Исследования ледового режима рек Арктической зоны России в XX и XXI вв.

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке проекта РФФИ №18-05-60021–Арктика.

Введение

Сухопутная территория Арктической зоны России включает земли и острова, расположенные в Северном Ледовитом океане, а также ряд прибрежных административных образований. Граница определяется законодательно (Президентским указом от 2 мая 2014 г, последние изменения – 27.06.2017 г.) Существуют и географические подходы к выделению Арктического региона. Например, использование в качестве южной границы линии Полярного круга (66°33'с.ш.) или июльской изотермы 10°С ^[11]. Самая южная точка Арктической зоны расположена в бассейне р. Енисей (около 60°с.ш.), восточнее граница уходит к северу и районы с наиболее низкими температурами воздуха, в том числе г. Оймякон, в Арктическую зону не попадают. Основные реки исследуемой территории относятся к бассейну Северного Ледовитого океана. Продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха составляет в среднем для европейского сектора – 200–230 сут., для азиатской части территории и низовьев р. Печоры – 240 сут. и более. Средняя продолжительность периода с ледовыми явлениями – от 180 сут. для рек Карелии до 260 сут. для рек северо-востока и п-ва Таймыр. Реки характеризуются устойчивым ледоставом, исключения составляют порожистые участки и истоки из крупных озер. Ледостав также не наблюдается на участках сброса промышленных сточных вод, ниже плотин ГЭС ^[1].

Со сроками и продолжительностью ледовых явлений на реках Арктической зоны связаны многие виды хозяйственной деятельности (судоходство, строительство ледовых переправ, эксплуатация различных гидротехнических сооружений). Реки региона – важные транспортные артерии и продолжительность летней навигации здесь существенно ограничена, в том числе из-за непродолжительного безледного периода. На сегодняшний день в низовьях арктических рек функционируют следующие морские порты: Онега (р. Онега), Архангельск (р. Северная Двина), Мезень (р. Мезень), Нарьян-Мар (р. Печора), Дудинка (р. Енисей) и Хатанга (р. Хатанга). Зимняя навигация осуществляется в портах Архангельск и Дудинка. По основным судоходным рекам ежегодно осуществляется арктический завоз грузов, прежде всего топлива. В период ледостава реки используются для строительства ледовых переправ. Ледовыми явлениями на реках исследуемой территории нередко обусловлены опасные гидрологические процессы: заторные и зажорные наводнения, повреждения гидротехнических сооружений и флота в период весеннего ледохода.

К началу XX в. об устья и гидрологическом режиме основных арктических рек имелись лишь общие сведения, преимущественно описательного характера. В 1932 г. впервые путь от г. Архангельск до Берингова пролива был преодолен в одну навигацию, а в декабре того же года создано Главное управление Северного морского пути (ГУСМП) ^[8]. В период до 1964 г. Арктический институт являлся подведомственной организацией ГУСМП и его основная деятельность была направлена на научно-оперативное обеспечение судоходства по Северному морскому пути ^[18]. В 1943 г. на базе морского отдела ГГИ (Государственного гидрологического института) и морского сектора ЦИП (Центрального института прогнозов) создан Государственный океанографический институт (ГОИН), в задачи которого также входили работы в низовьях и на устьевых участках рек.

В данной статье представлены основные этапы развития исследований ледового режима рек Арктической зоны в XX в. и перспективные направления последних лет. Сведения об основных теоретических ледовых исследованиях, а также обобщений для всей территории страны упомянуты кратко для создания общей картины. Основной упор сделан на особенности развития ледовых исследований в труднодоступных арктических регионах в условиях сурового климата и ограниченного доступа к гидрометеорологической информации.

Исследования ледового режима рек Арктики в XX в

Развитие системы наблюдений на реках

Систематические наблюдения над уровнем и ледовыми явлениями на реках исследуемой территории начаты с конца XIX в. в низовьях р. Северная Двина (в этот период открыты посты Усть-Пинега, Холмогоры и Соломбала). С 1916 г. в устьевой области Северной Двины проводились регулярные ледомерные съемки для обеспечения работы ледовых переправ г. Архангельск. Важными для понимания особенностей ледового режима низовьев рек европейского севера в начале XX в. стали специализированные исследования и портовые изыскания Севпортиза (Северная Двина, Мезень и Печора). В программе работ было изучение ледового режима устьевых участков, а также исследование воздействия льда на портовые сооружения. В период 1934-1938 гг. в устье р. Северная Двина по инициативе Марютина Т. П. действовала первая специализированная устьевая станция. В 1956 г. специализированные наблюдения были возобновлены под научным руководством ГОИН ^[12]. Печорская устьевая станция открыта несколько позже – в 1968 г.

Интенсивное изучение гидрологического режима рек азиатского сектора Арктической зоны началось в 1930-х гг. XX в., главным образом для обеспечения запросов развивающегося в Арктике судоходства. В эти годы в низовьях арктических рек Сибири работали многочисленные экспедиции Арктического института, открывались новые полярные станции и гидрологические посты. К концу 1930-х гг. в сборниках «Труды Арктического института» опубликованы первые обобщения сведений о ледовом режиме рек Пясина (1936), Анабар (1937), Лена, Эбетем, Индигирка, Хатанга, Енисей, Колыма (1938) и Обь (1939).

С 1958 г. в низовьях и устьях судоходных сибирских рек ледовые авиаразведки, проводившиеся и раннее, стали ежегодными. Обследования проводились как силами ААНИИ, так и региональными УГМС (Северное, Якутское, Колымское и другими). Ледовые разведки обеспечивали оперативной информацией порты, пункты отстоя судов, прогностические центры. При облетах составлялись ледовые карты, рекомендации о маршрутах следования судов, работе ледоколов, фиксировалась также информация об образовании заторов и затоплении населенных пунктов. Составление различных наглядных интерпретаций данных ледовых разведок («режимных графиков»), позволяли в дальнейшем анализировать пространственно-временных характеристики ледовых процессов. В ^[19] освещены вопросы планирования и организации авиаобследований ледяного покрова рек. В качестве оптимальной частоты полетов предлагалось принимать величину, равную 0,674σ(т.е. допустимую ошибку долгосрочного прогноза сроков ледовых явлений по опорным пунктам). В 1970-е гг. к визуальным наблюдениям добавилась аэротермосъемка воды, инструментальное измерение толщины льда с самолета, а также использование в условиях плохой видимости системы «Торос», работа которой основана на принципе активной радиолокации. Съемка ИК-аппаратурой позволила выделять границу вода-лед, фиксировать трещины, различать льды разных типов ^[9].

Региональные обобщения о ледовом режиме рек

Первые географические обобщения сведений о сроках ледовых явлений на реках составлены Рыкачевым М. А. в 1886 г. и затем уточнены Шостаковичем В. Б. в 1906 г. В 1939 г. опубликована статья Давыдова Л. К. «Вскрытие рек арктической и субарктической зоны СССР», в которой обобщены сведения по 48 створам, расположенным на сибирских реках севернее 60⁰с.ш. К 1960-70-х гг. благодаря накопленным экспедиционным материалам, данным наблюдений на гидрологических постах, результатам ледовых авиаразведок опубликован ряд работ, содержащих подробную характеристику ледового режима отдельных регионов (разделы монографий Ресурсы поверхностных вод, труды ААНИИ и другие издания – Таблица 1).

Таблица 1. Основные публикации о ледовом режиме рек арктической зоны Сибири в 1961-1970 гг.

В конце 1960-х гг. были обобщены сведения о заторах льда на реках. Результатом стал «Каталог заторных и зажорных участков рек СССР», изданный в 2-х томах в 1976 г. В монографии ^[12] заторообразованию и опыту борьбы с заторами посвящен отдельный раздел, показаны положительные результаты ежегодных ледокольных работ в устьевой области р. Северная Двина , проводимых с 1915 г. Приведены аргументы в пользу разработок методов создания искусственных заторов, образование которых не только снижает вероятность заторобразования на нижележащем участке, но также повышает урожайность на заливных лугах, за счет осаждения наносов на пойме позволяет снизить объемы землечерпаний в русле.

Важным направлением исследований ледового режима рек в ААНИИ было создание различных классификаций и типизаций наблюдаемых на реках процессов, а также районировании рек и территорий по характерным особенностям водного и ледового режима. По данным ледовых авиаразведок было выделено 3 типа вскрытия для речных участков и 2 – для устьевых. Согласно ^{[5, 6]} к первому типу относятся участки рек с ярко выраженным динамическим характером вскрытия (низовья рр. Енисей, Лена, Яна и Колыма). Для вскрытия 1 типа характерно ежегодное формирование заторов льда, места образования заторов постоянны. В период подвижек и ледохода по берегам образуются навалы льда значительной высоты. Второй тип вскрытия характерен для извилистых участков рек, а также для участков с большим количеством разветвлений. Весенний ледоход на таких участках проходит с остановками, образованием «ледовых перемычек» и кратковременных повышений уровня воды. Этот тип вскрытия характерен для рр. Пур, Надым, Хатанга и других. Образующиеся на таких реках заторы хотя и не вызывают значительных подъемов уровня воды, но из-за развитых пойм нередко приводят к затоплению территории. Третий тип вскрытия характерен для равнинных малых рек Арктической зоны, для промерзающих участков рек, а также для тех участков, где к началу весеннего половодья льда в русле практически не остается (р. Хета, верховья р. Пясина, низовья р. Таз). Весенний ледоход в целом проходит спокойно, образующиеся скопления льда в излучинах и у островов обычно не вызывают подъемов уровня воды. В весенний период река представляет собой чередование участков с неподвижным льдом, спокойным местным ледоходом и чистой водой. Тип вскрытия устьев определяется условиями прохождения весеннего ледохода выше по течению. При динамическом типе вскрытия (рр. Енисей, Лена и Колыма) транзитный лед проникает по рукавам дельты, взламывая ледяной покров. Согласно данным авиаразведок выноса речного льда по протокам дельт сибирских рек не наблюдается. В припае устьевого взморья по стрежню образуются языки вытаивания. Вскрытие устьевых участков по 2-му типу происходит без участия транзитного речного льда (рр. Обь, Таз, Надым, Пясина и Хатанга). Также были выделены типы осеннего ледообразования ^[17]. Замерзание устьевых участков обоих типов начинается с приустьевого взморья. Замерзание 1 типа сопровождается продолжительным дрейфом льда (устьевые участки Оби, Енисея, Хатанги, Анабара). При замерзании 2 того формирование припая происходит в очень короткий срок и через 1–2 месяца мелководья промерзают до дна (устьевые участки Пясины, Оленька, Яны, Индигирки, Алазеи, Колымы).

Развитие методов прогноза элементов ледового режима рек

Регулярный выпуск прогнозов сроков ледовых явлений на реках Арктики начат в 1940-х гг. В 1940 г. в Арктическом институте выпущен первый прогноз сроков вскрытия, а затем и сроков замерзания для р. Енисей на участке от Игарки до устья. В основе прогноза сроков вскрытия использовался расчет времени добегания волны половодья от г. Красноярск к нижнему течению ^[7]. С 1942 г. для рек европейской территории в ГГИ, а затем в ЦИП также начат регулярный выпуск долгосрочных прогнозов. Основу речных ледовых прогнозов заложил Брегман Г. Р., предложивший в 1935 г. использовать температуру поверхности океана в качестве предиктора. Несколько позже им же было предложено выявлять прогностические зависимости для однородных территорий европейской части страны (гидрологических районов) ^[13].

В задачи Арктического института входил выпуск ледовых прогнозов для низовий судоходных рек Сибири. Районированию территории уделялось много внимания. Составление прогнозов для районов с синфазными колебаниями сроков ледовых явлений сокращало объем вычислений, а также позволяло давать прогноз для участков рек, не охваченных наблюдениями. В ААНИИ выпускались фоновые прогнозы (с заблаговременностью 5–7 месяцев) и основные (с заблаговременностью 2–4 месяца). При проведении ледовых авиаразведок гидрологи на месте уточняли долгосрочные и составляли краткосрочные прогнозы сроков ледовых явлений. Кроме того, давались рекомендации о возможности продления периода навигации и проведения ледокольных работ, выборе мест отстоя судов ^[20].

Эмпирические методики прогноза сроков ледовых явлений в низовьях сибирских рек разрабатывались Бурдыкиной А. П. начиная с 1945 г. В качестве предикторов для конкретных пунктов подбирались метеорологические и гидрологические характеристики (аномалии давления и температуры, ледовитость принимающего моря, преобладающие ветра в конкретный месяц и другие). В дальнейшем многими исследователями указывалось, что подобные методики требуют большого количества предикторов при малой продолжительности рядов фактического материала. Кроме того, отмечалась субъективность подобных методик, оправдываемость прогноза при этом зависела от опыта прогнозиста, знания объекта и наличия научной интуиции ^[7].

В 1950-х гг. Антоновым В. С. было предложено для составления долгосрочного прогноза (фонового и основного) использовать графическую экстраполяцию сглаженных по 3-летиям рядов сроков ледовых явлений и сопоставление их с типами атмосферной циркуляции по Вангенгейму Г. Я. Например, для рек Хатанга и Хета использовались связи с меридиональным типом циркуляции (С) за октябрь. В дальнейшем методика была усовершенствована за счет уточнения предикторов для отдельных бассейнов. Согласно ^[30] обеспеченность фоновых прогнозов методом графической экстраполяции составляла в среднем 75%.

В 1970-1980-е гг. активно внедрялись статистические методы, включающие выделение значимых полей метеорологических элементов, разложения их по естественным ортогональным составляющим и использование коэффициентов разложения в качестве предикторов в прогностических зависимостях. В дальнейшем эти методы вошли в Руководство по гидрологическим прогнозам, выпуск 3 «Прогнозы ледовых явлений на реках и водохранилищах». Согласно ^[13] оправдываемость долгосрочных ледовых прогнозов, разработанных в Гидрометцентре в конце XX в. составляла 75–77%.

В середине XX в. были предложены методы расчета элементов ледового режима для составления краткосрочных прогнозов на реках и водохранилищах: расчет охлаждения воды и появления плавучего льда (Шуляковский Л. Г., 1960, 1969), начала ледостава (Шуляковский Л. Г., 1967), стока шуги и льда в период замерзания (Нежиховский Р. А., 1963), потери толщины и прочности ледяного покрова, а также сроков вскрытия (Булатов С. Н., 1970 и 1972). В 1970-х гг. для устьевых взморий сибирских рек стали применяться теплобалансовые расчеты элементов ледового режима. Были разработаны методики расчета развития устьевых полыней в Обской губе и Енисейском заливе, краткосрочные методики прогноза сроков вскрытия устьевых областей Оби, Надыма, Пура, Таза и Енисея. Развитию этих методов способствовали материалы ледовых авиаразведок, авиатермосъемка и авиаатинометрия, содержащие информацию в том числе о распределении температуры воды по акватории, отражательной способности снего-ледяного покрова и толщине льда. Расчеты Налимова Ю. В. на основе решения уравнений теплового баланса позволили определить вклад гидрометеорологических элементов в процессы ледообразования, нарастания льда и разрушения льда на устьевых взморьях. Например, для устьевого взморья Енисея разрушение льда на участке от морского края дельты до м. Сопочная Карга происходит практически на 100 % за счет тепла речных вод, а на участке от м. Сопочная Карга до м. Лескин роль стока рек снижается до 60 % и возрастает доля радиационно-тепловых факторов. Для Оби на долю речных вод на морском крае дельты приходится 85% от общего количества тепла, необходимого для стаивания льда, на траверзе бух. Новый Порт – 60%, на траверзе м. Каменный – 30 % ^[27].

Оценка антропогенного воздействия на ледовый режим рек

Во второй половине XX в. в связи с ростом объемов гидротехнического строительства и проектирования в Арктической зоне возник вопрос об оценке изменений ледового режима рек при вводе в эксплуатацию ГЭС, изъятии стока и других видах антропогенного воздействия. Среди крупных проектов, которые могли оказать значительное влияние на гидрологический режим Арктики – каскад водохранилищ на р. Енисей, Нижне-Ленская ГЭС на р. Лена, территориальное перераспределение водных ресурсов и связанное с ним изъятие части стока рек бассейнов Оби, Печоры, Северной Двины и Онеги, отделение дамбой части Онежского залива и другие.

Существовавшие к тому времени обобщения сведений о ледовом режиме и роли теплового стока в формировании элементов ледового режима рек и морей позволили сделать выводы и провести оценки последствий вышеизложенных антропогенных вмешательств. В работах Антонова В. С. ^{[3, 4]} рассмотрены возможные последствия строительства крупных водохранилищ в низовьях рек, протекающих в суровых климатических условиях (на примере каскада водохранилищ на р. Енисей и Нижне-Ленской ГЭС на р. Лена). По мнению Антонова В. С. ввод в эксплуатацию перечисленных гидротехнических сооружений приведет к сложным изменениям внутригодового распределения теплового стока и ледового режима рек и принимающих морей. На акватории водохранилищ ледостав будет устанавливаться раньше естественных сроков (для Игарского водохранилища, например, изменение сроков ледостава может составить 15 сут.). Развитие полыней в нижнем бьефе улучшит судоходные условия на некотором участке, но также, являясь «фабриками шуги» будет способствовать образованию зажоров, выходу воды на лед и формированию речных наледей, из-за которых, например, судоходство по отдельным рукавам дельты р. Лена станет невозможным. Рост зимних расходов воды приведет к образованию больших объемов пресного льда в Карском море и протоках Ленской дельты. Ожидается снижение расходов воды в период половодья, особенно в годы заполнения мертвого объема проектируемого каскада, а также снижение температуры воды в этот период и растягивания периода очищения ото льда, т.к. значительная часть тепла речных вод будет расходоваться на разрушение колоссальных объемов ледового материала, образующегося на акватории вновь созданных водохранилищ.

В расчетах изменений ледового режима рек при межбассейновых перебросках стока использовались зависимости характеристик ледовых процессов от тепловых и гидравлических факторов. Общие выводы о возможных последствиях изъятия стока у разных авторов сходятся: изменение положения зоны максимальной толщины льда, уменьшение зон вытаивания на устьевых взморьях, изменение мест образования заторов и зажоров, более позднее очищение ото льда устьевых областей весной. Согласно ^[16] при изъятии части речного стока сокращение теплового стока р. Обь составит 10–28% (при различных объемах изъятия), р. Северная Двина – 3–18%; ожидаемое смещение сроков ледообразования в сторону более ранних и сроков вскрытия в сторону более поздних составит до 10 сут. При изъятии части стока р. Печора в работе ^[23] указано, что зона максимальной толщины льда сместится к устью Большой Печоры, увеличится период подготовки ледяного покрова к вскрытию, ожидается снижение максимальных ледоходных уровней воды. В работе ^[26] возможные изменения ледовых условий в устьевой области р. Обь рассчитаны методом теплового баланса. Согласно упомянутой публикации при изъятии 60 км3 стока в год в годы средней водности продолжительность периода ледостава увеличится в районе г. Салехард на 9 сут., у м. Каменный – на 3 сут. Следует отметить, что разработанные методы и проведенные оценки актуальны и сегодня, но не в связи с переброской стока, а с ожидаемыми климатическими изменениями, и вслед за ними изменениями режима рек, внутригодового распределения стока воды и тепла.

Основные направления современных ледовых исследований

Современное состояние системы наблюдений, расчетов и прогнозов

После 1980-х гг. началось резкое сокращение сети гидрологических постов в нашей стране. Согласно ^[34] количество речных постов уменьшилось на 43%, устьевых – на 48%; по состоянию на 1 января 2018 г. фактически действующих постов на реках в пределах Арктической зоны – 174, из них 58 устьевых. В сложившихся условиях встает вопрос об оптимизации существующей сети, разработки научно-обоснованных рекомендаций по восстановлению ранее закрытых и законсервированных постов. Подобные работы проведены, например, для Енисейской и Обско-Тазовской устьевых областей ^[21].

В тоже время продолжают развиваться технологии дистанционных наблюдений за ледяным покровом. Радиолокационные методы измерения толщины льда, разработанные ранее, в настоящий момент используются как в России, так и за рубежом. Развиваются методы, позволяющие дистанционно фиксировать ледовые явления на реках: появление льда и шуги, установление ледостава, начало весеннего или зимнего ледохода. Например, комплекс SWIP (Shallow Water Ice Profiler) компании ASL Environmental Sciences включает акустический датчик, датчик давления и температуры, позволяет получать информацию в режиме реального времени на водных объектах, глубиной до 10 м. Комплекс впервые опробован в полевых условиях зимой 2004–2005 гг. на р. Пис (the Peace River) в Канаде ^[40].

Использование данных космических снимков для получения информации о ледяном покрове на реках начато в 1970-х гг. c запуском спутника Landsat 1 (в 1975-1977 составлены карты вскрытия р. Маккензи). Для низовий арктических рек России в связи c прекращением в 1992 г. регулярных ледовых авиаразведок карты ледовой обстановки в устьевых областях крупных сибирских рек составляются по данным радиометров MODIS (спутники Terra и Aqua) и AVHRR (спутники NOAA) ^[28]. В работе ^[44] показана возможность по ежедневным данным MODIS и AVHRR получать непрерывную по длине крупных арктических рек (Лена, Обь, Енисей и Маккензи) информацию о сроках вскрытия, используя сочетание видимых и ближнего ИК каналов с пространственным разрешением до 1 км. Полученные таким образом данные коррелируются с данными наблюдений на гидрологических постах. В 2016 г. представлен автоматизированный алгоритм, позволяющий фиксировать сроки вскрытия рек по сегментам, длиной 10 км ^[38].

В исследованиях ледового режима рек используются также данные радиолокационных космических снимков (TerraSAR-X, ALOS/PALSAR L-диапазона, RADARSAT, ENVISAT, Sentinel-1 C-диапазона длин волн и другие). Подобная съемка позволяет получать информацию вне зависимости от освещения и облачности, что крайне важно для исследований рек Арктики. В основе современных методов обработки лежит мировой опыт использования радиолокаторов при авиаобследованиях. Радиолокационные изображения (РЛИ) поверхности ледяного покрова классифицируют в зависимости от шероховатости (наличия и размеров торосов) и влажности, выделяют участки открытой воды и трещины ^[47]. На сегодняшний день наиболее перспективным является использование РЛИ спутников Sentinel 1, первый из которых выведен на орбиту 3.04.2014 г. Периодичность съемки для большей части Арктической зоны России составляет 12 сут., при доступности данных обоих спутников (1A и 1B) – 6 сут. (например, низовье р. Онега).

В целях получения оперативной информации совместно используют данных нескольких спутников. В рамках проекта IceFRONT для целей оперативного мониторинга замерзания анализируются снимки MODIS, Landsat-8, RADARSAT-2 и TERRASAR-X ^[39]. В 2009 г. ИТЦ «СКАНЭКС» совместно с несколькими региональными управлениями Росгидромета была апробирована технология оперативного многоспутникового мониторинга ScanNet. В рамках проекта «Половодье» использовались радиолокационные снимки RADARSAT-1 и ENVISAT-1, оптические снимки EROS A/B и SPOT 4 ^[25].

Зимний режим устьев арктических рек до сих пор остается недостаточно изученным. Данные наземных экспедиционных исследований по-прежнему востребованы. С 1998 г. проводятся комплексные исследования в дельте р. Лена в рамках российско-германского сотрудничества, с 2012 г. благодаря открытию новой станции появилась возможность выполнять работы и в зимний период ^[32]. Анализ и обобщение новых экспедиционных материалов с привлечением архивов сетевых наблюдений и результатов предшествующих исследований позволяет получать комплексную картину взаимодействия элементов ледового режима, стока воды, тепла и наносов, режима уровней воды. Например, в работе ^[15] собраны сведения о ледовом режиме устьев рр. Онега, Северная Двина, Мезень и Кулой.

Не теряют актуальности исследования опасных ледовых явлений и процессов, районирование территорий по набору ледовых ограничений водопользования. Как уже отмечалось выше, заторы на реках Арктики образуются ежегодно и в пределах населенных пунктах нередко остается опасность формирования заторных наводнений и затопления территории. Для европейского сектора заторы опасны в низовьях рр. Северная Двина и Печора, где расположены города Архангельск и Нарьян-Мар. В дельте р. Северная Двина заторный подъем уровня воды может составлять 1,5–2,5 м, в дельте Печоры – 2,2–3,5 м. Наиболее мощные заторы образуются при блокировке нескольких рукавов массивами льда ^[24]. Для региональных оценок ледовой опасности рек Арктической зоны по данным гидрологических постов предлагается использовать следующие характеристики: продолжительность физической навигации, изменчивость периода замерзания и очищения от льда, повторяемость лет, когда максимальный годовой уровень воды сопровождается ледовыми явлениями ^[2].

Продолжается работа по усовершенствованию методик ледовых прогнозов. Для устьевой области р. Енисей для весенних сроков ледовых явлений в качестве предикторов используются даты характерных изменений температуры воздуха, повторяемость синоптических процессов над Атлантикой и Евразией, а также сроки вскрытия на верхних створах, что позволяет составлять прогнозы с заблаговременностью от 3 до 110 сут. ^[33]. В прогнозах уровней и сроков наступления заторов льда несмотря на доступность продолжительных рядов наблюдений использование эмпирических зависимостей весьма ограничено и часто не обеспечивает достаточной оправдываемости прогнозов. В многочисленных публикациях последних лет предлагается использовать soft computing методы: искусственные нейронные сети, Fuzzy Logic и др ^[42]. В расчетах гидрологических процессов в устьях арктических рек применяются трехмерные модели, которые воспроизводят сезонную динамику температуры, солености, ледовых условиях ^[31].

Оценка наблюдаемых и будущих изменений ледового режима рек

В 1990-х гг. были обобщены сведения о наблюдаемых изменениях ледового режима на реках России по гидрологическим районам за период 1893–1991 гг. ^{[14, 29]}. Хотя для большей части Арктической зоны изменения сроков ледовых явлений были статистически не значимы (проверка критериями инверсий и Спирмена) отмечено, что смещение дат появления льда происходит вслед за изменениями температур воздуха в предшествующий месяц.

В условиях меняющегося климата важным стал вопрос о возможных изменениях характеристик опасных ледовых явлений – заторов и зажоров. Исследователи отмечали, что рост зимних температур воздуха приводит к выпадению жидких осадков, вскрытию и образованию заторов в зимний период ^[37]. Катастрофические заторы могут формироваться в годы, характеризующиеся высокими осенними уровнями воды и образованием зажоров. С другой стороны, в годы с низкими расходами воды в период вскрытия заторных наводнений не наблюдается, хотя период очищения при этом растягивается. Перечисленные неблагоприятные тенденции наблюдаются на реках европейского сектора Арктики ^[22].

В рамках проекта Арктического Совета SWIPA (Snow, Water, Ice, Permafrost in the Arctic – снег, вода, лед, вечная мерзлота в Арктике) в 2008-2011 гг. международной группой ученых обобщены основные результаты исследований об изменениях ледового режима рек Арктики и последствий этих изменений. Проект стал продолжением программы ACIA (Arctic Climate Impact Assessment – Оценка климатических воздействий в Арктике), результаты которой были опубликованы в 2005 г. В статье ^[46] не только указано на смещение сроков ледовых явлений, но и показаны связи этих изменений с глобальными процессами в атмосфере. Более частые вторжения холодных воздушных масс привели к росту продолжительности ледовых явлений на северо-востоке Канады. Для северо-запада Северной Америки напротив характерно частое вторжение теплого Тихоокеанского воздуха, что привело к сокращению ледового периода на реках.

Оценку наблюдаемых изменений ледового режима арктических рек осложняет ограниченность данных наблюдений во времени и пространстве. В работе ^[43] смоделированы значения сроков ледовых явлений и толщины льда за период 1979–2009 гг. с использованием метеорологических данных WATCH Forcing-Data ERA-Interim с пространственным разрешением 0,5⁰ по широте и долготе и временным шагом 3 ч. Осреднение полученных значений по территории позволяет исключить влияние локальных факторов и сравнивать наблюдаемые изменения по регионам. Отмечено, что различия в изменениях толщины льда связаны с разным режимом накопления высоты снежного покрова. Так для рек Восточной Сибири толщина льда может оказаться выше из-за малых сумм зимних осадков по сравнению с аналогичной территорией в Северной Америке.

Существующие локальные современные обобщения сведений о ледовом режиме содержат более детальную информацию о наблюдаемых изменениях. Например, в дельте р. Маккензи рост средней зимней температуры воздуха составил +5,3⁰. Благодаря снижению высоты снега на льду толщина льда изменилась слабо. Смещение сроков вскрытия в дельте, по мнению исследователей, связано, прежде всего с ростом температур воздуха в этот период и в меньшей степени с изменениями водного режима ^[41]. В устьевой области р. Енисей изменение сроков начала весеннего ледохода и очищения ото льда статистически не значимы, лишь для гп Сопочная Карга сроки вскрытия смещаются к более ранним ^[33].

Параллельно с оценками наблюдаемых изменений ледового режима рек встал вопрос о дальнейших последствиях изменений климата. Несмотря на разработанные модели формирования ледового режима использование их для оценок изменений сроков ледовых явлений при различных климатических сценариях не всегда оправдано. В работе ^[10] предлагается для решения подобных задач использовать упрощенные зависимости сроков ледовых явлений от средних температур воздуха предшествующего месяца. Для весенних сроков необходимо также учитывать возможное изменение расходов воды в этот период, а также изменение суровости зимы и толщины льда к концу ледостава. При равномерном увеличении температуры воздуха на 2⁰С сроки появления льда сместятся на 6–8 сут. на реках европейского сектора Арктики и менее чем на 4 сут. – в Сибири. Сроки вскрытия ожидаются на 7 сут. ранее для низовий Северной Двины и Печоры и на 4–6 сут. раннее на реках севера Западной Сибири ^[10].

Для рек севера Канады возможное смещение сроков ледовых явлений по сценарию A2 оценено согласно предполагаемому смещению изотермы 0⁰C. К середине XXI в. ожидалось смещение сроков вскрытия 6–10 сут. и сроков появления льда на 10–12 сут. ^[45]. В статье ^[36] рассчитан отклик ледового режима для таких же возможных климатических изменений по длине р. Пис (the Peace River) с использованием одномерной гидродинамической модели River1D, дополненной термическими и ледовыми блоками. Отмечается, что полученные оценки следует считать приближенными из-за существенной неопределенности климатических моделей.

Для северных территорий России оценено изменение продолжительности ледовых явлений, ледостава и максимальной толщины льда для сценария RCP 8.5 к концу XXI в. с использованием зависимостей элементов ледового режима от суммы отрицательных температур воздуха, характеристик оттепелей и количества твердых осадков ^[35]. Расчеты проводились по сетке с пространственным разрешением 1,75⁰ широты и долготы. Предполагается, что сокращение продолжительности ледовых явлений для низовий Северной Двина и Печоры составит 80 сут., а для Восточной Сибири – около 30 сут., толщина льда на реках европейского сектора Арктики уменьшится на 30–40%.

Заключение

Интенсивное изучение ледового режима рек Арктической зоны начато в 1930-х гг. в связи с развитием судоходства по Северному морскому пути: в этот период проводились изыскания Севпортиза, экспедиции Арктического института, открывались новые полярные станции и гидрологические посты. С 1940-х гг. начат регулярный выпуск ледовых прогнозов по рекам исследуемой территории. Материалы ледовых авиаразведок в низовьях сибирских рек, проводившихся регулярно с 1958 г., помогали составлению краткосрочных прогнозов, послужили уникальной основой для Каталога заторных и зажорных участков рек. С 1970-х гг. авиаобследования сопровождались аэротермосъемкой и использованием радиолокаторов. После 1980-х гг. началось сокращение сети гидрологических постов, а в 1992 г. прекратились регулярные авиаразведки. В настоящее время в ледовых исследованиях рек Арктики используются как оптические, так радиолокационные космические снимки. Существуют автоматические алгоритмы определения сроков вскрытия по временным сериям MODIS и AVHRR. В целях оперативного мониторинга совместно используют данных нескольких спутников (MODIS, Landsat-8, RADARSAT-2, TERRASAR-X и т.д.).

Разработанные методы расчета элементов ледового режима рек в последствии нашли применение для оценки последствий антропогенных воздействий и изменений климата. Исследователи отмечают, что при осуществлении перечисленных сценариев не только смещаются сроки ледовых явлений, но меняется режим образования заторов. Катастрофические наводнения наблюдаются в годы, характеризующиеся высокими осенними уровнями воды, зажорами и зимними вскрытиями.