Динамика межгодовых и сезонных аномалий ледовитости Баренцева и Карского морей

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 551.467.3

ДИНАМИКА МЕЖГОДОВЫХ И СЕЗОННЫХ АНОМАЛИЙ ЛЕДОВИТОСТИ БАРЕНЦЕВА И КАРСКОГО МОРЕЙ

А.П. Жичкин

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН

Аннотация

Представлены результаты исследования межгодовых и сезонных колебаний аномалий ледовитости Баренцева моря за 1934-2014 гг. и Карского моря за 1979-2014 гг. На основе электронной базы многолетних данных по ледовому режиму морей выделены однородные периоды с преобладающим знаком аномалии. Выполнен анализ временного распределения и повторяемости крупных и очень крупных аномалий ледовитости Баренцева моря за последние полвека и Карского моря с 1979 по 2012 гг. Ключевые слова:

Баренцево море, Карское море, аномалии ледовитости, межгодовые и сезонные колебания.

Введение

Группа арктических морей России объединяет близкие по природе окраинные моря Северного Ледовитого океана, в том числе Баренцево и Карское. Оба моря лежат за полярным кругом, на юге ограничены естественным рубежом - побережьем Евразии, а на севере свободно сообщаются с океаном. При этом Баренцево и Карское моря значительно отличаются между собой по ледовому режиму.

Баренцево море занимает особое место среди морей Северного Ледовитого океана благодаря своим уникальным природным характеристикам. Из-за проникновения в Баренцево море теплых атлантических вод оно является единственным районом Арктики, который не замерзает круглый год. Баренцево море - один из богатейших промысловых районов Мирового океана. Причем биологическая продуктивность и распределение водных биоресурсов Баренцева моря в значительной степени зависят от изменчивости всех компонент климатической системы атмосфера - гидросфера - криосфера [1].

Ледовитость как интегральный климатический фактор существенно влияет на все основные звенья морских экосистем - от планктона (первичная продукция) до высших консументов (тюлени и белые медведи) [2]. Вместе с тем, ледовые условия порой ограничивают акваторию для ведения промышленного лова рыбы. В годы с высокой ледовитостью промысел ограничен районами южной и юго-западной частей Баренцева моря, в годы с отрицательными аномалиями ледовитости акватория лова значительно расширяется в северном и восточном направлениях [3-5].

Характерная черта ледового режима Баренцева моря - большая межгодовая и сезонная изменчивость его ледовитости [6, 7]. Поэтому несомненный интерес представляют особенности формирования и развития аномальности ледовых процессов различного временного масштаба.

В отличие от Баренцева, Карское море большую часть года покрыто сплошным ледяным покровом. При этом наблюдаются значительные различия ледовых условий юго-западной и северо-восточной частей моря. В юго-западной части лед держится в течение 8-9 месяцев -с ноября по июль. Северо-восточная часть моря в летний период не полностью очищается ото льда. К концу периода таяния (в сентябре) в среднем около половины района остается занятой остаточными льдами.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

55

А.П. Жичкин

Материалы и методы

Расчет ежемесячных и среднегодовых аномалий ледовитости Баренцева моря выполнен на основе электронной базы многолетних данных по ледовому режиму этих морей, сформированной в лаборатории океанографии и радиоэкологии Мурманского морского биологического института (ММБИ). База содержит временные ряды ежемесячных значений общей ледовитости за 1934-2014 гг. для Баренцева моря и за 1979-2014 гг. для Карского моря.

Для характеристики ежемесячной аномальности ледовых условий применялась методика количественной классификации [1, 8, 9]. В качестве объективного критерия использовалась величина стандартного отклонения ледовитости от нормы о. Среднемесячные и годовые аномалии ледовитости сравнивались с определенными величинами стандартного отклонения ледовитости от нормы, уровень аномалий оценивался по пяти градациям (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика аномалий ледовитости Баренцева моря

Тип аномалии Условные обозначения Градации аномалий

Положительная

Очень крупная + ОКР AS > 1.2о

Крупная + КР 0.4о < AS < 1.2о

Около нормы (малая положительная и отрицательная) Н ± AS < 0.4о

Отрицательная

Крупная - КР 0.4о < -AS < 1.2о

Очень крупная - ОКР -AS > 1.2о

В результате обработки массива полученных результатов созданы календари ежемесячных ледовых аномалий Баренцева моря за период с 1960 по 2014 гг. и Карского моря за период с 1979 по 2012 гг. Затем с помощью этих календарей выполнен анализ временного распределения и повторяемости крупных и очень крупных аномалий ледовитости за рассматриваемые периоды.

Результаты и обсуждение

Межгодовые колебания ледовых аномалий Баренцева моря

Результаты выполненных расчетов свидетельствуют о значительных флуктуациях ледовых аномалий Баренцева моря за последние 80 лет. Проведенный анализ позволил выделить в пределах рассматриваемого отрезка времени ряд периодов похолоданий и потеплений различной продолжительности

Наиболее ярко выраженными промежутками экстремального развития гидрометеорологических процессов в Баренцевом море стали периоды аномального похолодания 1962-1970 гг., 1977-1982 гг. и аномального потепления 2000-2014 гг.

В первом случае ослабление адвекции тепла атлантических вод из Норвежского моря, преобладание ветров северных направлений и интенсификация под их воздействием холодных течений способствовали формированию на акватории Баренцева моря значительного дефицита тепла и суровых ледовых условий с максимальными значениями аномалии в ледовых сезонах 1968-1969 (27 %) и 1978-1979 гг. (19 %).

Во втором - смещение траекторий атлантических циклонов к северу и усиление западного атмосферного переноса в высоких широтах способствовало формированию теплых аномалий

56

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Динамика межгодовых и сезонных аномалий ледовитости Баренцева и Карского морей...

в западном секторе российской Арктики, росту температуры воздуха и поверхностного слоя моря, замедлению процессов ледообразования. Ледяной покров в Баренцевом море, за исключением сезона 2002/2003 гг., не получил широкого распространения и распределялся на достаточно ограниченной для зимнего сезона акватории.

По мнению ряда авторов [7, 10], характерная особенность климатических колебаний в Арктике заключается в смене периодов похолоданий и потеплений полей температуры воздуха и воды, сопряженных с изменчивостью крупномасштабной атмосферной циркуляции над Северной Атлантикой, а также с поверхностной температурой воды в Северной Атлантике. В свою очередь, в соответствии с климатическими изменениями в Арктике происходят колебания ледовых условий в арктических морях. Спектры колебаний, которые носят полициклический характер, характеризуются более или менее значимыми пиками на периодах 50-60 лет, около 20, 8-12, 5-7 лет и 2-3 года.

Рис. 1. Аномалии общей ледовитости Баренцева моря в 1934-2014 гг.

Статистические характеристики ледовитости Баренцева моря и ее аномалий в пределах выделенных однородных (по преобладающему знаку аномалий) периодов приведены в табл. 2.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

57

А.П. Жичкин

Таблица 2

Статистические характеристики ледовитости Баренцева моря и ее аномалий в холодные и теплые периоды

Периоды Ледовитость, % Аномалии, %

максимум минимум средняя максимум минимум средняя

Продолжительные периоды

1943/1944-1959/1960 40 27 34 -9.1 0.4 -2.4

1960/1961-1998/1999 63 29 41 26.5 -0.1 4.5

1999/2000-2013/2014 39 17 25 -19.1 -2.1 -11.2

Короткие периоды

1938/1939-1942/1943 50 38 42 13.9 1.9 5.8

1960/1961-1969/1970 63 36 46 26.5 -0.1 9.8

1970/1971-1975/1976 38 31 35 -5.4 -0.2 -0.9

1976/1977-1981/1982 54 39 45 18.3 3.1 9.2

1986/1987-1988/1989 45 42 43 8.4 6.2 7.3

1995/1996-1998/1999 43 38 41 6.8 1.6 4.5

Временное распределение и повторяемость различных градаций аномалий ледовитости Баренцева моря

Анализ временного распределения и повторяемости крупных и очень крупных аномалий ледовитости за последние полвека выполнен с помощью созданного календаря ежемесячных ледовых аномалий Баренцева моря (рис. 2).

Результаты анализа по выбранным градациям показали, что повторяемость вместе взятых очень крупных (ОКР) и крупных (КР) аномалий составила более половины всех аномалий (66 %). При этом доля ОКР аномалий обоих знаков составила 20 %. Соотношение положительных и отрицательных ОКР и КР аномалий, вместе взятых, оказалось одинаковым (по 33 %). Доля малых аномалий обоих знаков также составила одну треть всех аномалий (рис. 3а).

Обращает на себя внимание тот факт, что подавляющее большинство положительных ОКР и КР аномалий наблюдалось в начале рассматриваемого периода.

В то же время отрицательные ОКР аномалии ледовитости совсем отсутствовали, а отрицательные КР аномалии составили только около 3 %. (рис. 3б). Данное десятилетие оказалось чрезвычайно неблагоприятным как для мореплавания, так и для рыболовства.

К числу самых ледовитых лет в Баренцевом море, безусловно, следует отнести сезон 1968/1969 гг., характеризовавшийся 11 ОКР положительными аномалиями. Дополнительно к наиболее ледовитым были отнесены 1962/1963 и 1967/1968 гг. В эти сезоны отмечалось по 7 ОКР, а также 3 и 4 КР положительных аномалий соответственно.

58

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Динамика межгодовых и сезонных аномалий ледовитости Баренцева и Карского морей...

ОКР + КР Н - КР - ОКР

Рис. 2. Календарь ежемесячных ледовых аномалий Баренцева моря в 1960-2014 гг.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

59

А.П. Жичкин

Рис. 3. Повторяемость различных типов ледовых аномалий в Баренцевом море: а - 1960/1961 - 2013/2014 гг.; б - 1960/1961 - 1969/1970 гг.; в - 1970/1971-1976/1977 гг.; г - 1977/1978 - 1981/1982 гг.; д - 1982/1983 - 1999/2000 гг.; е - 2000/2001 - 2013/2014

В первой половине 1970-х гг. повторяемость аномалий на максимуме была заметно ниже. В этот период преобладали малые аномалии обоих знаков (рис. 3в).

На рубеже 1970-1980-х гг. выделяется сезон 1978/1979 гг., когда наблюдалось 8 ОКР и 3 КР положительных аномалии (рис. 2). В сумме ОКР и КР положительные аномалии за холодный период сезонов 1977/1978-1981/1982 гг. составили 73 %, а отрицательные ОКР аномалии ледовитости полностью отсутствовали (рис. 3г).

В последующем до конца 1990-х гг. продолжительность ОКР и КР аномалий одного знака составляла не более 2-3 месяцев, а доля малых аномалий обоих знаков - 46 % (рис. 3д). Причем, как упоминалось выше, с начала 1990-х гг. в Баренцевом море наблюдается теплая фаза климатических колебаний, которая продолжается по настоящее время [11].

На протяжении первых 14 лет XXI века состояние экосистемы Баренцева моря характеризуется высоким теплосодержанием вод, низкой ледовитостью и доминированием отрицательных ледовых аномалий. В этот период сумма КР и ОКР отрицательных аномалий достигла 82 %, в то время как доля вместе взятых КР и ОКР положительных аномалий составила только около 5 %.

К числу самых малоледовитых лет, безусловно, следует отнести сезоны 2005-2006, 2007-2008, 2011-2012 и 2012-2014 гг., включавшие по 7-9 ОКР и 3-5 КР отрицательных аномалий. При этом в указанные ледовые сезоны никаких других аномалий, кроме отрицательных КР и ОКР, не наблюдалось.

Указанные обстоятельства обусловили относительно легкие условия для судоходства и более протяженные нагульные миграции промысловых видов рыб. В частности, в этот период

60

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Динамика межгодовых и сезонных аномалий ледовитости Баренцева и Карского морей...

акватория промысла трески расширилась до прибрежных вод Новой Земли на востоке и до Возвышенности Персея на севере моря [4].

Особенности сезонных флуктуаций ледовых аномалий Баренцева моря

Отличительная особенность сезонных изменений ледовитости Баренцева моря состоит, с одной стороны, в том, что акватория моря никогда полностью не замерзает, а с другой -при среднемноголетних условиях ледяной покров полностью не вытаивает [6].

Анализ изменчивости ледовых аномалий Баренцева моря в периоды максимальной (февраль - апрель) и минимальной (август - сентябрь) ледовитости выявил, что аномалии в зимний период значительно превосходят таковые в летний период. В феврале - апреле на протяжении рассматриваемого периода размах аномалий ледовитости был 50-59 %, в то время как в августе - сентябре лишь в первое десятилетие рассматриваемого периода размах аномалий достигал 28-31 %, а в остальные годы не выходил за пределы 17-19 %.

Результаты расчетов показали, что стандартное отклонение ледовитости от нормы в Баренцевом море наибольшее в мае - июне (15.4 и 14.6 %), когда начинается разрушение ледяного покрова. В августе - сентябре (минимум годового хода ледовитости) стандартные отклонения ледовитости достигают минимальных значений (7.6 и 7.3 %). Вновь стандартное отклонение увеличивается в ноябре - декабре, когда происходит процесс льдообразования и интенсивное приращение площади льда.

Самостоятельней интерес представляют конкретные сезоны отдельных лет с экстремальными значениями аномалий ледовитости в Баренцевом море. Как уже отмечалось ранее, большинство экстремальных ситуаций с положительной (повышенной относительно нормы) ледовитостью имели место в 1960-е гг. В частности, в апреле 1966 г. наблюдалась самая высокая ледовитость (86 %) за весь период наблюдений, превышение ледовитости над нормой в этом случае достигло 27 %. Аналогичный случай наблюдался в марте 1963 г. (83 % ледовитость и 25 % аномалия), но экстремальная аномалия ледовитости приходится на ноябрь 1968 г. Величина аномалии в этом случае составляла 38 % выше нормы.

Наибольшее количество экстремальных ситуаций с пониженной ледовитостью отмечались в 2012 и 2013 гг. Так, соответственно в августе - октябре и в июле - октябре указанных лет акватория Баренцева моря была полностью свободна ото льда. Экстремальные величины ледовых аномалий в эти годы наблюдались в июле и составляли 20 и 21 % ниже нормы соответственно.

Межгодовые и сезонные колебания ледовых аномалий Карского моря

Анализ временного распределения и повторяемости ежемесячных ледовых аномалий Карского моря за период 1979-2012 гг. по выбранным градациям показал, что подавляющее большинство положительных крупных ОКР и крупных КР аномалий случались в летние месяцы и в сентябре - декабре первого двадцатилетия рассматриваемого периода, а отрицательные аномалии преобладали в 2005-2012 гг. (рис. 4). А с января по май ледовитость Карского моря была близка к норме, доминировали малые аномалии обоих знаков (91 %).

По продолжительности около половины всех аномалий (48 %) заняли ОКР и КР аномалии, вместе взятые. Соотношение положительных и отрицательных ОКР и КР аномалий составило 29 и 20 % соответственно. Причем, если повторяемость отрицательных ОКР и КР аномалий оказалась одинаковой (по 10 %), то в повторяемости положительных ОКР и КР наблюдается большая разница (3 и 26 % соответственно). Доля малых аномалий обоих знаков составила 52 %.

К числу самых ледовитых лет в Карском море следует отнести сезоны 1980-1981 и 1998-1999 гг., за которые случились по 3 ОКР и 4-5 КР положительных аномалий. Дополнительно к наиболее ледовитым можно отнести сезоны 1979-1980, 1982-1983

и 1990-1991 гг., когда отмечалось по 5-7 КР положительных аномалий.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

61

А.П. Жичкин

+ ОКР +КР Н - КР - ОКР

Рис. 4. Календарь аномалий ледовитости Карского моря в 1979-2012 гг.

В период 2005-2012 гг. имели место высокое теплосодержание вод и низкая ледовитость. КР и ОКР отрицательные аномалии составили более половины всех аномалий (62 %), в то же время наблюдалось только 2 КР положительные аномалии ледовитости, а положительные ОКР аномалии совсем отсутствовали.

Самым малоледовитым в этот период оказался сезон 2011-2012 гг. с 12 ОКР отрицательными аномалиями. Ледовые процессы в том сезоне развивались по легкому типу, что создало весьма благоприятные условия для мореплавания.

В целом, как следует из анализа, в отличие от Баренцева, для Карского моря не типичны резкие колебания ледовитости в зимнее время, когда обычно преобладают малые аномалии обоих знаков. Однако в начале 2012 г. в Баренцевом и Карском морях, в результате блокирования западного переноса в умеренной зоне отрогом Сибирского антициклона, сформировалась ярко выраженная положительная аномалия температуры воздуха и водных масс [12]. Отмеченные обстоятельства препятствовали процессу льдообразования и нарастания льда в европейском секторе Арктики в зимний период 2012 г. В Карском море впервые за последние 35 лет в зимние месяцы наблюдались обширные пространства чистой воды. При этом в феврале

62

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Динамика межгодовых и сезонных аномалий ледовитости Баренцева и Карского морей...

почти вся юго-западная часть моря была свободна ото льда. Значительных размеров полынья сохранялась здесь и в марте - наиболее ледовитом месяце, по среднемноголетним данным, в Арктике. А среди зимних месяцев 2012 г. наиболее аномальным в Карском море оказался февраль, когда отрицательная аномалия ледовитости резко возросла до 20 % (рис. 5).

Рис. 5. Аномалии ледовитости (%) в Карском море в зимний период 2003-2014 гг. :

1 - январь, 2 - февраль, 3 - март

В зимний период 2013 г. в результате изменений крупномасштабной атмосферной циркуляции над Северным полушарием в морях европейского сектора Арктики существовала тенденция к увеличению ледовитости по сравнению с тем же периодом 2012 г. При этом в Карском море в феврале - марте значения ледовитости вернулись к среднемноголетней норме (рис. 5).

Заключение

Анализ ледовых аномалий позволил выделить в Баренцевом море за последние 80 лет ряд периодов похолоданий и потеплений различной продолжительности. В структуре межгодовых колебаний аномалий ледовитости Баренцева моря хорошо выражено присутствие циклических квазитридцатилетних холодных и теплых фаз, которые формируют 50-60-летние низкочастотные климатические колебания в Арктическом бассейне. На их фоне развиваются более мелкомасштабные процессы ледовых флуктуаций продолжительностью вплоть до 2-3 лет.

С помощью созданного календаря ледовых аномалий Баренцева моря, отражающего временное распределение и повторяемость крупных и очень крупных аномалий ледовитости, установлено, что наиболее крупные положительные ледовые аномалии произошли во второй половине 1960-х и на рубеже 1970-х и 1980-х гг. Так, количество крупных и очень крупных положительных аномалий за холодный период сезонов 1977/1978-1981/1982 гг. в сумме заняло 73 %, а отрицательные очень крупные аномалии ледовитости полностью отсутствовали.

Наиболее крупные отрицательные ледовые аномалии наблюдались в течение первых 13 лет XXI века. В этот период сумма крупных и очень крупных отрицательных аномалий достигла 82 %, а доля крупных и очень крупных положительных аномалий ледовитости, вместе взятых, составила только около 5 %. В 2013-2014 гг. проявилась тенденция к уменьшению отрицательных аномалий ледовитости.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

63

А.П. Жичкин

Расчеты показали, что изменчивость сезонных ледовых аномалий Баренцева моря в период максимальной (февраль - апрель) ледовитости почти в два раза превосходит изменчивость аномалий в период минимальной (август - сентябрь) ледовитости.

Ледовые условия Карского моря на протяжении рассматриваемого периода были стабильны в зимние месяцы и значительно изменялись в остальные месяцы года. Наибольшие аномалии обоих знаков имели место в периоды весенне-летнего таяния и разрушения ледяного покрова, а также во время осеннего льдообразования и нарастания льда. Наиболее крупные отрицательные ледовые аномалии наблюдались в течение последних пяти лет с экстремальными значениями зимой 2012 г.

ЛИТЕРАТУРА

I. Бочков Ю.А., Терещенко В.В. Современные многолетние изменения гидрометеорологических условий в Баренцевом море и их биологические последствия // Экологические проблемы Баренцева моря: сб. науч. тр. ПИНРО. Мурманск, 1992. С. 225-243. 2. Денисов В.В. Эколого-географические основы устойчивого природопользования в шельфовых морях (экологическая география моря). Апатиты: КНЦ РАН, 2002. 502 с. 3. Climate and cyclic hydrobiological changes of the Barents Sea from the twentieth to twenty-first centuries / G. Matishov et al. // Polar Biology. 2012. Vol. 35, № 12. P. 1773-1790. 4. Жичкин А.П. Особенности климатических колебаний и рыбный промысел в высокоширотных районах Баренцева моря. // Ученые записки Рос. гос. гидрометеорол. ун-та. 2013. № 30. C. 108-115. 5. Матишов Г.Г., Жичкин А.П. Влияние климатических флуктуаций на промысловую ихтиофауну экосистемы Баренцева моря // Вестник Южного научного центра РАН. 2013. Т. 9, № 1. C. 61-70. 6. Миронов Е.У. Ледовые условия в Гренландском и Баренцевом морях и их долгосрочный прогноз. СПб.: ГНЦ РФ ААНИИ, 2004. 320 с. 7. Климатические изменения ледовых условий в арктических морях Евразийского шельфа / И.Е. Фролов и др. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. № 75. C. 149-160. 8. Спичкин В.А. Определение критерия крупной аномалии // Исследования ледовых условий Арктических морей, методы расчета и прогноза: тр. ААНИИ. 1987. T. 402. C. 15-19. 9. Климатические аномалии Баренцева моря: отчет о нИр (заключ.) / под ред. Г.Г. Матишова. Мурманск: ММБИ КНЦ РАН, 2000. 98 с. 10. Variability of the Intermediate Atlantic Water of the Arctic Ocean over the Last 100 Years / I.V. Polyakov et al. //

J. Climate. 2004. Vol. 17, № 23, P. 4485-4497. 11. Жичкин А.П. Климатические колебания ледовых условий в различных районах Баренцева моря // Метеорология и гидрология. 2012. № 9. C. 69-78. 12. Pronounced anomalies of air, water, ice conditions in the Barents and Kara Seas, and the Sea of Azov / G.G. Matishov, S.L. Dzhenyuk, D.V. Moiseev, A.P. Zhichkin // Oceanologia. 2014. 56 (3). P. 445-460.

Сведения об авторах

Жичкин Александр Павлович - к.г.н., старший научный сотрудник; e-mail: zhichkin@mmbi.info

64

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015