Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,002

Введение

Белое море является одним из важнейших объектов с точки зрения физических, климатических и экологических исследований. Оно относится к морям Северного Ледовитого океана, принадлежит к внутренним морям России. Море сообщается с Северным Ледовитым океаном через Баренцево море. Площадь Белого моря составляет около 90 000 км2, а с площадью всех островов, расположенных на его акватории, 90 800 км2. Максимальная глубина в море достигает 343 м, средняя глубина – 67 м, объем воды – 6000 км3, протяженность береговой линии – 5093 км [1, с. 78]. Белое море разделено на три части (северную, среднюю и южную) и пять районов. К глубоководной части моря относятся 3 района: Бассейн, Кандалакшский залив (за исключением его вершины), а также Двинский залив. К мелководной части – Онежский и Мезенский заливы, пролив Воронка [1, с. 80].

Самой мелководной частью является Онежский залив. Он разделен с центральной частью акватории Соловецкими островами. Глубины в этом заливе составляют от 5 до 25 м [1, с. 80].

В течение зимнего периода большая часть площади акватории Белого моря является свободной ото льда [2; 3]. Устойчивое замерзание акватории ежегодно происходит в самом мелководном Онежском заливе и в 88% случаев из 100 в вершине Кандалакшского залива. Акватория самого мелководного Онежского залива ежегодно покрывается ледяным панцирем в среднем к середине декабря, в отдельные годы (1987, 1998, 2016) – в середине ноября [2].

Ледовый режим акватории Белого моря в районе Соловецких островов (Онежский залив) весьма своеобразен. Большая часть поверхности моря в этом районе в зимний период остается свободной ото льда. Полоса ледового припая шириной до 6 км, как правило, образуется лишь вокруг островов и вдоль материковой зоны. Даже в самые суровые зимы здесь на большей части акватории остаются открытые пространства воды с плавающими льдами.

Формирование устойчивого ледяного покрова в акватории Онежского залива в районе Соловецких островов начинается, как правило, в конце ноября – начале декабря, освобождение ото льда происходит к концу мая [2].

Наибольшая сплочённость льда в районе Онежского залива достигается с января по март. В апреле в результате ветровых явлений ледяной покров начинает разрушаться и частично выносится в открытую часть Белого моря. В мае и начале июня остатки льда подвергаются таянию, а затем лёд полностью разрушается [4].

Ледяной покров в районе Соловецких островов представлен дрейфующим торосистым льдом. Он образует на отмелях и банках стамухи и ропаки. Припай (неподвижный лёд) образуется только у берегов, в заливах и бухтах. Толщина плавучего льда – около 35-40 см, в суровые зимы может достигать 1,5 м. В настоящее время территория Соловецкого архипелага является заповедником: начиная с 1992 года Соловецкие острова включены в список Всемирного наследия ЮНЕСКО, а в 1995 г. отнесены к особо ценным объектам природного и исторического наследия России [5]. Кроме того, это место активно используется для организации туристического отдыха [6, с. 45; 7, с. 10; 8, с. 121].

Продолжительность туристического сезона на Соловках ограниченна [9], составляет всего четыре месяца. Поскольку острова расположены на акватории Белого моря, временной отрезок для посещения Соловецкого архипелага туристами увязан с началом и окончанием навигационного периода, планирование которого напрямую зависит от ледовой обстановки в районе островов, как и для других частей акватории моря и других водоемов [3; 10]. Поэтому информация и актуальные сведения о ледовой обстановке в районе Соловецких островов имеют большое практическое значения для планирования туристического сезона.

Следует отметить, что последние исследования, посвященные оценке изменчивости характеристик ледового режима, показали существенные изменения в формировании ледяного покрова на Белом море в последние десятилетия, что, в свою очередь, не могло не отразиться и на сроках и продолжительности навигационного периода [2]. Однако это исследование базировалось на данных спутниковых наблюдений, которые не всегда корректно и достоверно могут классифицировать ячейки льда и воды, особенно с использованием микроволнового диапазона, который необходим для формирования регулярных рядов данных [11-13]. Например, применяемые алгоритмы дешифрирования не всегда точно описывают ледовую ситуацию, когда в период таяния на льду появляется вода, что вносит погрешности в расчеты [14]. Альтернативой спутниковым данным являются данные натурных наблюдений, которые хоть и не охватывают всю акваторию моря, но имеют неоспоримые преимущества в достоверности полученных сведений. Однако следует отметить, что рассматриваемый в работе участок акватории Белого моря в районе Соловецких островов не обладает большой площадью, а значит для его исследования вполне целесообразно применять именно данные натурных наблюдений.

Таким образом, целью исследования является получение статистических характеристик и закономерностей многолетней изменчивости формирования ледяного покрова в районе Соловецких островов путем анализа данных натурных гидрологических наблюдений за последние 40 лет (1980-2019 гг.).

Материалы и методы исследования

В качестве данных натурных наблюдений для формирования рядов основных элементов ледового режима моря (сроков наступления характерных фаз ледовых явлений и их продолжительности) в работе использованы данные регулярного гидрометеорологического государственного мониторинга с пунктов морских наблюдений, осуществляемого организациями Росгидромета на акватории Белого моря за период с 1980 по 2019 г. На основании этих данных сформированы временные ряды дат устойчивого льдообразования, окончательного замерзания и полного очищения ото льда. За дату начала устойчивого льдообразования принимался день, начиная с которого льдообразование происходило непрерывно в течение не менее 30 дней, за исключением перерывов, связанных с оттепелью – 2 дня и ветровыми явлениями – 3 дня. За дату окончательного замерзания принимался день, когда вся акватория покрывалась припаем, который в дальнейшем фиксировался не менее 30 дней. За дату окончательного очищения ото льда принимался день, когда объект впервые становился абсолютно безлёдным на срок не менее 30 дней [15, c. 12].

В работе использованы данные результатов гидрометеорологических наблюдений на морских гидрометеорологических станциях 2-го разряда МГ-2 Соловки и МГ-2 Кемь-Порт, относящихся к зоне деятельности Росгидромета (табл. 1, рис. 1).

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно обработке данных натурных наблюдений, на МГ-2 Соловки за 1980-2019 гг. устойчивое формирование ледяного покрова на Белом море в районе Соловецких островов начинается преимущественно в начале декабря (средняя дата – 02.12) (табл. 2). По данным натурных наблюдений, самая ранняя дата появления льда зафиксирована в начале ноября (06.11) в зимний сезон 1997-1998 гг., в условиях устойчивого похолодания. Переход среднесуточной температуры воздуха через 0 °С в сторону отрицательных значений в 1997 г. произошел 21 октября, в достаточно ранние сроки, кратковременные возвраты тепла были кратковременными и не оказали существенного влияния на формирование структуры и сплоченности льда.

Рис. 1. Схема расположения Соловецких островов на Белом море и пунктов гидрометеорологических наблюдений Росгидромета Примечание: составлено авторами на основе данных Росгидромета [16]

Таблица 1

Перечень пунктов гидрометеорологических наблюдений Росгидромета на Белом море в районе Соловецких островов

Примечание: составлено авторами на основе данных Росгидромета [16].

Таблица 2

Характерные показатели основных фаз ледового режима Белого моря в районе о. Соловки (Онежский залив Белого моря) за период с 1980 по 2019 г.

Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследований.

Рис. 2. Хронологический график устойчивого льдообразования в районе Соловецких островов за 1980-2019 гг. Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследований

Таблица 3

Параметры регрессионного анализа среднестатистических параметров фаз ледового режима Белого моря в районе о. Соловки за период с 1980 по 2019 г.

Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследований.

Рис. 3. Хронологический график дат окончательного очищения ото льда в районе Соловецких островов за 1980-2019 гг. Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследований

Самое позднее льдообразование в районе о. Соловки за рассматриваемый ряд отмечено в зимний период 2011-2012 гг. (табл. 2). Несмотря на то, переход температур через 0°С в сторону отрицательных температур произошел в середине ноября 2011 г., из-за незначительных отрицательных температур воздуха и периодически возникающих положительных температур воздуха формирование ледяного покрова в районе Соловецких островов началось лишь в начале января 2012 года (05.01).

Регрессионный анализ ряда дат устойчивого льдообразования в районе о. Соловки показал, что в исследуемый ряд лет (1980-2019 гг.) значение p-value (0.0027) было ниже уровня значимости 5%, что свидетельствует о положительном статистически значимом линейном тренде (табл. 3), соответственно, рассматриваемый ряд не является однородным, а именно, сроки начала льдообразования на 27 дней (более чем на 3 недели) сдвинулись в сторону зимних месяцев. Сдвиг происходил со средней скоростью 6,2 дня/10 лет (рис. 2).

Сумма накопления отрицательных температур воздуха, необходимая для образования льда в район о. Соловки, в среднем составляет –91°С. Минимальная сумма накопления отрицательных температур –22°С, при которой в короткие сроки началось образование ледяного покрова, отмечена в ноябре 2012 года, после раннего перехода к отрицательным значениям (21.10) и чередования затоков холода и тепла, что в наибольшей степени связано с ветровым режимом на момент льдообразования и сформировавшимся тепловым балансом.

Максимальная сумма отрицательных температур воздуха, необходимых для льдообразования, составила –232°С, отмечена в 1992 году, в условиях раннего перехода температур к отрицательным значениям (10.10) и отсутствия возвратов тепла, что, вероятнее всего, связано с тепловым и ветровым воздействиями, повлиявшими на формирование льда.

Полное очищение ото льда водной поверхности Онежского залива Белого моря в районе Соловецких островов происходит, как правило, во второй половине мая (средняя дата 18.05). Самая ранняя дата очищения зафиксирована в начале мая (05.05) 1988 и 2015 гг., наиболее поздняя – в начале июня (03.06) 2004 года.

Регрессионный анализ ряда дат очищения ото льда акватории Белого моря в районе о. Соловки показал, что в исследуемый ряд лет значение p-value (0,18) было выше уровня значимости 5% (табл. 3), что свидетельствует об отсутствии статистически значимого линейного тренда, соответственно, рассматриваемый ряд является однородным. Таким образом, сроки очищения ото льда не претерпели существенных изменений, сдвиг в сторону зимних месяцев составил лишь 6 дней (рис. 3).

Сумма накопления положительных температур воздуха, необходимая для полного очищения водной поверхности ото льда в районе Соловецких островов, в среднем равна 97 °С. Минимальная сумма накопления (64 °С), при которой произошло очищение, отмечена в мае 1985 г., максимальная – 214 °С в период очищения в 2005 году.

Средняя продолжительность периода с ледовыми явлениями в районе Соловецких островов составляет 166 дней. Самая минимальная (133 дня) была зафиксирована в зиму 2011-2012 гг., связана с поздним образованием ледового покрова – в начале января 2012 г. Наиболее длительный период с ледовым покровом составил 202 дня, наблюдался в 1997-1998 гг. В этот год ледяной покров в заливе установился уже в начале ноября 1997 г., а полное очищение ото льда произошло лишь в конце мая 1998 г.

Регрессионный анализ ряда продолжительностей ледовых явлений в районе Соловецких островов показал, что исследуемый период имеет отрицательный статистически значимый линейный тренд, ряд неоднороден (значение p-value – 0,0003 ниже уровня значимости 5%). Продолжительность ледового периода сократилась на 33 дня (на месяц), что объясняется сдвигом сроков льдообразования в сторону более поздних дат и более ранним очищением акватории ото льда. Уменьшение количества дней происходило со скоростью 8,4 дня/10 лет (табл. 3).

Заключение

Анализ временных рядов характерных сроков ледового режима выявил статистически значимые линейные тренды по срокам льдообразования и продолжительности периода с ледовыми явлениями. В результате регрессионного анализа установлено, что даты устойчивого льдообразования в районе исследования более чем на три недели сдвинулись в сторону зимних месяцев, смещение происходило со средней скоростью 7,1 дня/10 лет. Существенных изменений в сроках очищения ото льда водной акватории не произошло, до недели произошел сдвиг сроков очищения в сторону ранних дат. Средняя продолжительность ледового периода сократилась практически на месяц, уменьшение количества дней происходило со скоростью 8,4 дня/10 лет.

Полученные данные о сдвигах сроков начала устойчивого льдообразования и дат очищения ото льда в сторону зимних месяцев, а также динамика по уменьшению продолжительности ледовых явлений должны быть учтены при составлении методологических материалов для осуществления гидропрогнозирования.