Формирование ледяного покрова в акватории многих морей Северного полушария является неотъемлемой частью гидрологического цикла. Сведения о формировании ледового режима необходимы для планирования и организации водного транспорта в навигационный период, а также возможности транспортировки людей и/или грузов по установившемуся льду [1; 2]. Это особенно важно для тех морей, по которым осуществляются морские грузоперевозки, имеющие не только коммерческое, но и хозяйственное значение.
Белое море – это внутреннее море, расположенное на севере европейской части России, оно относится к Северному Ледовитому океану. Площадь его акватории составляет 90 тыс. км2, наибольшая глубина составляет 343 м. Также Белое море сообщается с обширным Баренцевым морем, что оказывает влияние на протекание ледовых процессов на Белом море благодаря смягчению климатических условий [3]. Необходимо отметить, что ежегодно поверхность акватории Белого моря в зимнее время практически полностью покрывается льдом, а весной море полностью освобождается ото льда. Значение морских перевозок по акватории Белого моря трудно переоценить. Через Белое море проходит масса судоходных путей, которые связывают города России, расположенные в северной ее части, с центральными областями России. Наиболее крупным портом является Архангельск, откуда проложены пути в другие порты, находящиеся на побережье Белого моря – Мезень, Северодвинск, Беломорск и другие. Например, доставка товаров по Белому морю в Кандалакшу жизненно необходима для градообразующего предприятия города. Также одним из важнейших портов является Беломорск, который связан с центральными областями России благодаря Беломорско-Балтийскому каналу.
Для организации логистики перевозок по Белому морю необходимо располагать сведениями о ледовой ситуации на море, закономерностях происходящих ледовых явлений, среднестатистических сроках формирования и разрушения ледовых образований. Следует отметить, что подобные исследования Белого моря были проведены ранее. Первые систематические наблюдения за состоянием ледяного покрова у берегов Белого моря были начаты маячной службой Российского Морского ведомства на маяках (1894–1898 гг.). В период 1918–1985 гг. систематические ледовые наблюдения проводились на 30 прибрежных станциях. Также с 1909 г. наблюдения за ледяным покровом осуществлялись с ледоколов и зверобойных судов. А с 1927 г. предпринимались авиационные вылеты для проводки судов через льды. Наиболее полные сведения о протекании ледовых процессов на Белом море собраны в трудах, предоставленных государственным Океанографическим институтом СССР [3], где представлены различные статистические характеристики, описывающие происходящие на Белом море ледовые явления по материалам авиаразведок, судовых наблюдений, производимых на береговых станциях и постах за период вплоть до 1985 года. Все эти материалы представляют большой научный и практический интерес, однако следует отметить, что, как отмечается многими исследователями [4; 5], в последние десятилетия по всему миру происходят существенные изменения климатических условий, связанные с глобальным потеплением, что приводит к изменению протекания ледовых процессов на озерах и морях, в связи с чем полученные ранее данные необходимо актуализировать с учетом сложившихся нетипичных климатических условий за последние десятилетия в данном регионе. Кроме того, необходимо отметить, что современные методы наблюдения за состоянием ледяного покрова озер и морей включают использование спутниковой съемки [6; 7], которая в полной мере не были доступна исследователям XX века. Данные спутниковых наблюдений позволяют существенного расширить и уточнить знания и сведения о протекании ледового режима на многих водоемах, в том числе и Белом море, поскольку обладают высоким пространственным и временным разрешением, что немаловажно для оценки динамики изменений ледовых образований.
Цель исследования: установление закономерностей характерных дат ледового режима на Белом море в зависимости от температурного фона над его акваторией, а также уточнение и актуализация статистических характеристик ледового режима по данным спутниковых наблюдений за период последних лет (2004-2020 гг.).
Материалы и методы исследования
Для анализа и оценки протекания ледового режима на Белом море в данном исследовании использованы наборы спутниковых данных за период 2004–2020 гг., предоставленные Национальной воздухоплавательной и космической администрацией США NASA (датчик MODIS, с пространственным разрешением до 250 м), Национальным центром данных по снегу и льду NSIDC (4–6 км), Центром спутниковых приложений и исследований NOAA NESDIS (4–6 км). Для комплексной оценки изменения ледовитости в ледовый период в данном исследовании рассчитаны суммы суточных значений ледовитости за каждый период ледовых явлений (Σice) по формуле, приведенной в работе [6].
Ежедневные данные о среднесуточной температуре воздуха за период 2003–2020 гг., полученные в метеорологических пунктах наблюдений (с индексом ВМО): г. Кандалакша (222170), п. Каневка (222490), п. Шойна (22710), п. Ковда (223120), п. Умба (223240), с. Кашкаранцы (223340), с. Пялица (223490), Абрамовский маяк (223650), п. Соловецкий (2240290), остров Жижгин (224380), Зимнегорскиий маяк (224480), г. Мезень (224710), пристань Кемь (225200), д. Растьнаволок (225250), с. Колежма (225290), Унский маяк (225410), г. Северодвинск (225460), аэропорт (Талаги) Архангельск (225500), г. Онега (226410) – предоставлены Национальным центром климатических данных NOAA США (NCDC NOAA) [8]. Оценка метеорологический условий над акваторией Белого моря осуществлялась осреднением данных о температуре воздуха, полученных в перечисленных выше пунктах.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ спутниковых данных о ледовой ситуации на акватории Белого моря за период 2004-2020 гг. (рис. 1) показал, что акватория Белого моря ежегодно почти полностью покрывается льдом, однако из-за наличия трещин и высокой подвижности ледовых образований (дрейфом), связанных с наличием сильных ветровых явлений над акваторией Белого моря, значение ледовитости никогда не достигает 100 %.
Средняя продолжительность ледового режима на Белом море (L, дни) составляет 153 дня, максимально – 178 дней, минимально – 128 дней в период 2004–2020 гг.
Характерные даты ледового режима на Белом море: дата формирования ледовых образований и дата полного освобождения акватории моря ото льда в среднем за период 2004-2020 гг. выпадают на 6 декабря и 8 мая соответственно (рис. 2).
Посредством регрессионного анализа удалось установить закономерности наступления характерных дат ледового периода Белого моря, исходя из среднемесячных температур воздуха, предшествующих искомым датам периодов. Дата начала формирования ледяного покрова на Белом море Dfreezing определяется зависимостью (коэффициент детерминации – 0.43):
где Dfreezing – продолжительность периода с 1 ноября до начала формирования ледовых образований, дни; 
– средняя температура воздуха над акваторией озера в i-й месяц, °С.
Соответственно дата полного очищения акватории моря ото льда Dfree определяется зависимостью (коэффициент детерминации – 0.74):
где Dfree – продолжительность периода с 1 апреля до наступления полного очищения моря ото льда, дни.
Рис. 1. Фактические значения ледовитости Белого моря за период 2004–2020 гг.
Рис. 2. Характерные даты и продолжительности ледового периода Белого моря за 2004–2020 гг.
а) б)
Рис. 3. Фактические (1) и расчетные (2) характерные даты ледового режима Белого моря: а) начало формирования ледовых образований; б) полное освобождение акватории моря ото льда
Сравнительный анализ полученных регрессионных уравнений показал (рис. 3), что средняя ошибка при расчете дат начала формирования ледяного покрова составляет 8.0 дней, а при расчете дат полного освобождения моря ото льда – 3.9 дня.
Коэффициент парной корреляции между величинами L и среднегодовой температурой воздуха над акваторией Белого моря (
, °С) составляет –0.41, что указывает на умеренную силу связи (по шкале Чеддока) между этими характеристиками. Следует отметить, что в значительной степени большее влияние на формирование ледового режима оказывают температуры воздуха в зимний период. Так, среднее значение сумм накопления отрицательных температур воздуха над акваторией Белого моря 
за период 2004–2020 гг. составляет –1046 °С, а коэффициент парной корреляции между величинами ∑ice и ∑T–max составляет –0.84, что указывают на высокую силу связи между этими характеристиками.
Анализ сумм накопления температур воздуха над акваторией Белого моря за периоды, включающие характерные даты ледового режима, показал, что в среднем начало формирования ледяного покрова на Белом море происходит при достижении сумм накопления отрицательных температур воздуха над акваторией моря (∑Tfreezing, °С) значения –113 °С, а освобождение ото льда (∑Tfree, °С) – при достижении значения +61 °С. Однако эти значения являются осредненными при высоких коэффициентах вариации соответствующих статистических рядов – 55 % и 80 % соответственно.
В результате исследования было установлено, что ∑Tfree имеет тесную корреляционную связь (коэффициент парной корреляции –0.78) с величиной ∑T–max, что свидетельствует о том, что сумма накопления положительных температур воздуха, необходимых для полного очищения акватории Белого моря ото льда, зависит от суммы отрицательных температур за предшествующий вскрытию холодный сезон. Это факт может объясняться тем, что большее значение толщины ледяного покрова, который образуется за холодный сезон, препятствует быстрому освобождению акватории моря ото льда и требует большего количества положительных температур воздуха; также справедлива и противоположная ситуация. Следует также отметить, что корреляционный анализ показал, что между суммами накопления положительных температур воздуха за теплый сезон ∑T+max и суммами накопления положительных температур воздуха на начало формирования ледяного покрова ∑Tfreezing корреляционная связь не наблюдается (коэффициент парной корреляции 0.01). Подобная ситуация наблюдается и для Онежского озера, как было показано в работе [9]. В результате корреляционного анализа было также установлено, что наилучшая статистическая связь наблюдается между величинами ∑Tfreezing и ∑T60 (сумма накопления положительных температур воздуха над акваторией Белого моря за последние 60 дней перед началом холодного сезона), коэффициент парной корреляции составляет –0.3. Следует отметить, что коэффициент парной корреляции между данными величинами составляет –0.33 и для Онежского озера, что показано при исследовании зависимостей формирования ледового режима Онежского озера в зависимости от метеорологических факторов [9]. Это свидетельствует о том, что на формирование ледяных образований большое влияние оказывают другие метеорологические факторы, не связанные с температурой воздуха, например скорость и направление ветра.
Регрессионный анализ позволил выявить уравнения, связывающие величины ∑Tfree и ∑T–max (коэффициент детерминации 0.61), ∑Tfreezing и ∑T60:
Данные уравнения потенциально могут иметь весьма широкое практическое применение, поскольку в совокупности с данными об ожидаемых температурах воздуха возможно осуществлять ориентировочный прогноз дат формирования и разрушения ледяного покрова на Белом море.
Заключение
В работе уточнены характерные даты ледового режима Белого моря, а также получены регрессионные зависимости определения характерных дат ледового режима, исходя из среднемесячных температур воздуха, таких как начало формирования ледовых явлений и полного очищения моря ото льда. Также установлены значения сумм накопления температур воздуха, необходимых для наступления характерных ледовых явлений на Белом море, и выявлены закономерности между этими значениями. Результаты этого исследования существенно расширяют и актуализируют знания о формировании ледового режима на Белом море и могут использоваться для решения научно-практических задач при планировании навигационного периода.
Работа выполнена в рамках темы госзадания «Закономерности изменений экосистем Белого моря при интенсификации освоения Арктической зоны региона и под влиянием изменений климата», № АААА-А18-118032290034-5.