УДК 551.465.435<<1950/2012>> (261.1+268.42)
Особенности долгопериодной изменчивости термохалинных характеристик вод в Северной Атлантике и Гренландском море в 1950—2012 гг.
А. Д. Федорова*, А. В. Попов**, А. В. Рубченя***
Рассмотрены результаты исследований изменчивости термохалинной структуры вод в разных временных масштабах. На выбранных полигонах произведен анализ временных рядов и разрезов, получены линейные тренды. Анализ автокорреляционных функций и спектральной плотности данных позволил выделить основные периоды изменчивости температуры и солености в каждом районе исследований. Большое место в работе уделено району "купола" донных и глубинных вод, для которого проведены TS-анализ и анализ пространственных разрезов, на основе которых подробно исследуются процессы потепления и осолонения вод, происходившие в последние два десятилетия. Также исследовано влияние адвекции из соседних районов: проведен кросс-корреляционный и вейвлет-анализ.
Ключевые слова: термохалинная структура вод, долгопериодная изменчивость, купол донных и глубинных вод, Северная Атлантика, Гренландское море.
Введение
Изучение долгопериодной изменчивости термохалинных характеристик вод в высоких широтах стало возможно в результате накопления длительных рядов данных. Одна из самых интересных особенностей режима Североевропейского бассейна — наличие купола холодных промежуточных и донных вод. Это естественные слои с температурой от 0 до —1°С для промежуточной воды и ниже -1°С — для донной. Своеобразная форма — купол — связана с циклонической циркуляцией вод в этом районе. Промежуточные и донные водные массы заполняют около 80% объема Северо-Европейского бассейна. Гренландское море — основной район образования донных вод в Северном полушарии. Они являются одними из самых плотных вод в мире [2]. Объемы образования донных вод контролируются интенсивностью конвективных процессов в этом районе. В последние годы многие авторы [4, 8] обращаются к этой теме, так как воды данного района являются важнейшей частью глобальной термохалинной циркуляции [5]. Образовавшиеся здесь донные воды распространяются в другие районы океана, оказывая большое влияние на формирование вод в окружающих морях [1, 3, 6]. Воздействие на Арктический бассейн при периодических переливах донных вод приводит к ослаблению вертикальной стратификации, что ведет к изменению всей системы океан — льды — атмосфера [7]. Часть
* Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: a_fedorova@niersc.spb.ru.
** Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена.
*** Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
плотных вод Гренландского моря продвигается в южном направлении и составляет донную ветвь океанического конвейера.
За последние десятилетия наметились значительные изменения термоха-линных характеристик в данном районе. Положительный тренд температуры и солености вод, особенно в поверхностных и промежуточных водах, определил дальнейшие изменения во всей структуре вод Гренландского моря. С 1996 г. наблюдается исчезновение купола донных вод, ограниченного изотермой -1°С.
Данная тема достаточно актуальна, так как изучение долгопериодных изменений океана позволяет оценивать динамику всей климатической системы, что не может не влиять как на долгосрочные, так и на краткосрочные прогнозы состояния окружающей среды.
Для изучения долгопериодной изменчивости термохалинной структуры вод Северо-Европейского бассейна и Северной Атлантики были взяты данные National Oceanographic Data Center (NOAD) из базы данных WOD за период с 1950 г. по апрель 2011 г. (для некоторых районов по ноябрь 2012 г.), а также данные с дрейфующих буев ITP. На их основе была создана база данных в программе ODV (Ocean Data View), из которой в дальнейшем были получены выборки для отдельных районов. Было выбрано девять ключевых районов (полигонов) (рис. 1): пролив Фрама (1), Датский пролив (2), полигон "Юг Гренландии" (3), о. Ньюфаундленд (4), Фарреро-Шетландский пролив (5), точка "М" (6), полигон "Купол" (7), о. Медвежий (8), район Западно-Шпицбергенского течения (9). Для каждого района были получены ряды температуры и солености воды. Произведено пространственное осреднение значений выбранных характеристик с приведением к одному значению указанной характеристики для каждого полигона с одновременным осреднением за весь сезон для каждого года (летний период — с июня по октябрь, зимний — с ноября по май) на разных горизонтах. Горизонты были выбраны на основе предварительного анализа характеристик водных масс для каждого исследуемого района.
Материалы и методы исследования
с. ш.
80°
60
50
70
60° з. д. 40 20 0 20° в. д.
Рис. 1. Расположение полигонов и основные течения.
Результаты
По результатам анализа временного хода температуры и солености были выявлены периоды с максимальными и минимальными значениями этих величин и рассчитаны значения линейных трендов на разных горизонтах (табл. 1). Из данных табл. 1 видно, что температура воды на разных горизонтах (кроме глубинного слоя в районе Западно-Шпицбергенского течения) имела положительный тренд на всех полигонах, кроме района корабля погоды М. Начиная с конца 1980-х — начала 1990-х годов можно выделить более выраженный положительный тренд, исключение составляет район Западно-Шпицбергенского течения. Для района корабля погоды М также стало наблюдаться повышение температуры, однако несколько позже, чем в других районах. Тренды солености воды для всего периода исследования значительно более разнонаправленны на разных горизонтах на разных полигонах, однако и здесь в тот же временной период наблюдается повсеместное появление положительного тренда с начала 1990-х годов (за исключением района Фарреро-Шетландского пролива, где такие изменения наметились лишь с 1997 г.). В таблице также приведены годы, в которые, по мнению авторов, произошла смена тенденций: значения температуры и солености воды стали несколько меньше предшествующих. Разумеется, говорить о явном переломе за три года (чаще всего с 2010 г.) представляется рискованным, однако наличие данной тенденции на всех рассматриваемых полигонах позволило выдвинуть такое предположение.
Пространственно-временные разрезы наглядно продемонстрировали периоды длительного распреснения и охлаждения вод на разных горизонтах. Рассмотрим такой разрез, построенный по данным в районе Восточно-Гренландского течения (рис. 2). Для солености в зимний период заметно, что наиболее
Таблица 1
Характеристики линейного тренда температуры и солености воды на разных полигонах
в зимний период 1950—2012 гг.
Слой
Полигон
Купол
12 3 4
Фарреро-Шетландский пролив
1
2 3
4
Корабль погоды М
12 3 4
Западно-Шпицбергенское течение
1
2 3
4
Температура воды, °С
Поверх- 1,3 1,3 1991 н/в 0,77 1,15 1988 2010 0 1,6 1995 2011 2 н/в 1989 2008 ностный
Промежу- 0,2 0,8 1992 2010 0,15 0,55 1988 2010 -0,8 0,7 1993 н/в 0,9 0,9 1988 н/в точный
Глубинный 0,4 0,5 1984 н/в - - - - - - - - н/в н/в н/в н/в
Соленость воды, %о
Поверх- 0,08 0,22 1990 2010 0,03 0,12 1997 2010 -0,04 0,11 1999 2011 0,19 0,12 1986 2010 ностный
Промежу- -0,02 0,03 1994 2010 -0,04 0,04 1997 2010 -0,06 0,05 1993 2011 0,05 0,12 1989 2008 точный
Глубинный -0,01 0,01 1984 2010 - -- -- -- - -0,08 н/в н/в н/в
Примечание. 1 — тренд за весь период; 2 — тренд с года усиления; 3 — год усиления тренда; 4 — год смены тенденции; н/в — тренд не выявлен; слои: для полигона "Купол" — 0—100, 500—1000 и 1400—3500 м, для Фарреро-Шетландского пролива — 0—400 и 400—800 м, для полигона "Корабль погоды М" — 0—100 и 300—800 м, для Западно-Шпицбергенского течения — 0—100, 100—300 и 300—500 м.
Рис. 2. Временные разрезы температуры (°С; а, б) и солености (%о; в, г) поверхностного слоя вод в зимний (а, в) и летний (б, г) периоды в районе Восточно-Гренландского течения.
сильное распреснение, охватывающее поверхностный слой до 200 м, отмечается в начале 1960-х годов, в конце 1970-х и в начале 1990-х годов (рис. 2в). При этом наиболее распресненные воды расположены на поверхности. Начиная с 2001 г. ядро пресных вод опускается на горизонт 50 м, а затем с 2004 г. вновь выходит на поверхность. В летний период наблюдается несколько моментов распреснения вод. Пониженная соленость от поверхности до глубины 150 м отмечается в середине 1960-х годов, в начале 1970-х годов, в 1978—1986 гг., а также в 1998—2008 гг., когда достигает глубины более 200 м (рис. 2г). На разрезах температуры воды в зимний период (рис. 2а) заметно выхолаживание до глубины более 150 м в конце 1960-х годов. С 1972 до 1974 г. вновь наблюдалось охлаждение вод до глубины около 200 м, а в поверхностном слое толщиной 100 м охлаждение отмечалось до 1981 г. Схожие слои были затронуты более холодными водами в конце 1980-х годов, в дальнейшем заметно сильное охлаждение в 2002—2007 гг. В летний период (рис. 2б) наибольшее охлаждение приходится на середину 1960-х годов, далее в 1970-е годы низкая температура отмечена в подповерхностном слое. Длительный период преобладания холодных вод в поверхностном слое данного района наблюдается с 1995 по 2008 г.
Как известно, структура водных масс полигона "Купол" формируется под воздействием двух противоположных потоков вод: поверхностных вод Восточно-Гренландского течения и мощного потока вод Северо-Атлантического течения и его продолжения — Западно-Шпицбергенского течения. В соответствии с этим описанные выше изменения должны найти отражение в форми-
ровании многолетней изменчивости характеристик вод полигона "Купол". На полигоне "Купол" (рис. 3) в поверхностном слое (0—100 м) в зимний период отмечается положительный тренд температуры с повышением температуры на 1,3°С. Данный тренд наиболее заметен начиная с 1991 г. В промежуточном слое 500—1000 м тренд температуры воды также положителен, а более активное повышение температуры началось с 1992 г., при этом средняя температура увеличивается на 0,2°С. На глубинных горизонтах локальный тренд можно выделить с более раннего момента — с 1984 г. с повышением средней температуры на 0,5°С. Для солености
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.