Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Введение

В данной работе объектом исследования являются Соловецкие острова (Соловки). Они расположены в Онежском заливе Белого моря. Архипелаг состоит из шести крупных и около ста мелких островов. Площадь всего архипелага составляет более чем 300 км2. В настоящее время территория Соловецкого архипелага является заповедным участком. Начиная с 1992 г. Соловецкие острова включены в список Всемирного наследия ЮНЕСКО, а в 1995 г. отнесены к особо ценным объектам природного и исторического наследия России [1].

С 2001 по 2009 г. общий объем туристического потока на Соловецкие острова стабильно возрастал – с 17 тыс. до 50 тыс. туристов в год. Однако в 2011 г. количество туристов резко сократилось до 30 тыс. чел. [2], это связано прежде всего с проблемой организации морского транспорта. Кроме того, кораблекрушение теплохода «Булгария» в 2011 г. способствовало ряду барьеров при планировании транспортировки людей и грузов судами. Это вызвало определенные неудобства при посещении острова туристами, что отразилось и на посещаемости. Следует отметить, что продолжительность туристического сезона на Соловках составляет четыре месяца, и сроки сезона неизбежно связаны с навигационным периодом, планирование которого напрямую зависит от протекания ледового режима в районе Онежского залива Белого моря. Поэтому следует отметить, что информация о протекании ледового режима в районе Онежского залива Белого моря имеет весьма значимый прикладной характер – может служить информационной основой при организации туристического периода. Это в существенной мере повысит экономический эффект от туризма в регионе и позволит значительно увеличить туристический трафик на Соловки благодаря оптимизации морских перевозок.

Ввиду того, что Белое море является объектом промышленно-производственного, торгового и туристического назначения, ледовая обстановка на акватории моря всегда представляла особый интерес для исследователей [3, с. 45; 4, с. 10; 5, с. 121]. Наиболее полные результаты о ледовой ситуации, собранные с береговых станций и исследовательских судов, представлены в фундаментальной работе [3, с. 12], которая опубликована издательством государственного Океанографического института СССР. Помимо контактных методов наблюдений в работе [3, с. 33] частично использованы и дистанционные методы наблюдения – авиаразведки. Позже, в 2005 г., в монографии [4, с. 88] были опубликованы результаты анализа спутниковых данных о ледовой ситуации на Белом море за многолетний период – 21 год и получены общие тенденции к изменчивости среднегодовой сплоченности льда на Белом море. Авторы указывают на то, что для всех пяти районов Белого моря, а также в целом для всей акватории обнаружены снижения сплоченности льда на 8,1 %×декада−1 [4, с. 88]. Однако за последние 7 лет (1992–1999) выявлено незначительное увеличение площадей ледяного покрова.

Вышеперечисленные исследования демонстрируют, что протекание ледового режима на Белом море терпит значительные изменения в последние десятилетия, что также оказывает влияние на формирование сроков навигационного периода, это же относится и к акватории Онежского залива, который представляет особый интерес, поскольку имеет туристическое значение.

Таким образом, целью исследования является получение статистических данных и закономерностей многолетней изменчивости сплоченности льда Белого моря в районе Соловецких островов (Онежского залива) с помощью анализа данных о ледовой ситуации, полученных спутниковыми наблюдениями за 1979–2021 гг.

Материалы и методы исследования

Для получения данных о ледовом режиме водоемов могут использоваться различные методы: визуальный (с постов ГМС), аэроразведки, спутниковые наблюдения, дроны и др. Однако в настоящее время наиболее полную и регулярную информацию о ледовом состоянии водоемов могут дать только спутниковые методы. В связи с этим в работе использованы именно данные спутниковых наблюдений, в частности датчиков микроволнового пассивного зондирования. Эти данные собраны, дешифрированы и структурированы Национальным центром данных по снегу и льду США NSIDC и представлены в виде набора данных G02135 с пространственным разрешением 25 км, который распространяется свободно и находится в открытом доступе. Преимущества данных набора G02135 заключаются в охвате наиболее продолжительного временного периода относительно других аналогичных данные – с 1978 г. по настоящее время. Поэтому в работах [6; 7] отмечается целесообразность применимости данных набора G02135 для оценки многолетних тенденций изменчивости протекания ледового режима на морях арктической зоны. Однако следует отметить, что последние исследования [8–10] по критическому анализу использования различных наборов спутниковых данных показали, что в некоторых случаях алгоритмы, которые используются для дешифрирования полученной с датчиков информации, могут давать значительные ошибки (вплоть до 45 %). Особенно большие ошибки возникают, когда происходят значительные изменения (динамичные) площадей ледовых образований – в периоды осеннего формирования льда и весеннего таяния. Авторы выполнили анализ нескольких алгоритмов дешифрирования (4 группы алгоритмов, всего 10 алгоритмов) и сделали вывод о том, что датчики микроволнового пассивного зондирования допускают ошибки при определении сплоченности льда в случае, когда вода в процессе таяния льда располагается на его поверхности.

В связи с этим следует отметить, что хорошей альтернативой набору данных G02135, представленных NSIDC, является набор данных AMSR-E/AMSR2 – данные микроволновых радиометров AMSR-E/AMSR2, используемых в разные периоды времени на бортах различных спутников (Aqua, GCOM-W1 JAXA) для формирования общего ряда данных. Данные AMSR-E/AMSR2 имеют пространственное разрешение 3,125 км и охват временного периода с 2002 г. по настоящее время. При этом в качестве алгоритма дешифрирования для данных AMSR-E/AMSR2 использован усовершенствованный алгоритм ASI [11], который в сравнении с натурными данными, полученными в ходе экспедиционных исследований, показал незначительные расхождения в результатах (7,5–25 %). Для данных G02135 использовался алгоритм NASA Team. Набор данных AMSR-E/AMSR2 сформирован в университете в Бремене.

Таким образом, в работе использованы два набора данных (G02135 NSIDC и AMSR-E/AMSR2) для получения пространственно-временных характеристик ледового режима на Белом море в районе Соловецких островов (Онежский залив). При этом набор данных AMSR-E/AMSR2 использован в качестве контролирующего (более достоверного) временного ряда для сравнения и оценки достоверности набора данных G02135.

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно спутниковым данным формирование ледовых образований на Белом море в районе Соловецких островов начинается уже в конце сентября, а полное очищение ото льда происходит в середине июня. По данным NSIDC G02135 установлено, что статистически за рассматриваемый период лет максимальное значение сплоченности во время формирования ледяного покрова составляет 0,78 – это значение достигается в середине февраля, в то время когда на акватории Белого моря устанавливается практически полный ледостав (рисунок).

Хронологический ход сплоченности льда в Онежском заливе Белого моря за 1978–2021 гг. по данным G02135: 1 – фактические данные, 2 – осредненные за рассматриваемый период среднемесячные значения

Наибольшая сплоченность льда в районе Онежского залива достигается с января по март (табл. 1). В апреле в результате ветровых явлений ледяной покров начинает разрушаться и частично выносится в открытую часть Белого моря. В мае и в начале июне остатки льда подвергаются таянию, а затем лед полностью разрушается на акватории Онежского залива. Отмечается, что характерные сроки ледового режима на акватории Онежского залива сдвинуты относительно сроков, действующих для всей акватории Белого моря: начало формирование льда – в сторону ранних дат (6–7 дней), а разрушение льда – в сторону поздних дат (5–12 дней). Таким образом продолжительность периода ледовых явлений на акватории Онежского залива больше (на 10–20 дней), чем для других районов Белого моря.

Таблица 1

Среднемесячные значения сплоченности льда в Онежском заливе Белого моря по данным G02135, осредненные за период 1978–2021 гг.

Регрессионный анализ (табл. 2) установил, что значение среднегодовой сплоченности льда на акватории Онежского залива Белого моря испытывает тенденции к сокращению на 2,2 % за 10 лет. Это свидетельствует о том, что с каждым годом площади, занимаемые льдом в период ледовых явлений, сокращаются, что соответствует тенденции глобального потепления. Следует отметить, что аналогичные тенденции выделены и для всей акватории Белого моря [12].

Результаты сравнительного анализа данных двух наборов G02135 NSIDC и AMSR-E/AMSR2 показали, что разница (абсолютное отклонение) составляет 6,02 % при расчете сплоченности льда на акватории Онежском заливе за 2002–2020 гг.

Наибольшие значения за период ледовых явлений (гидрологический год) абсолютного отклонения наблюдались в 2008 г. (7,35 %), наименьшие – в 2016 г. (3,39 %). Отклонения в результатах интерпретации спутниковых данных набора G02135 NSIDC, вероятнее всего, объясняются некорректной классификацией однородных участков (вода/лед) алгоритмом NASA Team в тот период времени, когда происходит высокая динамика изменения площадей ледовых образований. Такая ситуация происходит для частей водоема, которые имеют продолговатую узкую форму с изрезанной береговой линией, из-за чего пространственное разрешение данных G02135 NSIDC не позволяет в полной мере описывать морфометрию таких участков, как, например, Онежский залив.

При этом большое количество участков на границе раздела вода/суша неверно классифицировано в силу недостаточного пространственного разрешения, откуда и возникают ошибки, связанные с определением льда на спутниковых снимках. Однако сравнительный анализ линейных трендов, полученных по обоим наборам данных, показал незначительные расхождения в их определении (не более 2 %), что доказывает тот факт, что данные G02135 NSIDC вполне целесообразно использовать для определения статистических характеристик изменчивости ледового режима, в частности, Онежского залива Белого моря, что также подтверждается в работе [12].

Таблица 2

Результаты регрессионного анализа данных G02135

Заключение

В работе установлено, что по данным NSIDC G02135 в последние десятилетия (1979–2021 гг.) в Онежском заливе ежегодно происходит сокращение площадей ледовых образований со скоростью −0,22±0,11 % год−1. Данный факт согласуется с общепризнанной тенденцией уменьшения льда на акваториях водоемов в Арктике, что неразрывно связано с последствиями глобального потепления.

Формирование ледяного покрова в районе Соловецких островов начинается уже в конце сентября и заканчивается в середине июня. Вместе с тем установлено, что безледоставный период рассматриваемого района меньше (на 10–20 дней), чем для других частей Белого моря. Эти сведения можно использовать как информационную основу для открытия и закрытия навигационного периода и прокладки путей к Соловецким островам по водам Онежского залива Белого моря.

Сравнение двух наборов, G02135 NSIDC и AMSR-E/AMSR2, показало незначительную разницу (абсолютное отклонение 6,02 %) при расчетах сплоченности льда на акватории Онежского залива за 2002–2020 гг. И, несмотря на то, что данные G02135 NSIDC имеют значительные ошибки в определении сплоченности льда, особенно продолговатых участков акваторий водоемов с изрезанной береговой линией, доказано, что эти данные целесообразно использовать для определения статистических характеристик ледового режима в долговременном периоде и выполнять оценку изменчивости. Это может служить основой при выборе и использовании данных микроволновых датчиков для оценки закономерностей многолетней изменчивости сплоченности льда на акваториях морей Арктики.