СРАВНЕНИЕ СПЛОЧЁННОСТИ ЛЬДА В БАРЕНЦЕВОМ И КАРСКОМ МОРЯХ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ AMSR2 И РЕАНАЛИЗАМ GLORYS12v1, ORAS5 И TOPAZ4

Введение
Баренцево и Карское моря относятся к ключевым акваториям Северного морского пути и одновременно к районам быстрого сокращения ледяного покрова. Баренцево море — одна из «горячих точек» потепления Арктики: зимой лёд занимает преимущественно северную часть акватории, летом средняя сплочённость обычно ниже 15 %. В Карском море зимний ледовый покров устойчивее и почти сплошной, однако в летне-осенний период здесь также наблюдается снижение сплочённости. Резкий сезонный ход кромки и локальные расхождения у границы льда плохо улавливаются оценками на масштабе всего Северного Ледовитого океана, поэтому необходима региональная проверка реанализов относительно независимых спутниковых данных.
Реанализы GLORYS12v1, ORAS5 и TOPAZ4 дают непрерывные многолетние ряды сплочённости, но их качество в отдельных морях существенно различается. Ранее сравнение моделей и реанализов для этих акваторий выполнялось преимущественно относительно продукта OSI-SAF. Продукт AMSR2 ASI Университета Бремена имеет более высокое пространственное разрешение (около 3 км против 0.25° у OSI-SAF) и лучше подходит для оперативного мониторинга. Сопоставление среднемесячных полей GLORYS12v1, ORAS5 и TOPAZ4 с AMSR2 ASI для Баренцева и Карского морей ранее не проводилось.
Цель работы — количественно сравнить сплочённость морского льда реанализов GLORYS12v1, ORAS5 и TOPAZ4 с данными AMSR2 в Баренцевом и Карском морях за август 2012 – декабрь 2024 г. (149 месяцев) по полю сплочённости и по ледовой кромке при пороге 15 % с учётом сезонной и межгодовой изменчивости и классов сплочённости.
Данные и методы
Эталоном служит сплочённость, восстановленная по измерениям радиометра AMSR2 алгоритмом ASI (University of Bremen). Реанализы: GLORYS12v1 (Copernicus Marine Service, глобальная сетка ~1/12°, ассимиляция сплочённости Ifremer/CERSAT); ORAS5 (ECMWF, сетка 0.25°, ледовая модель LIM2, сплочённость OSTIA); TOPAZ4 (Norwegian Meteorological Institute, шаг 12–16 км, сплочённость OSI-SAF). Все три системы опираются на спутниковые продукты класса OSI-SAF/CERSAT, отличные от AMSR2 ASI, что делает сравнение независимым по источнику ледовых данных.
Граница морей проведена по пределам IHO S-23 к северу от Новой Земли. Поля приведены на общую регулярную сетку 0.1° (6.42–103.25° в.д., 68.0–86.0° с.ш.) без экстраполяции: для GLORYS и TOPAZ4 — билинейная интерполяция, для AMSR2 и ORAS5 — метод ближайшего соседа. Сравнение выполняется на общей маске ячеек, валидных для всех четырёх продуктов во все 149 месяцев (~106 тыс. ячеек; площадь общей маски 2730.3 тыс. км²). Береговой буфер исключён.
Метрики поля: смещение, СКО (RMSE), средняя абсолютная ошибка (MAE) и корреляция Пирсона. Кромка задаётся порогом сплочённости ≥ 15 %. Ошибки кромки: интегральная ошибка IIEE (сумма площадей завышения и занижения льда) и ошибка смещения кромки IEDE. Дополнительно ошибки стратифицированы по классам эталона AMSR2: 0–15 %, 15–80 % (маргинальная зона) и 80–100 % (сплошной лёд).
Результаты
Средняя сплочённость за период на объединённой акватории составляет 49.8 % у AMSR2, 48.6 % у GLORYS, 48.1 % у ORAS5 и 51.8 % у TOPAZ4. Пространственная структура контрастна: в Баренцевом море преобладает открытая вода, в Карском море средняя сплочённость существенно выше и возрастает к северу. GLORYS и ORAS5 ближе к AMSR2 по полю, TOPAZ4 расширяет зону высокой сплочённости к северу от Новой Земли и в центральной части Карского моря.
На общей маске наилучшее согласие с AMSR2 даёт ORAS5: СКО 7.29 %, средняя IIEE 57.6 тыс. км², IEDE 32.0 км. У GLORYS показатели промежуточные (СКО 8.29 %, IIEE 74.4 тыс. км², IEDE 41.1 км). У TOPAZ4 расхождения максимальны (СКО 11.71 %, IIEE 89.0 тыс. км², IEDE 43.4 км). TOPAZ4 систематически завышает сплочённость (+1.99 %), GLORYS и ORAS5 её занижают (−1.09 и −1.69 %).
По морям метрики поля и кромки расходятся. У GLORYS и ORAS5 СКО выше в Карском море (9.55 и 8.07 %), чем в Баренцевом (7.51 и 6.83 %), тогда как средние IIEE и IEDE там, напротив, ниже. У TOPAZ4 СКО больше в Баренцевом море (12.11 против 10.96 %), а IIEE, как и у остальных продуктов, выше именно в Баренцевом море (58.5 против 30.5 тыс. км²). Более высокая ошибка поля в Карском море не означает худшего положения кромки: там кромка короче по сезону, а в Баренцевом море она дольше и протяжённее.
Наибольшие ошибки сосредоточены в маргинальной зоне (15–80 % по AMSR2): СКО достигает 24.8 % у TOPAZ4 (смещение +10.3 %), 15.4 % у GLORYS и 13.1 % у ORAS5. При сплочённости ≥ 80 % TOPAZ4 близок к нулевому смещению, тогда как GLORYS и ORAS5 сплошной лёд систематически занижают (−5.1 и −4.3 %). Таким образом, TOPAZ4 точнее воспроизводит сплочённость сплошного льда, несмотря на худшие интегральные показатели. Крупнейшие расхождения приходятся на переходные сезоны и летний минимум ледовитости; экстремумы IIEE связаны с ноябрём 2012 г. (TOPAZ4), июнем 2017 г. (GLORYS) и октябрём 2023 г. (ORAS5).
Выводы
1. Впервые выполнено сопоставление среднемесячной сплочённости GLORYS12v1, ORAS5 и TOPAZ4 с независимым продуктом AMSR2 ASI в Баренцевом и Карском морях за август 2012 – декабрь 2024 г. на общей маске и сетке 0.1°.
2. На объединённой акватории ближе всего к AMSR2 реанализ ORAS5, GLORYS занимает промежуточное положение, TOPAZ4 даёт наибольшие СКО и ошибку кромки и систематически завышает сплочённость.
3. Ошибки кромки выше в Баренцевом море, ошибки поля — чаще в Карском; это отражает различную сезонную протяжённость кромки, а не только качество поля сплочённости.
4. Основной вклад в расхождения даёт маргинальная ледовая зона. TOPAZ4 хуже описывает среднюю сплочённость, но лучше сохраняет сплошной лёд, который GLORYS и ORAS5 занижают.