Особенности ледяного покрова в районе полуострова Ломоносова (залив петра Великого)

Вестник ДВО РАН. 2015. № 2

УДК 551.467; 528.88

В.А. ДУБИНА, В В. ПЛОТНИКОВ, А.Ю. ЛАЗАРЮК

Особенности ледяного покрова в районе полуострова Ломоносова

На основе анализа исторической базы данных ледовых наблюдений, архива спутниковых изображений и непосредственных инструментальных наледных измерений исследованы особенности ледяного покрова Амурского залива в районе п-ова Ломоносова, включая бухты Перевозная и Нарва. В условиях зимнего муссона в южной половине Амурского залива в течение всего сезона дрейфует лед различных возрастных стадий и форм. Средняя скорость дрейфа составляет около 0,3 м/с, максимальная зарегистрированная площадь плавучего льда 20 км2, толщина более 0,3 м. П-ов Ломоносова является естественным препятствием плавучему льду, в результате чего в бухте Перевозная происходит сильное наслоение и торошение льда. Такие деформационные процессы в ледяном покрове представляют серьезную угрозу для судоходства и прибрежной инфраструктуры. Строительство различных причальных, наливных и прочих сооружений возле полуострова приведет к интенсификации процессов торошения и наслоения льда в центральной части Амурского залива и может серьезно изменить характер протекания ледовых процессов во всем заливе.

Ключевые слова: лед, припай, сплоченность, толщина льда, дрейф льда, залив Петра Великого, Амурский залив, п-ов Ломоносова, бухта Перевозная, Landsat, MODIS.

Features of an ice cover of the Amur Bay near the Lomonosov Peninsula. V.A. DUBINA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), V.V. PLOTNIKOV (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok, Far Eastern Federal University, Vladivostok), A.Yu. LAZARYUK (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

On the basis of the analysis of historical database of ice observation, archive of satellite images and the in situ ice coating measurements, the features of an ice cover of the Amur Bay near the Lomonosov Peninsula, including the Bays Perevoznaya and Narva are investigated. In the conditions of winter monsoon in the south half of the Amur Bay during the whole season the ice of various age and forms drift. Average speed of drift is about 0.3 m/s, the maximum registered size of floating ice is 20 km2 and thickness more than 0.3 m. The Lomonosov Peninsula is a natural obstacle to floating ice therefore in the Perevoznaya Gulf there are strong rafting and hummocking. Such deformation processes in ice cover poses serious threat for navigation and coastal infrastructure. Construction of various berthing, bulk and other facilities near the Lomonosov Peninsula will lead to intensification of hummocking and rafting in the central part of the Amur Bay and may seriously change the type of ice behavior in the whole Bay.

Key words: ice, fast ice, ice concentration, ice thickness, ice drift, Peter the Great Bay, the Amur Bay, Lomonosov Peninsula, Perevoznaya Bay, Landsat, MODIS.

В связи со строительством на побережье зал. Петра Великого объектов нефтегазового комплекса возникает необходимость в изучении, моделировании и прогнозировании изменений ледяного покрова в границах небольших акваторий (таких как пролив Босфор Восточный) и даже в масштабе отдельных льдин. Повышенный интерес вызывают

* ДУБИНА Вячеслав Анатольевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, ЛАЗАРЮК Александр Юрьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток), ПЛОТНИКОВ Владимир Викторович - доктор географических наук, заведующий лабораторией, профессор (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). *Е-таП: dubina@poi.dvo.ru

особенности динамики ледяного покрова в непосредственной близости от морского нефтеперегрузочного комплекса в бухте Козьмино и возле п-ова Ломоносова, где планируется строительство заводов по сжижению природного газа и газоперерабатывающего. Эффективное решение таких задач требует использования многосенсорных спутниковых данных высокого и среднего разрешения. В настоящей работе изложены результаты исследования особенностей образования, развития и разрушения ледяного покрова Амурского залива в районе п-ова Ломоносова, включая бухты Перевозная и Нарва, основанные на анализе исторической базы данных ледовых наблюдений, спутниковых изображений и наледных измерений.

Данные и методы

Большинство последних работ, посвященных изучению ледяного покрова зал. Петра Великого, базировалось на архивных данных ледовых наблюдений за период 1917-2011 гг. [6-10]. Эта база данных (БД) представляет собой непрерывный ряд значений ледовитости (площади моря, покрытой льдом любой сплоченности) за указанный период, а также неравномерные временные ряды двумерных полей ледовых характеристик: сплоченности ледяного покрова, возраста и формы льда. При создании БД акватория залива была разбита на элементарные однородные районы (рис. 1). Описание БД, оценка полноты данных по годам и декадам, методы их восстановления представлены в работах [7, 10]. Размеры элементарных ячеек картографической основы варьируют в пределах 1,59,3 км и подбирались в зависимости от сложности ледовых условий и конфигурации береговой линии. В данной работе использовались значения для квадратов 28-30 и 42, 43 (см. врезку на рис. 1), которые в тексте упоминаются как «исторические данные».

Спутниковый архив состоит из изображений, полученных радиолокационными станциями с синтезированной апертурой (РСА), установленными на спутниках ERS-1, ERS-2, Envisat, ALOS, Radarsat-1 (1991-2012 гг., пространственное разрешение 25-150 м), а также результатов измерений в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра спектрорадиометров MODIS со спутников Aqua и Terra (2002-2014 гг.,

Рис. 1. Схема разбивки акватории при создании базы ледовых характеристик зал. Петра Великого. На врезке показаны квадраты, покрывающие район исследования

пространственное разрешение 250 м в видимом и 1 км в инфракрасном (ИК) диапазонах). Кроме того, использовались данные тематических картографов TM и ETM+, установленных на спутниках Landsat-5, Landsat-7 (1986-2014 гг., разрешение 15, 30 и 60 м на 1 пиксель), а также приборов видимого (OLI) и ИК (TIRS) диапазонов спутника Landsat-8. Данные с последнего спутника поступают с 2013 г. и имеют разрешение 15, 30 и 100 м на 1 пиксель. Измерения со спутников серии Landsat доступны на геопортале USGS Global Visualization Viewer (http://glovis.usgs.gov/). Особенности ледяного покрова, анализируемые по спутниковым изображениям, не представленным в данной работе, можно рассмотреть по указанному URL, задав в интерфейсе портала значения Path = 114, Row = 30, указанную в тексте дату и выбрав режим пространственного разрешения (Resolution) 240 м.

Характеристики ледяного покрова определялись на основе известных свойств льда в различных диапазонах электромагнитного спектра [1]. Используемая терминология соответствует международной номенклатуре морских льдов [5]. Съемки с двух спутников Landsat позволяют анализировать статические характеристики ледяного покрова с временным периодом 8 сут. Скорость и направление дрейфа льда оценивались по изображениям, полученным спектрорадиометрами MODIS со спутников Terra и Aqua с интервалом ~100 или 200 мин, а также радиолокационными станциями со спутника Envisat c интервалом ~12 ч на последовательных восходящем и нисходящем витках. Для анализа ледовой обстановки по данным MODIS использовались изображения в истинном цвете с разрешением 250 м, которые создавались комбинацией 1-го (длина волны 1 = 0,645 мкм, разрешение 250 м), 4-го (1 = 0,555 мкм, разрешение 500 м) и 3-го (1 = 0,469 мкм, разрешение 500 м) спектральных каналов.

В период 2011-2014 гг. спутниковые изображения ледяного покрова в Амурском заливе анализировались совместно с наледными наблюдениями, включавшими визуальную оценку процессов деформации льда и измерение его толщины.

Результаты и обсуждение

Ледяной покров в зал. Петра Великого наблюдается с ноября по апрель, и в суровые зимы положение кромки льда почти совпадает с границей залива. Максимальная ледовитость отмечается, как правило, в середине февраля. В экстремально ледовитые годы ледяной покров может достигать наибольшего развития уже к концу января. В такие зимы льдом покрыта вся акватория залива, а максимальная толщина льда в бухте Новгородская и вершине Амурского залива может превышать 1 м [2, 7].

Основной припай в зал. Петра Великого находится в бухтах Новгородская и Экспедиции, а также в северной части Амурского залива до широты п-ова Песчаный. Лед в этих местах появляется раньше всего и разрушается в последнюю очередь. В течение зимы припай образуется также в многочисленных вторичных заливах и бухтах, но при сильных ветрах может взламываться и выноситься в открытую часть залива. В Уссурийском заливе припай появляется в основном вдоль северо-восточного берега (в бухтах Суходол, Муравьиная, Андреева). В суровые зимы узкая полоса припая может наблюдаться вдоль всего восточного берега Уссурийского залива.

По историческим данным, самое раннее появление начальных видов льда и припая в бухте Перевозная наблюдалось в первой декаде декабря, самое позднее очищение бухты ото льда происходило в первой декаде апреля. Максимальный срок существования припая в бухте Нарва - последняя декада ноября-первая декада апреля (см. таблицу).

В средние по суровости в ледовом отношении зимы припаем покрывается вся бухта Нарва, а в бухте Перевозная припай имеет максимальную ширину не более 2,5 км возле п-ова Ломоносова, сужаясь, он простирается вдоль берега на северо-восток на расстояние 5-11 км (рис. 2).

Квадрат* Первое появление льда

28(бухта

Перевозная) 34 10 34 10

29 (бухта Нарва) 33 10 33 10

30 33 10 34 10

42 34 10 35 10

43 34 10 36 9

* Исследуемые районы показаны на рис. 1.

В суровые зимы припай охватывает весь Амурский залив, включая исследуемый нами район. Ширина припая в районе бухты Перевозная достигает 3-5 км (см. изображение Landsat-5 за 27 января 1986 г.). В таких ситуациях в южной и центральной частях залива лед обкалывается ледоколом.

В мягкие зимы припай в бухте Перевозная не образуется, а в бухте Нарва может наблюдаться только в самой ее северной части (см. изображение Landsat-7 за 13 января 2007 г.).

По историческим данным, максимальная толщина льда в бухте Перевозная не превышает 30 см (серо-белый лед) и может держаться со второй декады декабря по первую декаду апреля. Однако судя по спутниковым данных и наледным наблюдениям, лед в этой бухте даже в средние по суровости зимы может достигать стадии тонкого однолетнего (толщина 30-70 см). В работе [6] приведена характеристика суровости зим в отношении ледовитости зал. Петра Великого. В категорию «суровых» попадает сезон 2000/01 г. Той зимой припай в бухте Перевозная начал образовываться одновременно со становлением ледяного покрова возле мыса Токаревского, где его максимальная толщина составляла 89 см.

В стадии максимального развития ледяного покрова большую часть центральной акватории зал. Петра Великого занимают дрейфующие начальные виды льда (ледяное сало) и нилас (лед тоньше 10 см). При северо-западном ветре скоростью 7-9 м/с в центральной части залива скорость дрейфа льда в южном направлении составляет 0,5-0,6 м/с. У западного побережья залива скорость дрейфа льда ниже (0,1-0,3 м/с), и, как правило, лед сдвигается вдоль островов при широком диапазоне направлений ветра (от северо-западных до северо-восточных). Однако отмечены случаи, когда при устойчивом северо-западном ветре скоростью около 10 м/с на протяжении 12 ч лед в центральной части Амурского залива от п-ова Шкота смещался со скоростью 0,2 м/с в направлении на запад-юго-запад в сторону п-ова Ломоносова [4].

На рис. 2 представлена типичная картина ледяного покрова Амурского залива, сформировавшегося к середине января в умеренно суровый сезон. Припай толщиной примерно 45 см заполняет северную часть залива и продолжается в его восточной части на юг полосой в 2-5 км вплоть до о-ва Попова. Измеренная 10 января 2012 г. недалеко от берега п-ова Шкота толщина льда составила 25-37 см. У западного побережья залива от п-ова Песчаный до п-ова Ломоносова припай наблюдается в бухте Мелководная, в узкой прибрежной полосе (менее 1 км) и бухте Перевозная.

В течение зимы в южной половине Амурского залива происходит интенсивное льдообразование, при этом плавучий лед в стадиях начального, ниласа и серого (толщина 10-15 см) дрейфует в условиях зимнего муссона чаше всего на юго-запад по всей ширине залива. Образование припая в этой части зал. Петра Великого, его разрушение и вынос в открытую часть залива может происходить с периодичностью 3-5 сут. По историческим данным, максимальные размеры плавучего льда в исследуемом районе составляют 500-2000 м (большие ледяные поля). Однако на спутниковых изображениях зарегистрированы обширные поля (размеры 2-10 км) тонкого однолетнего льда первой стадии (толщина 0,3-0,5 м) площадью более 20 км2 [9].

ОГЗО'Е 13Г35Е 131°* Ш°4ГЕ 13Г50'Е 131"55'Е

Рис. 2. Ледяной покров Амурского залива на изображении, принятом в видимом диапазоне со спутника Landsat-7

I ч ч-1 : ч к I 14 '"1 !Ч'И[' I н |лчп щчсК

I л: V1« к игмъ игмь |ч\'* к шгзгк I' г (I к |мч: к ипгк к

Рис. 3. Ледяной покров в центральной части Амурского залива на панхроматическом изображении, принятом со спутника Landsat-7 (16 января 2014 г.). Белые стрелки -дрейф льда, черная стрелка с флажками - направление ветра (скорость 7,5 м/с) на ГМС в бухте Алексеева

Рис. 4. Ледяной покров в бухте Перевозная зимой 2014 г. На врезке - фрагмент изображения со спутника Landsat-8, принятого 14 января 2014 г. Стрелки указывают место и направление проведения фотосъемки

Детальную эволюцию ледяного покрова в исследуемом районе удалось проследить в зимний сезон 2013/14 г. Начальные формы льда (ледяное сало) были зарегистрированы в бухте Перевозная 23 декабря 2013 г. на панхроматическом изображении, принятом со спутника ЬаМ8а^8. Дрейфующий вдоль западного берега Амурского залива на юго-запад нилас скапливался в южной части бухты Перевозная, но надолго не задерживался. Припайный лед начал формироваться 5 января 2014 г. из наслоенного и заторошенного серого льда. Структура ледяного покрова отчетливо прослеживается на панхроматическом изображении, принятом 8 января 2014 г. со спутника Ьап&>а1-8. В середине января в бухте Перевозная наблюдался полностью сформированный припай шириной около 3 км

(рис. 3). В момент измерения со спутника Landsat-7, согласно данным MODIS, полученным с двух спутников, вдоль припая дрейфовали со скоростью 0,3 м/с большие и обширные поля ниласа. Припай в бухте не увеличивался по ширине, но развивался к северу, достигнув максимальной протяженности около 9 км, от п-ова Ломоносова на северо-восток (Landsat-8, 24 января 2014 г.). Сильными ветрами припай в бухте Перевозная 24-27 января почти целиком был разрушен. Оставшаяся часть площадью примерно 1 км2 хорошо видна в южной части бухты на изображении, принятом 1 февраля. На изображении наблюдаются дрейфующие со скоростью 0,1-0,2 м/с поля ниласа и серого льда различных размеров в центральной части залива и неподвижный крупнобитый лед и обломки полей в бухте Перевозная с отчетливыми проявлениями торошения. Из этого льда в течение следующей недели в бухте образовался новый припай шириной около 3 км (Landsat-8, 9 февраля 2014 г.) На этом же снимке на всем пространстве залива виден мелкобитый темный нилас, дрейфующий со скоростями около 0,4 м/с. Похожая ледовая обстановка наблюдалась до конца февраля (Landsat-7, 17 февраля 2014 г.; Landsat-8, 25 февраля 2014 г.). Разрушение ледяного покрова в бухтах Перевозная и Нарва началось в начале марта, но фрагмент припая площадью 2 км2 в южной части бухты Перевозная сохранялся до середины марта (Landsat-8, 13 марта 2014 г.).

Непосредственные инструментальные наблюдения за состоянием льда в бухте Перевозная, выполненные 15 февраля 2014 г., показали среднюю толщину льда 50 см у берега и около 30 см вдоль кромки припая (для сравнения: толщина припая в северной части Амурского залива, измеренная на нескольких разрезах 12 февраля 2014 г., варьировала в диапазоне 47-63 см). Мористая часть припая в бухте Ломоносова была сформирована из сильно заторошенного и наслоенного льда (рис. 4). Толщина льда в торосах превышала 1 м.

Заключение

Принимая во внимание тот факт, что анализ ледовых условий за почти вековой период показывает тенденцию к росту ледовитости в зал. Петра Великого [10], следует ожидать возрастание роли ледяного покрова в районе п-ова Ломоносова. Многомерный статистический анализ исторических данных выявил также несколько локальных зон в зал. Петра Великого, в том числе в районе п-ова Ломоносова, где определенный вклад в формирование пространственной структуры поля сплоченности льда (около 18 %) вносят мелкомасшабные разнонаправленные составляющие процесса изменчивости ледяного покрова [10]. Последнее обстоятельство свидетельствует о трудностях, которые будут возникать при построении адекватных аналитических и прогностических моделей ледовой обстановки в исследуемом районе.

По характеру динамики льда зал. Петра Великого можно рассматривать как стационарную прибрежную полынью. В условиях типичных северо-западных ветров в стадии максимального развития ледяного покрова большую часть акватории залива занимает плавучий лед, дрейфующий к границе залива. Из открытого Уссурийского залива лед быстро выносится, не успевая нарастать до толщины 12-15 см. В закрытом Амурском заливе скорость дрейфа существенно меньше, плавучий лед достигает толщины 10-15 см [3]. В период максимального развития ледяного покрова в южной половине Амурского залива с периодичностью 3-5 сут припай то образуется, то разрушается и лед ветрами северных румбов выносится на юго-запад. Таким образом, в условиях зимнего муссона вдоль кромки припая бухты Перевозная в течение всего сезона дрейфует лед различных возрастных стадий и форм. Средняя скорость дрейфа 0,3 м/с, максимальная зарегистрированная форма - обширное поле тонкого однолетнего льда. П-ов Ломоносова является естественным препятствием плавучему льду, в результате чего в бухте Перевозная происходит сильное наслоение и торошение льда. Ледяной покров, сформированный под действием таких деформаций, представляет серьезную угрозу для судоходства. Строительство различных

причальных, наливных и прочих сооружений возле п-ова Ломоносова приведет к интенсификации процессов торошения и наслоения льда в центральной части Амурского залива и серьезно изменит характер протекания ледовых процессов во всем заливе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вагапов Р.Х., Гаврило В.П., Козлов А.И., Лебедев Г.А., Логвин А.И. Дистанционные методы исследования морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 342 с.

2. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 8. Японское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / под ред. А.С. Васильева, Ф.С. Терзиева, А.Н. Косарева. СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. 398 с.

3. Дубина В.А., Плотников В.В., Кот Н.С. Дрейф льда в заливе Петра Великого // Изв. ТИНРО. 2014. Т. 178. С. 148-156.

4. Дубина В.А., Митник Л.М., Катин И.О. Особенности циркуляции вод залива Петра Великого на основе спутниковых мультисенсорных данных // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря / гл. ред. В.А. Акуличев. М.: ГЕОС, 2008. С. 82-96.

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

6. Петров А.Г., Стасюк Е.И., Кислова С.И. Характеристика суровости зим в ледовом отношении и некоторые особенности ледового покрова залива Петра Великого // Тр. ДВНИГМИ. 2012. Вып. 154. С. 101-121.

7. Петров А.Г., Стасюк Е.И. Характер ледообразования в экстремальные и близкие к ним зимние периоды на акватории залива Петра Великого // Тр. ДВНИГМИ. 2012. Вып. 154. С. 122-144.

8. Плотников В.В. Изменчивость ледовых условий дальневосточных морей и их прогноз. Владивосток: Дальнаука, 2002. 172 с.

9. Плотников В.В., Дубина В.А. Особенности ледяного покрова залива Петра Великого (по историческим и спутниковым данным) // Тр. Первой региональной конф. «Океанографические условия залива Петра Великого», Владивосток, 2-3 апреля 2012 г. Владивосток: ДВНИГМИ, 2012. С. 109-114.

10. Плотников В.В. Пространственно-временная изменчивость ледяного покрова залива Петра Великого // Вестн. ДВО РАН. 2013. № 6. С. 42-49.