Long-range forecast of residual ice area in the Arctic ocean in September

The opportunity of long term forecasting (5-8 months in advance) the area of residual ice which remains in the Arctic ocean in September after the summer melting is discussed in the paper. It is an important indicator which characterizes the expected difficulty of the navigation conditions in the Russian Arctic. The results of the forecast allow planning the marine activity at the North Sea Route as well as assessing the state of the climatic system «atmosphere – ice – ocean» in the next summer.

Keywords: Arctic Ocean, ice regime, area of residual ice, long-range forecasts

Во-первых, площадь льдов в Северном Ледовитом океане является наиболее доступным и информативным показателем состояния климатической системы «атмосфера-лед-океан» и происходящих в этой системе изменений [1]. 

Во-вторых, очень важным является прикладное значение этого показателя. Чем больше льдов исчезнет в результате летнего таяния, тем более обширные акватории океана и его морей очистятся ото льда, что будет способствовать судоходству. Например, если площадь остаточных льдов в сентябре составляет менее 5 млн км², то это означает, что ледяной покров интенсивно разрушался в течение летнего периода и акватория российских арктических морей будет полностью свободна ото льда (рис. 1а). Если площадь остаточных льдов в сентябре более 5 млн км², то на акватории некоторых арктических морей будет сохраняться ледяной покров, что негативно отразится на возможности и безопасности плавания судов (рис. 1б). Если в течение летнего периода разрушение и таяние ледяного покрова происходило с низкой интенсивностью, то площадь остаточного льда в сентябре будет более 7 млн км²и плавание судов по трассе СМП будет происходить в очень сложных ледовых условиях.

Рисунок 1 - Распределение льда в середине сентября в 2012 г (а, площадь остаточных льдов 3,5 млн км ²) и в 2013 г. (б,площадь остаточных льдов 5,2 млн км ²) (www.aari.ru) 

Сезонная изменчивость ледяного покрова.Начиная с конца 70-х годов прошлого века, спутниковая информация о состоянии ледяного покрова оперативно поступает в распоряжение специалистов, которая оценивается с большой точностью и дискретностью (с частотой не менее 1 суток).

В сезонном ходе изменения площади льда в СЛО хорошо прослеживаются два противоположных процесса: осенне-зимнее увеличение площади льдов в результате ледообразования и летнее уменьшение площади льдов в результате таяния. На рисунке 2, приведенном ниже, показан среднемноголетний сезонный ход изменения площади льдов в СЛО за ряд наблюдений с 1979 по 2018 гг., а также его минимальные и максимальные значения (данные архива Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) http://wdc.aari.ru/datasets/ssmi/data/north/extent/).

Рисунок  2 - Сезонное изменение количества льдов в Северном Ледовитом океане

Из приведенного рисунка видно, что в осенний период, начиная с сентября, происходит интенсивное нарастание площади льдов. С сентября по ноябрь площадь ледяного покрова увеличивается в среднем на 2,0 млн км²в месяц. С ноября по декабрь интенсивность нарастания площади льдов уменьшается до 1,3 млн км². Всего же за осенние месяцы до конца года в среднем появляется до 85% вновь образованных льдов. За оставшиеся зимние месяцы до апреля площадь льдов увеличивается только на 15%, несмотря на период самых низких температур. В апреле увеличение площади льдов прекращается. 

Таким образом, в осенний период года с сентября по декабрь происходит основное увеличение площади льдов в СЛО. Это молодые и однолетние льды осенне-зимнего образования. В оставшиеся зимние месяцы с января по апрель увеличение площади льдов уже незначительно, но именно в этот период продолжается интенсивное нарастание толщины этих льдов.

В течение апреля-мая начинается уменьшение площади льдов в результате летнего таяния, которое продолжается до середины сентября. Остаточная площадь льдов в СЛО в сентябре характеризует интенсивность летних процессов таяния. В среднем за летний период разрушается и тает около 5,8 млн км². В середине сентября в СЛО сохраняются остаточные льды, площадь которых в среднем (за весь ряд наблюдений с 1979 по 2017 гг.) составляет около 6,1 млн км². 

Межгодовая изменчивость ледяного покрова.Необходимо отметить, что в динамике летнего таяния и разрушения льдов за последние два десятилетия произошли существенные изменения. Сравнение остаточной площади льдов в СЛО в сентябре за последнее десятилетие 2008-2017 гг. с данными за более холодное десятилетие 1978-1986 гг. показывает, что наблюдается уменьшение количества остаточных льдов в сентябре в среднем с 7,2 до 4,7 млнкм ². То есть в Северном Ледовитом океане в последнее десятилетие после летнего таяния стало оставаться меньше льдов в среднем на 2,5 млнкм². Гигантские акватории океана и его морей, которые еще три десятка лет назад были покрыты льдом в сентябре, сейчас полностью очищаются ото льда. 

На рисунке 3 представлен межгодовой ход площадей льдов в СЛО в декабре предшествующего года и в сентябре текущего года (данные архива ААНИИ http://wdc.aari.ru/datasets/ssmi/data/north/extent/). Из данных, приведенных на рисунке, хорошо прослеживается тенденция сокращения остаточной площади льдов, наблюдаемая в последние два десятилетия. 

Рисунок 3 - Межгодовой ход площади льдов в СЛО в декабре и сентябре (красная точка – прогноз на сентябрь 2018 г)

Очищение больших акваторий ледовитых морей и увеличение длительности безледного периода существенно снижает зависимость  от ледяного покрова хозяйственной деятельности различных направлений: плавания судов и перевозки грузов, разведки и добычи минерального сырья в шельфовых районах, экспедиционных исследований, операций ВМФ [2]. 

Таким образом, становится очевидным важность мониторинга изменения площади ледяного покрова и его прогноза. 

Прогноз площади остаточных льдов. В отделе ледового режима и прогнозов ААНИИ в результате изучения взаимосвязи накопления льда в зимний период года с последующим его сокращением в летний период было установлено, что существует хорошая зависимость между интенсивностью осенне-зимнего накопления льда в СЛО и его последующего таяния. Величина коэффициента корреляции (КК) площади льда в декабре предшествующего года с площадью льда в сентябре текущего года для ряда наблюдений в 39 лет составила 0,84. Величина Rплощади ледяного покрова в марте (период максимального накопления льда) составила 0,81. Это значимые и очень большие значения коэффициентов корреляции, доказывающие неслучайный характер связи.

Прогнозирование природных процессов с большой временной заблаговременностью, составляющей от 1 до 6 месяцев, является сложной исследовательской задачей. Научно обоснованный прогноз с большой заблаговременностью возможен только в том случае, если есть правильное понимание природы формирования прогнозируемого явления и определены формирующие его факторы, установлены надежные и информативные предикторы.

Физический механизм связи сроков начала осеннего ледообразования, интенсивности накопления льда в зимний период и последующего летнего разрушения, в принципе, понятен. Раннее и интенсивное накопление льда в СЛО, нарастание его толщины и торосистости приводит к формированию большого количества мощных льдов. Позднее начало ледообразования и низкая интенсивность нарастания льда приводит к формированию ледяного покрова гораздо меньшей мощности. В свою очередь, чем больше мощных льдов (по количеству и толщине) появляется на акватории морей океана к концу периода нарастания, тем больше их остается после летнего таяния.

Выявленные зависимости между площадями льдов в различные сезоны года и установленные ранее взаимосвязи изменчивости площади льдов с крупномасштабными показателями температуры воздуха и воздушных переносов позволяют использовать их для построения прогностической модели. 

На основе автоматизированной прогностической системы «Пегас» (АПС «Пегас»), разработанной в ААНИИи успешно использующейся в оперативной практике, была построена прогностическая модель, позволяющая оценивать площадь остаточного льда в СЛО в сентябре [2]. 

Основным назначением АПС "Пегас" является исследование информативности различных гидрометеорологических полей, построение расчетных и прогностических моделей. Она позволяет оценивать статистическую связь между показателями метеорологического и ледового режима, по заданному критерию выбирать наиболее информативные данные, проводить обобщение всей информации и строить линейную прогностическую модель.

В качестве исходных данных в модели прогноза площади остаточных льдов в сентябре используются основные показатели состояния ледяного покрова, воздушных переносов и крупномасштабные показатели температуры воздуха, приведенные в таблице 1. По приведенным в таблице частным коэффициентам корреляции видно, что наиболее информативными для прогноза являются площади льдов в предшествующие периоды формирования ледяного покрова и температура воздуха в осенне-зимний период.

Таблица 1 – Даты разработки и исходные данные для прогноза остаточной ледовитости СЛО в сентябре

Технология прогноза площади остаточного льда в СЛО в сентябре основана на двух этапах – предварительном прогнозе и основном прогнозе. В предварительном прогнозе, составляемом в первой декаде января, заблаговременностью 8 месяцев, учитываются осенние процессы накопления льда предшествующего года по декабрь включительно. В основном прогнозе, составляемом в первой декаде апреля, заблаговременностью 5 месяцев, учитываются осенне-зимние процессы накопления льда в СЛО на период максимального накопления ледяного покрова, которое наблюдается в конце марта - начале апреля.

Оправдываемость  ретроспективных расчетов   для предварительного прогноза составляет 88% (при допустимой ошибке для сверхдолгосрочных прогнозов равной ±1,0 σ) и для основного прогноза 92 % (при допустимой ошибке для долгосрочных прогнозов равной ±0,8 σ).

На сентябрь 2018 г. был составлен предварительный прогноз в начале января и основной прогноз в начале апреля. Результаты прогноза приведены в таблице 2. По результатам мониторинга ледяного покрова в конце сентября 2018 г. прогноз будет проверен на успешность.

 Таблица 2 – Основные результаты прогноза площади остаточного льда в СЛО в сентябре 2018 г.

 Выводы. По разработанному прогнозу ожидается, что площадь остаточных льдов в СЛО в сентябре 2018 г. составит 4850 тыс. км². Это меньше среднемноголетнего значения за полный ряд наблюдений с 1979-2017 гг. (39 лет) на 1300 тыс. км²или на величину -1,18σ, которая показывает, что аномалия площади остаточных льдов относится к крупной отрицательной аномалии. Однако, если рассмотреть изменения площади остаточных льдов в сентябре за последнее теплое десятилетие (с 2008-2017 гг.), то выявляется интересная особенность. Становится очевидным, что после аномального сокращения площади остаточных льдов, которое наблюдалось в сентябре 2012 г. и составило 3346 тыс. км², площадь остаточных льдов начинает медленно повышаться (см. рис. 3 нижняя кривая).

По разработанному прогнозу ожидается, что площадь остаточных льдов в сентябре 2018 г. превысит на 230 тыс. км²  величину площади льдов предыдущего 2017 г., а также на 120 тыс. км²  превысит норму ряда наблюдений за последнее десятилетие с 2008-2017 гг.

Таким образом, прогноз на сентябрь 2018 г. продолжает «климатическую паузу» в изменении площади льдов в СЛО, которая наблюдается в последние пять лет. 

Значительных изменений в площади остаточных льдов в сентябре, которые смогли бы объективно и однозначно подтвердить одну из двух существующих ключевых гипотез ожидаемого изменения климата – необратимость и нарастание потепления или циклический характер изменений в 2018 г., не ожидается.