В статье представлены некоторые результаты обработки данных новых наблюдений за осадкой льда в Охотском море, полученных с акустических профилографов, которые были установлены на весь ледовый сезон в 2015–2016, 2018–2019 и 2019–2020 гг. Установлено, что средняя осадка льда на восточном шельфе о. Сахалин составляла около 0,7 м, а максимальная осадка наблюдалась в марте и достигала 15–16 м.
Проектирование морских нефтегазопромысловых сооружений: стационарных и плавучих платформ, а также подводных трубопроводов, планируемых для установки/строительства на акваториях ледовитых морей, требует корректного учета ожидаемых ледовых нагрузок [1–3]. Для расчета ледовых нагрузок важно знать морфометрические параметры ледяных образований. Ледовые условия Охотского моря существенно отличаются от ледового режима морей российской Арктики: весь лёд здесь имеет местное происхождение, нет многолетних ледяных полей, толщина льда может достигать 180 см и более за счёт многократного наслоения молодого льда в динамически активных (более северных) районах, дрейф льда характеризуется исключительно высокими скоростями. Вдоль восточного побережья о. Сахалин распространены полыньи, выполняющие зимой роль очагов формирования молодых льдов, которые ветер с материка отжимает в сторону моря, формируя поле тяжёлых льдов, а весной – катализаторов разрушения ледяного покрова [4, 5]. По ледовым условиям в районе морского шельфа о. Сахалин уже собран большой объем данных (см., например, [2, 4, 5–7]), при этом большая часть данных по нижней поверхности ледяного покрова была получена для шельфа северного Сахалина в конце прошлого – начале этого века. В настоящей статье приводятся новые данные для более южной части шельфа.
Для исследования ледовых условий морей применяются различные методы: авиационные разведки и спутниковое зондирование, радиолокационный мониторинг с берега, наблюдения на постах сети Росгидромет, данные попутных судовых наблюдений, экспедиционные полевые работы с высадкой на лёд и установка автономных станций с акустическими датчиками, фиксирующими положение нижней границы льда [4, 6, 7]. Для наблюдения за нижней поверхностью льда могут быть использованы как специализированные ледовые сонары, так и установленные излучателями вверх акустические пятилучевые профилографы течений [8, 9].
В работе представлены некоторые результаты обработки данных, записанных подводными ледовыми сонарами, которые были установлены на восточном шельфе о. Сахалин в период 2015–2020 гг. Приводятся методические аспекты обработки «сырых» данных, анализируются полученные средние и максимальные значения осадки дрейфующего льда.
Материалы и методы
Наблюдение за нижней поверхностью льда проводилось в зимний период 2015–2020 г. при помощи акустических датчиков, установленных на нескольких автономных заякоренных станциях буйкового и донного типа (рисунок 1 и таблица 1). Станции устанавливались на траверзе Луньского залива Охотского моря на расстоянии 7 и 45 км от берега, соответственно, на глубинах 25–30 и 165–170 м.
Рисунок 1 – Схема установки автономных заякоренных станций: донного типа (слева) и буйкового типа (справа)
Таблица 1 – Информация о периодах работы оборудования, установленного на автономных станциях для наблюдения за нижней поверхностью льда на восточном шельфе Сахалина в 2015–2020 гг.
В 2015–2016 гг. измерения проводились c помощью пятилучевого акустического измерителя течений ADCP WHS600 производства RD Instruments Teledyne Technologies Inc. [10]. Дискретность наблюдений составляла 10 мин, данные по осадке льда осреднялись за 10 мин.
В ледовый сезон 2018–2019 гг. наблюдения за нижней поверхностью льда проводились при помощи акустических профилографов Ice Profiling Sonar (IPS-5), производства ASL Environmental Sciences Inc. [11]. На донной станции прибор был установлен на дне в точке с глубиной 27 м и зафиксирован в раме; на буйковой станции прибор крепился на тросе «в линию» на расстоянии 27 м от поверхности. Дискретность наблюдений за осадкой льда составляла 1 с. Давление, наклон прибора и другие вспомогательные параметры регистрировались на донной станции с дискретностью 10 мин., на буйковой – 1 с.
В ледовый сезон 2019–2020 гг. наблюдения за осадкой льда проводились одновременно при помощи акустического профилографа IPS-5 и доплеровского измерителя течений AWAC производства AWAC [12]. Оба прибора были установлены в донных рамах на изобате 27 м на расстоянии 280 м друг от друга. Дискретность наблюдений за осадкой льда у акустического профилографа составляла 1 с. Профилограф течений ежечасно записывал серию измерений расстояния до льда продолжительностью ~8,5 мин (1024 измерения) с частотой 2 Гц. Данные осреднению не подвергались и записывались в полном объеме – это позволило затем провести анализ всей серии измерений.
Обработка данных ледовых сонаров, установленных на автономных буйковых и донных ледовых станциях, происходила по единому алгоритму и включая в себя несколько этапов.
1. Расчёт осадки льда проводился по формуле:
где Pips – гидростатическое давление, измеренное прибором, Patm – атмосферное давление, cosα – косинус угла наклона луча, ΔD – расстояние между датчиком давления и акустическим излучателем, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения.
Атмосферное давление для расчёта осадки льда использовалось с ближайшей гидрометеорологической станции – ГМС Комрво [13]. Косинус угла наклона испускаемого луча как для ледовых сонаров, так и для профилографов течений рассчитывался на основе данных о наклоне прибора относительно горизонтальных и вертикальной осей. На рисунке 2 показан пример исходных временны́х рядов, по которым затем с помощью формулы (1) рассчитывались предварительные значения осадки льда (рисунок 3, линия синего цвета).
Рисунок 2 – Временной ход атмосферного давления на ГМС Комрво [13], гидростатического давления и расстояния от прибора до границы воды/льда на станции 3. Период наблюдений 03.12.2018–28.04.2019
Рисунок 3 – Осадка льда (м) на станции 3 за весь период наблюдений 03.12.2018–28.04.2019 до фильтрации (линия синего цвета) и после фильтрации (линия коричневого цвета)
2. Предварительные («сырые») данные по осадке льда на следующем этапе были подвергнуты многоступенчатой проверке и фильтрации. Последовательно выполнялись следующие шаги:
· Данные, полученные при угле наклона прибора больше 10°, считались невалидными и отфильтровывались. На донных станциях таких значений обнаружено не было (угол наклона не превышал 3° – рамы сохраняли устойчивое положение на протяжении всего периода работы станций). Для приборов, закреплённых на тросе на буйковых станциях, применение такого фильтра необходимо, поскольку во время штормов, когда существенно возрастают скорости течений, наклон прибора может превышать 10°, и такие ситуации, действительно, неоднократно имели место.
· В автоматическом режиме отфильтровывались отдельные единичные выбросы.
· Путем визуализации рядов и последующего сравнительного экспертного анализа данных по осадке льда, данных по волнению (значительной высоты волн), полученных на ближайшей автономной гидрологической станции (для станций 1 и 5 данные по волнению были получены непосредственно с профилографа течений), и данных спутниковой съемки выделялись периоды открытой воды. В сырых записях периоды волнения выделяются достаточно однозначно по характеру колебаний значений осадки относительно нуля: при наличии волнения график временного хода почти симметричен относительно горизонтальной оси (см. период 01-11.12 на рисунке 3), в то время как при наличии льда преобладающие значения осадки положительные (характерный пример – период 02-18.01).
· На последнем этапе в автоматическом режиме отфильтровывались отрицательные значения осадки льда. Результирующие данные по осадке льда показаны на рисунке 3 кривой коричневого цвета.
3. Заверка данных ледового сонара проводилась посредством анализа ежесуточных спутниковых снимков Modis Terra/Aqua [14]. На рисунке 4 показано начало очищения изучаемой акватории ото льда в 2019 г., когда массив разрушающегося льда смещался от берега под действием ветра. Вблизи мелководной станции 2 на снимке от 10.04.2019 видны крупные ледяные образования; среднесуточная толщина льда в этот период составляла около 1,5 м. На акватории вблизи глубоководной станции 3 по снимку наблюдался тонкий лёд и разводья, а по данным сонара средняя суточная толщина льда не превышала 0,5 м. К 15 апреля над станцией 2 вода практически очистилась ото льда, что соответствует резкому уменьшению значений средней суточной толщины льда на графиках осадки льда.
Рисунок 4 – Ледовая обстановка в районе расположения ледовых станций 2 и 3: 10.04.2019 (слева) и 15.04.2019 (справа). Спектрорадиометр Modis Terra/Aqua [14]
Результаты и обсуждение
В результате обработки данных акустических датчиков были получены временные ряды осадки льда: ежечасные осреднённые за 10 мин для станции 1, ежечасные продолжительностью около 8,5 мин с частотой 2 Гц для станции 5 и непрерывные ежесекундные для станций 2, 3 и 4. По данным измерений, в течение всего ледового сезона, который продолжается в открытом море с января о май, на изучаемой акватории абсолютно преобладает лед толщиной до 100 см. Стоит отметить, что данные с акустических профилографов течений при сравнении средних суточных и максимальных значений осадки дают результаты, схожие с результатами измерений специализированных ледовых сонаров (рисунок 5, таблица 2). При расчете средних суточных значений и всех статистических характеристик в статье не учитывались значения осадки льда менее 10 см.
На мелководных станциях (2, 5) во временном ходе осадки льда прослеживается постепенное увеличение толщины льда к концу марта – началу апреля. На глубоководных станциях 1 и 3 временной ход характеризуется 2 максимумами: первый в конце января – начале февраля, второй в конце марта – начале апреля.
Сопоставление среднесуточных значения осадки льда в январе – феврале 2015–2016 гг. и 2019–2020 гг. с расчетными по сумме градусо-дней мороза (СГДМ) [15] на ГМС Комрво и Оха [13] позволяет сделать некоторые заключения о происхождении льда в изучаемом районе. Очевидно, что в начале ледового сезона, когда толщина льда по данным сонаров (рисунок 5а) составляет до 0,5 м, лед образуется непосредственно на восточном шельфе о. Сахалин. Вероятно, первый максимум осадки льда, который в 2-3 раза превышает расчётное значение осадки льда спокойного нарастания, связан с тем, что зимой отжимной ветер постоянно выносит в море лед, который образуется в прибрежной полынье, и область тяжелых переслоенных льдов [4] располагается в конце января в районе изобаты 160-170 м. Подтверждением этому может также служить тот факт, что на мелководной станции толщина льда существенно ниже, чем на морской (и ниже расчётного значения). Второй максимум осадки льда очевидно связан с постепенным разрушением ледяного покрова в северной части Охотского моря и дрейфом торосистых ледовых полей на юг вдоль о. Сахалин.
Рисунок 5 – Средняя суточная осадка льда (м) в исследуемом районе по данным автономных станций и расчётная по СГДМ толщина льда спокойного нарастания в ледовые сезоны 2015-2016 (а), 2018-2019 (б), 2019-2020 (в)
Полученные величины средней осадки (~0,7 м, см. таблицу 2) довольно неплохо совпадают со значениями, полученными в 1999-2001 г. в юго-восточной части Охотского моря (0,6 м) [16]. Наиболее суровые ледовые условия характерны по данным всех станций для марта. В этот месяц средняя осадка льда достигает своего максимума, как и повторяемость наличия ледяного покрова. Что касается максимальных значений осадки льда, то для трёх станций 1, 2 и 5 они наблюдались в марте и для одной (3) – в начале апреля. Максимальные значения осадки льда составляли на мелководных станциях 14,7–15,5 м, а на глубоководных – 13,2 и 16,0 м, соответственно, в 2015–2016 гг. и 2018–2019 гг. По сравнению с наблюдениями в юго-восточной части Охотского моря (максимальные значения осадки 10–12 м, абсолютный максимум 17 м) [16], максимальные значения на восточном шельфе о. Сахалин в среднем несколько выше.
Таблица 2 – Средние, максимальные и минимальные значения осадки льда по данным наблюдений на автономных станциях
Необходимо отметить, что применительно к максимальным значениям осадки льда (то есть, при анализе экстремальных килей торосов), данные ледовых сонаров позволяют получить более точные данные. Это объясняется настройками измерительного оборудования. Профилограф течений в 2015-2016 гг. давал в качестве осадки льда значение, усредненное за 10 минут, в результате чего происходит сглаживание «выбросов», которые и являлись бы максимальными значениями осадки килей. В 2019–2020 гг. значения максимальной осадки лишь немного ниже, чем в предыдущие годы, поскольку измерения (хоть и высокой частотой – 2 Гц) проводились только 8,5 минут из часа. Если учесть этот фактор и рассматривать значения, полученные на станциях 1 и 5 (таблица 2) как несколько заниженные, то можно сделать вывод, что максимальная за год осадка килей торосов в данном районе характеризуется достаточным постоянством – около 15,5–16,0 м (по крайней мере, для трех рассмотренных сезонов). При этом очевидно, что для оценки экстремальных значений (повторяемостью 1 раз в N лет при N = 50 и 100 лет), а именно они требуются при вычислении расчетных нагрузок на проектируемые сооружения, необходимы гораздо более длительные ряды наблюдений.
Детальная информация, записанная ледовыми сонарами, позволяет осуществлять статистический анализ различных характеристик ледяного покрова. В качестве примера исследуем возможную корреляцию между средней толщиной льда и максимальной толщиной льда в пределах отдельного ледяного образования (ЛО). В качестве ЛО рассмотрим фрагменты ледяного покрова, у которых в любой их точке толщина льда превышает 0,5 м. Каждому такому ЛО, длина которых может изменяться в очень широких пределах (от нескольких метров до 1,5 км на станции 2 и 3,5 км на станции 3) соответствуют два значения толщины льда – средняя и максимальная. Нанесем эти значения в виде точек на график в соответствующих осях (рисунок 6). Очевидно, что среднее значение не может оказаться больше максимального, поэтому все точки лежат не выше прямой x = y.
Анализ расположения точек на рисунке 6 показывает, что на глубоководной станции (точки красного цвета) вариативность торосистых образований выше, чем для мелководной станции (точки черного цвета) – диапазон разброса точек в построенном «облаке» гораздо больше для станции 3, чем для станции 2. Например, хорошо видно, что в открытом море торосы с килями 12–15 м нередко могут быть частью ЛО со средней толщиной от 2 до 5 м, в то время как на мелководной станции такие большие кили соответствуют средней осадке не ниже 5 м. Это может быть объяснено тем, что в открытом море, в целом, разнообразие дрейфующих ледяных полей больше и, в частности, достаточно больших по площади, усреднение по которой приводит к более низким значения средней толщины. Что касается мелководного района (станция 2), то поскольку ветра на восточном шельфе о. Сахалин практически всю зиму преимущественно отжимные, то более или менее крупные ледяные образования (с большой осадкой) наблюдаются здесь большей частью только в весенние месяцы и находятся в основном на обломках ледяных полей относительно небольшой площади, чем и объясняется их большая средняя осадка.
Рисунок 6 – Зависимость максимальной и средней осадки (м) для ледяных образований больше 5 м длиной на мелководной и глубоководной станциях в ледовый сезон 2018–2019 гг.
Важное значение при проектировании морских сооружений имеет также информация о протяженности ледяных образований с толщиной не ниже заданной [3]. На рисунке 7 по данным станции 2 приведены профили осадки ЛО с максимальной протяженностью для данной градации толщины льда; такие ледяные образования могут рассматривать как экстремальные при расчете ледовых нагрузок на морские сооружения, которые потенциально могут быть установлены в данном районе. Например, синим цветом показано максимальное по длине наблюденное ЛО с осадкой не меньше 2 м – его длина составила около 130 м. Интересно отметить, что в составе этого ЛО присутствовал непрерывный участок длиной почти 100 м, где толщина льда составляла не меньше 6 м. Очевидно, что такой лед сформировался в северной части Охотского моря и впоследствии в процессе дрейфа достиг района исследований. Другим экстремальным ЛО является торосистое образование с максимальной осадкой 15,5 м и длиной около 35 м (линия красного цвета), из которых почти 25 м составил лед толщиной 8 м и больше.
Рисунок 7 – Профили ледяных образований, содержащие в себе наиболее протяженные участки льда толщиной более 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 14 м. Станция 2
На рисунке 8 приведены аналогичные графики для глубоководной станции 3. Обращает на себя внимание ледяное образование, показанное кривой зеленого цвета, в пределах которого находился участок длиной почти 40 м, где толщина льда составляла 10 м и более, а максимальное значение осадки киля достигло 13,5 м.
Рисунок 8 – Профили ледяных образований, содержащие в себе наиболее протяженные участки льда толщиной более 6, 8, 10, 12 и 14 м. Станция 3
Выводы
· Результаты наблюдений на автономных станциях в зимние периоды 2015–2016, 2018–2019 и 2019–2020 гг. подтверждают общие представления о развитии ледовой обстановки на восточном шельфе о. Сахалин, сформулированные преимущественно на основе обобщения спутниковых снимков: в течение зимнего сезона в типичном случае наблюдаются два максимума осадки льда над изобатой 160–170 м, которые, соответственно, приурочены к периоду формирования пояса тяжёлых льдов и периоду активного дрейфа сильно всторошенных льдов, образовавшихся в северной части моря.
· Средняя осадка льда на восточном шельфе о. Сахалин на траверзе Луньского залива на составила около 0,7 м. При этом максимальные наблюденные значения осадки льда на всех станциях оказались достаточно близкими для разных станций и находились в интервале 15–16 м.
· Данные по осадке льда, получаемые с помощью ледового сонара, позволяют осуществлять детальный статистический анализ; в частности, возможно определение ледяных образований с максимальной длиной при условии, что толщина льда составляет значение, не ниже заданного.
· При рассмотрении среднесуточных значений осадки льда результаты непрерывных наблюдений специализированного ледового сонара вполне сопоставимы с результатами ежечасных измерений профилографа течений. При этом максимальные значения осадки льда во втором случае оказываются несколько заниженными в случае выбора режима измерений с осреднением в 10 мин.
Литература:
1. ГОСТ Р 58283-2018 Нефтяная и газовая промышленность. Арктические операции. Учет ледовых нагрузок при проектировании морских платформ
2. Вершинин С.А., Трусков П.А., Кузмичев К.В.. Воздействие льда на сооружения Сахалинского шельфа. М: "Институт Гипростроймост", 2005, 208 с.
3. Политько В.А., Соломатин С.В., Каракозова А.И., Трусков П.А. Совершенствование методов расчета нагрузок от воздействия льда на гидротехнические сооружения // Вестник МГСУ, 2020, № 5, сс. 701-711. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.5.701-711
4. Думанская И.О. Ледовые условия морей Азиатской части России. Москва: ФГБУ «Гидрометцентр России», 2017. 639 с.
5. Поломошнов А.М., Помников Е.Е., Шамсудинов Р.Р. Региональные особенности ледовых условий акваторий морских нефтегазовых месторождений // Инновации и инвестиции, 2020, №7, сс. 250 – 254
6. Пищальник В.М., Романюк В.А., Минервин И.Г., Батухтина А.С. Анализ динамики аномалий ледовитости Охотского моря в период с 1882 по 2015 г. // Известия ТИНРО, 2016. Т. 185. Стр. 228-239.
7. Шевченко Г.В., Тамбовский В.С. Динамика дрейфа льда на северо-восточном шельфе острова Сахалин по данным измерений радиолокационными станциями / РФФИ; ИМГиГ ДВО РАН. – Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2018. – 136 с.
8. Shcherbina, A. Y., Rudnick, D. L., and Talley, L. D.: Ice-Draft Profiling from Bottom-Mounted ADCP Data, J. Atmos. Ocean. Tech., 22, 1249–1266, url: https://doi.org/10.1175/JTECH1776.1, 2005
9. Birch, R, Fissel, D, Melling, H, Vaudrey, K, Schaudt, K, Heideman, J, and Lamb, W (2000). “Ice Profiling Sonar: Upward Looking Sonar Provides Over-Winter Records of Ice Thickness and Ice Keel Depths off Sakhalin Island, Russia,” Sea Tech, Vol 41, No 8, pp 48–53.
10. Workhorse ADCP. RD Instruments. URL: http://www.teledynemarine.com/workhorse-sentinel-adcp?ProductLineID=12 (дата обращения 19.10.2020)
11. Ice Profiling Sonar (IPS). ALS Environmental Sciences. URL: https://aslenv.com/ips.html (дата обращения 19.10.2020)
12. Acoustic Wave and Current profiler (AWAC). URL: https://www.nortekgroup.com/products/awac-600-khz (дата обращения 19.10.2020)
13. Расписание погоды. Архив погоды на метеостанциях. URL: https://rp5.ru (дата обращения 19.10.2020)
14. EODIS Worldview. URL: https://worldview.earthdata.nasa.gov/ (дата обращения 19.10.2020)
15. Зубов Н.Н. Льды Арктики. М.: из-во Главсевморпути, 1945. 139 с.
16. Fukamachi Y., Mizuta G., Ohshima K.I., Toyota T., Kimura N., Wakatsuchi M. Sea ice thickness in the southwestern Sea of Okhotsk revealed by a moored ice-profiling sonar / Journal of Geophysical research, 2006. Vol. 111, C09018, doi:10.1029/2005JC003327
