовых наблюдений.
В 2004–2009 гг. ТК использовался в высокоширотных экспедициях в Арктическом бассейне на борту НЭС «Академик Федоров» и атомных ледоколов (Фролов С. и др., 2007; Фролов С. и др., 2009). ТК предоставляет возможность оценить толщину ровного льда (вне торосистых образований). Полученные в результате первичной обработки видеоматериалов файлы обрабатываются с помощью прикладного программного обеспечения (ПО), разработанного специалистами ААНИИ. ПО для автоматизированной компьютерной обработки изображений ледяного покрова (определения толщины льда по «выворотам» льдин, рис. 1) создано в интегрированной среде приложений Microsoft Visual Basic 6.0. Разработанное ПО позволяет оператору щелчком курсора мыши обозначить на изображении начало и конец проходящей поперек выворота льдины линии, а система автоматически определяет толщину измеряемой льдины.
Рис. 1. Пример снимка выворота льдины, пригодного для обработки
Сравнение фактических значений толщины льда и их измерений с помощью ТК, показало, что различия не превышают 3,8 %.
В настоящей работе использованы данные измерений, выполненных во время плаваний российских ледоколов и судов только по маршруту Земля Франца-Иосифа – Северный полюс, пересекающему западную часть трансарктического дрейфа льдов – одного из главных элементов циркуляции льдов в Арктическом бассейне. Плавания ледоколов в летний период по этому маршруту регулярно осуществляются с 1990 г., что позволило получить достаточно представительный материал для оценки климатических изменений толщины льда (Бузуев и др., 2000).
Рис. 2. Маршруты плаваний судов, выполненных в июле-августе 2006–2009 гг.
Для выполнения работы были использованы данные измерений толщины льда с использованием ТК, полученные в следующих плаваниях судов в Арктическом бассейне (рис. 2):
– туристический рейс атомного ледокола «Ямал», июль 2006 г.;
– туристический рейс атомного ледокола «Ямал», август 2006 г.;
– высокоширотная экспедиция ААНИИ на борту НЭС «Академик Федоров» «Арктика 2007», июль-август 2007 г.;
– два туристических рейса на борту атомного ледокола «50 лет Победы», июль 2008 г.;
– два туристических рейса на борту атомного ледокола «50 лет Победы», август 2008 г.;
– два туристических рейса на борту атомного ледокола «50 лет Победы», июль 2009 г.;
Общий объем данных, полученных в этих рейсах, составляет более 55 000 измерений толщины льда.
До внедрения в практику ТК в 2004 г., важным источником информации о толщине льда в Арктическом бассейне являлись данные визуальных судовых ледовых наблюдений. Для оценки изменений толщины льда в Арктическом бассейне в летний период использована база данных ледовых условий плавания, сформированная в ААНИИ. База данных включает в себя результаты визуальных судовых специальных ледовых наблюдений, выполненных в процессе проведения высокоширотных плаваний отечественных и зарубежных ледоколов и судов ледового плавания за период 1977–2009 гг. Для анализа использованы результаты наблюдений, выполненных только на участке Земля Франца-Иосифа – Северный полюс.
Предваряя анализ климатических изменений толщины льда, следует отметить, что избирательный характер движения ледокола (судна) во льдах Арктического бассейна прежде всего зависит от возможности использования нарушений сплошности ледяного покрова (разрывов, трещин, каналов, разводий) с чистой водой или покрытых начальными и молодыми льдами. Кроме того, опыт ледового плавания в Арктическом бассейне показывает, что судоводителю очень трудно отличить однолетние толстые и старые льды, характерные для этого бассейна (в отличие от ледяного покрова трассовой части Северного морского пути) по состоянию их верхней поверхности. При движении судна в отсутствие нарушений сплошности в ледяном покрове судоводитель отдает предпочтение более ровным льдам, вне зависимости от их кажущегося возраста.
Таким образом, исключить влияние избирательного характера движения ледокола (судна) при оценке распределения толщины льда, возможно используя следующие процедуры:
– приведение сплоченности льда к 10 баллам (исключение протяженности пути плавания по чистой воде);
– исключение в оценке распределения толщины льда начальных и молодых льдов (толщиной до 30 см);
– оценка распределения толщины только ровного льда (вне торосистых образований), что предусмотрено методиками выполнения визуальных судовых специальных ледовых наблюдений и производства измерений с помощью ТК.
На общем распределении толщины льда на пути плавания ледоколов отражается различное сочетание количества однолетних и старых льдов в районе. В июле-августе 2006 г. кромка старых льдов занимала северное положение – на меридианах 40°–50° в.д. она находилась на 87° с.ш., количество старых льдов севернее указанной широты, вплоть до Северного полюса, не превысило 5 баллов. В результате этого количество старых льдов на пути плавания ледокола в 2006 г. составило 13 %.
В летний период 2007 г. старые (двухлетние) льды были зафиксированы к северу от 87°58´ с.ш. Их количество на пути плавания к Северному полюсу не превышало 3 баллов. Количество старых льдов на пути плавания судна в 2007 г. составило только 4 %. В 2008 году старые льды протягивались полосой от пролива Фрама к архипелагу Северная Земля, и в районе между Землей Франца-Иосифа и Северным полюсом полоса старых льдов располагалась между 82° и 85° с.ш. Количество старых льдов на пути плавания судна в 2008 г. составило 5 %. В летний период 2009 г. двухлетние льды были отмечены севернее 86° с.ш. Их количество на пути плавания к Северному полюсу не превышало 3–5 баллов. Количество старых льдов на пути плавания судна в 2009 г. увеличилось до 7 %.
Сравнение распределений толщины льда, полученных в июле 2006–2009 гг. с данными за период 1991–1996 гг. показывает, что в 2006–2009 гг. средняя толщина льда на пути плавания уменьшалась (рис. 3, табл. 1). Средняя толщина льда на всем протяжении маршрута в июле 1991–1996 гг. составила 188 см, в июле 2006 г. – 156 см (уменьшение на 17 %), в июле 2007 г. – 124 см (уменьшение на 34 %), в июле 2008 г. – 128 см (уменьшение на 32 %), в июле 2009 г. – 125 см (уменьшение на 33 %). В летний период 2008 и 2009 гг. средняя толщина льда по сравнению с летом 2007 г. практически не изменилась.
Рис. 3. Общее распределение толщины ровного льда на пути плавания судов в июле 2006–2009 гг.
Очевидно, что уменьшение толщины льда характерно как для однолетних, так и старых льдов. Однако уменьшение толщины однолетних льдов в этот месяц более существенно, чем уменьшение толщины старых льдов (табл. 1, 2; рис. 4, 5).
Таблица 1. Средняя толщина льдов различного возраста в Арктическом бассейне на участке Земля Франца – Иосифа – Северный полюс в июле 2006–2009 гг. и за период 1991–1996 гг.
Таблица 2. Изменение толщины льдов различного возраста в Арктическом бассейне на участке Земля Франца-Иосифа – Северный полюс в июле 2006–2009 гг. по сравнению с периодом 1991–1996 гг.
Рис. 4. Распределение толщины однолетних льдов на пути плавания в июле 2006–2009 гг.
Рис. 5. Распределение толщины старых льдов на пути плавания судов в июле 2006–2009 гг.
Сравнение общего распределения толщины льда в августе 2006, 2007, 2008 гг. и в период 1990–2004 гг. показывает, что в этот месяц (период максимального разрушения ледяного покрова в Арктическом бассейне) изменения толщины носят более существенный характер (рис. 6, табл. 3).
Рис. 6. Общее распределение толщины льда на пути плавания судов в августе 2006–2008 гг.
Средняя толщина льда на всем протяжении маршрута в августе 1988–2004 гг. составила 200 см, в августе 2006 г. – 136 см (уменьшение на 32 %), в августе 2007 г. – 116 см (уменьшение на 42 %), в августе 2008 г – 121 см (уменьшение на 39 %).
Наблюдаемая величина уменьшения однолетних и старых льдов в августе 2006, 2007 и 2007 г. по отношению к среднемноголетним значениям практически одинакова (табл. 3, 4, рис. 7, 8). Однако следует отметить, что уменьшение толщины однолетних льдов в августе 2007 и 2008 гг. более значимо, чем в августе 2006 г. (27 см, 30 см и 15 см соответственно).
Таблица 3. Средняя толщина льдов различного возраста в Арктическом бассейне на участке Земля Франца-Иосифа – Северный полюс в августе 2006–2008 г. и за период 1990–2004 гг.
Таблица 4. Изменение толщины льдов различного возраста в Арктическом бассейне на участке Земля Франца-Иосифа – Северный полюс в августе 2006–2008 г. по сравнению с периодом 1990–2004 гг.
Рис. 7. Распределение толщины однолетних льдов на пути плавания судов в августе 2006–2008 гг.
Рис. 8. Распределение толщины старых льдов на пути плавания судов в августе 2006–2008 гг.
Исследования, проведенные в последние годы в ААНИИ (Гудкович и Ковалев, 2002; Фролов И. и др., 2005; Фролов И. и др., 2007), свидетельствуют, что причинами обнаруженных изменений толщины льда являются в первую очередь не термодинамические процессы, обусловленные глобальным антропогенным потеплением климата, а преимущественно процессы динамические. Последние связаны со сравнительно кратковременными изменениями атмосферной циркуляции, определяющими процессы адвекции, торошения и разрежения ледяного покрова. Расчеты, основанные на аппроксимации полей векторов результирующего дрейфа льда за длительные отрезки времени двумерным полиномом третьей степени, показали, что при пониженной остаточной ледовитости морей, расположенных к востоку от Северной Земли, в результате дрейфа льдов за 1–2 года в приполюсный район, где обычно располагаются старые льды, приходят однолетние и двухлетние льды толщиной 1,5–2,5 м. Вследствие этого здесь отмечается значительное уменьшение толщины льда, которое в течение нескольких лет сменяется восстановлением присущего данному региону состояния ледяного покрова.
Данные о распределении толщины льда, выполненные посредством визуальных судовых ледовых наблюдений и измерений с использованием цифрового телевизионного комплекса, разработанного в ААНИИ, в летний период 2006–2009 гг., позволяют сделать следующие выводы:
1. В период 2006–2009 гг. происходило уменьшение средней толщины льда в районе плавания судов от Земли Франца – Иосифа к Северному полюсу в летний период по сравнению с данными 1990–х годов. Максимальное уменьшение средней толщины льда зафиксировано в 2007 г.: 34 % в июле и 42 % в августе.
2. В летний период 2008 и 2009 гг. средняя толщина льда по сравнению с летом 2007 г. практически не изменилась.
3. Наибольшее изменение толщины в 2006–2009 гг. наблюдалось у ровных однолетних льдов – до 21 %. Уменьшение толщины ровных старых льдов составило 7–13 %.
4. Выполненное исследование позволяет утверждать, что на общее распределение толщины льда в Арктическом бассейне главным образом влияет соотношение однолетних и старых льдов в районе, что в свою очередь обуславливается циркуляцией льдов в бассейне под воздействием атмосферных процессов.
5. Применение комплекса позволяет собирать обширные массивы данных о толщинах льда на маршрутах, пересекающих Арктический бассейн. Данное техническое решение является перспективным направлением для автоматизации процесса наблюдений за толщиной льда с борта судов.
Бузуев и др., 2000: Бузуев А.Я., Фролов С.В., Юлин А.В. Выдающиеся морские плавания в морях Сибирского шельфа и Арктическом бассейне во второй половине XX века. Труды шестой Международной конференции по судам и морским конструкциям в холодных регионах, ICETECH`2000, СПб, 2000. С. 79–83.
Гудкович и др., 2002: Гудкович З.М., Ковалев Е.Г. Колебания ледовитости российских арктических морей в XX в. и оценка ее возможных изменений в XXI в. – Научно-практическое совещание «Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктике и замерзающих морях» (Санкт-Петербург, 27–29 марта 2002 г.) Доклады, СПб, 2002., С. 36–45.
Фролов И. и др., 2007: 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.
Фролов И. и др., 2005: Фролов И.Е., Гудкович З.М., Радионов В.Ф., Тимохов Л.А., Широчков А.В. Научные исследования в Арктике //Том 1. Научно-исследовательские дрейфующие станции «Северный полюс». СПб.: Наука, 2005. –267 с.
Фролов С. и др., 2007: Фролов С.В., А.Э. Клейн, В.Ю. Третьяков. Результаты использования цифрового телевизионного комплекса для измерения толщины льда в Арктическом бассейне в 2004–2005 гг. Проблемы Арктики и Антарктики, 2007, № 75, С. 123–127.
Фролов С. и др., 2009: Фролов С.В., Федяков В.Е., Третьяков В.Ю., Клейн А.Э., Алексеев Г.В. Новые данные об изменении толщины льда в Арктическом бассейне. Доклады Академии Наук, 2009, том 425, № 1, С. 104–108.
Belchansky et al., 2008: Belchansky G. I., Douglas D. C., Platonov N. G. Fluctuating Arctic Sea Ice Thickness Changes Estimated by an In Situ Learned and Empirically Forced Neural Network Model. Journal of Climate, 2008, V. 21, P. 716–729.
Kwok et al., 2009: Kwok, R., G. F. Cunningham, M. Wensnahan, I. Rigor, H. J. Zwally, and D. Yi. Thinning and volume loss of the Arctic Ocean sea ice cover: 2003–2008, J. Geophys. Res., 2009, 114, C07005, doi:10.1029/2009JC005312.
Kwok and Rothrock, 2009: Kwok, R. and D.A. Rothrock. Decline in Arctic sea ice thickness from submarine and ICESat records: 1958–2008, Geophys. Res. Lett., 2009, 36, L15501, doi:10.1029/2009GL039035.
Laxon et al., 2003: Laxon, S., N. Peacock, and D. Smith. High interannual variability of sea ice thickness in the Arctic region. Nature, 2003, V. 425, P. 947–950.
Lemke and Reu, 2007: Lemke P., Reu Y. IPCC 2007.WG1 Rep. Ch. 4 Observations: Changes in Snow, Ice and Frozen Ground. Cambridge; N.Y.: Cambridge. P. 352–354.
McLaren et al., 1994: McLaren, A.S., R.H. Bourke, J.E. Walsh, and R.L. Weaver. Variability in sea – ice thickness over the North Pole from 1958 to 1992. In: The Polar Oceans and Their Role in Shaping the Global Environment [Johannessen, O.M., R.D. Muench, and J.E. Overland (eds.)]. American Geophysical Union, Washington, DC, 1994, P. 363–371.
Proceedings, 2006: Proceedings of the International Workshop on Arctic Sea Ice Thickness: Past, Present and Future. Rungstedgaard, 8–9 November 2005 / P. Wadhams, G. Amanatidis. Eds. // Climate Change and Natural Hazards Ser. 2006. ‹ 10. 293 p.
Rothrock et al., 1999: Rothrock, D.A., Yu Y., and Mayku G.A. Thinning of the Arctic sea ice cover. Geophys. Res. Lett., 1999, V. 26(23), P. 3469–3472.
Shy and Walsh, 1996: Shy T.L. and Walsh J.E. North Pole Ice Thickness and association with ice ocean history 1977–1992, 1979–1986, – Geophys. Res. Lett., 23, – p.2975–2978, 1996.
Tucker et al., 2001: Tucker, W.B. Weatherly J. W., Epple D. T., et al. Evidence for the rapid thinning of sea ice in the western Arctic Ocean at the end of the 1980s. Geophys. Res. Lett., 2001, V. 28(14), P. 2851–2854.
Winsor, 2001: Winsor, P. Arctic sea ice thickness remained constant during the 1990s. Geophys. Res. Lett., 2001, V. 28(6), P.1039–104.
Abstract
New sea ice thickness data were obtained in the area between the Franz Josef Land and the North Pole. The digital TV – complex, developed in the Arctic and Antarctic Research Institute, was installed onboard the Russian vessels and icebreakers in July-August 2006–2009. As a result, more than 55 000 measurements of the level ice thickness were done. Comparison of shipborne observations, gathered in 1990th, before the period of global climate warming, with new data, gathered during the warming period in 2006–2009, indicates that average thickness of the drifting ice in research area decreased on 33 %. As well less amount of old ice was observed in 2006–2009. Generally, amount of one-year ice decreased on 21 %, and old ice – on 7–13 %. It was determined that summer ice melting in 2006 and 2007 corresponds to climate norms. The present research allowed to conclude that total distribution of sea ice thickness in the Arctic Basin mainly influences on proportion between the amount of one year and old ice, what, in turn, is result of the sea ice circulation by the action of atmospheric processes.