ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 4, с. 12-25
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА АРКТИКИ В ПЕРИОД ЛЕТНЕГО МИНИМУМА 2011 г. © 2012 г. Н. Г. Платонов*, И. Н. Мордвинцев, В. В. Рожнов, И. В. Алпацкий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, Москва *Е-таИ: platonov@sevin.ru Поступила в редакцию 23.01.2012 г.
В работе оценен летний минимум площади и протяженности морского льда Арктики в 2011 г. по данным пассивного микроволнового зондирования. По сравнению с ледовой обстановкой за период спутниковых наблюдений (1979 г.—настоящее время) выявлено, что размер ледовой шапки близок к абсолютному рекордно низкому значению, зафиксированному в 2007 г., но пространственное распределение льда в конце лета 2007 и 2011 гг. различно из-за влияния атмосферной циркуляции на положение ледовой кромки. Показано, что, начиная с 2003 г., скорость убывания ледового покрова возросла в 4 раза. С помощью методов уменьшения размерности и анализа канонических корреляций построена линейная модель, позволяющая осуществлять краткосрочные прогнозы ледовой обстановки в Арктике в глобальном масштабе и реконструировать значения летней концентрации льда в доспутниковую эру до середины XX в. по полям температуры воздуха. Результаты моделирования подтверждают резкое изменение площади морского льда на конец лета после 2002 г.
Ключевые слова: спутниковый мониторинг, многоканальные радиометры, концентрация, площадь и протяженность морского льда Арктики, метод главных компонент, анализ канонических корреляций
ВВЕДЕНИЕ
Анализ ледовитости в период минимальной протяженности ледового покрова является актуальной задачей. В сентябре 2007 г. произошло крупнейшее, по сравнению с непрерывными наблюдениями с конца 1970-х годов, уменьшение арктической ледовой шапки. Этот факт зафиксирован и обсужден большинством ученых в области гляциологии, климатологии и арктических экосистем. И с тех пор каждое достижение летнего минимума сравнивается с 2007 г., который, возможно, является узловой точкой изменения арктического климата.
Ледовый покров в период минимальной протяженности остается местообитанием арктических млекопитающих. Некоторые виды ластоногих (морж, морской заяц) питаются донными организмами, поэтому предпочитают мелководные участки, глубина которых не превышает 100 м. Если кромка льда уходит далеко на север, за пределы шельфовой зоны, то эти виды млекопитающих вынуждены либо уйти за льдом за пределы кормовой базы, либо проводить некоторое время на безледных местах. В любом случае, уменьшение ледового покрова является стрессовой ситуацией для животного.
Морской лед и снег на его поверхности являются хорошими отражателями коротковолновой солнечной радиации. Уменьшение протяженно-
сти ледового покрова увеличивает поглощение солнечной энергии океаном, нагревая поверхностный слой. Помимо отражательных, лед обладает изоляционными свойствами, препятствуя вертикальному энергообмену между океаном и атмосферой.
Переживший лето однолетний лед переходит в категорию многолетнего. Увеличение площади и толщины многолетнего льда является количественным признаком "здоровья" арктической системы. Такой лед, как более крепкий, менее подвержен воздействию факторов, вызывающих таяние.
Таким образом, площадь морского льда в период его минимальной протяженности является индикатором изменения арктического климата.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве исходных данных для оценки площади и протяженности ледового покрова Арктики использована концентрация льда по спутниковым микроволновым данным с применением алгоритма Bootstrap (Comiso, 2008).
Выбор спутниковых микроволновых данных пассивного диапазона обеспечивает практически всепогодные измерения вне зависимости от освещенности поверхности. Измерения с помощью микроволновых радиометров SMMR, SSM/I и AMSR-E, установленных на серии метеорологи-
40
О
3.5
Кусочно-линейная регрессия Линейный тренд, довер.интервал 95% Кубический сплайн, довер.интервал 95%
J_I_I_I_1_
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Рис. 1. Летний минимум площади морского льда Арктики.
ческих спутников Nimbus-7 (SMMR, октябрь 1979 г.—август 1987 г.), DMSP F8 (SSM/I, июль 1987 г.-декабрь 1991 г.), DMSP F11 (SSM/I, декабрь 1991 г.—август 1995 г.), DMSP F13 (SSM/I, май 1995 г.—апрель 2009 г.), Aqua (AMSR-E, июнь 2006 г.—04 октября 2011 г.), обеспечивают ежесуточное (Nimbus-7 — каждые два дня) покрытие арктического региона в умеренном для масштабов Арктики пространственном разрешении (AMSR-E — 12.5 км, остальные — 25 км).
Выбор алгоритма Bootstrap (Comiso, 2008) осуществлен по результатам сравнительного анализа концентрации морского льда по данным различных систем спутникового зондирования (Bel-chansky, Douglas, 2002). Этот алгоритм оценивает суммарную концентрацию морского льда по адаптивной стратегии, основанной на гибком использовании разности радиояркостных температур двух спектральных каналов (19V-37V либо 37H-37V) в зависимости от сезона и пространственного распределения льда.
При оценке суточной площади и протяженности льда учитывались искажения длин и площадей, свойственные полярной стереографической проекции, применялись пространственная и временная фильтрации для заполнения пропусков данных (интерполяция). В работе рассмотрены две пространственные альтернативы — маски рассматриваемого региона. "Полярный пробел" —
область вблизи полюса, недоступная для наблюдений, — либо заполнялся значением концентрации 100%, либо происходило отсечение региона севернее 84.5° с.ш. Вторая опция заключалась в рассмотрении прибрежной зоны, либо в ее отсечении (50 км), либо в ее рассмотрении как области, в которой весь присутствующий лед на поверхности океана является морским. Количественные характеристики включали в себя значения протяженности льда (площадь поверхности, покрытой льдом с концентрацией >15%) и площади льда (протяженность льда, умноженная на значение концентрации).
ПЛОЩАДЬ И ПРОТЯЖЕННОСТЬ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА С УЧЕТОМ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ
По состоянию на 19 сентября 2011 г., минимальная протяженность ледового покрова достигнута 10 сентября и составила 4.66 х 106 км2 (без учета оффшорной зоны 50 км, с заполнением полярного пробела концентрацией 100%). Результаты многолетней динамики площади морского льда по этим условиям представлены на рис. 1. В 2007 г. минимальная протяженность 15 сентября составила 4.19 х 106 км2. Для сравнения: в 1980 г. минимальная протяженность льда зафиксирована 26 августа на отметке 7.88 х 106 км2. Это самая ранняя дата достижения летнего минимума, са-
мая поздняя регистрация произошла в 1995 г.,
29 сентября. По результатам регрессионного анализа происходит статистически значимое (^ > > 99.9%) уменьшение минимальной протяженности льда со скоростью (80.9 ± 9.1) х 103 км2 / год. С 1979 г. по 2011 г. протяженность льда уменьшилась на 33% - с 7.76 х 106 км2 до 5.17 х 106 км2. Относительно дат достижения летнего минимума происходит запаздывание со скоростью (0.19 ± 0.11) д/год, S = 90%, за 33 года достижение летнего минимума сместилось от 09 сентября к 15 сентября.
Минимальная площадь льда, с учетом прибрежной зоны и при допущении, что в районе полюса концентрация льда 100%, по состоянию на 19 сентября 2011 г. зафиксирована 07 сентября и составила 3.64 х 106 км2 (рис. 1, круглые маркеры). Эта оценка очень близка к рекордно низкому значению 2007 г., когда площадь льда 14 сентября составила 3.61 х 106 км2. Максимальное значение летнего минимума, 6.93 х 106 км2, зафиксировано
30 августа 1980 г. Уменьшение минимальной площади льда происходит со скоростью (82.6 ± 8.5) х х 103 км2/год, S > 99.9% (рис. 1, пунктир средних размеров, сплошная заливка — 95% доверительного интервала). По результатам регрессионного анализа, за 33 года площадь уменьшилась на 38%, с 6.93 х 106 км2 до 4.29 х 106 км2. Самое раннее достижение наблюдалось в 1987 г., 23 августа, самое позднее — в 2005 г., 21 сентября. Достижение летнего минимума по площади с каждом годом фиксируется все позже, но скорость, (—0.15 ± 0.10) д/год, является статистически незначимой (^ = 85%). По результатам линейного регрессионного анализа в 1979 г., достижение летнего минимума фиксировалось 05 сентября, а в 2011 г. — 10 сентября.
В среднем, достижение летнего минимума по площади происходит на 5 дней раньше, чем по протяженности, 08 и 12 сентября, соответственно. Это вызвано тем, что на поверхности льда температура воздуха опускается меньше нуля, замерзают талые озера, трещины и разводья покрываются молодым льдом. В это же время в периферийной зоне продолжается таяние, и это уменьшает протяженность.
Влияние прибрежной зоны проявляется в искажении сигнала на границе двух сред, земли и океана, а также в присутствии припайного льда, характеристики которого отличаются от дрейфующего. Узкие проливы, каналы, небольшие бухты с большой вероятностью заполнены припайным льдом. В связи со сложностями идентификации припайного льда по данным пассивного микроволнового зондирования, применяют отсечение прибрежной зоны в 1—2 пиксела по данным 88М/1, или в 50 км. Минимальная протяженность без учета прибрежной зоны в 2011 г. составила 3.95 х 106 км2, диапазон значений от 6.83 х 106 км2 в 1980 г. до 3.71 х 106 км2 в 2007 г. Аналогичные
значения минимальной площади льда составили 6.23, 3.25 и 3.30 х 106 км2 в 1980, 2007 и 2011 гг. соответственно.
ПЛОЩАДЬ И ПРОТЯЖЕННОСТЬ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА ЮЖНЕЕ 84.5° С.Ш.
Характеристики 8ММЯ не позволяют сканировать поверхность Земли севернее 84.6° с.ш., тогда как ЛМ8Я-Б, как более совершенный прибор, охватывает территорию почти до 89° с.ш. Параллельно с эволюцией сенсоров наблюдается уменьшение площади и протяженности льда. Чем больше размер полярного пробела, тем сильнее завышение концентрации вблизи полюса. Чтобы избежать искусственного завышения концентрации в регионе, недоступном для наблюдений, мы отсекли территорию севернее 84.5° с.ш., чуть южнее, чем минимальная граница сканирования серии сенсоров.
В среднем, минимальна
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.