Моделирование формирования морского ледяного покрова Арктики

Одной из актуальных проблем современной науки является прогнозирование возможных изменений климата. Арктический морской лед представляет собой важную компоненту климатической системы. [1].Поэтому   исследование и разработка методов мониторинга геофизических параметров ледового покрова является важной научнотехнической задачей.

Известно, что морской лед является характерной особенностью морей полярных широт и непосредственно определяет возможность практической деятельности человека в Арктике. При этом морской лед представляет собой сложное, неоднородное по своим теплофизическим свойствам образование, формирующееся под влиянием целого комплекса внешних факторов [2]. В частности, такими факторами являются метео- и гидрологический режим конкретного района моря в период образования и роста льда, приток коротковолновой солнечной радиации в период таяния и ряд других.

Морской ледяной покров в природных условиях не является морфометрически однородным объектом. Он представляет собой совокупность льдин различной толщины, обычно покрытых снегом. Характерной особенностью природного морского ледяного покрова являются торосы, формирующиеся в результате выдавливания кусков битого льда под воду и на поверхность льда. В период таяния на поверхности морского ледяного покрова образуются озерца талой воды -снежницы, происходит серьезное уменьшение отражающей способности.

Информация о состоянии и развитии морского ледяного покрова Арктики имеет большое значение для изучения изменений регионального и глобального климата. Чувствительные к изменениям климата характеристики ледяного покрова океана могут служить индикаторами сезонной и долговременной климатической изменчивости. Морской ледяной покров влияет также на условия формирования энергетических, в том числе и радиационных, потоков в системе океан-атмосфера и, следовательно, на динамику регионального и глобального климата. [3]

С практической точки зрения, информация о пространственном распределении, дрейфе, типе, возрасте и сплоченности морского льда необходима для обеспечения безопасности судовой навигации, рыболовства, добычи нефти и газа в полярных районах.

Первые попытки математического моделирования промерзания среды относятся к середине XIX века, и наиболее серьезным исследованием в этом направлении следует признать работу И.О.Стефана (1891), в которой были заложены основы современных методов термодинамического моделирования взаимодействующих сред с движущейся границей раздела фаз. Однако наибольшая исследовательская активность началась в 40-60 годах XX века, когда появились работы А.А.Шепелевского, Л.И.Рубинштейна и В.Г.Меламеда, продемонстрировавшие возможности термодинамического подхода применительно к моделированию морского льда. Отдельно следует выделить классическую работу Ю.П. Доронина (1963) [4]. Эта термодинамическая модель морского льда и в настоящее время является одной из наиболее часто используемых. Появившиеся несколько позже модели зарубежных авторов Мэйкута-Унтерштейнера (1971) и Семтнера (1976) стали основой для современных термодинамических моделей морского льда, используемых для различных теоретических исследований.

В настоящее время одним из наиболее эффективных глобальных методов измерений геофизических параметров ледового покрова является дистанционное зондирование с использованием спутниковых систем с активными и пассивными многоканальными сенсорами. Однако оценивание геофизических параметров по дистанционным измерениям в широком диапазоне электромагнитного спектра представляет собой достаточно сложную задачу, так как отражательные и излучательные характеристики ледового покрова зависят нелинейно от его диэлектрических свойств, плотности, однородности, шероховатости поверхности, частоты и поляризации, на которые настроен сенсор, углов наблюдения и др. Поэтому для эффективного использования различных многоканальных сенсоров необходимо развитие и разработка новых методов, алгоритмов и программного обеспечения для обработки спутниковых данных. [6]

В настоящее время для изучения ледового покрова применяются сенсоры различных диапазонов электромагнитного спектра, однако использование сенсоров оптического диапазона ограничивается продолжительной полярной ночью и облачностью. Микроволновые сенсоры лишены этих недостатков, так как электромагнитное излучение микроволнового диапазона практически беспрепятственно пропускается атмосферой и почти не зависит от освещенности поверхности. Для систематического мониторинга используются сенсоры с различным пространственным разрешением. Приборы с высоким пространственным разрешением имеют узкую полосу обзора. Для глобальных наблюдений используются сенсоры, обладающие низким пространственным разрешением, но имеющие широкую полосу захвата.

Среди самых важных параметров, описывающих морской ледяной покров, которые могут быть получены из пассивных микроволновых данных, - скорость движения льда, сплоченность морского льда, из которой, в свою очередь, может быть рассчитана общая площадь льдов, а также площадь открытой воды - полыней и разводий. [8]

Эффективным средством получения ледовых прогнозов и изучения ледового режима полярных регионов, оценки его естественных и антропогенных изменений служит математическое моделирование ледяного покрова. При помощи моделирования ледяного покрова совместно с глобальным моделированием циркуляции океана и атмосферы возможно не только составлять ледовые прогнозы, но и исследовать роль ледяного покрова в климатической системе. Ледовые расчёты и прогнозы занимают важное место в системе научно-оперативного обеспечения навигации в арктических морях.

Среди различных методов оценки геофизических параметров поверхности весьма перспективными для повышения точности оценок параметров морского льда являются методы, использующие искусственные нейронные сети (ИНС), так как ИНС способны аппроксимировать широкий класс функций без априорных предположений об их характере распределения и строить решающие поверхности любой формы после соответствующего обучения.

Вопросам изучения климата посвящено много работ российских и зарубежных ученых. Однако существует ряд нерешенных проблем, связанных с изучением параметров многолетнего морского льда, взаимодействия морского льда с атмосферными климатическими процессами, процессов таяния арктического морского льда, разработкой баз данных геофизических параметров, предназначенных для информационного обеспечения проблем изучения климата, исследованием и разработкой алгоритмов оценивания геофизических параметров ледового покрова по различным спутниковым и наземным данным, моделированием формирования морского ледяного покрова.