Пространственно-временная изменчивость ледяного покрова Берингова моря

Вестник ДВО РАН. 2012. № 6

УДК 551.467

В.В. ПЛОТНИКОВ, Н.М. ВАКУЛЬСКАЯ

Про странственно -временная изменчиво сть ледяного покрова Берингова моря

На базе данных о характере ледяного покрова Берингова моря за пер-иод с I960 по 2004 г. выполнены модельные расчеты сплоченности льдов и их толщины, скорости изменения сплоченности льдов за счет торошения и их толщины для припая и льдин открытого моря. Анализируются оценки состояния и эволюция ледяного покрова, полученная на выходе крупномасштабной динамико-стохастической модели.

Проведено районирование моря по характеру распределения сплоченности и толщины льда, а также по вкладу в эти распределения процессов торошения. Показано, что в любом периоде эволюции ледяного покрова доминирует только одна из градаций толщин льда. При этом отмечается отсутствие симметрии в распределениях толщин в процессах формирования и разрушения ледяного покрова. Выявлено, что продолжительность периода формирования ледяного покрова выше продолжительности пер-иода его разрушения. Распределения ледовых характеристик открытого моря и припая весьма схожи между собой. Различия проявляются только в период таяния, когда обломки припая выносятся в море и переходят в категорию льда открытого моря. Пространственные распределения сплоченности льда в заметной мере определяются скоростью торошения, что связано с общностью факторов, формирующих эти параметры.

Ключевые слова: эволюция ледяного покрова, сплоченность льда, толщина льда, торошение льда, формирование ледяного покрова, разрушение ледяного покрова.

The spatial-temporal variability of the ice cover of the Bering Sea. VV PLOTNIKOV, N.M. VAKULSKAYA (V.I. Il'ichevPacific OceanologicalInstitute, FEB RAS, Vladivostok).

On the basis of a homogeneous data on character of the ice cover of the Bering Sea from I960 to 2004 the modeling calculations of the ice concentration and its thickness, the rate of change of the ice concentration due to hummocking and its thickness for the fast ice and open sea floes are carried out. Estimates of condition and evolution of the ice cover received at the output of the large-scale dynamic-stochastic model are analyzed.

Sea division into districts on type of distribution of the ice concentration and thickness, and also on the ice hummocking contribution to these distributions is carried out. It is shown that only one gradation of the ice thickness dominates in any temporal interval of the ice cover evolution. The absence of symmetry in the distributions of separate ice thicknesses during the processes of the ice cover formation and destruction is noted. It is revealed that the duration of the ice cover formation is longer than the duration of its breakup. Distribution of the ice properties of the open sea and the fast ice are very similar to each other. The differences appear only in the melting period, when the fragments of the fast ice are taken out to the open sea and sequentially pass into categories of the open sea ice. Spatial distributions of the ice concentration are appreciably defined by the speed of the ice hummocking that is connected with a similarity of factors forming these parameters.

Key words: evolution of the ice cover, ice concentration, ice thickness, ice hummocking, ice cover formation, ice cover destruction.

Берингово море, являясь самым северным морем на Дальнем Востоке России, имеет развитый сезонный ледяной покров. Практически все виды хозяйственной деятельности, а также решение задач гидрометеорологических исследований в регионе во многом зависят от знания ледовой обстановки и возможности ее прогнозирования. Требования более полного учета состояния льда в практических и научных задачах диктуют необходимость углубления знаний и детализации сведений о состоянии ледяного покрова Берингова моря.

*ПЛОТНИКОВ Владимир Викторович - доктор географических наук, профессор, заведующий лабораторией, ВАКУЛЬСКАЯ Надежда Михайловна - научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таі1: vlad_plot@poi.dvo.ru

К основным характеристикам состояния ледяного покрова, наиболее часто используемым при анализе ледовых условий, относятся сплоченность, возраст (толщина льда), формы (размеры льдин). В качестве детализирующих оценок динамики ледовых процессов, как правило, рассматривают торосистость.

Формирование морского ледяного покрова и последующие его пространственно-временные изменения происходят под воздействием разнообразных внешних факторов, в том числе температуры и ветров. Данная причинно-следственная связь формализуется посредством уравнений переноса тепла и массы надледного слоя воздуха [1, 3-5].

Для детализации процесса эволюции ледяного покрова целесообразно рассмотрение совместных распределений параметров в системе атмосфера-ледяной покров-гидросфера: сплоченности льда и его толщины, скорости изменения сплоченности льда в результате торошения и его толщины.

В практике изучения ледяного покрова Берингова моря совместные распределения характеристик сплоченности и толщины льда, а также обусловленные торошением изменения его сплоченности в единицу времени обычно не рассматривались и в общем балансе ледяного покрова не учитывались. Однако эти оценки, даже если они получены посредством модельных расчетов, являются весьма актуальными и могут быть использованы для обеспечения безопасности мореплавания, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей. Цель настоящей работы - исследование изменчивости полей сплоченности с учетом толщины льда и изучение вклада процессов торошения в эту динамику.

Материалы и методы исследования

Исходной информацией о ледовых условиях в Беринговом море послужили: карты ледовых авиаразведок (1960-1996 гг.); гидрометеорологические ежемесячники (ежегодники) по Дальневосточному региону; спутниковые снимки ледяного покрова моря, полученные с ИСЗ серии «МОЛЛ» начиная с 1996 г. (http://www.natice.noaa.gov/pub/ west_arctic/Bering_Sea/); база данных глобального метеорологического реанализа (КСЕР/ МСЛЯ Reanalysis) внешних условий в приводном слое атмосферы - температуры воздуха, скорости и направления ветра в узлах расчетной сетки (http://www.cdc.noaa.gov).

На основе имеющихся сведений был сформирован репрезентативный архив данных о ледяном покрове Берингова моря и термодинамических характеристик нижнего слоя атмосферы (температура воздуха и вектор ветра) за период с 1960 по 2004 г.

Для численного представления полей ледовых характеристик акватория моря разбивалась на сравнительно однородные районы, расположение и нумерация которых показаны на рис. 1. Использовались осредненные для каждого района значения ледовых характеристик, отнесенные к центрам соответствующих районов. Степень детализации сведений о ледовых условиях в данном случае напрямую зависит от размеров элементарных ячеек сетки, которыми покрывается акватория моря для снятия значений ледовых характеристик. В прибрежных зонах, наиболее интересных с точки зрения их хозяйственного освоения, площади районов для снятия данных обычно уменьшались.

В результате для Берингова моря была сформирована информационная матрица размерностью N х М х Р * К, где N - количество лет (К = 45), М - количество декад (М = 27, с октября по июнь), Р - количество оцениваемых ледовых параметров (Р = 3), К - размерность пространственной сетки для задания параметров (К = 156). В каждом выделенном районе фиксировались значения общей сплоченности ледяного покрова S (отношение занятой льдом площади к общей площади района акватории, в %), толщины льда (возраста) Н и преобладающего размера льдин Е Численные значения S, Н и Б за период с 1960 по 2004 г. снимались непосредственно с ледовых карт в абсолютных или условных единицах (баллах). Именно для указанного периода имеется исчерпывающая и однородная

156 160 164 168 172 176 180 -176 -172 -168 -164 -160 -156

Рис. 1. Расположение пространственных кластеров на акватории Берингова моря: а - по распределениям сплоченности и толщины льда; б - по распределениям скорости изменений сплоченности за счет торошения и толщины льда. Цифрами обозначены районы трех кластеров, имеющих однородные ледовые характеристики

статистическая выборка, составленная по результатам регулярных авиаразведок и характеризующая состояние ледяного покрова Берингово моря. Более ранние наблюдения в связи с их неполнотой и низким качеством наблюдений в выборку не включались. Вся используемая терминология и обозначения соответствуют международной символике для морских ледовых карт и номенклатуре морских льдов [2]. Для восстановления пропущенных значений в узлах сетки применялись методы оптимизации, основанные на итерационных схемах расчета и хорошо зарекомендовавшие себя в предшествующих исследованиях [6].

В практике изучения ледяного покрова его количественные характеристики (сплоченность, возраст, преобладающий размер льдин и торосистость) обычно измеряются в баллах [1, 5]. Однако для параметрической идентификации математической модели ледяного покрова это затрудняет использование выборочных распределений. Для устранения указанного препятствия была выполнена оцифровка выборочных распределений параметров состояния льда (методика оцифровки изложена в [6]).

Исследование проводилось с использованием модели, разработанной для Японского моря [6] и для реализации поставленных задач адаптированной к ледовым условиям Берингова моря. Для обеспечения в каждом выделенном районе достаточных объемов наблюдений в модель включались лишь акватории моря, где вероятность встречи со льдом превышала 50% (районы, выделенные белым цветом, рис. 1). Таким образом, пространственная сетка сократилась со 156 до 82 районов.

Рассматривался частный случай, когда внешнее воздействие на ледяной покров моря определяется температурой воздуха и скоростями ветра при постоянных значениях остальных динамических переменных. Процессы торошения в модели учитывались косвенным образом, посредством подбора коэффициентов соответствия модели и исследуемого объекта. Считалось, что распределение температуры в ледяном покрове регулирует силу сцепления отдельных частей льдины: чем выше температура льдины, тем ниже сцепление ее отдельных частей и тем больше вероятность ее распада на отдельные фрагменты. Кроме того, с ростом скорости дрейфа льда растет сопротивление среды дрейфу, и процесс дробления становится более вероятным.

Результаты и обсуждение

Для каждого выделенного района Берингова моря были проведены модельные расчеты и построены ряды многолетних взаимных распределений сплоченности льдов и их толщины, скорости изменения сплоченности льдов (изменения в единицу времени площадей льда, выраженные в процентах) за счет торошения и их толщины. Анализ распределений показал, что на акватории моря выделяется по три типа совместных распределений указанных параметров (рис. 2, 3).

Состояния ледяного покрова в каждом типе имеют близкие характеристики. Районы, схожие между собой по типу распределений характеристик, были объединены в три пространственных кластера (см. рис. 1а, б). Каждый кластер занимает в общей площади исследуемого района Берингова моря следующие доли (в %):

Номер кластера Сплоченность льда Скорость изменений сплоченности

льда вследствие процессов торошения

1 14,6 23,2

2 48,8 30,5

3 36,6 46,3

Как видим, наименьшие доли имеют первые кластеры, преимущественно отражающие ледовые процессы в прибрежных районах. Вторые и третьи кластеры характеризуют процессы в ледяном покрове, присущие открытым акваториям: спокойным районам с ква-зистационарным состоянием льдов и районам с максимальной изменчивостью ледяного

покрова (прикромочным зонам), соответственно. Процессы торошения более характерны для зон с повышенной динамикой ледяного покрова (третий кластер).

В первом кластере наблюдаются следующие закономерности распределений сплоченности и толщины. В районах припая на стадии формирования льдов при понижении температуры происходит быстрый рост сплоченности тонкого льда, а затем появляются ледовые структуры последующих градаций толщины. После перехода кривой сплоченности тонкого льда через точку перегиба начинается интенсивный рост сплоченностей льда высоких градаций толщины [6]. На стадии таяния ледяного покрова сплоченности льдов высоких градаций толщины уменьшаются, переходят в сплоченности их начальных градаций, а затем замещаются площадями открытой воды (выбывают из системы). На открытых участках моря на стадии формирования льдов наблюдается незначительный, в период таяния - резкий рост сплоченности тонкого льда, связанный с разломом припая и выносом его фрагментов в открытое море.

В районах второго кластера формирование льдов сопровождается быстрым ростом сплоченности тонкого льда, затем появляются ледовые структуры большей толщины. На стадии разрушения ледяного покрова имеют место обратные процессы, а также отмечается заметный рост сплоченности тонкого льда на открытых участках моря за счет выноса сюда обломков припая.

В пределах третьего кластера при формировании ледяного покрова наблюдается рост сплоченности льда только младших градаций толщины. На стадии его разрушения уменьшается сплоченность тонких льдов с одновременным скачкообразным увеличением ее на открытых участках моря и последующим замещением льда открытой водой.

Обобщая результаты численного моделирования эволюции ледяного покрова Берингова моря, можно сделать вывод о том, что в начальной стадии годового цикла понижение температуры приводит к быстрому росту сплоченностей тонкого льда. После перехода кривой сплоченности тонкого льда своей точки перегиба имеет место интенсивный последовательный переход льда из младших в старшие градации толщины. На стадии термического разрушения ледяного покрова сплоченности льда высоких градаций толщины переходят в сплоченности ее начальных градаций, которые затем замещаются площадями открытой воды (выбывают из системы). Есть районы, где наблюдается лед только младших градаций толщины (на рис. 2 они представлены третьим кластером). Процесс разрушения одновременно сопровождается разломом припая и выносом его фрагментов в открытое море.

Соответственно, годовой цикл эволюции ледяного покрова на акватории Берингова моря состоит из отдельных стадий, на каждой из которых доминирует категория льда только одной из градаций толщины. Подобная ситуация характерна для систем, где имеет место определенное внешнее энергетическое воздействие и действует ряд факторов, лимитирующих эволюцию системы. Роль внешнего воздействия в модели выполняют потоки тепла из атмосферы, а лимитирующим фактором служит пространственная ограниченность вмещающей ледяной покров морской среды.

Интересно отметить, что процесс таяния и распада ледяного покрова не является обратным процессу его формирования. На стадии формирования ледяного покрова сначала возникает тонкий лед, а в период его таяния имеют место обратные переходы: первыми из системы выбывают сплоченности тонкого льда (за исключением районов третьего кластера).

Относительно процессов торошения совокупность образований морского льда является замкнутой системой [6]. Исходя из наблюдений и элементарной логики следует, что при торошении площади тонких льдов сокращаются, а толстых - увеличиваются, при этом суммарный объем льда сохраняется. Соответственно, при торошении наибольшая убыль отмечается для самых тонких льдин. Кроме того, если на акватории присутствуют только наиболее толстые льды, то их торошение отсутствует.

Рис. 2. Распределение сплоченностей льдов (выраженных в долях от сплоченности района открытого моря) по толщинам: а, б - льды акватории первого кластера; в, г - льды акватории второго кластера; д, е - льды акватории третьего кластера. и 85 - льды припая и открытых участков, соответственно

Рис. 3. Распределение скоростей изменений сплоченности льда (выраженных в долях от скоростей изменений сплоченности района открытого моря), обусловленных процессами торошения. а, б - льды акватории первого кластера; в - льды акватории второго кластера; г, д - льды акватории третьего кластера. и Ъ5 - льды припая и

открытых участков, соответственно

Агрегация существенна для начального этапа формирования ледяного покрова, когда сплоченность льда на акватории невысока и понижение температуры воздуха приводит к быстрому смерзанию малых форм льда. Торошение значительно и в период таяния ледяного покрова, когда происходит вынос фрагментов термического и механического разрушения льдов припая. Чем больше размер льдины, тем более вероятно ее дробление. Льдины же малых размеров дробятся меньше. Достоверность этого факта обусловлена тем, что лед разрушается в первую очередь в местах его прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поскольку их число пропорционально массе вещества, то по мере измельчения льдин их прочность возрастает.

По распределениям скоростей изменений сплоченности льдов за счет торошения и толщины льда выделенные нами кластеры характеризуются следующим образом (рис. 3). Для всех кластеров на стадии формирования ледяного покрова сначала наблюдается быстрый значительный рост скоростей изменений сплоченности старших градаций толщины льда, затем следует их уменьшение. В период таяния скорости изменения сплоченности льдов для разных кластеров несколько различаются. В первом кластере для льдов припая имеют место лишь небольшие изменения скоростей для разных по толщине градаций льда. На открытых участках таяние льдов сопровождается значительными скачками скоростей изменений сплоченности более толстых льдов и несущественными изменениями сплоченности льдов младших градаций толщины (такая закономерность наблюдается и для третьего кластера). Во втором кластере (только льды открытого моря) на стадии таяния интенсивность скорости изменений сплоченности льдов разных градаций их толщины возрастает.

Сопоставление между собой отдельных распределений скоростей изменения сплоченности льдов (рис. 3) показывает, что скорость торошения припая в период формирования ледяного покрова выше скорости торошения льда открытого моря, а в период таяния картина обратная. Данная ситуация обусловлена тем, что на начальной стадии эволюции ледяного покрова тонких льдов припая, которые являются основным «строительным» материалом при торошении, больше, чем таких же льдов на открытых участках акватории. Весной же происходит активный вынос фрагментов припая в открытое море, что генерирует там повышение активности процессов торошения.

Пространственные картины распределений сплоченности (рис. 1а) и скорости изменений сплоченности льда за счет торошения (рис. 1б) во многом совпадают. Вероятностные характеристики совпадений показаны в таблице. Это, очевидно, связано, во-первых, с общими причинами формирования сравниваемых распределений и, во-вторых, с заложенными в модель принципами и упрощениями [6], которые приводят к сглаживанию результатов расчетов, еще более подчеркивая сходство распределения характеристик.

Вероятности совпадений пространственных кластеров по сплоченности льда и скорости изменений сплоченности за счет торошения

Скорость изменения сплоченности льда за счет торошения

1-й кластер 2-й кластер 3- й кластер

Сплоченность льда 1-й кластер 12,2 0 2,4

2-й кластер 11 30,5 7,3

3-й кластер 0 0 36,6

Выводы

Проведена верификация крупномасштабной модели эволюции ледяного покрова Берингова моря. Результаты моделирования позволили оценить изменчивость сплоченности и толщины льда, а также вклад в эту изменчивость процессов торошения.

В каждый период эволюции ледяного покрова доминирует только одна из градаций толщины льда. Выявлено отсутствие симметрии в распределениях толщин льда в процессах формирования покрова и его разрушения. Кроме того, по своей продолжительности период формирования ледяного покрова больше периода его разрушения.

По характеру распределения сплоченностей льда открытое море и припай схожи между собой. Различия между ними проявляются только в период таяния льда весной, когда при разрушении обломки припая выносятся в море и последовательно переходят в категории льда открытого моря. В этот период сплоченности различных градаций льдов открытого моря растут, а площади припая сокращаются.

Несмотря на многообразие состояний ледяного покрова, на акватории Берингова моря были выделены по три пространственных кластера распределений сплоченности льда и скорости изменений сплоченности льда, обусловленных процессами торошения. Каждый кластер относительно однороден по состоянию ледяного покрова.

Пространственные картины распределений сплоченности и скорости изменений сплоченности за счет торошения во многом совпадают, что связано с общностью причин, приводящих к формированию сравниваемых характеристик, а также с заложенными в модель принципами и упрощениями.

Авторы выражают глубокую благодарность д. ф-м. н. А.Н. Четырбоцкому за предоставленную модель эволюции ледяного покрова Берингова моря.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гилл А. Динамика атмосферы и океана: в 2 т. Т. 1. М.: Мир, 1986. 396 с.

2. Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 56 с.

3. Овсиенко С.Н., Эфроимсон В.О. О граничных условиях в моделях динамико-термического перераспределения ледяного покрова // Исследования ледяного покрова северо-западных морей. М.: Наука, 1983. С. 20-22.

4. Перри А.Х., Уокер Дж.М. Система «океан-атмосфера». Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 195 с.

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

6. Четырбоцкий А.Н., Плотников В.В. Ледяной покров Японского моря. Анализ данных и моделирование. Владивосток: Дальнаука, 2005. 146 с.