Метод прогноза сроков окончательного разрушения припая в Восточно-Сибирском море заблаговременностью до одного месяца

В ААНИИ разработан метод прогноза сроков окончательного разрушения припая в Восточно-Сибирском море заблаговременностью до одного месяца. Метод основан на использовании физико-статистических регрессионных уравнений и автоматической информационной программы "ПЕГАС". Метод базируется на данных ИСЗ, ледовых обзорных и региональных карт ААНИИ, наблюдений на полярных станциях.

Характеристика припая Восточно-Сибирского моря в период разрушения

В Восточно-Сибирском море формируется самый обширный в арктических морях припай. По данным ИСЗ за период 1979–2009 гг. его площадь перед началом разрушения колеблется в пределах 154–355 тыс. км2, что составляет от 20 до 46% от площади моря.

Спутниковые наблюдения позволяют проводить регулярный сезонный мониторинг распространения припая в море от момента его становления до разрушения. Ежедекадно по ледовым картам, составляемым в ААНИИ, определяется площадь припая в Восточно-Сибирском море и его ширина на 29 створах. Их положение представлено на рисунке 1.


Рисунок 1
Схема расположения створов в Восточно-Сибирском море

Припай в Восточно-Сибирском море начинает разрушаться в прикромочной зоне в среднем в конце мая – начале июня. Окончательное разрушение припая (распадение его на дрейфующие поля) зависит от степени его развития в осенне-зимний период. При максимальной площади припая его окончательное разрушение происходит во второй декаде августа, при минимальном развитии припая – в начале июля.

Таким образом, многолетний разброс сроков окончательного взлома припая в Восточно-Сибирском море составляет около 1,5 месяцев. При величине площади близкой к средней (50% вероятности) припай окончательно разрушается в конце июля.

Пространственное положение границ припая в период его разрушения представлено на рисунке 2.

Рисунок 2
Положение границ припая в Восточно-Сибирском море с вероятностью 50% в период его разрушения

В течение июня граница припая отступает сравнительно медленно, и большая часть припая разрушается и становится дрейфующим льдом в течение июля. В течение почти всего этого времени припай сохраняется в районе на подходах к проливу Санникова и в самом проливе. Его площадь остается неизменной до первой декады июля включительно. В течение второй – начале третьей декаде июля припай быстро разрушается. Перед окончательным разрушением припайный лед в этом районе сильно разрушается. Его толщина вследствие радиационного и адвективного тепла уменьшается до 40-70 см [1,2].

В результате многолетних наблюдений за припаем в стадии разрушения в период визуальных авиационных разведок 1949-1979 гг. в арктических морях были выделены районы с условными границами, отличающиеся по характеру взлома припая и срокам окончательного его разрушения [1]. В Восточно–Сибирском море выделено 7 районов. Положение районов представлено на рисунке 3. Нумерация районов продолжает нумерацию районов, начиная с морей Карского и Лаптевых.

Рисунок 3
Границы и номера естественных однородных районов взлома припая в Восточно-Сибирском море

В большинстве районов размах сроков окончательного взлома припая составляет около одного месяца (таблица 1). Исключением являются районы 17 и 19. В этих прикромочных районах взлом припая может начаться под влиянием динамических факторов (ветер, дрейф льда) до начала таяния льда. В некоторые годы припай в этих районах совсем не формируется.



Из таблицы 1, что в крайних западных районах (15 и 16) наиболее ранние сроки взлома припая приходятся на июль, а в восточных и прибрежных районах (18, 20 и 21) – на июнь. Это обстоятельство следует иметь в виду при подборе предикторов, обеспечивающих заблаговременность прогноза 15-30 суток. Они должны относиться к периоду не позже мая для восточных районов и не позже июня – для западных.

Наиболее важными в навигационном отношении являются ледовые условия на подходах к проливам Санникова и Дм. Лаптевых и районы подходов к бару реки Колымы, то есть районы 15, 16 и 20, 21.

Как можно видеть из таблицы 1, взлом припая в районе 21 в среднем на две недели опережает это явление в районе 15, и, при достаточно высокой связи между этими районами, фактическую дату взлома припая в районе 21 можно использовать в качестве аргумента для прогноза даты взлома припая в районе 15. Для этого необходимо отслеживать дату взлома припая в районе 21, начиная с самой ранней даты.




Регрессионный метод прогноза сроков окончательного разрушения припая

Из предыдущих исследований [1] известно, что температура воздуха является одним из основных факторов, определяющим сроки взлома припая. Как показал анализ наибольшее влияние на взлом припая в районах 15 и 16 оказывает среднемесячная температура воздуха в июне на станции Шалаурова (коэффициенты корреляции -0,70 и -0,68, соответственно). К сожалению, эта станция закрыта, и данные за последние годы снимались с карт или восстанавливались по данным станции Кигилях, расположенной с западной стороны острова Бол. Ляховский. Это же относится к полярной станции на острове Четырехстолбовой, которая закрыта в 1995 году и которая наиболее репрезентативна для прогноза сроков взлома припая в районах на подходах к бару реки Колымы (коэффициенты корреляции )

Как уже отмечалось, в целом для моря сроки окончательного разрушения припая зависят об общей площади припая. Однако сопоставление сроков взлома припая в отдельных районах с площадью припая не показали значимой связи. В тоже время связь сроков взлома припая в районах 15 и 16 с шириной припая на створе 17 (L-17) в первой (для 15 района) и третьей (для 16 района) декадах июня оказалась значимой и характеризуется коэффициентами корреляции 0,45. Такого же порядка величина коэффициентов корреляции между сроками взлома припая в районах 20 и 21 и шириной припая на створах 22 и 23. Поэтому ширина припая использовалась в качестве аргумента в прогностических уравнениях. Кроме того, сроки взлома припая в районе 15 связаны с фактической датой взлома припая в районе 21, что уже отмечалось выше. С использованием перечисленных аргументов были получены уравнения для прогноза сроков разрушения припая в районах 15, 16 и 20, 21. Уравнения и их обеспеченность представлены в таблицах 3–6.

Как показывает анализ обеспеченности прогностических уравнений в таблицах 3–6, наибольший роль в изменчивости сроков взлома припая играет температура воздуха. Введение в уравнения дополнительных аргументов ненамного увеличивает методическую обеспеченность. Наиболее высокая обеспеченность умеет прогностическое уравнение для 15 района. Это объясняется использованием в качестве аргумента фактической даты взлома припая в районе 21, который косвенно характеризует процесс взлома припая в море под влиянием тепловых и динамических факторов.













Эффективность прогностических уравнений (при оценке ) колеблется в пределах 11–25%, что позволяет считать полученные результаты удовлетворительными.


Использование автоматической информационной программы («Пегас») для прогноза сроков окончательного разрушения припая в Восточно-Сибирском море

Автоматическая программа «Пегас» давно успешно используется для прогнозов ледовитости и площадей ледяных массивов в арктических морях. Попытка использовать программу для прогноза сроков окончательного взлома припая предпринимается впервые.

Основным назначением программы является исследование информативности различных гидрометеорологических полей для построения расчетных и прогностических моделей. Она позволяет исследовать информативность как точечных измерений (например, данные одной полярной станции), так и полей элементов, представленных в узлах сеточной области. При исследовании информативности полей, предусмотрена процедура перехода от значений элемента в узлах сеточной области к разности значений между узлами. Это особенно важно при исследовании полей атмосферного давления, так как разность давления между различными узлами сеточной области имеет вполне определенный физический смысл, характеризуя направление и интенсивность воздушных переносов [3, 4].

Обязательным компонентом программы «Пегас» является информационная система, включающая архивы ледовой и гидрометеорологической информации. Наиболее удобной формой представления последней являются поля геопотенциала, атмосферного давления, температуры воды, воздуха, заданные в узлах сеточной области (или в отдельных точках таких, как полярные станции).

Из стандартных процедур программа позволяет оценивать статистическую связь коэффициентами корреляции; по заданному критерию игнорировать или учитывать аргумент; выбирать наиболее значимые аргументы; на основе элементарного дискриминантного анализа проводить обобщение всей информации и рассчитывать обобщенный показатель.




Для учета атмосферного давления используется сеточная область, приведенная на рисунке 4.

Рисунок 4
Схема центров сеточной области для учета атмосферного давления

Программа «Пегас» находит наиболее информативные створы для расчета разностей атмосферного давления, для учета воздушных переносов, влияющих на разрушение припая посредством как динамического, так и термического воздействия вследствие адвекции тепла или холода в районы припайной зоны.

Для нахождения информативных показателей и построения прогностических уравнений сроков взлома припая в районах Восточно–Сибирского моря были использованы ряды сроков взлома припая, поля среднемесячного приземного атмосферного давления с января по июнь и ряды среднемесячной температуры воздуха за апрель–июнь по близлежащим полярным станциям. Для Восточно–Сибирского моря использовались данные по температуре полярных станций Санникова, Шалаурова, Четырехстолбовой, Валькаркай. При разработке метода использовались данные за период 1980–2007 гг.

Результаты корреляционного анализа сроков окончательного припая с различными показателями барического поля и температурой воздуха на полярных станциях сведены в таблицы для районов морей. Для примера приводится таблица для пролива Санникова. В таблице незначимые коэффициенты корреляции выделены курсивом.

В результате преобразования информативных показателей программа рассчитывает коэффициенты (A и B) и обобщенный показатель (P) для результирующих корреляционных уравнений для каждого из районов и производит расчет по этим уравнениям для каждого года анализируемого ряда сроков взлома припая. Пример расчета для пролива Санникова приведен в таблице 8. Таблица 8 содержит коэффициенты корреляции результирующего прогностического уравнения (R), квадрат коэффициента корреляции (R2), характеризующий степень учета уравнением изменчивости сроков взлома припая и обеспеченность расчетного уравнения.

Таблица 8 представлена в виде, выдаваемом программой. Фактические сроки взлома припая заданы в номерах декад: VI-1 – 1, VI-2 – 2,... VII-1 – 4 и т.д.



Как можно видеть из таблицы 8, по мере накопления массива данных ежегодно изменяется только обобщенный показатель P, остальные аргументы не изменяются.

В таблице 9 представлен общий вид уравнений для прогноза сроков взлома припая в районах Восточно–Сибирского моря и их методическая обеспеченность и прогноз на 2007 год. Как можно видеть из таблицы 9, методическая обеспеченность уравнений для районов Восточно–Сибирского моря изменяется в пределах 78–92. Прогноз сроков взлома припая с точностью до декады во всех районах оправдался полностью.



Прогноз сроков взлома припая с использованием автоматической информационной программы «Пегас» представляется перспективным и предпочтительней других физико–статистических методов прогнозов, поскольку позволяет привлекать для прогноза значительно больше количество информативных показателей.


Результаты испытания метода прогноза окончательного разрушения припая по данным ИСЗ в Восточно-Сибирском море заблаговременностью 15-30 суток

Испытания метода проводились в отделе ледового режима и прогнозов ГУ "ААНИИ". Период испытаний: май–июнь 2007 г. – май–июнь 2009 г. Прогнозы составлялись и оценивались для районов акватории Восточно-Сибирского моря. Предметом прогноза являются сроки окончательного разрушения припая в 4 естественных районах моря, которые являются наиболее важными в навигационном отношении – на подходах к проливам Санникова и Дм. Лаптевых и районы подходов к бару реки Колымы (районы 15, 16, 20 и 21). Границы районов были установлены в период визуальных ледовых авиационных разведок в период 1949-1991 гг. Площади выделенных районов, сроки окончательного разрушения припая были уточнены по данным искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Прогноз представляется в виде обобщенной таблицы, в которой приведены ожидаемые сроки окончательного разрушения припая для данной ледовой зоны.

Формирование и разрушение припайных льдов является важной режимной особенностью арктических морей России. Известно, что припай активно используется в хозяйственной деятельности в Арктике (выгрузка грузов), а также влияет на судоходство во льдах и служит показателем климатических изменений. Поэтому сроки разрушения припая являются важным прогностическим ориентиром для планирования морских, экономических и исследовательских мероприятий.

Сроки взлома определяются: исходной толщиной ледяного покрова к концу зимы, сроками начала таяния льдов, воздушными переносами после момента начала таяния; однако наибольшее влияние оказывает среднемесячная температура воздуха в мае–июне, которая определяет интенсивность стаивания толщины ледяного покрова.

При необходимости используются данные об ожидаемой температуре воздуха по метеорологическому прогнозу ААНИИ. Реперными полярными станциями являются: Санникова, Шалаурова, Четырехстолбовой, Валькаркай. Заблаговременность прогноза составляет не менее 15-30 суток.

Методика прогноза основана на физико-статистическом подходе, при котором статистическая связь между предиктантом и предикторами обосновывается физически, и предусматривает разработку прогноза двумя способами:
1) на основе уравнений регрессии с определенными аргументами, 2) с использование автоматической информационной программы («Пегас»), которая подбирает наиболее информативные аргументы по мере накопления их архива данных.

Прогнозы по обоим способам дополняют друг друга. По регрессионным уравнениям дата прогноза определяется в сутках, прогноз с использование программы «Пегас» – с точностью до декады. Прогноз с точностью до декады может быть уточнен по регрессионному способу.

Всего за период испытаний (2007-2009 гг.) было составлено 24 прогноза сроков окончательного разрушения припая (по 12 каждым способом). Прогноз представляет собой две сводные таблицы, в которых приведены ожидаемые даты (декады) окончательного разрушения неподвижного ледяного покрова в районах моря и оценка их оправдываемости.


Регрессионный способ
В таблице 10 приводится оценка оправдываемости прогнозов окончательного разрушения припая за 2007 – 2009 гг. при оценке . Как можно видеть из таблицы 10, из 12 прогнозов 2 не оправдались по величине, хотя оба прогноза оправдались по знаку, то есть тенденция к раннему взлому припая в обоих случаях учтена верна.


Оправдываемость прогнозов сроков окончательного разрушения припая 2007-2009 гг. при оценке в среднем по всем районам составила 83%, а эффективность – 26% при средней природной обеспеченности по районам 57% (от 50 до 68%).


Оценка оправдываемости прогнозов сроков окончательного разрушения припая с помощью автоматической информационной программы («Пегас»)


Как можно видеть из таблицы 11, из 12 прогнозов, разработанных с помощью программы «Пегас» с точностью до декады оправдались все прогнозы, их оправдываемость составила 100%. При средней обеспеченности метода 84%.

Оправдываемость прогнозов оценивалась согласно "Наставлению по службе прогнозов", раздел 3 часть III. При прогнозе срока разрушения припая в конкретном районе прогноз считался оправдавшимся, если его ошибка не превышала или была равна , где - стандартное отклонение срока разрушения припая в районе.

Оправдываемость физико-статистического метода прогноза зависит от качества исходной информации, надежности идентификации начальных условий к моменту составления прогноза в конце зимнего периода и точности ожидаемого изменения метеорологических условий после начала таяния льдов. В связи с ухудшением в последние годы надежности данных наблюдательной сети и ее сокращения, прекращением авиационных ледовых разведок качество исходной информации о состоянии ледовых и гидрометеорологических условий не всегда удовлетворительно. Это неизбежно сказывается на точности разрабатываемых прогнозов.

Испытываемый метод позволяет прогнозировать сроки окончательного разрушения припая в естественных районах Восточно-Сибирского моря заблаговременностью 15-30 суток. Метод характеризуется достаточной эффективностью по сравнению с климатическими оценками. Учитывая результаты проведенных испытаний можно рекомендовать метод для внедрения в практику прогностической работы ААНИИ.


Решение Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета от 25 июня 2010 г. о внедрении метода

Одобрить работу ААНИИ по созданию метода, позволяющего прогнозировать сроки окончательного разрушения припая в Восточно-Сибирском море с заблаговременностью до одного месяца.

Рекомендовать ААНИИ:
- внедрить метод прогноза сроков окончательного разрушения припая в Восточно-Сибирском море заблаговременностью до одного месяца в оперативную практику ААНИИ в качестве основного;
- обеспечить своевременную передачу методических прогнозов в ГУ «Чукотское УГМС» для эффективного использования в оперативно-прогностической практике;
- продолжить работу по усовершенствованию метода с учетом высказанных на ЦМКП замечаний (построение равнений для действующих станций, при подготовке июньского прогноза использовать майские предикторы, в дальнейшем оба способа прогноза свести в один с выдачей прогноза дат).


Список литературы

1. Горбунов Ю.А., Карелин И.Д, Кузнецов И.М, Лосев С.М, Соколов А.Л. Основы физико–статистических методов ледовых прогнозов и расчетов для арктических морей заблаговременностью до 30 суток. Л. Гидрометеоиздат, 1983, 288 с.
2. Гудкович З.М, Кириллов А.А, Ковалев Е.Г, Сметанникова А.В, Спичкин В.А. Основы методики долгосрочных ледовых прогнозов для арктических морей. Л. Гидрометеоиздат, 1972, 348 с.
3. Ковалев Е.Г., Николаев Ю.В. Применение дискриминантного анализа для долгосрочного прогноза ледовитости арктических морей. - Тр. ААНИИ, 1976, т. 320, с. 4-26.
4. Ковалев Е.Г., Юлин А.В. Автоматизированная прогностическая система для целей научно-оперативного обеспечения навигации в Арктике. - Тр. ААНИИ, 1998, т.438, с.73-82


Авторы

И.Д. Карелин, В.П. Карклин, А.В. Юлин
ГУ "ААНИИ"


© Методический кабинет Гидрометцентра России