Научная статья на тему 'Изменчивость ледовых условий Берингова моря во второй половине ХХ начале XXI века'

Изменчивость ледовых условий Берингова моря во второй половине ХХ начале XXI века Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
701
130
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛЕДОВИТОСТЬ / СОСТОЯНИЕ / ЭВОЛЮЦИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА / ТЕНДЕНЦИЯ / КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ / ОЦЕНКА / МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ / КЛИМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА / ICE COVER / ICE CONDITION / ICE COVER VARIABILITY / TENDENCY / QUASI-PERIODIC VARIATION / TREND ESTIMATION / LONG-TERM VARIABILITY / CLIMATIC SYSTEM

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Плотников Владимир Викторович, Вакульская Надежда Михайловна

На основании всей доступной информации о ледовых условиях Берингова моря за период с 1960 г. и по настоящее время оценивается состояние и рассматривается эволюция ледяного покрова. Анализируются вероятности существования направленной тенденции в ледовых процессах и отмечается устойчивое многолетнее снижение ледовитости моря. Делается предположение о наличии квазипериодических составляющих в ледовых процессах и выделяются периоды: 2-3 года, 7-8 лет, 11 лет и более. Полученные оценки многолетней изменчивости ледовых условий Берингова моря в дальнейшем могут быть использованы для реализации ряда вероятностно-статистических моделей эволюции климатической системы северной части Тихого океана.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Плотников Владимир Викторович, Вакульская Надежда Михайловна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Variability of ice conditions in the Bering Sea in the second half of 20 century and the beginning of 21 century

The sea ice conditions in the Bering Sea and evolution of the ice cover in the period from 1960 to nowadays are considered on the basis of all accessible information. Tendencies in year-to-year variability of the ice cover are statistically evaluated, and a stable trend to its decreasing is revealed. Besides, quasi-periodic components of the variability are assumed with the periods 2-3 years, 7-8 years, and 11 years. The obtained regularities in the Bering Sea ice cover variability could be used in statistical models of climatic system evolution in the North Pacific.

Текст научной работы на тему «Изменчивость ледовых условий Берингова моря во второй половине ХХ начале XXI века»

2012

Известия ТИНРО

Том 170

УДК 551.46.062.7(265.51) В.В. Плотников, Н.М. Вакульская*

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

изменчивость ледовых условий берингова моря во второй половине хх — начале xxi века

На основании всей доступной информации о ледовых условиях Берингова моря за период с 1960 г. и по настоящее время оценивается состояние и рассматривается эволюция ледяного покрова. Анализируются вероятности существования направленной тенденции в ледовых процессах и отмечается устойчивое многолетнее снижение ледовитости моря. Делается предположение о наличии квазипериодических составляющих в ледовых процессах и выделяются периоды: 2-3 года, 7-8 лет, 11 лет и более. Полученные оценки многолетней изменчивости ледовых условий Берингова моря в дальнейшем могут быть использованы для реализации ряда вероятностно-статистических моделей эволюции климатической системы северной части Тихого океана.

ключевые слова: ледовитость, состояние, эволюция ледяного покрова, тенденция, квазипериодические составляющие, оценка, многолетняя изменчивость, климатическая система.

Plotnikov V.V., Vakulskaya N.M. Variability of ice conditions in the Bering Sea in the second half of 20 century and the beginning of 21 century // Izv. TINRO. — 2012. — Vol. 170. — P. 220-228.

The sea ice conditions in the Bering Sea and evolution of the ice cover in the period from 1960 to nowadays are considered on the basis of all accessible information. Tendencies in year-to-year variability of the ice cover are statistically evaluated, and a stable trend to its decreasing is revealed. Besides, quasi-periodic components of the variability are assumed with the periods 2-3 years, 7-8 years, and 11 years. The obtained regularities in the Bering Sea ice cover variability could be used in statistical models of climatic system evolution in the North Pacific.

Key words: ice cover, ice condition, ice cover variability, tendency, quasi-periodic variation, trend estimation, long-term variability, climatic system.

Введение

Являясь самым северным из дальневосточных морей России, Берингово море имеет наибольшую продолжительность ледового периода. Наличие ледяного покрова во многом препятствует эффективному развитию региона. Хозяйственная деятельность на море, решение ряда задач гидрометеорологических исследо-

* Плотников Владимир Викторович, профессор, доктор географических наук, заведующий лабораторией, e-mail:vlad_plot@poi.dvo.ru;_Вакульская Надежда Михайловна, научный сотрудник, e-mail: vakulskaya@poi.dvo.ru.

Vladimir V. Plotnikov, Professor., Head of Laboratory, e-mail: vlad_plot@poi.dvo.ru; Nadezda M. Vakulskaya, researcher, e-mail: vakulskaya@poi.dvo.ru.

ваний и прогнозов в регионе во многом зависят от знания ледовой обстановки и возможности ее прогнозирования. Кроме того оценка и анализ изменчивости ледовых условий в Беринговом море, без сомнения, представляет интерес для исследования проблемы изменения климата (Максимов и др., 1977; Привальский, 1985; Плотников, 2002).

Возрастающие требования, связанные с необходимостью более полного учета состояния льда в практических и научных задачах, создают потребность в последовательной детализации сведений и углублении знаний о состоянии ледяного покрова моря. Отмеченные моменты и послужили мотивацией к данной работе.

Материалы и методы

При создании архива данных о ледовых условиях дальневосточных морей были использованы: карты ледовых авиаразведок (1960-1996 гг.); спутниковые снимки ледяного покрова морей, получаемые с ИСЗ серий ‘^ОАА”, “Метеор”, “Космос”, “Тегга”, “Landsat” и т.п. (1972-2012 гг.); гидрометеорологические ежемесячники (ежегодники) по Дальневосточному региону, содержащие данные прибрежных гидрометеорологических станций и постов.

В качестве дополнительной информации применялись попутные судовые наблюдения.

Информация о состоянии ледяного покрова, получаемая в течение определенной декады, картировалась и подвергалась предварительному анализу. Основой при выборке исходных данных о ледовом состоянии Берингова моря до 1996 г. послужили сведения ледовых авиаразведок, проводимых в течение данной декады, а после 1996 г. — наблюдения из космоса. Обычно в течение декады имеется несколько карт или снимков ледяного покрова. Полученные фрагменты ледовой обстановки, включая показатели прибрежных наблюдений гидрометстанций и постов, осредняются для данной декады по всему морю, т.е. минимальная дискретность построения карт ледовой обстановки, охватывающих всю акваторию моря и представляющих практически непрерывный ряд в течение ледового периода, составила одну декаду. Более высокое временное разрешение, учитывая сложность получения ледовой информации (обширные акватории, наличие неблагоприятных погодных условий и т.д.), возможно только для отдельных локальных акваторий, причем получаемые ряды, в силу уже изложенных причин, будут заведомо неэквидистантны.

По средним декадным картам ледовых условий определялись значения ледо-витостей, фиксировалось положение кромки льда, выделялись области с заданными ледовыми условиями и при необходимости подсчитывались их площади, снимались значения различных ледовых характеристик (сплоченность, возраст, формы льда, торосистость, заснеженность и т.д.).

Вся разноплановая информация о состоянии ледяного покрова Берингова моря синтезировалась и включалась в архив исходных данных. Таким образом, ряд данных

о ледовых условиях для Берингова моря составил 52 года (1960-2012 гг.).

Объектом исследования выбрана ледовитость как наиболее наглядный, легко определяемый интегральный показатель ледового, а в более общем случае и климатического состояния акватории.

Временной интервал исследования охватывал период с декабря по май, когда изменчивость ледовитости максимальна. В остальное время в силу климатических особенностей количества льда в море существенно меньше и учесть его можно в вероятностном плане. Соответственно изменчивость ледовитости в это время также невелика.

С помощью многолетних данных о ледовых условиях Берингова моря удалось провести статистическую обработку имеющейся ледовой информации, проанализировать кривые сезонного хода ледовитостей и их изменчивости (рис. 1), провести типизацию зим по характеру ледовых условий (табл. 1), а также оценить разномасштабную изменчивость ледовых условий моря.

Рис. 1. Сезонное распределение средних многолетних значений ледовитостей (L) Берингова моря и их средних квадратических отклонений (ст)

Fig. 1. Seasonal variation of the averaged multiyear ice cover in the Bering Sea (L) and its standard deviation (ct)

Таблица 1 Результаты и их обсуждение

Каталог типов зим по суммарной ледовитости Берингова моря

Table

Types of winters by the ice cover in the Bering Sea

1

Суровые Умеренные Мягкие

1959/60 1961/62 1966/67

1960/61 1962/63 1978/79

1963/64 1965/66 1988/89

1964/65 1967/68 1996/97

1970/71 1968/69 2000/01

1971/72 1969/70 2002/03

1974/75 1972/73 2003/04

1975/76 1973/74 2004/05

1976/77 1977/78 2007/08

1994/95 1979/80 2008/09

1998/99 1980/81 2009/10

1999/2000 1981/82 2010/11

1982/83 2011/12

1983/84

1984/85

1985/86

1986/87

1987/88

1989/90

1990/91

1991/92

1992/93

1993/94

1995/96

1997/98

2001/02

2005/06

2006/07

суровые в ледовом отношении зимы) лед в море может встречаться весь год.

Общая характеристика ледового режима

В Беринговом море в среднем продолжительность ледового периода составляет около 30 декад, но в зависимости от суровости зимы может изменяться в достаточно широком интервале. Чаще всего льдообразование начинается в октябре в северных районах моря, но в отдельных заливах лед может наблюдаться уже в середине сентября. В декабре и январе процессы льдообразования усиливаются и распространяются на юг вдоль берегов. В феврале-апреле ледяной покров достигает максимального развития (в феврале-марте — в мягкие, в феврале-апреле — в умеренные, в марте-апреле — в суровые зимы) и занимает всю северную часть моря и районы, прилегающие к восточному побережью Камчатки, вплоть до ее южной оконечности. Во второй половине апреля начинается очищение моря ото льда. В мае и первой половине июня кромка льда быстро смещается к северу. В июне-июле море обычно очищается ото льда, но в случае экстремальных ситуаций (очень (западная часть Берингова пролива)

Типизация зим по характеру ледовых условий

Типизация позволяет выявить повторяющиеся ситуации, установить закономерности в последовательности смены одних процессов другими.

В основу типизации был положен алгоритм равномерного разбиения шкалы суммарной ледовитости на три типа зим: суровые, умеренные и мягкие (табл. 1). В качестве параметра классификации использовалась суммарная ледовитость года, которая определялась соотношением:

Ь. = У Рі Ь..

J /-ІІ =1 !Ь

где !. — суммарная ледовитость 7-го года; — ледовитость 7-й декады 7-го года; р. —

количество декад в 7-м году.

Диапазон изменения типизируемого параметра (Л!) в каждом типе определялся:

р! !тах Lmin

к

где L , Д — наибольшее и наименьшее значения суммарной ледовитости, к — котах тт * г ’

личество типов.

Соответственно интервалы изменчивости суммарной ледовитости для каждого типа определялись следующим образом:

суровый: L + 2ДД < L. < L ;

г тт — 3 — тах

умеренный: L + ДД < Д < L + 2ДД;

г тт — 2 — тт '

мягкий: L < Д < L + ДL.

тт — 1 — тт

Таким образом, повторяемость различных типов зим при заданных критериях классификации составила: суровые — 22,6 %; умеренные — 52,8 %; мягкие — 24,5 %.

Согласно данным табл. 1 можно предположить близость эмпирического распределения нормальному закону.

Сезонная изменчивость

Сезонные колебания состояния ледяного покрова в основном определяются астрономическими причинами и имеют ярко выраженный годовой период. На эти колебания накладываются флюктуации, обусловленные рядом региональных гидрометеорологических факторов. Для анализа процессов эволюции ледовитости сезонного характера использовалась теория периодически коррелированных случайных процессов. Для исследований сезонных изменений рассматриваемых рядов естественным периодом коррелированности является период, равный одному году. Вычисленные для всех декад ледового сезона значения математического ожидания позволяют представить сезонный ход процессов, а показатели средних квадратических отклонений характеризуют их изменчивость (рис. 1). В связи с сезонными особенностями ледовых процессов на Беринговом море наибольший интерес представляет период с заметной изменчивостью ледовитости — с декабря по май.

Для Берингова моря характерен ярко выраженный годовой ход ледовитости и последовательный рост изменчивости до конца периода максимального развития ледяного покрова. Максимум изменчивости приходится на апрель и связан, как правило, с началом таяния льда в море (рис. 1). Отмечено наличие амплитудной модуляции изменчивости ледовитости, что свидетельствует об определенном вкладе ряда мелкомасштабных региональных факторов (продолжительностью около трех месяцев) в процесс формирования ледовых условий.

Для оценки внутрисезонных связей рассчитывалась корреляционная матрица распределения ледовитости (табл. 2).

Из приведенной матрицы (табл. 2) видно, что корреляции в течение ледового сезона сохраняют свой знак, что отражает определенную устойчивость (в статистическом смысле) возникающих тенденций в ледовых процессах. Характерной особенностью Берингова моря, в отличие от других морей региона, являются более слабое влияние начального периода льдообразования (декабрь) на эволюцию ледяного покрова в течение последующих этапов и, как следствие, низкий (отмечаются даже слабые отрицательные связи) уровень корреляционных связей в этот период.

Максимальная инерционность процессов (наибольшая продолжительность значащих связей, удовлетворяющих 95 %-ному уровню значимости) связана с периодами существования достаточно развитого ледяного покрова и его последующего разруше-

224

Корреляционная матрица связи значений декадных ледовитостей Берингова моря

внутри ледового сезона

Table 2

Correlation matrix for 10-days values of the Bering Sea ice cover within an ice season

Месяц Де- када Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май

I II III I II III I II III I II III I II III I II III

Декабрь I II III 1,00 0,07 0,48 1,00 0,74 1,00

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Январь I II III 0,11 0,13 0,25 0,34 0,41 0,49 0,63 0,60 0,59 1,00 0,86 0,57 1,00 0,76 1,00

Февраль I II III 0,03 0,11 0,16 0,20 0,05 0,11 0,46 0,22 0,18 0,53 0,32 0,28 0,62 0,40 0,31 0,75 0,40 0,34 1,00 0,73 0,56 1,00 0,74 1,00

Март I II III 0,07 0,01 0,18 0,02 -0,11 0,18 0,01 -0,05 0,19 0,13 0,14 0,19 0,18 0,17 0,26 0,21 0,14 0,38 0,33 0,33 0,45 0,58 0,61 0,51 0,73 0,69 0,58 1,00 0,84 0,68 1,00 0,82 1,00

Апрель I II III 0,22 0,24 0,11 0,24 0,25 0,09 0,33 0,37 0,26 0,28 0,26 0,26 0,26 0,30 0,33 0,41 0,38 0,34 0,55 0,52 0,57 0,61 0,68 0,73 0,59 0,67 0,66 0,64 0,62 0,56 0,73 0,68 0,61 0,90 0,80 0,70 1,00 0,88 0,74 1,00 0,86 1,00

Май I II III 0,10 0,06 -0,04 0,15 0,14 0,07 0,23 0,23 0,11 0,37 0,34 0,25 0,48 0,42 0,30 0,49 0,44 0,34 0,58 0,48 0,53 0,71 0,65 0,68 0,67 0,61 0,46 0,60 0,57 0,40 0,63 0,62 0,45 0,70 0,68 0,43 0,71 0,75 0,59 0,85 0,81 0,67 0,88 0,78 0,65 1,00 0,90 0,73 1,00 0,76 1,00

ния. Радиус значащих корреляций в эти периоды достигает 9-12 декад, т.е. состояние ледовых условий именно в эти периоды и определяет климатические особенности ледовых условий на Беринговом море. Наименьшая инерционность процессов отмечена для начала ледового периода. Это легко объясняется исходной неустойчивостью ледовых процессов в начале периода льдообразования, когда даже незначительные возмущения внешних факторов могут привести к радикальному перераспределению только образовавшегося ледяного покрова.

Межгодовая изменчивость

В плане анализа многолетней изменчивости наиболее интересным представилось оценить существование направленной тенденции в развитии ледовых условий, а также выявить ее более мелкомасштабные квазипериодические составляющие. Компоновка рядов ледовитости для оценки многолетней изменчивости проводилась следующим образом: из совокупности декадных данных извлекались значения, отстоящие друг относительно друга на период, равный одному году. Для примера на рис. 2 представлены многолетние распределения средних декадных значений ледовитости для центральных декад каждого месяца ледового периода. По ним проверялась гипотеза о наличии трендовой составляющей.

Рис. 2. Многолетнее изменение ледовитости в Беринговом море (прямая линия — аппроксимация трендовой составляющей)

Fig. 2. Year-to-year change of the ice cover in the Bering Sea (straight line — linear trend)

Для этой цели использовался линейный фильтр, выделяющий из смеси с белым шумом линейную функцию времени ф (^) (Привальский, 1985). Весовая функция этого фильтра имеет вид

^п -1) = ПНт -1), t = 1, 2, ..., п, (1)

а среднеквадратичная погрешность угла наклона а есть

(А/2

' , (2)

оа = ,

V п J

2

где of — дисперсия анализируемого временного ряда L(t).

Расчетные параметры, отражающие характер направленного многолетнего изменения ледовитости, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Основные статистические характеристики изменчивости ледовитости

Table 3

Basic statistical characteristics of the ice cover

Показатель Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май

L ІЗ,7 22,7 28,7 ЗІ,4 29,9 І7,6

st 5,44 6,34 6,58 7,22 9,08 8,27

a -0,І28 -0,І42 -0,І72 -0,І76 -0,229 -0,065

o a 0,044 0,052 0,052 0,058 0,073 0,073

Вероятность наличия линейного тренда, % 99,6 99,3 99,9 99,7 99,8 62,І

По данным табл. 3 L — среднее значение ледовитости; с4 — среднеквадратическое отклонение анализируемого временного ряда L(t); а, са — параметры линейного тренда (соответственно угол наклона и среднеквадратичная погрешность оценки угла наклона). По значениям отношения а/ста оценивалась вероятность существования линейного тренда в многолетних распределениях ледовитостей.

Исходя из приведенных данных (рис. 2, табл. 3) мы можем сделать вывод, что наблюдается направленное многолетнее изменение (тренд) ледовых условий в Беринговом море. Статистический анализ представленных рядов на 99 %-ном уровне значимости показал наличие заметных линейных трендов в многолетних распределениях ледовитости, за исключением конечного этапа разрушения льда (в мае вероятность существования тренда оценивается лишь в 62 %).

На следующем этапе проводился анализ наличия возможных квазипериодиче-ских составляющих в ледовых процессах в Беринговом море. Для этого вычислялись статистические оценки частотных спектров (рис. 3).

Анализ спектральных составляющих позволил выделить квазипериодические составляющие с периодами: около 2-3, 7-8 и 11 лет и более (рис. 3). При этом вклад высокочастотных флюктуаций, включающий чисто случайную компоненту и квази-периодические составляющие с периодами до двух лет, составляет порядка 30-35 %.

Однако с полным основанием, учитывая имеющийся объем данных (19602012 гг.), мы можем выделить только 2-3-летнюю и, возможно, 7-8-летнюю периодичности. Первую обычно связывают с изменениями во взаимодействии основных центров действия атмосферы, хотя конкретные физические корни этого явления до конца еще не выяснены (Максимов и др., 1977; Плотников, 2002).

Колебания с периодами около 7 лет, вероятно, являются результатом биения, возникающего в атмосфере и гидросфере планеты в случае наложения на систему сезонных или годовых явлений волны полюсного прилива. Кроме того, возможно, эта составляющая является откликом на возмущения в системе “океан-атмосфера”, кратные 3,5 года и связанные с явлением Эль-Ниньо. Наличие пиков спектральной плотности на периодах 11 и 22 года, очевидно, связано с гелиогеофизическими факторами. Выраженное действие сил гелиогеофизической природы, отмечаемое во многих

Рис. 3. Оценки частотных спектров ледовитости Берингова моря (T = от1, где T — период, о — частота) Fig. 3. Spectral power (Log(S(o))) estimations for the ice cover variability in the Bering Sea (T = о1, where T — period, о — frequency)

климатических системах, служит также весомым подтверждением существования аналогичных периодов в изменчивости ледовитости Берингова моря (Максимов и др., 1977; Привальский, 1985; Плотников, 2002). Кроме того, не так выраженно, но тем не менее проявляется еще 4-5-летняя составляющая. Подобный цикл, вероятней всего, следует отнести к вторичным результатам взаимодействия системы «Тихий океан — Северный Ледовитый океан».

Во временном аспекте наблюдается заметная неравномерность распределения весов отдельных циклических составляющих изменчивости. Если в периоды нарастания объемов льда превалируют процессы с 2-3 и 7-8-летними периодичностями, то в периоды разрушения льда прослеживается сдвиг энергонесущих характеристик в область более низких частот и начинают преобладать колебания с периодами 7-8, 11 лет и более. Кроме отмеченных периодичностей, имеется и ряд вторичных циклов, которые, возможно, являются обертонами основных колебаний, и относительный вклад их в общую изменчивость существенно ниже.

Разумеется, представление о крупномасштабной изменчивости ледовитости Берингова моря является ориентировочным, но если учесть тот факт, что ситуация с накоплением информации (и соответственно возможность детализации оценок) в ближайшее время радикально не изменится, то проведенная работа вносит определенный вклад в процесс понимания функционирования отдельных компонент (ледяной покров Берингова моря) такой сложной климатической системы, как северная часть Тихого океана.

Выводы

Статистический анализ представленных рядов с высокой вероятностью (более 99 %) показал наличие регулярного (в течение всего анализируемого периода) отрицательного линейного тренда в многолетних распределениях ледовитости, что свидетельствует о смягчении ледовых условий в море и подтверждает гипотезу потепления климата.

Показано, что больший вклад в формирование ледовых процессов на Беринговом море вносят квазипериодические составляющие с периодами около 2-3, 7-8 и 11 лет.

Во временном аспекте наблюдается заметная неравномерность распределения весов отдельных циклических составляющих изменчивости. Если в периоды нарастания площадей льда превалируют процессы с 2-3 и 7-8-летней периодичностями, то в периоды разрушения льда прослеживается сдвиг энергонесущих характеристик в область более низких частот и начинают преобладать колебания с периодами 7-8,

11 лет и более.

Проведенные исследования свидетельствуют о значительной разномасштабной изменчивости климатических характеристик северного полушария, одним из индикаторов которой может служить ледяной покров Берингова моря.

Список литературы

Максимов И.В., Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. Космогеофизический фон макропроцессов в океане и атмосфере и сверхдолгосрочный прогноз : монография. — Л. : Гидрометео-издат, 1977.

Плотников В.В. Изменчивость ледовых условий дальневосточных морей России и их прогноз : монография. — Владивосток : Дальнаука, 2002. — 200 с.

Привальский В.Е. Климатическая изменчивость (стохастические модели, предсказуемость, спектры) : монография. — М. : Наука, 1985. — 184 с.

Поступила в редакцию 20.06.12 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.