Изменение сроков устойчивого ледообразования в восточных арктических морях России в начале XXI в.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение сроков устойчивого ледообразования в восточных арктических морях России в начале XXI в.

А.Г. Егоров, Е.А. Павлова

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия

По данным наблюдений за 1942-2018 гг. проведен анализ сроков устойчивого ледообразования в восточных морях Российской Арктики (Лаптевых, Восточно-Сибирском, Чукотском). Выполнено описание среднемноголетнего варианта пространственного распределения изохрон устойчивого ледообразования в осенний период. Установлено, что начиная с 2003 г. наблюдается новый многолетний период аномально позднего появления льдов осеннего образования. Область очень позднего ледообразования впервые появилась в Чукотском море в 2003 г. и затем постепенно смещалась с востока на запад, до акватории моря Лаптевых в 2009 г. Осеннее потепление продолжается, и осенью 2018 г. было зафиксировано абсолютно позднее ледообразование за весь 77-летний ряд наблюдений.

Ключевые слова: Восточно-Сибирское море, ледяной покров арктических морей России, многолетняя изменчивость ледовых условий, море Лаптевых, срок устойчивого ледообразования, позднее ледообразование, Чукотское море.

CHANGE IN THE TIME OF STABLE ICE FORMATION IN THE RUSSIAN EASTERN ARCTIC SEAS AT THE BEGINNING OF 21st CENTURY

A.G. EGOROV, E.A. PAVLOVA

State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

The purpose of the paper is to analyze the spatial-temporal variability of the time of stable ice formation in the Russian Eastern Arctic seas (the Laptev Sea, the East-Siberian Sea, the Chukchi Sea) in autumn period during 1942-2018, as well as the climatic changes for the last 20 years. The specialized information archive containing the dates of stable ice formation in the elements of regular grid (5 degrees along the parallel and 1 degree along the meridian) based on the AARI observations and satellite imagery was developed. The archive covers 2.2 million km2 of the Arctic area.

During the period from 1942 to 2018 one can reveal 4 consecutive climatic periods: mean dates of ice formation (1942-1953), anomaly early dates of ice formation (1954-1988), mean dates of ice formation (1989-2002) and anomaly late dates of ice formation (2003-2018). Notice that the ice formation regime in the 21st century, by its abnormality, differs radically from that in the 20th one. For the total area of three seas, the mean date of ice formation in the 21st century became 21 days later than in the 20th one. The most significant changes (up to 45 days) take place in the Chukchi Sea.

The transformation of the ice formation regime typical for the 1942-2002 to the regime of 2003-2018 happened rather quickly -- approximately within 5 years. The anomaly late time of ice formation began in the Chukchi Sea in 2003, and then this anomaly propagated to the East-Siberian Sea (in 2005) and to the Laptev Sea (in 2009). The 16-year period of anomaly late ice formation consists of three 5-6-year periods depending on location of the maximum anomalies: 2003-2008 (the Chukchi Sea), 2009-2013 (the Laptev Sea), and 2014-2018 (the Chukchi Sea again). As a consequence, the period of autumn warming, which has begun in 2003, is going on till present, and the latest date of ice formation in the eastern Arctic seas for the entire 77-year period was registered just in 2018.

Keywords: autumn period, ice cover of the Russian Arctic seas, multi-year variations, the Chukchi sea, the Laptev sea, the East-Siberian sea, time of stable ice formation.

ВВЕДЕНИЕ

Ледообразование является важным элементом ледового режима арктических акваторий, связующим воедино летний сезон очищения акватории ото льдов и зимний сезон нарастания толщины ледяного покрова [1]. Осеннее ледообразование не только определяет сроки окончания летней навигации и начала зимней навигации, но и служит объективным индикатором многолетних изменений, происходящих с ледяным покровом в Арктике [2]. ледообразование арктическое море россия

Процесс устойчивого ледообразования в арктических морях России является результатом сложного взаимодействия факторов, с одной стороны, формирующих тепловой запас моря в период его нагревания и, с другой, -- интенсивность теплоотдачи в период охлаждения [3]. Выхолаживание арктической морской поверхности обычно начинается в конце августа - начале сентября, совпадая во времени с максимальным накоплением тепла в поверхностном слое, и завершается появлением на свободных ото льда пространствах начальных видов льда -- игл, сала, снежуры и шуги [4].

В течение последних двух десятилетий в Арктическом регионе происходят кардинальные изменения природной среды, которые охватывают, в том числе, и состояние ледяного покрова [5]. Устойчиво уменьшается толщина льдов в Арктическом бассейне и арктических морях [6], площадь распространения ледяного покрова и зимой, и летом [7]. Применительно к осеннему сезону наиболее важная ледовая трансформация относится к общему временному смещению сроков устойчивого ледообразования в позднюю сторону [8]. Однако более подробные, региональные и локальные особенности аномалий позднего ледообразования в арктических морях России до сих пор остаются недостаточно исследованными. Цель настоящей статьи -- частично восполнить этот пробел.

Суммарная акватория морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского, общей площадью около 2,2 млн км2, расположенная в зональной полосе между 100° в.д. и 160° з.д. и занимающая около 1/3 всей северной циркумполярной области, является важной составной частью Российской Арктики. Открытая граница с Арктическим бассейном и относительная близость к сибирскому побережью границы многолетних арктических льдов [9] традиционно делали восточные арктические моря относительно сложным участком судоходства по трассам Северного морского пути [10, 11]. Однако в XXI в. именно здесь происходят существенные природные изменения, связанные с общим потеплением и деградацией ледяного покрова, в результате чего открываются новые возможности для арктического транзитного судоходства из Атлантического океана в Тихий [12].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

При исследовании режима осенних ледовых процессов обычно используют данные наблюдений на полярных станциях о сроке устойчивого ледообразования. Однако эти данные характеризуют преимущественно прибрежные и мелководные акватории, при этом особенности формирования ледовых условий в глубоководных акваториях, расположенных вдали от побережья, описаны недостаточно полно. Для картированного представления пространственного распределения сроков устойчивого ледообразования по всей акватории восточных арктических морей ледовая информация об осенних процессах была упорядочена в узлах регулярной сетки с постоянным шагом в 5 градусов по долготе и 1 градус по широте (значения срока устойчивого ледообразования определялись в пространстве от 100-го градуса восточной долготы до 160-го градуса западной долготы, а также от 66-го градуса северной широты до 81-го градуса северной широты). Дата устойчивого ледообразования отсчитывалась в сутках начиная от 1 августа; то есть ледообразование, например, 10 сентября заносится в архив как 41 (41 сутки от 1 августа).

При организации архива были использованы три различных вида данных:

- для периода 1942-1980 гг: бумажные карты распределения изохрон устойчивого ледообразования, построенные в отделе ледового режима и прогнозов ААНИИ; на каждой карте отражено пространственное перемещение изохрон ледообразования, как правило, с шагом в 5-10 суток; основные источники информации -- полярные станции, авиационная ледовая разведка, морские суда;

- для периода 1981-1996 гг.: бумажные карты ледовых условий с шагом в 1 декаду (10 суток), на которой представлены различные ледовые границы, в том числе кромка льдов осеннего образования, построенные в Центре ледовой и гидрометеорологической информации ААНИИ; основные источники информации -- полярные станции, авиационная ледовая разведка, искусственные спутники Земли, морские суда;

- для периода 1997-2018 гг.: данные характеристик ледяного покрова из архива Мирового центра данных по морскому льду (МЦД МЛ ААНИИ); архив содержит еженедельные геопривязанные данные характеристик ледяного покрова по Арктике и арктическим морям; архив представлен в формате СИГРИД-3 (SIGRID-3); основные источники информации -- искусственные спутники Земли, полярные станции, морские суда.

Всего на акватории арктических морей в Восточном секторе Арктики оказалось 133 информационных узла: в море Лаптевых -- 53, в Восточно-Сибирском море -- 50, в Чукотском море -- 30. Ряд наблюдений, занесенный в архив, составляет период с 1942 по 2018 г., длина ряда -- 77 лет. Общее количество занесенных данных о календарных сроках устойчивого ледообразования в регулярных узлах -- суммарно 10241 единица.

Опираясь на созданный массив данных, можно построить любые карты пространственного распределения сроков устойчивого ледообразования -- среднемноголетние, экстремальные, типовые и др. В качестве обобщенного показателя, удачно характеризующего общий фон замерзания в море, в настоящей работе используется средний срок ледообразования, который определяется как среднее арифметическое для всех узлов, входящих в состав данной акватории [13]. Этот показатель отражает количественный и пространственный режим образования осенних льдов, свойственный для всей исследуемой акватории в конкретных физико-географических и гидрометеорологических условиях.

РЕЖИМ СРОКОВ УСТОЙЧИВОГО ЛЕДООБРАЗОВАНИЯ

При среднемноголетних условиях (ряд наблюдений 1942-2018 гг.) устойчивое ледообразование на акватории восточных арктических морей России -- Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского начинается в первой декаде сентября, а завершается во второй декаде ноября, т.е. продолжается в течение примерно 8 декад осеннего периода (рис. 1). Растянутый во времени почти на три месяца процесс устойчивого ледообразования может быть разделен на три различных по продолжительности квазиоднородных периода в зависимости от пространственных особенностей перемещения по акватории изохрон устойчивого ледообразования.

Рис. 1. Карта среднемноголетнего распределения изохрон устойчивого ледообразования в восточных арктических морях России в течение 1942-2018 гг

Fig. 1. Map of mean climatic distribution of stable ice formation isochrones in the Russian Eastern Arctic seas averaged for the period from 1942 till 2018

В течение первого, продолжительностью около трех декад, этапа ледообразование, начавшееся в самых северных акваториях, граничащих с Арктическим бассейном, достигает северного побережья Евразии в районе п-ова Таймыр. Начало ледообразования в первой декаде сентября наблюдается на самом севере арктических акваторий: в море Лаптевых - вблизи 79-80-й параллели, в Восточно-Сибирском море -- вблизи 74-75-й, в Чукотском море -- вблизи 75-76-й; пространственная конфигурация самых ранних изохрон в начале сентября примерно ориентируется на положение остаточных льдов (точнее, границы сплоченных 7-10-балльных льдов) в конце августа -- начале сентября [14]. Начавшееся на севере акватории ледообразование постепенно распространяется в генеральном направлении с севера на юг. В конце сентября наблюдается важная маркировочная веха: изохрона ледообразования в арктических морях Восточной Арктики достигает материковой и островной суши в районе северо-восточного побережья п-ова Таймыр, а также Новосибирских о-вов; т.е. с третьей декады сентября прекращается возможность плавания через пролив Вилькицкого и к северу от Новосибирских о-вов с запада на восток и с востока на запад по чистой воде, редким и разреженным остаточным льдам; отныне сквозное плавание предполагает обязательное движение по льдам осеннего образования. В течение описываемого этапа полного ледообразования акватории на обширном участке от п-ова Таймыр до о. Врангеля еще не наблюдается.

В течение достаточно короткого по продолжительности второго этапа ледообразование полностью достигает побережья материка на протяженном участке сибирского мелководья между взморьем реки Хатанги и проливом Лонга, в том числе в море Лаптевых между п-овом Таймыр и Новосибирскими о-вами. Этот этап длится всего одну декаду, и к окончанию первой декады октября вся протяженность арктического побережья от восточного побережья Северной Земли и п-ова Таймыр до п-ова Чукотка (между 100° и 180° в.д.) занята молодыми льдами осеннего образования. Самый важный содержательный и одновременно завершающий элемент этого этапа -- замерзание прибрежной акватории между устьем реки Лены и Новосибирскими о-вами в течение первой декады октября.

В течение третьего этапа, продолжительностью примерно четыре декады, происходит завершение процесса ледообразования на акватории восточных арктических морей; причем последней во времени замерзает акватория Чукотского моря к востоку от 180-го меридиана и к югу от 71-й параллели. Изохроны ледообразования распространяются между п-овом Чукотка и п-овом Аляска в генеральном направлении с северо-запада на юго-восток. Этап начинается во второй декаде октября и завершается во второй половине ноября, когда окончательно замерзает акватория, непосредственно примыкающая к Берингову проливу.

Гистограмма распределения сроков устойчивого ледообразования (рис. 2) наглядно отражает основные особенности временного развития процесса ледообразования по пространству восточных арктических морей при среднемноголетнем сценарии. Вся выборка четко делится на две равные (по четыре декады) временные части.

В течение первой декады сентября -- первой декады октября ледообразование, начавшись на севере акватории, распространяется в южном направлении и достигает сибирского побережья на обширной протяженности от п-ова Таймыр до пролива Лонга.

Рис. 2. Гистограмма распределения сроков устойчивого ледообразования в течение 1942-2018 гг. на суммарной акватории морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского

Fig. 2. Histogram of the dates of stable ice formation (1942-2018) on the total area of the Laptev, East-Siberian and Chukchi Seas

В среднем за каждую декаду площадь ледообразования прирастает примерно на 20 %, так что за четыре декады льдами осеннего образования покрывается огромная акватория -- примерно 80 % суммарной площади восточных арктических морей России (или около 1,75 млн км2). Причем процесс ледообразования развивается по нарастающей: наблюдается прогрессирующее вовлечение в процесс ледообразования все больших и больших по площади акваторий: в первой декаде сентября замерзает примерно 8 % площади акватории, во второй декаде сентября еще 18 %, в третьей декаде сентября еще 23 %, в первой декаде октября еще 31 %. В первые две декады осенние льды покрывают примерно 1/4, а в следующие две декады -- еще примерно половину суммарной площади морей, так что 49 % суммарной площади акватории покрывается осенними льдами уже к концу третьей декады сентября. Сразу после сезонной кульминации в первой декаде октября и достижения волной замерзания сибирского берега на протяжении от п-ова Таймыр до пролива Лонга интенсивность развития ледообразования в пространстве резко, скачкообразно уменьшается.

В течение второй декады октября -- второй декады ноября ледообразование наблюдается только на восточной периферии зональной полосы сибирского шельфа, т.е. к востоку от пролива Лонга. Интенсивность развития процесса -- по сравнению с предыдущим этапом -- кардинально снижается: в среднем за четыре декады площадь ледообразования прирастает всего на 5-6 %, так что за четыре декады осенние льды покрывают только около 20 % площади суммарной акватории, т.е. по сравнению с первым этапом пространственная интенсивность ледообразования уменьшается примерно в четыре раза.

МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СРОКОВ УСТОЙЧИВОГО ЛЕДООБРАЗОВАНИЯ

Многолетняя изменчивость сроков устойчивого ледообразования на суммарной акватории восточных арктических морей России (рис. 3) показывает наличие длительных периодов преобладания положительных и отрицательных аномалий в сроках наступления осенних ледовых условий. В течение 1942-2018 гг. наблюдались 4 климатических периода продолжительностью от 12 до 35 лет (табл. 1); основными критериями при определении временных границ периодов являлись, во-первых, повторяемость положительных и отрицательных аномалий сроков ледообразования и, во-вторых, величина этих аномалий.

Рис. 3. Средняя дата устойчивого .чсдообратовапия на суммарной акватории морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского в течение 1942-2018 гг.

Fig. 3. Mean date of stable ice formation on the total area of the Laptev, East-Siberian and Chukchi Seas averaged for the period from 1942 till 2018

Таблица 1