ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 6, с. 831-845
УДК 551.465.45
ВЛИЯНИЕ МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА СИБИРСКИХ РЕК НА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКОВ ПРЕСНОЙ ВОДЫ В СЕВЕРНОМ ЛЕДОВИТОМ ОКЕАНЕ И В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ © 2010 г. B. И. Кузин, Г. А. Платов, Е. Н. Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 6 E-mail: kuzin@sscc.ru Поступила в редакцию 19.04.2010 г., после доработки 07.05.2010 г.
На основе численного моделирования совместной модели океана и льда региона Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики изучено влияние межгодовой изменчивости стока сибирских рек на характер распределения и распространения пресной воды в данном регионе. В ходе численных экспериментов сравнивались результаты моделирования с использованием данных наблюдений о стоке наиболее значимых рек Сибири: Оби, Енисея и Лены с результатами использования среднеклиматической годовой изменчивости стока этих рек. Сравнение показало, что, несмотря на малость межгодовой изменчивости стока по отношению к расходам вод в масштабах океана, ее влияние может достигать значительных объемов. Это влияние, с одной стороны, проявляется в усилении либо циклонической, либо антициклонической составляющих движения приповерхностных вод СЛО, в результате чего происходит перераспределение потоков пресной воды из Арктики между проливом Фрама и проливами Канадского Архипелага. Изменение запаса пресной воды СЛО, вызванное межгодовой изменчивостью стока Оби, Енисея и Лены составляет примерно ±400 км3, в то время как объем воды, перенаправляемой в этой связи от одних проливов к другим, достигает 15 тыс. км3. С другой стороны, незначительные изменения в направлении распространения пресных вод многократно усиливаются в процессе их продвижения в Северной Атлантике в рамках субполярного круговорота благодаря их меньшему или большему вовлечению в процессы вертикального перемешивания. В результате этого аномалии пресной воды формируются на значительном удалении от речных устий, например в районе Азорских островов, и превосходят в 5—6 раз максимальные значения накопленных объемов изменчивости речного стока.
Ключевые слова: Северный Ледовитый океан, Северная Атлантика, численное моделирование, речной сток, циркуляция океана, межгодовые вариации.
ВВЕДЕНИЕ
Глобальный гидрологический цикл в атмосфере и океане является одним из ключевых факторов в климатической системе Земли. Поскольку Арктика играет важную роль в климатической системе, интерес к гидрологическим процессам в Северном Ледовитом океане (СЛО) в последние десятилетия существенно увеличивается. Составляя 5% всей площади Мирового океана (14.2 млн. км2) [1] и 1% от всего объема, Северный Ледовитый океан вносит 11% всей пресной воды в Мировой океан [2]. По данным работ [3—7] общее количество пресной воды в Северном Ледовитом океане, оцениваемое относительно среднего значения 34.93%о, составляет 80 тыс. км3. Расход пресной воды происходит через пролив Фрама и проливы Канадского Архипелага (рис. 1). В оценках расходов существует много неопределенностей, полностью не разрешимых до настоящего времени. Однако, согласно работе [7], основной поток пресной воды через пролив Фрама осуществляется выносом
льда Восточно-Гренландским течением. Этот поток оценивается как 2790 км3 в год. Поток пресной воды через пролив Фрама и Канадский Архипелаг с жидкой фазой оценивается как 820 и 920 км3 соответственно.
Эта вода, будучи вынесена в виде льда или потока воды пониженной солености за пределы СЛО в Гренландское, Исландское и Лабрадорское моря, является существенным регулятором в формировании тер-мохалинной структуры Северной Атлантики и Мирового океана [8, 9]. В циклонических круговоротах этих морей она влияет на процессы образования глубинной Атлантической воды [7]. Примером этого влияния может служить возникновение "Большой соленостной аномалии" [10] в 1960-х, 1970-х годах, связанное с увеличением поступления пресной воды в Северную Атлантику из Северного Ледовитого океана. Поэтому исследование распространения пресной воды в системе Северный Ледовитый оке-
Рис. 1. Географическое расположение обсуждаемых в статье объектов и событий. Стрелки в Северном Ледовитом океане дают схематичное представление траектории распространения аномалии речного стока в 1958—1962 гг., возникшей вследствие разности наблюдавшегося и климатического стока рек. Широкие стрелки в Северной Атлантике изображают приблизительный путь перемещения "Большой соленостной аномалии". Буквами А, Б, В и Г обозначены некоторые регионы, расположенные вдоль пути распространения "Большой соленостной аномалии".
Устья сибирских рек: Оби, Енисея и Лены
ан—Северная Атлантика представляет значительный интерес.
Приток пресной воды в СЛО обусловлен следующими процессами: превышением осадков над испарением, притоком Тихоокеанской воды через Берингов пролив, притоком пресной воды от сокращения площади Арктического льда и речным стоком. В настоящей работе проводится исследование влияния стоков сибирских рек на распределение потоков пресной воды в Арктике и Северной Атлантике.
По данным работ [4, 13] современные оценки полного речного стока — 3300 км3 в год. Крупные сибирские реки дают около 2240 км3 в год, что составляет около 70% от всего речного стока. Остальные реки, включая Маккензи (340 км3 в год), и малые реки (720 км3 в год), поставляют оставшуюся часть пресной воды [7]. Наибольшую величину стока дают
такие реки, как Енисей, Обь и Лена, имеющие значения годового стока 603, 530 и 520 км3 соответственно, что соответствует 46% притока всей пресной воды в СЛО [14]. Этот факт является причиной того, что многие исследователи сосредоточились на исследовании гидрологического режима этих рек [14—18]. Работа [19] дает статистические оценки со стандартными отклонениями, равными величинам 577 ± 42, 526 ± 63 и 397 ± 61 км3 для Енисея, Лены и Оби соответственно.
Указанные годовые расходы речного стока для сибирских рек имеют существенные вариации внутригодового гидрографа. Основным принципиальным моментом является значительный приток пресной воды в период половодья в шельфовую зону океана, создающий зоны пресной воды в виде компактных образований на шельфе, которые рас-
пространяются далее в СЛО [20, 21] в системе поверхностных течений.
Указанные выше значения годового стока для Енисея, Лены и Оби являются только некоторыми осредненными значениями за период в несколько десятилетий. По данным Гидрометслужбы [22, 23] суммарный годовой расход Енисея, Лены и Оби за рассматриваемый период с 1936 по 1990 гг. претерпевает существенные межгодовые вариации. Изменения составляют от 25 до 30%. Важную роль в этом играет межгодовая климатическая изменчивость атмосферной циркуляции и характеристик поверхности [24, 25]. Основным механизмом, влияющим на процессы в Арктическом регионе, являются Арктические колебания, или более точно — Кольцевая мода Северного полушария (КМС) [26, 27]. В то же время корреляция между вариациями климатических характеристик и речным стоком не столь высока, как можно было ожидать. Для годового стока только 31—55% вариаций объясняются поверхностными и атмосферными условиями [28].
Кроме межгодовой изменчивости, в гидрологических характеристиках сибирских рек наблюдаются устойчивые тренды, вызывающие в последние годы повышенный интерес исследователей, так как это является отражением трендов в общей климатической системе и может продуцировать обратные связи. Так, в последние десятилетия в Арктике наблюдается рост речного стока в Арктический океан [18, 20, 29, 30]. Во всей Евразии с 1936 по 1999 гг произошло увеличение речного стока на 128 км3 [18] или 10 км3 в год [31].
Существующие гипотезы, объясняющие наблюдаемый тренд, различны, но в настоящее время нет полного подтверждения ни одной из них [ 18, 28, 30]. В работе [28] наличие трендов в последние десятилетия связывается с увеличением индексов СевероАтлантического колебания и Кольцевой моды Северного полушария. Анализ связи стока сибирских рек с характеристиками атмосферной циркуляции с использованием эмпирических и модельных данных представлен в работе [32].
Влияние изменчивости речного стока на климатическую систему может быть существенным и требует изучения на основе климатических моделей [33], поскольку метод математического моделирования в настоящее время является одним из наиболее эффективных инструментов исследования климатической системы Земли [34, 35]. На основе совместных моделей крупномасштабной циркуляции океана и морского льда были рассчитаны пути распространения речных вод в Арктическом бассейне [36—39]. Как правило, траектория движения вод определялась на основе решения задачи о распространении трассера от точечных источников, расположенных в устьях крупных рек, впадающих в Северный Ледовитый океан. В этих работах, а также в многочис-
ленных исследованиях, проводимых в рамках международного проекта AOMIP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project, http://www.whoi.edu/pa-ge.do?pid=29900), в численных моделях динамики океана условия на границах для притока пресной воды рек задаются согласно имеющимся данным о среднеклиматическом сезонном изменении стока основных 13 рек Арктического региона. Целью данной работы является исследование влияния межгодовой изменчивости стока сибирских рек на распределение потоков пресной воды, поступающей из Арктики в Северную Атлантику. На основе численных расчетов исследуется чувствительность модельного распределения к малым изменениям внешнего воздействия, связанным с вариациями стока основных сибирских рек.
ПОСТАНОВКА ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Структура численной модели
Для проведения исследования использовалась совместная численная модель океан—лед, адаптированная к области Арктики и Северной Атлантики.
Для описания океанических процессов использовалась региональная численная модель динамики океана, разработанная в ИВМиМГ СО РАН. Основные положения последней версии модели представлены в работах [40, 41]. Уравнения модели выписаны в криволинейных ортогональных координ
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.