Льды Арктики: мониторинг и меры адаптации

Льды Арктического бассейна

В Российской Арктике сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых, развивается транспортная инфраструктура. При этом воздействие дрейфующего льда аркти--‐ ческих морей на нефтяные платформы и другие сооружения, транспортные средства создаёт серьёзные риски. Именно поэтому важно понимать, что будет происходить с площадью льдов в ближайшие годы. По данному вопросу существуют два противоположных мнения — льды Арктики тают и льды входят в «холодный цикл» [1, с. 422].

Первое мнение: арктическое таяние льдов . В Арктическом регионе отмечаются зна--‐ чительные колебания климата, поэтому и происходят частые изменения ледовитости морей. Долговременные изменения средней температуры воздуха, ледовитости морей и других по--‐ казателей характеризуются наличием циклических колебаний разной длительности: 60, 20, 10 и менее лет. Это происходило из--‐за линейного тренда потепления [2]. По данным наблю--‐ дений, температура воздуха в Арктике за последнее столетие увеличивалась почти вдвое быстрее, чем средняя температура Земли. Значительное сокращение площади оледенения за последние 30 лет (на 15—20%) подтверждают инструментальные наблюдения за арктиче--‐ скими льдами со спутников. Спутниковые данные показывают, что в среднем на 2,7% за де--‐ сятилетие уменьшалась среднегодовая площадь льдов в Арктике. Особенно заметна дина--‐ мика летнего льда. За последнее десятилетие площадь морских льдов в сентябре сократи--‐ лась на 7,4% [2]. Также уменьшается средняя толщина морских льдов в арктическом бас--‐ сейне, которая происходит в основном из--‐за сокращения площади, занимаемой многолет--‐ ними льдами и, в меньшей степени, за счёт уменьшения их толщины.

Рисунок 1. Гистограмма площади многолетних арктических льдов (2002—2013 гг.)

Таяние арктических льдов приводит к усилению потепления в регионе вследствие так называемой положительной обратной связи: увеличение темпов сокращения ледового покрова ведет к уменьшению отражательной способности поверхности (темный океан лучше поглощает тепло, чем белый лед) и, следовательно, увеличению поступления солнечной радиации.

Для прогнозирования ледовитости Арктических морей можно использовать адаптив--‐ ные методы — одно из современных направлений статистического анализа и прогнозирова--‐ ния временных рядов. Инструмент прогноза при адаптивном методе — модель. Начальная оценка параметров этой модели основывается на данных исходного временного ряда. И уже на основе новых данных, которые получаются на каждом следующем шаге, проходит кор--‐ ректировка параметров модели во времени, а также их адаптация к новым, непрерывно ме--‐ няющимся условиям развития явления. Другими словами, модель постоянно «впитывает» в себя новую информацию, а после этого приспосабливается к ней. Адаптивные методы пред--‐ назначаются для краткосрочного прогнозирования. Всё вышеизложенное не означает, что адаптивные методы и модели без проблем могут заменить любые другие виды моделей.

Данные методы пригодны для обработки рядов с умеренными изменениями в течение вре--‐ мени и оказываются достаточно грубыми при прогнозировании на большое число шагов вперёд. Однако следует отметить, что в последнее время они получили развитие. Основны--‐ ми видами адаптивных моделей являются модель Брауна, модель Хольта--‐Уинтерса, модель

Брауна с адаптивными параметрами адаптации, мультипликативная модель Хольта--‐ Уинтерса, аддитивная модель Тейла--‐Вейджа, метод эволюции [3, с. 86; 4, c. 3—11].

ских льдов. Так, например, к 2016 году, если динамика сохранится, площадь многолетних арктических льдов сократится до минимума.

Average Monthly Arctic Sea Ice Extent

Рисунок 2. Динамика ледовитости арктических морей (июль 1979—2014)

Анализ рисунка подтверждает наличие тенденции к уменьшению величины площади льдов (каждые десять лет уменьшение составляет примерно 7,4% от общей площади). Для вычисления прогнозного значения рассматриваемого показателя на последующие периоды адаптивными методами были построены различные модели временного ряда и на основе проведённой проверки на адекватность и точность отобрана лучшая модель (таблица 1).

Адекватность моделей

Таблица 1

Функции	Адекватность								S !	Точность E , %	R2
	R/S крите--‐ рий		t--‐критерий дента	Стью--‐	Критерий Дарбина--‐ Уотсона		Крите--‐ рий пиков
Модель Брауна	4,93461	--‐	0,05328278	+	2,65776	+	17	+	0,4897	3,78	0,54
Модель      Хольта--‐ Уинтерса	4,27876	+	0,00454967	+	2,22423	+	16	+	0,4844	3,87	0,55
Модель        Бокса--‐ Дженкинса	4,90628	--‐	0,57909999	+	2,66480	+	18	+	0,3833	2,98	0,72
Модель Брауна с адаптивными пара--‐ метрами адаптации	4,79030	+	0,00330935	+	2,04428	+	15	+	0,3880	2,91	0,71
Мультипликативная модель       Хольта--‐ Уинтерса	4,00420	+	0,04966785	+	2,57611	+	19	+	0,3832	3,30	0,72
Аддитивная модель Тейла--‐Вейджа	4,55116	+	8,21911E--‐05	+	2,24242	+	17	+	0,5434	4,38	0,44
Метод эволюции	3,89896	+	0,22838161	+	2,0132	+	18	+	0,2632	2,31	0,87
Метод гармонических весов	4,4143	+	0,02378	+	2,5714	+	16	+	0,2042	1,58	0,92

По лучшей из построенной моделей — методу гармонических весов — был рассчитан точечный и интервальный прогнозы ледовитости Арктических морей на 2015 и 2016 года.

Рисунок 3. Прогноз ледовитости на 2015—2016 года

По данному прогнозу можно судить, что в ближайшее время площадь льдов в июле продолжит сокращаться примерно на 90 000 км2, а также о том, что «тёплый» период, кото--‐ рый начался в 1985 году, продолжается 2. Таяние ледников способствует оживлению эконо--‐ мической активности в Арктике, эффективному использованию Северного морского пути.

Однако важно помнить, что адаптивные модели дают только краткосрочный прогноз на 1—2

года, кроме того, существует и другое научное мнение о будущем Арктики: о похолодании.

Второе мнение: новое похолодание. Исследователи часто выделяют циклы, описы--‐ вающие все климатические феномены Арктики: похолодание начала ХХ века, потепление в

20—40--‐е годы, похолодание в 60—80--‐е, потепление с 1985 года. Происходит чередование холодных и тёплых фаз в цикле. Согласно этой схеме, следует ожидать холодный цикл.

Используя физико--‐статистический) подход, на основе выявленных циклических коле--‐ баний специалисты Государственного научного центра РФ «Арктический и антарктический научно--‐исследовательский институт» Росгидромета (СПб) разработали фоновый' климатиче--‐ ский% прогноз на XXI век среднегодовой* температуры воздуха в арктической зоне 70—85° с.

дого региона [ 5, c. 420]. В настоящее время наиболее вероятной считается амплитуда 200--‐ летего цикла. По уточнённому прогнозу директора ААНИИ И.Е. Фролова и его коллег, вместо повышения температуры воздуха и уменьшения ледовитости Арктики — вплоть до полного исчезновения сезонных льдов в СЛО — ожидаются понижение температуры к 2030—2040 гг.

и увеличение ледовитости. В дальнейшем ожидается продолжение циклических колебаний, характерных для XX в., на фоне постепенного увеличения ледовитости до конца XXI века [5, c. 421]. Ожидаемые изменения ледовитости арктических морей безусловно отразятся на ле--‐ довых условиях плавания судов по трассе Севморпути и на других видах хозяйственной дея--‐ тельности в Арктике. Потребуется модернизация крупнотоннажных судов, включая танкеры, повышение мощности судовых энергетических установок, укрепление корпусов судов, а также увеличение числа ледоколов и мощностей ледокольного флота [5, c. 426—427].

Учёные Пулковской обсерватории в своих научных статьях сообщают, что в Арктике похолодает — солнечная активность идёт на убыль и среднегодовая температура снижается. Они убеждены, что через некоторое время может наступить очередной «малый ледниковый период» (предыдущий случился в конце XVII века), который существенно повлияет на Се--‐ верное полушарие: остановка тёплых течений, опреснение вод северных морей [6].

Научный сотрудник японского национального агентства по морским исследованиям Мототака Накамура в своих исследованиях также пришёл к выводу о том, что, по его дан--‐ ным, планету ждёт вовсе не глобальное потепление, а, наоборот, похолодание. Ученый про--‐ следил данные об изменении мирового климата с 1957 года и до настоящего момента, а за--‐ тем изучил показания температуры поверхности воды Гренландского моря за тот же проме--‐ жуток времени. Сопоставив полученную информацию, он сделал вывод, что 70--‐летний цикл потепления подходит к концу и скоро уступит место циклу похолодания. При этом он пред--‐ лагает отслеживать изменения, которые происходят в направлениях тёплых и холодных те--‐ чений Атлантического океана по колебаниям температуры Гренландского моря, что является хорошим индикатором изменений [7].

Учёт рисков при изменениях климата

Учет рисков при изменениях климата крайне важен в отраслях добычи полезных ис--‐ копаемых, морского судоходства, инфраструктуры в Российской Арктике, чтобы минимизиро--‐ вать возникающие потери от возможных угроз [8,9].

Таблица 2

Минимизация потерь с учётом рисков при изменениях климата в некоторых отраслях экономики

Отрасль экономики

Возможные угрозы

Минимизация потерь

Добыча полезных ископаемых

Морское судоходство

• 1.    Рост числа аварий оборудования морских сооружений на арктиче--‐ ском шельфе из--‐за резких перепа--‐ дов температуры и усиления опас--‐ ных гидрометеорологических явле--‐ ний.

• 2.    Увеличение высоты ветровых волн, появление обломков айсбер--‐ гов от деградирующих ледников на арктических островах — представ--‐ ляют опасность для добывающих сооружений и транспортных средств.

• 3.    Нарушение транспортного сооб--‐ щения, включая морское судоход--‐ ство, из--‐за увеличения частоты и

• 1.    Пересмотр строительных норм и правил для морских сооружений в шельфовой зоне с учётом наблюдае--‐ мых и прогнозируемых изменений климатических параметров.

• 2.    Создание специальных служб кон--‐ троля ледовой опасности в акватори--‐ ях СЛО. Учёт динамики высоты волн, ледовой активности при проектиро--‐ вании нефтяных платформ и других сооружений, обеспечения безопас--‐ ной транспортировки.

• 3.    Совершенствование современных систем прогностического обеспече--‐ ния морской деятельности, динами--‐

• 4.    Вероятность формирования сложных ледовых условий на трас--‐ сах Севморпути.

• 5.    Сокращение возможностей и пе--‐ риода для доставки грузов в труд--‐ нодоступные районы по зимним автомобильным трассам, проло--‐ женным по замерзшим руслам, из--‐ за изменения в сроках и процессах замерзания и вскрытия рек и водо--‐ емов.

• 6.    Появление рисков в эксплуатации транспортной системы, ЖКХ, зда--‐ ний и сооружений, их разрушение из--‐за подвижек грунта в зонах тая--‐ ния вечной мерзлоты.

• 7.    Высокая степень геокриологиче--‐ ской опасности для инженерных сооружений, при прокладке маги--‐ стральных трубопроводов и др.

• 8.    Нарушение инфраструктуры при--‐ брежных территорий вследствие природных аномалий, усиления штормовой активности, эрозии бе--‐ регов, поднятия уровня моря.

• 4.    Эксплуатация судов усиленного ледового класса, строительство но--‐ вых ледоколов.

• 5. Повышение качества мониторинга и прогнозирования климатических изменений, погодных условий на ре--‐ ках и водоемах Севера. Совершен--‐ ствование системы оперативного до--‐ ведения погодно--‐климатической ин--‐ формации до потребителей.

• 6.    Разработка и внедрение новых технических норм, регламентов, ин--‐ новационных технологий при строи--‐ тельстве инфраструктурных соору--‐ жений с учетом изменений климати--‐ ческих условий.

• 7.    Проведение оценки геокриологи--‐ ческого риска в отношении имею--‐ щихся на территории региона инфра--‐ структурных объектов.

• 8.    В случае высокой степени угроз производить реконструкцию или пе--‐ ренос объектов инфраструктуры из опасной зоны.

интенсивности аномальных погод--‐ ки гидрометеорологических характе--‐ ных явлений.                       ристик. Создание эффективных ло--‐ кальных систем гидрометеорологи--‐

Инфраструк--‐ тура

ческого обеспечения.

Заключение

Изменения климата несомненно касаются всех сфер жизнедеятельности населения, проживающего в Арктической зоне Российской Федерации, проблем сохранения окружаю--‐ щей среды. Большая часть проектов по добыче полезных ископаемых в Арктике была по--‐ строена на прогнозах потепления. В случае климатического похолодания должна измениться работа всех добывающих отраслей в Арктическом макрорегионе, отдавая приоритет эколо--‐ гии перед экономикой в любых вариантах. Потребуются значительные инвестиции для эф--‐ фективной эксплуатации Севморпути, как национальной транспортной магистрали России, обновления транспортных средств, строительства современных мощных ледоколов.

Необходимо постоянное внимание к строительству и функционированию объектов арктической инфраструктуры, в том числе в социальной сфере, включая жильё, жилищно--‐ коммунальное хозяйство, создавая комфортные условия жизни для человека в Арктике с учетом того, что преобладающая часть населения проживает в северных городах. Специаль--‐ ных мер поддержки требуют вопросы обеспечения жизнедеятельности коренных малочис--‐ ленных народов Севера в условиях изменений климата.

В данной статье обозначен далеко не весь спектр угроз, возникающих рисков в ре--‐ зультате изменения климата. Необходимо продолжать проведение мониторинга, системных исследований, позволяющих предупредить и минимизировать возможные потери разных отраслей экономики, социальной сферы, сохранения окружающей среды не только при ин--‐ тенсивном таянии морских льдов, но и в условиях похолодания.