Лёд и Снег, 2023, T. 63, № 2, стр. 296-301

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения за пространственным распределением ледяного покрова на Ладожском озере методами ДЗЗ ведутся начиная с 1943 г., когда для обеспечения “Дороги жизни” понадобились сведения о замерзании и вскрытии озера. До 1996 г. регулярные облёты и ледовые авиаразведки проводило Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Результаты этих обследований публиковались и рассылались заинтересованным организациям в виде картосхем пространственного распределения льда с учётом его сплочённости. Позже на смену данным, по результатам ледовых авиаразведок, пришли спутниковые данные, которые вплоть до настоящего времени остаются основными для анализа пространственного распределения льда.

Подобные работы проводились на Онежском озере, где было рассмотрено, как процесс становления льда и его разрушения зависит от предшествующих этим процессам температур воздуха и их сумм (Баклагин, 2019). На Великих Американских озерах, которые замерзают не полностью, рассмотрена зависимость степени максимального распространения льда за зиму от сумм отрицательных температур воздуха и глубины водоемов (Assel et al., 2003).

На образование и разрушение льда на озере в наибольшей степени влияет баланс суммарного тепла на поверхности воды. Эта математическая задача наиболее полно рассмотрена в программе FLAKE (Kirillin et al., 2011). Для Ладожского озера эта программа была применена (Голосов и др., 2021) с использованием метеоданных реанализа, четыре узла которого окружают акваторию озера. При сравнении данных расчета полного теплового потока с более простыми получаемыми показателями, накопленной суммой среднесуточных температур воздуха, взятых на ближайшей метеостанции, при оценке снеготаяния на ледниках немецких Альп (Ismail et al., 2023) была обнаружена их взаимозаменяемость.

Цель работы – построение типичной для Ладожского озера схемы пространственного распределения необходимых для появления первичных ледовых явлений сумм накопления среднесуточных температур воздуха с учётом глубины озера.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе для фиксации ледовой обстановки на Ладожском озере применены обработанные автором ранее картосхемы авиационных снимков и информации со спутников серии MODIS (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/). Для лучшей визуализации ледовых явлений применялся композиционный снимок 7-го (2.105–2.155 мкм), 2-го (0.841–0.876 мкм) и 1-го (0.620–0.670 мкм) каналов с пространственным разрешением в видимом участке спектра 250 м. Для дополнительной интерпретации использовались данные со спутников серии NOAA с аппаратурой AVHRR с пространственным разрешением около 1 км как в видимом диапазоне (0.725–1.00 мкм), так и обработанные по программе ИКИ (Захаров и др., 1993) данные тепловых каналов (10.30–11.30 и 11.5–12.50 мкм). Данные о состоянии подстилающей поверхности с этих спутников доступны только в ясные дни. При длительном отсутствии безоблачных дней учитывалась информация со спутника Sentinel-1 (https://scihub.copernicus.eu/dhus/) с пространственным разрешением в радиодиапазоне SAR 100 м. Географическую трансформацию и привязку данных спутникового зондирования, их математическую обработку выполняли в программе SeaDAS 1.4. Все картосхемы ледовых авиационных обследований были оцифрованы в закрепленной на местности сетке с ячейкой 10 × 10 км с учётом сплоченности льда, указанной на картосхеме. В каждой из 180 ячеек на дату съёмки визуально указывалась балльность степени покрытия льдом с точностью 10%. Спутниковые данные, продолжившие ряд ледовых авиаразведок, обрабатывались по той же методике. Для анализа в статье было использовано 700 ледовых съёмок для периода становления ледостава дистанционными методами за последние тридцать зим (с 1992 по 2022 г.). Построенная таким образом электронная таблица позволила автору получить типичные схемы пространственного распределения льда при замерзании и его разрушении (Karetnikov, 2010, 2015), а также оценить изменения в этой типичной схеме, произошедшие за последние 55 лет (Karetnikov, 2021).

Для каждой из 180 ячеек рассчитывалась средняя её глубина по электронной модели дна Ладожского озера (Науменко, 1995). Процесс ледообразования на Ладожском озере начинается у берегов в мелководных южных губах. Далее ледяной покров распространяется в глубоководные районы озера, расположенные в северной его части. Граница между ледяным покровом различной сплоченности и свободной ото льда водой называется кромкой льда (Бушуев и др., 1974). Место в озере первого появления льда соответствует кромке льда на дату съёмки. Из электронной таблицы для каждой из 180 ячеек выбиралась дата, когда в каждую из тридцати зим фиксировалась первое появление льда с соответствующей накопленной к этой дате суммой среднесуточных температур воздуха.

При наблюдениях за динамикой ледовитости озера было обнаружено, что во время оттепелей, уменьшающих абсолютную величину суммы накопления отрицательных температур, уменьшается и площадь покрытия озера льдом. Поэтому вместо сумм накопления отрицательных среднесуточных температур воздуха для характеристики изменений ледовых условий предлагается в сумме накопления учитывать знак среднесуточной температуры воздуха после устойчивого перехода через 0°С в сторону отрицательных значений. Суммы накопления среднесуточных значений температур воздуха рассчитывались по данным метеостанции Сортавала, единственной для района Ладожского озера, метеоданные которой находятся в открытом доступе (http://aisori-m.meteo.ru/waisori/select.xhtml). Подсчёт сумм начинался с даты устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0°С в сторону отрицательных значений осенью. За дату устойчивого перехода температуры воздуха через 0°С в сторону отрицательных значений осенью принимается первый день периода, когда сумма отрицательных среднесуточных значений температуры воздуха по абсолютной величине превышает сумму положительных среднесуточных значений в последующий оттепельный период. Рассчитанные на даты ледовых съёмок таким простым способом накопленные суммы предлагается использовать в качестве характеристики результирующего теплового потока. На основе осредненных за тридцать зим сумм среднесуточных температур воздуха, накопленных на дату первого появления льда в каждой ячейке, была построена схема, приведенная на рис. 1. Интерполяция между закрепленными на местности ячейками производилась методом Крайджинга с шагом 5 км в программе SURFER-11.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При достижении суммы накопления температур воздуха $\sum {{{T}_{{{\text{возд}}}}}} $ = –50°С первый лёд появляется в южных мелководных губах Ладожского озера. По мере дальнейшего накопления сумм среднесуточных температур воздуха происходит закономерное появление ледовых явлений в глубоководной северной части озера. Из такой схемы следует, что должна существовать зависимость между суммой накопленных среднесуточных температур воздуха, необходимой для образования первичных ледовых явлений, и местом на озере, определяемым его глубиной. Представленная на рис. 2 корреляционная зависимость отображает общую тенденцию – с увеличением глубины увеличивается сумма накопления температур воздуха, необходимая для появления первичных ледовых явлений. По накопленной на определенную дату сумме среднесуточных температур воздуха, которую легко подсчитать, и используя статистически значимую (с уровнем значимости 0.05) зависимость, можно оценочно получить место в озере в зависимости от глубины, где будет находиться кромка льда

где Н – глубина, над которой происходит образование первичных ледовых явлений, м; $\sum {{{T}_{{{\text{возд}}{\text{.}}}}}} $ – накопленная на определенную дату сумма среднесуточных температур воздуха, требуемая для появления льда, °С.

Предлагаемая зависимость описывает 3/4 случаев; оставшиеся 1/4 случаев можно объяснить ветровым переносом, который происходит без какой-либо закономерности, а чисто случайно, особенно в глубоководных частях озера. Аналогичное исследование было проведено на озёрах Финляндии (Korhonen, 2019), для которых определено минимальное количество градусо-дней, необходимое для образования ледостава. В Финляндии ледостав на мелких озёрах начинался сразу после перехода среднесуточных температур воздуха через 0°С в сторону отрицательных значений. На озёрах с глубиной 25 м ледостав наблюдается при достижении $\sum {{{T}_{{{\text{возд}}{\text{.}}}}}} $ = –200°С.

Осреднённые за тридцать зим даты появления первичных форм льда в каждой закреплённой на местности ячейке, которые были получены в процессе настоящего исследования, сравнивались с имеющимися датами ледостава в тех же ячейках для периода после 1963 г. (Karetnikov, 2021). Вдоль берегов период от начала ледообразования до установления ледостава длится около 55 сут; чем дальше от берега, тем короче этот период, он сокращается до 45 сут. На большей части акватории озера в последние годы ледостава не образуется, хотя и отмечаются первичные формы ледовых явлений.

ВЫВОДЫ

На основе оцифрованных данных о пространственном распределении льда на Ладожском озере за 30-летний период удалось построить типичную схему продвижения в озере ледовой кромки в зависимости от накопления суммы среднесуточных температур воздуха. Период от начала ледообразования до установления ледостава колеблется от двух месяцев у берегов до полутора месяцев в открытой части озера. Предположительно статистически значимая зависимость толщины водного слоя, над которым образуются первые ледовые явления, от сумм накопления среднесуточных температур воздуха позволит оценивать пространственное распределение льда на акваториях других озер.

Благодарности. Работа выполнена по теме плана НИР ИНОЗ РАН – СПб ФИЦ РАН на 2019–2023 гг. № FMNG-2019-0001 “Комплексная оценка динамики экосистем Ладожского озера и водоемов его бассейна под воздействием природных и антропогенных факторов”.

Acknowledgments. The work was carried out according to the research plan of Institute of Limnology RAS for 2019–2023 № FMNG-2019-0001 “Integrated assessment of Lake Ladoga ecosystem dynamics and its watershed under the influence of natural and anthropogenic factors”.