Оценка гидролого-климатических изменений в Арктике по данным спутникового микроволнового зондирования акваторий окраинных морей Северного Ледовитого океана и прилегающей тундры

Потепление Арктики влечет за собой гидрологические и климатические изменения, которые проявляются в сокращении площадей ледового покрова, интенсивном таянии ледников, уменьшении количества и суммарной площади термокарстовых озер, более раннем оттаивании и более позднем замерзании тундры (Karlsson, 2015). Мониторинг гидрологических и климатических изменений в гидрологических бассейнах Арктики показал, что наблюдаемые изменения связаны с изменением количества осадков и вариациями температуры (Bring, 2013), деградацией вечной мерзлоты и тундровой растительности (Koven, 2013), более сильным прогреванием почвенного покрова на участках дефляции, возрастанием скорости испарения, поступлением в атмосферу дополнительных количеств водяного пара и метана. Оперативная информация о гидрологических реакциях на климатические изменения в Арктическом регионе может быть получена на основе использования микроволновых методов дистанционного зондирования (Тихонов и др., 2016; Poursanidis, 2017).
В данной работе приведены результаты оценки сезонных вариаций радиояркостных температур (Тя) акваторий окраинных морей Северного Ледовитого океана в период с 2012 по 2017 годы. Использовались данные спутника SMOS (продукт L1С) (Gutierrez, Castro, 2010) на горизонтальной поляризации под углом зондирования 42.5 град. Данные SMOS были привязаны к геодезической сетке DGG ISEA 4H9 (Sahr et al., 2003). Вариации Тя достигают 150 К. На основе анализа временных рядов Тя выделены следующие периоды:
1. Период открытой воды, характерный для температур, превышающих температуру замерзания соленой морской воды. Значения Тя, изменяющиеся в пределах от 70 до 95К, зависят от температуры, солености воды, интенсивности морского волнения и образующейся при этом пены (Anguelova, 2013). Возрастание Тя может быть связано с наличием дрейфующих льдов, опреснением морской воды при их таянии, морским волнением, зависящим от скорости приводного ветра, образованием пены.
Продолжительность периода открытой воды (ППОВ), характеризующая гидролого-климатические изменения, вычисляется как разница дат между его окончанием и началом. Началом периода считается дата, после которой значения Тя не отличаются более чем на 10% от характерных для этого периода значений Тя в течение не менее 25 дней. Окончанием периода считается дата, начиная с которой значения Тя отличаются более чем на 10% от характерных для этого периода значений в течение 5 и более дней.
2. Период образования ледового покрова в течение которого на водной поверхности образуется ледовый покров толщиной d, равной скин-слою морского льда, экранирующему микроволновое излучение водной поверхности. В этот период Тя возрастает с 90 до 220К. Вариации Тя связаны с появлением ледового покрова на водной поверхности, увеличением толщины льда d, возникновением интерференционных явлений. Переход от открытой воды до образования сплошного ледового покрова на разных участках окраинных морей происходит в течение 20-40 суток. Вариации Тя могут достигать 150К.
3. Период установившегося ледового покрова, характерный для отрицательных температур окружающей среды, при наличии на водной поверхности ледового покрова толщиной d, большей скин-слоя морского льда. Значения Тя, изменяющиеся от 210 до 230К, зависят от температуры и солености льда, сплоченности ледяного покрова, наличия на его поверхности снежниц, возникающих во время оттепелей.
Продолжительность ледового периода (ПЛП) характеризует гидролого-климатические изменения, происходящие в Арктике. Тренды длительности холодного периода указывают на направленность климатических изменений. На основе спутниковых данных установлено, что ПЛП с 2014 по 2017 годы сокращается.
4. Период таяния ледового покрова, является переходным от отрицательных температур к положительным. Значения Тя понижаются с 210-230 до 90-85К. Вариации Tв обусловлены таянием ледового покрова, лежащего на его поверхности снега, образованием снежниц, участков открытой воды. Так как скин-слой для соленой воды на частоте 1.41 ГГц составляет доли сантиметра, то появление снежниц на поверхности ледяного покрова оказывает сильное экранирующее влияние на его микроволновое излучение. Наблюдаемые понижения Тя могут быть связаны с изменением физических свойств однолетнего морского льда. Установлено, что за исследуемый период наблюдалось двукратное уменьшение ППОВ в 2012-2013 годах, а затем почти такое же двукратное ее увеличение с 2013 по 2016 годы. Возможно, что подобное поведение трендов ППОВ указывает на циклические изменения, происходящие в Арктике. Похожее поведение наблюдается для трендов ПЛП.
Снимки SMOS получены в рамках проекта ESA № 4747 «Remote mapping of Siberian saline soils». Исследования выполнялись в рамках проектов РФФИ № 18-05-00753a "Поиск, экспериментальное и теоретическое обоснование дистанционных радиофизических маркеров гидролого-климатических изменений в Северной Евразии на основе ежедневных данных спутникового микроволнового зондирования для прогнозирования опасных природных явлений" и № 18-05-00440-а «Неопределенность оценок климатических трендов водного эквивалента снега по спутниковым данным: роль стратиграфии снежного покрова (Тихонов В,В., Боярский Д.А.)».