Анализ межгодовой изменчивости ледовых условий по маршруту плаваний "порт Сабетта – порт Мурманск" за период 1997-2018 годов

Существуют прогнозы, что к 2050 г. все Баренцево море будет практически свободно ото льда в течение всего года (Smedsrud et al., 2013). В период с 2004 по 2008 г. площадь многолетних льдов в зимний период сократилась на 1,5 млн км2 и составила только одну треть акватории Арктического бассейна (Kwok and Untersteiner, 2011). По данным радиолокационной съемки за последние несколько десятилетий площадь морских льдов в летний период уменьшилась более чем на 30 %. Отмечено снижение средней толщины морских льдов на 40 % (Meier et al., 2014). Уменьшилось количество остаточных льдов, сократились площади ледяных массивов (Карклин и др., 2017; Юлин и др., 2018). К 2099 г. ожидается увеличение среднегодовой температуры поверхностного слоя воды в южной части Баренцева моря до 1 °С (Long and Perrie, 2017). Потепление не обязательно должно быть монотонным: в течение десятилетий могут происходить и понижения температуры (Данилов и др., 2014).

Колебания ледовитости арктических морей в XX в. -- начале XXI в. происходили на фоне линейного тренда потепления. К 2030-2040-м гг. прогнозируются понижение температуры воздуха и увеличение ледовитости, которое будет наиболее заметно в приатлантическом секторе Арктики. Вероятно, продолжатся циклы колебаний ледовитости (Фролов и др., 2011). Современное потепление неизбежно сменится похолоданием климата Арктики (Большиянов и др., 2009). Рациональное природопользование в северных регионах требует знания статистических закономерностей параметров ледяного покрова и тенденций их изменения. Цель данной работы заключалась в анализе межгодовой изменчивости внутригодовой динамики ледовых условий плавания по маршруту «п. Сабетта -- пролив Карские Ворота -- п. Мурманск». 1

Методы

С помощью ряда разработанных на языке Python компьютерных программ в среде ArcGIS выполнена автоматизированная обработка электронных ледовых карт Баренцева и Карского морей формата шейпфайлов (рис. 1). Анализ выполнялся по отдельным декадам месяцев, если по маршруту плаваний присутствовали льды общей сплоченностью 9 и более баллов.

Рис. 1. Карта ледовой обстановки по маршруту плаваний в мае 2018 г.

Рис. 2. Суммарная протяженность участков маршрута в дрейфующих льдах с общей сплоченностью 9 и более баллов и с присутствием толстых льдов в третью декаду мая

Вдоль маршрута плаваний создавались линейные объекты с наследованием атрибутов пересекаемых полигонов ледовых карт, выбор объектов и расчеты их протяженностей. Выделялись объекты с общей сплоченностью дрейфующих льдов 9 и более баллов. Затем из них в отдельные шейпфайлы записывались объекты с наличием льдов: 1) начальных; 2) серых; 3) серо-белых; 4) тонких однолетних; 5) однолетних средней толщины; 6) толстых однолетних; 7) с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов; 8) с суммой частных концентраций средних и толстых однолетних льдов 5 и более баллов (Номенклатура морских льдов, 1974, с. 4-13). При выделении объектов с общей сплоченностью 9 и более баллов исключались участки маршрута, где были только начальные формы льда с толщиной не более 10 см. Рассчитывались протяженности отдельных объектов и суммарные протяженности всех объектов, удовлетворяющих определенным условиям. Шейпфайлы с атрибутами суммарных протяженностей, удовлетворяющие одинаковому условию и относящиеся к одинаковой внутригодовой декаде разных лет, объединялись. Затем атрибутивные таблицы экспортировались в файлы формата Microsoft Excel. Были получены ряды значений межгодовой изменчивости характеристик ледяного покрова для 24 внутригодовых декад с ноября по июнь. Длина рядов составляла 20-22 элемента. На рис. 2 представлен пример ряда межгодовой изменчивости.

В случае отсутствия льдов определенной возрастной категории значение суммарной протяженности участков маршрута с их наличием равно нулю. Протяженность маршрута плавания в сплоченных льдах при наличии льдов определенной возрастной градации -- важный параметр статистической модели оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызываемых сжатиями дрейфующих льдов, методом Монте-Карло (Третьяков и др., 2016). При оценке вероятности аварийной ситуации частная концентрация льдов самой возрастной категории неважна, важен лишь факт их наличия, указывающий на возможность сжатия судна льдами этой категории.

В модели используются статистические распределения протяженностей маршрута в сплоченных льдах с наличием льдов различных возрастных категорий. Поэтому при построении статистических распределений использовались только ненулевые значения протяженностей, а для исследования межгодовой изменчивости -- только те ряды, число ненулевых элементов которых превышало 17.

Выбор этого числа определяется тем, что применение ранговых непараметрических критериев однородности Уилкоксона -- Манна -- Уитни и Зигеля -- Тьюки правомерно лишь при сравнении выборок с числом элементов не менее 8-9. Протяженности маршрута в сплоченных льдах при наличии толстых льдов частной концентрацией 5 и более баллов и при суммарной концентрации толстых и средних однолетних льдов 5 и более баллов являются важными показателями степени трудности плаваний. При анализе межгодовой изменчивости этих показателей учитывались все значения, включая нулевые.

Анализ рядов межгодовой изменчивости выполнен с помощью ряда разработанных в среде Mathcad программ. С помощью метода интегральных кривых выявлялись ряды, подозрительные на неоднородность значений. В случае отсутствия изломов на интегральной кривой при анализе однородности ряд исходных значений делился пополам. При одном изломе ряд делился на два набора значений по времени излома. В случае более одного излома ряд исходных значений подразделялся на две части по времени наиболее выраженного излома. Затем выполнялась проверка нулевой гипотезы о принадлежности обоих наборов данных к одной генеральной совокупности с помощью ранговых непараметрических критериев однородности Уилкоксона -- Манна -- Уитни и Зигеля -- Тьюки с получением величины ее верности в процентах. Однородность ряда свидетельствует об отсутствии существенных изменений значений, неоднородность -- об их наличии. В случае опровержения нулевой гипотезы об однородности ряда хотя бы одним из критериев ряд считался неоднородным.

Если вероятность верности нулевой гипотезы меньше 50 %, то ряд также неоднороден. В табл. 1 приведен пример результатов проверки однородности ряда значений и жирным шрифтом выделены случаи опровержения нулевой гипотезы однородности ряда значений.

Таблица 1. Результаты проверки гипотезы об однородности последовательностей величин суммарных протяженностей отрезков маршрута в дрейфующих льдах сплоченностью 9 и более баллов с присутствием однолетних льдов средней толщины

Всего обработано около 1250 векторных ледовых карт. Сформировано и проанализировано 192 ряда протяженностей маршрута плаваний в сплоченных дрейфующих льдах при наличии льдов различных возрастных категорий. Для анализа использовано около 4 тыс. значений протяженностей пути в дрейфующих льдах.

Результаты

В табл. 2 и 3 приведены обобщенные результаты проверки на однородность подекадных рядов протяженности участков маршрута за 1997-2018 гг., то есть за весь представленный в Архиве электронных ледовых карт Арктического и Антарктического научно-исследовательского института период для оценки степени изменения ледовых условий. Более 72 % рядов являются неоднородными. Максимально неоднородны ряды суммарных протяженностей участков маршрута плаваний с общей сплоченностью льдов 9 баллов и более при существовании начальных льдов в 90 % случаев. Увеличилась сумма протяженностей участков пути в сплоченных льдах с присутствием в ледяном покрове начальных льдов, особенно в марте-мае, при максимальном развитии ледяного покрова и наличии толстых и средних льдов. Участки начальных льдов существенно облегчают условия ледового плавания.

Таблица 2. Однородность рядов протяженности маршрута в дрейфующих льдах со сплоченностью 9 и более баллов

Таблица 3. Однородность подекадных рядов протяженности маршрута в дрейфующих льдах общей сплоченностью 9 и более баллов и с частными концентрациями толстых, а также суммы толстых и средних однолетних льдов 5 и более баллов

При проверке однородности рядов значений протяженностей маршрута в сплоченных дрейфующих льдах с частными концентрациями 5 и более баллов толстых, а также суммы толстых и средних однолетних льдов не учитывались ряды с исключительно нулевыми значениями. Анализировались ряды, имеющие хотя бы одно отличное от нуля значение.

Также высока неоднородность рядов суммарных протяженностей участков маршрута во льдах с общей сплоченностью не менее 9 баллов и с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов: 90 % рядов неоднородны. Выполнены сравнения средних значений 1-й и 2-й частей неоднородных рядов, разделенных по местам изломов на интегральных кривых. Результаты сравнений приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4. Сравнение математических ожиданий 1-й и 2-й подобластей неоднородных рядов суммарных протяженностей маршрута в дрейфующих льдах сплоченностью 9 и более баллов

Таблица 5. Сравнение математических ожиданий 1-й и 2-й подобластей неоднородных рядов суммарных протяженностей маршрута в дрейфующих льдах общей сплоченностью 9 и более баллов и с частной концентрацией толстых, а также суммы толстых и средних льдов 5 и более баллов

Увеличение средних значений наблюдается только для протяженностей пути в сплоченных льдах при наличии начальных льдов, для всех остальных протяженностей средние значения уменьшились.

Из табл. 5 очевидно явное уменьшение протяженности маршрута плаваний в сплоченных льдах с преобладанием толстых и средних льдов, то есть создающих максимальные трудности при проведении морских перевозок.

Выполнены сравнения математических ожиданий разных половин всех рядов протяженностей независимо от их однородности. В табл. 6-8 представлены результаты сравнения средних значений за 1997-2007 и 2008-2018 гг. Символ «+» означает увеличение средней протяженности в 2008-2018 гг. по сравнению с 1997-2007 гг., «-» -- уменьшение, «0» -- отсутствие изменения. Последнее отмечено для случаев нулевых протяженностей в обоих сравниваемых периодах.

Таблица 6. Изменения за 1997-2018 гг. суммарной протяженности участков маршрута в сплоченных льдах при наличии льдов различных категорий возраста

Табл. 6 демонстрирует снижение протяженности маршрута в сплоченных льдах для всего зимнего периода, протяженности маршрута в сплоченных льдах с присутствием толстых льдов -- для всего зимнего периода за исключением третьей декады апреля, для которой отмечено увеличение из-за достижения льдами толщины 120 см в более позднее время. Увеличение протяженности маршрута в сплоченных льдах с присутствием средних однолетних льдов с 3-й декады марта по 3-ю декаду апреля также объясняется сдвигом этапов нарастания толщины льда на более поздние сроки.

Табл. 7 показывает увеличение суммарной протяженности участков маршрута во льдах с общей сплоченностью не менее 9 баллов при наличии начальных льдов, что существенно улучшает условия ледового плавания.

Таблица 7. Изменения за 1997-2018 гг. суммарной протяженности участков маршрута в дрейфующих льдах сплоченностью 9 и более баллов с присутствием льдов

В табл. 8 демонстрируется сокращение для всего зимнего периода протяженности маршрута в сплоченных льдах с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов, то есть участков с самыми суровыми условиями плавания. Наибольшие сокращения отмечены в апреле и мае. На рис. 3 представлена регрессионная зависимость между годом и протяженностью маршрута в сплоченных льдах с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов в первую декаду мая. Очевиден тренд уменьшения значения этого параметра.

Таблица 8. Изменения за 1997-2018 гг. суммарной протяженности участков маршрута в сплоченных льдах при частной концентрации 5 и более баллов

Рис. 3. Протяженность пути в сплоченных льдах с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов в первую декаду мая

Важно отметить, что относительная протяженность, то есть отношение длины пути в сплоченных льдах при наличии льдов определенных возрастных градаций или их определенной частной концентрации к общей протяженности маршрута в сплоченных льдах, может возрастать при уменьшении абсолютной протяженности маршрута в сплоченных льдах. Так, средняя протяженность пути в дрейфующих льдах с общей сплоченностью 9 баллов и более с присутствием толстых однолетних льдов в 3-ю декаду мая уменьшилась с 165 морских миль в 1997-2007 гг. до 156 миль в 2008-2018 гг. При этом относительная протяженность доли маршрута в сплоченных льдах при наличии толстых льдов возросла с 0,40 до 0,49.

Обсуждение результатов

Нулевая гипотеза однородности рядов межгодовой изменчивости подекадных значений суммарных протяженностей участков маршрута, отвечающих определенным ледовым условиям, не подтвердилась более чем в 72 % случаев. При этом количество интегральных кривых протяженностей маршрута в сплоченных льдах с наличием явных изломов составляет 27 % от их общего количества. Максимальное число интегральных кривых с изломами (57 %) отмечено на графиках протяженностей маршрута плаваний в сплоченных льдах с частной концентрацией 5 и более баллов суммы толстых и однолетних льдов средней толщины. Большинство кривых с явными изломами отмечено в ноябрьских декадах. Вероятно, в течение последних 20 лет произошли существенные изменения процессов нарастания толщины льда во время осеннего ледообразования.

Сравнение осредненных протяженностей за первую и вторую половину 19972018 гг. выявило уменьшение протяженности пути в сплоченных льдах для всего срока с ноября по май. Для большинства декад этого периода протяженность маршрута в сплоченных льдах при наличии толстых, средних, тонких однолетних, серо-белых и серых льдов также уменьшилась.

Обнаружено уменьшение протяженности маршрута в сплоченных дрейфующих льдах с частной концентрацией толстых однолетних льдов 5 и более баллов, а также с их суммарной с однолетними льдами средней толщины концентрацией 5 баллов и более. Протяженность маршрута в сплоченных льдах с наличием начальных льдов, наоборот, выросла. Вероятно, снижение суровости зимнего периода продлевает процесс образования льда и первой стадии нарастания его толщины, а переход начальных льдов в градацию молодых происходит позднее. Увеличение в сплоченных льдах участков с начальными льдами улучшило условия плавания по маршруту.

Выводы

В результате исследования ледовых условий по стандартному маршруту плаваний «порт Сабетта -- пролив Карские Ворота -- порт Мурманск» за 1997-2018 гг. сделаны следующие выводы:

1. Числовые ряды межгодовой динамики суммарных протяженностей участков маршрута, отвечающих определенным ледовым условиям, неоднородны более чем в 72 % случаев.

2. Уменьшилась протяженность маршрута в сплоченных дрейфующих льдах, в сплоченных льдах с присутствием молодых (серых и серо-белых) льдов, тонких однолетних льдов, однолетних льдов средней толщины и толстых однолетних льдов; в сплоченных льдах с частной концентрацией толстых, а также с частной суммарной концентрацией толстых и средних однолетних льдов 5 баллов и более. Увеличилась протяженность маршрута в сплоченных дрейфующих льдах с наличием начальных льдов.

3. Максимум суммарной протяженности участков маршрута плаваний в дрейфующих льдах с общей сплоченностью не менее 9 баллов приходится на март и апрель. Максимум суммарной протяженности участков маршрута в дрейфующих льдах со сплоченностью 9 и более баллов и наличием однолетних льдов средней толщины, а также толстых однолетних льдов отмечен в конце апреля и мае.

4. За 1997-2018 гг. на стандартном маршруте «порт Сабетта -- пролив Карские Ворота -- порт Мурманск» ни разу не были обнаружены старые льды.

Таким образом, очевидно явное улучшение ледовых условий плавания в период с ноября по май. Однако это улучшение не исключает риска аварий с танкерами, перевозящими углеводородное сырье (нефть и сжиженный природный газ), вследствие чего возможны аварийные разливы углеводородов, приводящие к загрязнению природной среды. Результаты исследования планируется использовать для построения эмпирических статистических распределений характеристик ледяного покрова Северного морского пути, применяемых в качестве параметров при моделировании плаваний.