aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2024-70-1-87-102aari-595Research ArticleГЛЯЦИОЛОГИЯ И КРИОЛОГИЯGLACIOLOGY AND CRYOLOGY OF THE EARTHМетод краткосрочного прогноза преобладающей ориентации разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых в зимне-весенний периодShort-term forecasting method for prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover during winter-spring seasonДыментЛ. Н.DymentL. N.

Санкт-Петербург

Liudmila N. Dyment

St. Petersburg

ldyment@aari.ruhttps://orcid.org/0009-0006-6545-3635ЕршоваА. А.ErshovaA. A.

Санкт-Петербург

Anastasiia A. Ershova

St. Petersburg

https://orcid.org/0000-0003-2941-9772ПорубаевВ. С.PorubaevV. S.

Санкт-Петербург

Viktor S. Porubaev

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation20243103202470187102Copyright © Дымент Л.Н., Ершова А.А., Порубаев В.С., 20242024Дымент Л.Н., Ершова А.А., Порубаев В.С.Dyment L.N., Ershova A.A., Porubaev V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/595

Разработан способ прогнозирования преобладающей ориентации разрывов в ледяном по[1]крове моря Лаптевых по прогностическим полям атмосферного давления с заблаговременностью до 3 суток на основе метода аналогов. При составлении прогноза используются ретроспективные данные атмосферного давления, дрейфа льда OSI SAF и разрывов, полученные при дешифрировании снимков искусственных спутников Земли SuomiNPP. Изложены алгоритмы для автоматизации процесса составления прогноза по разработанному методу. Сравнение результатов оправдываемости прогностических значений модальной ориентации разрывов, полученных при применении климатического, инерционного и разработанного методов прогноза, выявило высокую эффективность последнего в случаях перестройки поля атмосферного давления.

 Sea ice leads are potential routes of easier navigation in the Arctic seas during winter-spring season. Forecasts of the prevailing orientation of ice leads are required for the early selection of the optimal route of a ship in ice. An automated method for short-term forecasting of the prevailing orientation of leads in the Laptev Sea is developed in AARI based on the analog method. Data sources for making a forecast include predictive fields of atmospheric pressure up to 3 days in advance and historical data on surface atmospheric pressure, ice drift and sea ice leads. The data on ice leads are obtained by interpreting SuomiNPP satellite images in a visible and infrared range at 375 m spatial resolution for the cold seasons 2016–2022. The ice drift data are freely available OSI SAF data. In order to make a forecast of the prevailing orientation of leads by a predictive atmospheric pressure field, it is necessary to select from an electronic data archive a historical field of atmospheric pressure that is the most similar to the predictive field. The lead characteristics on the selected date are taken as the predictive ones. Automated selection of an analog consists in searching for an atmospheric pressure field from the electronic data archive which has minimal metrics for the forecast date together with 2 previous days. The metric is calculated as the sum of the squared differences between the change in atmospheric pressure per 1 km in the latitudinal and meridional directions between the predictive atmospheric pressure field and the potential analog field. Actual lead data for a date of the selected analog may not be available due to thick clouds. In this case, the direction of the minor axis of the strain ellipse calculated from ice drift data is taken as the prevailing orientation of leads. The success ratio of diagnostic forecasts by the method developed is 72 %. Comparison of the success ratio of the diagnostic forecasts with the results of inertial and climatic forecasts demonstrates a high effectiveness of the method for cases of abrupt change in the direction of air flows over the Laptev Sea within the first 1–2 days.

воздушные потокидрейф льдаметод аналоговмодальная ориентациянарушения сплошности льдаоправдываемость прогнозаспутниковые снимкиэллипс деформацииair flowsanalog methodforecast verificationice discontinuitiesice driftmodal orientationsatellite imagesstrain ellipseИсследования выполнены в рамках НИТР 5.1.1 Росгидромета на 2020–2024 гг. «Развитие моделей, методов и технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, океана, морского ледяного покрова, ледников и вечной мерзлоты (криосферы), процессов взаимодействия льда с природными объектами и инженерными сооружениями для Арктики и технологий гидрометеорологического обеспечения потребителей».The research was carried out within the framework of the scientific research and technology works 5.1.1 of Roshydromet for 2020–2024. “Development of models, methods and technologies for monitoring and forecasting the state of the atmosphere, ocean, sea ice cover, glaciers and permafrost (cryosphere), processes of interaction of ice with natural objects and engineering structures for the Arctic and technologies for hydrometeorological provision of consumers”.ReferencesФролов С.В. Влияние ориентации нарушений сплошности льда на эффективность движения судов в Арктическом бассейне в летний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 2013;(3):35–45.Frolov S.V. Impact of orientation of ice discontinuites on the efficiency of ship traffic in the Arctic basin in summer. Problemy Arktiki i Antarktiki = Problems of Arctic and Antarctic. 2013;(3):35–45. (In Russ.)Горбунов Ю.А., Карелин И.Д., Лосев С.М. К вопросу о причинах нарушения сплошности морского ледяного покрова в зимний период. Проблемы Арктики и Антарктики. 1986;62:110–116.Gorbunov Iu.A., Karelin I.D., Losev S.M. On the causes of sea ice cover discontinuities in winter season. Problemy Arktiki i Antarktiki = Problems of Arctic and Antarctic. 1986; 62:110–116. (In Russ.)Назиров М. Льды и взвеси как гидротермодинамические трассеры по данным космических многозональных съемок. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 161 c.Назиров М. Льды и взвеси как гидротермодинамические трассеры по данным космических многозональных съемок. Л.: Гидрометеоиздат; 1982. 161 c.Волков Н.А., Гудкович З.М. Основные итоги изучения дрейфа льдов в Арктическом бассейне. Проблемы Арктики и Антарктики. 1967;27:55–64.Volkov N.A., Gudkovich Z.M. Main results of study of ice drift in the Arctic basin. Problemy Arktiki i Antarktiki = Problems of Arctic and Antarctic. 1967;27:55–64. (In Russ.)Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат; 2001. 112 с.Гудкович З.М., Доронин Ю.П. Дрейф морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат; 2001. 112 с.Лосев С.М., Горбунов Ю.А. Диагностика и среднесрочный прогноз нарушений сплошности морского ледяного покрова. Труды ААНИИ. 1998;438:13–25.Losev S.M., Gorbunov Iu.A. Diagnostics and medium-range forecast of sea ice cover discontinuities. Trudy Arkticheskogo i antarkticheskogo nauchno-issledovatel’skogo institute = Proc. of AARI. 1998;438:13–25. (In Russ.)Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н., Лосев С.М., Фролов С.В. Среднесрочные прогнозы крупных нарушений сплошности льда при гидрометеорологическом обеспечении мореплавания в Арктическом бассейне. Метеорология и гидрология. 2008;(9):78–86.Gorbunov Iu.A., Dyment L.N., Losev S.M., Frolov S.V. Medium-range forecasts of large ice cover discontinuities for hydrometeorological support of navigation in the Arctic basin. Russ. Meteorol. Hydrol. 2008;33(9): 594–599. https://doi.org/10.3103/S1068373908090070Горбунов Ю.А., Лосев С.М., Дымент Л.Н. Метод диагностики и среднесрочного прогноза разрывов в ледяном покрове Карского моря. Труды ААНИИ. 2001;443:94–102.Gorbunov Iu.A., Losev S.M., Dyment L.N. Method of diagnostics and medium-range forecast of leads in the ice cover of the Kara Sea. Trudy Arkticheskogo i antarkticheskogo nauchnoissledovatel’skogo institute = Proc. of AARI. 2001;443:94–102. (In Russ.)Лосев С.М., Горбунов Ю.А., Дымент Л.Н. Оценка характеристик разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по снимкам самолетного радиолокатора бокового обзора и снимкам со спутников Земли «Метеор» и «NOAA». Метеорология и гидрология. 2003;(2):59–67.Losev S.M., Gorbunov Iu.A., Dyment L.N. Assessment of characteristics of leads in the Laptev Sea ice cover based on side-looking airborne radar images and images from “Meteor” and “NOAA” satellites. Meteorologiia i gidrologiia = Meteorology and Hydrology. 2003;(2):59–67. (In Russ.)Дымент Л.Н., Аксенов П.В., Лосев С.М., Порубаев В.С. Влияние пространственного разрешения снимков ИСЗ на получаемые значения характеристик разрывов в ледяном покрове арктических морей. Исследование Земли из космоса. 2021;3:81–86. https://doi.org/10.31857/S0205961421030039Dyment L.N., Aksenov P.V., Losev S.M., Porubaev V.S. Influence of the spatial resolution of satellite images on the obtained values of the characteristics of leads in the ice cover of the Arctic seas. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2021;57(9):1081–1086. https://doi.org/10.1134/S0001433821090462Смирнов В.Г., Бычкова И.А., Захваткина Н.Ю. Разработка методов оперативной оценки нарушений сплошности ледяного покрова с использованием спутниковой информации. Российские полярные исследования. 2022;(1):5–7.Smirnov V.G., Bychkova I.A., Zakhvatkina N.Iu. Development of methods for operational assessment of ice cover discontinuitesby means of satellite information. Rossiyskie poliarnye issledovaniia = Russian polar Investigations. 2022;(1):5–7. (In Russ.)Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R. The detection and characterization of Arctic Sea ice leads with satellite imagers. Remote Sensing. 2019;11(5):521. https://doi.org/10.3390/rs11050521Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R. The detection and characterization of Arctic Sea ice leads with satellite imagers. Remote Sensing. 2019;11(5):521. https://doi.org/10.3390/rs11050521Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R., McConnell I.L. Application of a convolutional neural network for the detection of sea ice leads. Remote Sensing. 2021;13(22):4571. https://doi.org/10.3390/rs13224571Hoffman J.P., Ackerman S.A., Liu Y., Key J.R., McConnell I.L. Application of a convolutional neural network for the detection of sea ice leads. Remote Sensing. 2021;13(22):4571. https://doi.org/10.3390/rs13224571Willmes S., Heinemann G. Pan-Arctic lead detection from MODIS thermal infrared imagery. Annals of Glaciology. 2015;56(69): 29–37. https://doi.org/10.3189/2015AoG69A615Willmes S., Heinemann G. Pan-Arctic lead detection from MODIS thermal infrared imagery. Annals of Glaciology. 2015;56(69): 29–37. https://doi.org/10.3189/2015AoG69A615Low Resolution Sea Ice Drift Product of the EUMETSAT OSI SAF. URL: https://osi-saf.eumetsat.int/products/osi-405-c. (accessed 24.10.2023).Low Resolution Sea Ice Drift Product of the EUMETSAT OSI SAF. URL: https://osi-saf.eumetsat.int/products/osi-405-c. (accessed 24.10.2023).Волков Н.А., Гудкович З.М., Углев В.Д. Результаты изучения неравномерности дрейфа льда в Арктическом бассейне. Труды ААНИИ. 1971;303:76–88.Volkov N.A., Gudkovich Z.M., Uglev V.D. Results of the study of non-uniform drift in the Arctic basin. Trudy Arkticheskogo i antarkticheskogo nauchno-issledovatel’skogo institute = Proc. of AARI. 1971;303:76–88. (In Russ.)Дымент Л.Н., Ершова А.А., Порубаев В.С., Чиркова А.А. Расчет преобладающей ориентации разрывов в ледяном покрове моря Лаптевых по данным дрейфа льда. Лед и снег. 2023;63(3):454–468. https://doi.org/10.31857/S2076673423030031Dyment L.N., Ershova A.A., Porubaev V.S., Chirkova A.A. Calculation of the prevailing orientation of leads in the Laptev Sea ice cover based on ice drift data. Led i sneg = Ice and snow. 2023;63(3):454–468. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673423030031Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Часть III. М.: Триада ЛТД; 2011. 102 c.Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Часть III. М.: Триада ЛТД; 2011. 102 c.Фролов С.В., Клячкин С.В. Учет влияния ориентации разрывов в ледяном покрове на скорость движения судна во льдах. Труды ААНИИ. 2001;443:103–111.Frolov S.V., Kliachkin S.V. Accounting for the impact of orientation of leads in sea ice cover on the speed of ship movement in ice. Trudy Arkticheskogo i antarkticheskogo nauchno-issledovatel’skogo institute = Proc. of AARI. 2001;443:103–111. (In Russ.)Моря российской Арктики в современных условиях. СПб.: ААНИИ; 2021. 360 с.Моря российской Арктики в современных условиях. СПб.: ААНИИ; 2021. 360 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.