CC BY
66
УДК 551.465.435
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2014. Вып. 4
А. Д. Фёдорова1,2, А. В. Попов3, А. В. Рубченя1
АНАЛИЗ ДОЛГОПЕРИОДНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕРМОХАЛИННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ МАСС В РАЙОНЕ ГРЕНЛАНДСКОГО ЦИКЛОНИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА
1 Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о Земле, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
2 Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, 14 линия, 7, офис 49
3 ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» (ААНИИ), Российская Федерация, 199037, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38
Статья посвящена изучению долгопериодной изменчивости температуры и солености вод в районе Гренландского циклонического круговорота за период 1950-2012 гг. Гренландское море как один из двух районов Мирового океана, где происходит глубокая конвекция, является важной частью Глобального океанического конвейера. Интерес к выбранному району исследований не теряет своей актуальности в связи с широко обсуждаемыми проблемами глобального изменения климата. Приводятся результаты различных видов анализа данных, в числе которых анализ временных рядов и разрезов, автокорреляционный и спектральный анализ выбранных характеристик. Были получены значения линейных трендов, выделены основные периоды изменчивости температуры и солёности в каждом районе исследований. Большое внимание уделено району «купола» донных и глубинных вод, для которого осуществлен TS анализ и анализ пространственных разрезов, на основе которых подробно исследуются процессы потепления и осолонения вод, происходившие в последние два десятилетия. Кроме того, рассмотрены возможные причины наблюдаемой изменчивости термохалинных характеристик в районе образования донных вод: влияние адвекции — связь с Северо-Атлантическим и Норвежским течениями — и взаимосвязь с атмосферными процессами. Для этого были использованы температура воздуха у о. Ян-Майен, индекс AO и индекс NAO. Проведены кросс-корреляционный и вейв-лет-анализ, позволившие выявить возможную взаимосвязь на различных временных сдвигах, а также схожие периоды изменчивости. Библиогр. 7. Ил. 7. Табл. 3.
Ключевые слова: термохалинная структура, Гренландское море, долгопериодная изменчивость, пролив Фрама, изменения климата.
ANALYSIS OF LONG-TERM VARIABILITY OF THERMOHALINE CHARACTERISTICS OF WATER MASSES NEAR GREENLAND CYCLONIC GYRE
A. D. Fedorova1, A. V. Popov2, A. V. Rubchenia1
1 St. Petersburg State University, Institute of Earth Sciences, 7/9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
2 Nansen International Environmental and Remote Sensing Centre, 7, Office 49, 14 liniya, St. Petersburg, 199034, Russian Federation
3 Federal State Budgetary Institution "Arctic and Antarctic Research Institute", 38, ul. Beringa, St. Petersburg, 199397, Russian Federation
The paper is dedicated to study of long term variability of water temperature and salinity near Greenland cyclonic gyre in 1950-2012. As one of the two areas of deep water formation, the Greenland Sea is an important part of the Global Conveyer Belt. The chosen area is relevant due to wide discussed problems of global climate change. The visual representations of temporal variability of water thermohaline characteristics and linear trends were obtained. An analysis of autocorrelation functions and spectral density data was carried out, which allowed to identify the main periods of temperature and salinity variability in each study area. The area of «dome» of bottom and deep waters is dealt with in details. TS analysis and analysis of spatial sections were done to study comprehensively the processes of salinization and water warming occurring in the last two decades. The possible causes of the observed variability of the thermohaline characteristics in the area of bottom waters formation were considered:
the influence of advection — connection with the North Atlantic current and the Norwegian current, and interrelation with atmospheric processes, for which the air temperature on Jan Mayen Island, AO and NAO indexes have been used. Cross-correlation and wavelet analysis were conducted, which revealed a possible relationship at different time shifts, well as similar variability periods. Refs. 7. Figs 7. Tables 3.
Keywords: termohaline structure, Greenland Sea, long term variability, Fram strait, climate change.
Введение
Гренландское море — основной район образования донных вод в Северном полушарии и один из двух основных районов в Мировом океане. Образующиеся здесь воды являются одними из самых плотных вод в океане [1]. Скорость образования и объем плотных вод контролируются конвективными процессами, то усиливающимися, то ослабевающими. Основные характеристики, позволяющие оценить долгопериодные изменения упомянутых процессов, — температура и солёность, ряды наблюдений за которыми достаточны для анализа [2]. Одна из самых интересных особенностей режима Северо-Европейского 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 и привлекают внимание многих авторов [3, 4]. Данный район Мирового океана является «приводной шестернёй» Глобального океанического конвейера (Global Conveyer Belt [5]). Часть плотных вод Гренландского моря продвигается в южном направлении и составляет донную ветвь океанического конвейера. Образовавшиеся здесь донные воды распространяются в другие районы океана, оказывая значительное влияние на формирование вод в Атлантическом океане. Воздействие на Арктический бассейн при периодических переливах донных вод приводит к ослаблению вертикальной стратификации, что ведет к перестройке всей системы «океан-льды-атмосфера» [6].
Термохалинная структура в исследуемом районе постоянно изменяется. В последние десятилетия наметились особенно значительные изменения термохалинных характеристик. 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. Актуальность данной тематики связана с тем, что понимание основных закономерностей долгопериодной изменчивости характеристик вод океана позволяет оценивать изменчивость всей климатической системы Северной полярной области.
Материалы и методы
Основные данные по термохалинной структуре вод Северо-Европейского бассейна и Северной Атлантики были взяты в National Oceanographic Data Center (NOAD) из базы данных WOD в период с апреля 1950 по апрель 2011 г. (для некоторых районов по ноябрь 2012 г.), также использовались данные с дрейфующих буёв серии ITP. На их основе была создана база данных для использования в программе ODV (Ocean Data View), из которой в дальнейшем были получены выборки для
отдельных районов. Было выбрано девять ключевых районов (полигонов): пролив Фрама (1), район Западно-Шпицбергенского течения (ЗШТ) (9), полигон «Купол» (7), Датский пролив (2), Фарреро-Шетландский пролив (ФШП) (5), о. Медвежий (8), точка «М» (6), полигон «Юг Гренландии» (3), о. Ньюфаундленд (4) (рис. 1). Для каж-
дого района были получены ряды температуры и солености воды, проведено осреднение по годам и сезонам (летний период — с июня по октябрь, зимний — с ноября по май) по горизонтам, выбранным на основе предварительного анализа характеристик водных масс для каждого исследуемого района.
После анализа временного хода температуры и солености были получены как периоды с максимальными и минимальными значениями характеристик, так и значения линейных трендов (табл. 1). Временные разрезы наглядно продемонстрировали периоды длительного распреснения и охлаждения вод на различных горизонтах.
Анализ временного хода температуры воды на поверхности в западной части пролива Фрама зимой выявил несколько периодов пониженной температуры — в 1960-х, в начале 1980-х, 90-х и в 2000-х годах. Аналогичные колебания заметны и на нижележащих горизонтах. В многолетних изменениях солености можно отметить уменьшение ее величины в 1960-е, в 80-е и в 2000-е годы, начиная с 2002 г. Можно отметить небольшое повышение солености на поверхности в 2011 г., в последние два года также отмечается падение солености.
Для иллюстрации многолетних изменений термохалинных характеристик в проливе Фрама рассмотрим пространственно-временные разрезы, построенные по данным полигона «Восточно-Гренландское течение» (рис. 2). На данном разрезе (рис. 2, 2а) мы видим, что наиболее сильное распреснение, охватывающее поверх-
6 ОЧУ 20°№ 0° 20'Е
Рис. 1. Расположение полигонов (расшифровку см. в тексте) и основные течения
Результаты и обсуждение
Таблица 1. Линейные тренды температуры и солености воды, год усиления положительного тренда и локальной смены тренда для полигонов вод за период 1950-2012 гг.
Полигон Температура воды, °С
купол ФШП точка М ЗШТ
период за весь период с года усиления за весь период с года усиления за весь период с года усиления за весь период с года усиления
поверхностный слой 1,5 1,3 0,77 1,15 0 1,6 2 н/в*
промежуточный слой 0,3 0,8 0,15 0,55 -0,8 0,7 1,4 1
придонный слой 0,4 0,5 0 н/в
год усиления тренда 1991, 1992, 1984 1988, 1988 1995, 1993 1989
год смены тренда 2010 2010 2011 2008
Соленость воды, %о
полигон купол ФШТ точка М ЗШТ
период за весь период с года усиления за весь период с года усиления за весь период с года усиления за весь период с года усиления
поверхностный слой 0,05 0,22 0,03 0,12 -0,04 -0,02 0,19 0,12
промежуточный слой 0,03 0,06 -0,04 0,04 -0,06 0,05 0,05 0,12
придонный слой -0,01 0,01 -0,08 н/в
год усиления тренда 1990, 1994, 1984 1997, 1997 1999, 1993 1986, 1989
год смены тренда 2010, 2011 2010 2011 2010, 2008
*н/в — тренд не выявлен.
ностный слой вплоть до 200 метров, в зимний период отмечается в начале 60-х гг., в конце 70-х, начале 90-х гг. При этом наиболее распресненные воды отмечаются 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 случаев распреснения вод. Пониженная соленость от поверхности до глубин 150 м отмечается в середине 60-х гг., в начале 70-х гг., в 1978-1986 гг., а также в 1998-2008 гг., когда достигает глубин более 200 м (рис. 2, 1б).
На разрезах для температуры вод в зимний период (рис. 2, 2а) заметно выхолаживание до глубин более 150 м в конце 1960-х гг. С 1972 г. до 1974 г вновь наблюдалось охлаждение вод до глубин около 200 м, а в поверхностном слое толщиной 100 м охлаждение отмечалось до 1981 г. Подобные слои были затронуты более холодными водами в период конца 1980-х гг., в дальнейшем заметно сильное охлаждение (20022007 гг.). В летний период (рис. 2, 2б) наибольшее охлаждение приходится на середину 1960-х гг., далее в 1970-е гг. низкие температуры отмечены в подповерхностном слое. Длительный период преобладания холодных вод в поверхностном слое данного района наблюдается с 1995 г. по 2008 г. Для Западно-Шпицбергенского течения в зимний период заметно охлажденные воды в 60-х и конце 90-х, с началом 2000-х гг. температура резко возросла.
Рис. 2. Временные разрезы температуры (1) и солености (2) в зимний (а) и летний (б) периоды, температуры поверхности воды в районе Восточ-но-Гренландского течения
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 формировании многолетней изменчивости характеристик вод полигона «Купол». Здесь (рис. 3) в поверхностном слое (0-100 м) в зимний период отмечается положительный тренд температуры с увеличением температуры примерно на 1,5°С. Данный тренд наиболее заметен начиная с 1991 г. В промежуточном слое 500-1300 м тренд также положителен, а более активный рост температуры начался с 1992 г., при этом средняя температура возрастает на 0,3°С. На глубинных горизонтах локальный тренд можно выделить с ещё более раннего момента — с 1986 г. с ростом средних температур на 0,4°С. Для солености в поверхностном слое на протяжении всего изучаемого периода наблюдается небольшой положительный тренд, с увеличением солености на 0,086%. Более активный рост отмечается с начала 90-х годов. Для промежуточных и глубинных слоев в целом тренд отрицательный. Однако, начиная с 1991 г. (для промежуточных слоев) и с 1984 г. (для глубинных слоев) тренд становится положительным, с увеличением средней солености на 0,029% и 0,011% соответственно. Стоит отметить, что как для температуры, так и для солености во всех слоях на большинстве полигонов были отмечены максимумы в 2008-2011 гг., после чего наблюдается отрицательный тренд в изменении этих характеристик. Можно предположить, что в дальнейшем этот тренд будет превалировать, и значения характеристик станут постепенно уменьшаться.
Для рассмотрения структуры водных масс выбранного района за период 1950-2012 гг. по результатам сезонного осреднения данных были получены матрицы корреляции взаимосвязи отдельных горизонтов, позволившие выделить основные слои вод для каждого сезона. В дальнейшем по этим слоям были построены Т8-диаграммы рис. 4а).
В зимний период в поверхностном слое 0-20 м наблюдаются сильные вариации как температуры (-1,8 — +3,5°С), так и солености (33,8-35,04 %). Слой 20-75 м по своим характеристикам похож на поверхностный, но в отличие от него практически не имеет распресненных вод с соленостью менее 33%. Слой 75-700 м составляют гораздо более соленые воды (от 34,4%). Отдельно в нем выделяется облако теплых (3,5°С) и соленых (35,04%) вод. Для глубинного слоя характерные значения температуры и солености вод составляют -1,0°С и 34,89%.
На основании графиков временного хода температуры и солености воды в зимний период были выбраны однородные периоды, для которых были построены обобщенные графики Т8-кривых. Были выбраны отрезки, которые условно можно охарактеризовать как периоды с низкой соленостью и температурой: 1954-1963, 1964-1970, 1971-1982, 1983-1985, 1986-1991, 1996-1997 и периоды с относительно высокими значениями параметров: 1992-1995, 1998-2003, 2003-2012 гг. Это позволило наиболее ярко продемонстрировать изменения структуры вод за весь исследуемый диапазон времени.
На совместном графике Т8-кривых заметна значительная разница между различными периодами (рис. 4б). Рассмотрим две крайние ситуации. Кривая для периода 1979-1984 гг. является самым ярко выраженным случаем из многочисленного ряда других. Она характеризуется температурой -1,22°С и низкой соленостью —
35.2
35.1 35 34,9 34,8 34,7 34,6 34,5 34,4
34.3
34.2
0м —100м
♦
Kl*/* ¿sjVb^V
1 \Л\ Л f /ж..--- ......
♦ у 1— Xflt""1"
-♦-Ом — 100м
—5-летнее скользящее среднее
Тренд •Тренд 1991-2012 г.
1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012 35,02
500м — 100м
5-летнее
скользящее
среднее
Тренд
Тренд 1991-2012 г.
34,82
1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012
1400м —3500м
5-летнее
скользящее
среднее
—Тренд Тренд 1984-2012 г.
1952 1957 1962 1967 1972 1977 1982 1987 1992 1997 2002 2007 2012
Рис. 3. Временной ход солености (а) и температуры (б) воды в слоях
34,654%о на поверхности, к глубине 200 м достигая максимума в температуре — -0,34 °C и с её постепенным уменьшением до значений около -1,1 °С и соленостью 34,89%. В сравнении с другими периодами здесь встречены более пресные воды на глубинах до 200 м. Рассмотрим период 2006-2012 гг. Он сильно отличается от всех остальных, так как здесь не происходит инверсии температуры — она настолько высока изначально (на горизонте 0 метров +0,38 °С), что в дальнейшем наблюдается
Ом —100м
500м —1300м
0-100 м, 500-1000 м и 1400-3500 м на полигоне «Купол» в зимний период
лишь её уменьшение, однако даже на нижних горизонтах она на 0,3°С превышает температуру, характерную для данных глубин. При этом и соленость вод остается стабильно высокой (от 34,881% на поверхности до 34,916% на глубине 3500 м). Эти периоды совпадают с рассмотренными выше на разрезах моментами, соответствующими сильному и слабому развитию (практически блокировке) конвекции в данном районе: 1979-1984 гг. и 2006-2012 гг.
Рис. 4. ТБ-диаграммы в зимний период вод полигона «Купол» (а); ТБ кривые для полигона «Купол»за период 1979-1984 и 206-2012 гг. (б)
а
б
Для каждого года, начиная с 1991 г. (когда стал наблюдаться локальный тренд температуры и солености на графиках временного хода), были построены разрезы температуры и солености (рис. 5). Анализ разрезов температуры и солености воды показал, что традиционная структура купола донных вод, ограниченная изотермой -1°С [1] наблюдалась до 1993 г. Аналогичный анализ пространственных разрезов в поле солености выявил её рост в глубинных и придонных слоях, начиная с 1991 г.
Рис. 5. Разрез температуры воды для полигона «Купол» в 1991 г. (а) и в 2012 г. (б) в зимний период
Важным звеном, влияющим на температуру и соленость вод в промежуточных слоях Гренландского моря, являются возвратно-атлантические воды. Основные предполагаемые причины наблюдаемой изменчивости термохалинных характеристик в районе образования донных вод — влияние адвекции и взаимосвязь с атмосферными процессами [7, 8]. Влияние адвективного фактора можно проследить, анализируя изменения параметров вод, переносимых различными течениями во времени. Для учета влияния Северо-Атлантического течения в поверхностных и глубинных слоях были построены совместные графики временной изменчивости температуры и солености вод полигона «Купол» и полигона в Фарреро-Шет-ландском проливе (ФШП) для глубин 0-400 м и 400-800 м. Для обнаружения связи с Норвежским течением был проведён анализ временной изменчивости температуры и солености вод полигона «Купол» и полигона «корабль погоды М» (глубины 0-100 м и 300-800 м).
Анализ матрицы парных корреляций температуры на выбранных слоях полигона «Купол» показал, что корреляционная связь поверхностных вод (0-100 м)
с остальными довольно высока и коэффициенты корреляции составляют 0,51 и 0,68 с промежуточными (100-600 м) и глубинными (600-3500 м) слоями соответственно. Связь промежуточных и глубинных вод между собой значительно существеннее, чем взаимосвязь между этими горизонтами по температуре воды — коэффициент корреляции составляет 0,72 (табл. 2).
Таблица 2. Коэффициенты парной корреляции между ФШП и полигоном «Купол» на различных горизонтах для температуры и солености воды
Температура воды, °С Соленость воды, %
Полигон Горизонт ФШП «Купол» ФШП «Купол»
0-400 400-800 0-100 100-600 600-3500 0-400 400-800 0-100 100- 600 600-3500
ФШП 0-400 1,00 0,08 0,50 0,21 0,50 1,00 0,66 0,37 0,40 0,24
400-800 0,08 1,00 0,26 0,48 0,37 0,66 1,00 0,30 0,43 0,32
«Купол» 0-100 0,50 0,26 1,00 0,51 0,68 0,37 0,30 1,00 0,68 0,42
100-600 0,21 0,48 0,51 1,00 0,39 0,40 0,43 0,68 1,00 0,72
600-3500 0,50 0,37 0,68 0,39 1,00 0,24 0,32 0,42 0,72 1,00
На графике взаимокорреляционной функции для поверхностного слоя ФШП по температуре воды с поверхностным слоем полигона «Купола» при осреднении 3-летним скользящим средним заметны основные сдвиги от -6 до 6 лет, с промежуточным слоем — от -3 до 2 лет, и от -7 до 6 лет с глубинными горизонтами. Это указывает на постоянно происходящий в пределах таких временных сдвигов обмен вод между бассейнами, хотя максимум корреляции наблюдается на нулевом сдвиге, что свидетельствует о присутствии третьего, влияющего на оба района фактора. В качестве такого определяющего фактора могут служить изменения, происходящие в атмосфере.
Атмосферные процессы
Для поиска связи изменчивости температуры и солености воды в районе полигона «Купол» с изменчивостью атмосферных процессов были проанализированы ряды температуры и солёности совместно с температурой воздуха на о. Ян-Майен (для учёта термического режима), а для учета изменчивости атмосферы в целом — с индексами AO (Arctic Oscillation — Арктической осцилляции) (в зимний период) и NAO (North-Atlantic Oscillation — Северо-Атлантической осцилляции) (в зимний период).
Результаты анализа временного хода температуры воздуха на о. Ян-Майен (зимний сезон) и температуры воды (в зимний сезон) на поверхности полигона «Купол» позволяют выделить общий максимум в 1987 г. и минимум в 2001 г. В период между этими экстремумами температура воды отставала от температуры воздуха на 1 год, аналогичная картина наблюдалась в 2005-2006 гг. В целом заметен одинаковый угол наклона трендов для обоих параметров. По матрице парных корреляций между температурой воздуха на о. Ян-Майен и термохалинными параметрами вод полигона «Купол» на различных горизонтах можно судить о достаточно высокой связи между первым параметром и температурой поверхностного и глубинного слоев (r = 0,64 и 0,67 соответственно). Совместный анализ временного хода индекса АО и температуры воды на поверхности полигона «Купол» дает возможность заметить общность изменчивости рядов, с отмечаемой периодичностью 6-8 лет. Индекс NAO
в зимний период и температура воды на поверхности полигона «Купол» имеют обратную взаимосвязь и параллельность линий тренда.
По матрице парных корреляций между индексом ЫАО (помесячно и с осреднением за зимний сезон и за январь-март) и температурой и соленостью вод полигона «Купол» на различных горизонтах обратная связь между переменными заметна лишь для отдельных месяцев с отдельными горизонтами.
Спектральный, автокорреляционный и вейвлет-анализ
Для каждого полигона и корабля погоды для двух сезонов для поверхностного слоя моря были рассчитаны автокорреляционная функция и спектральная плотность температуры и солености воды (рис. 6). Кроме того, была создана база пропусков данных, позволяющая учитывать возникающие от пробелов в данных погрешности, учтено биение на конце коррелограммы, вызванное выбором усечения. С учетом количества наблюдений значимой будет считаться корреляция, превышающая значение 0,2.
Рис. 6. Спектральная плотность температуры поверхности океана на полигоне «Купол» в зимний период 1950-2012 г. и автокорреляционная функция колебаний температуры поверхностных вод на полигоне «Купол» в зимний период
Основная выявленная периодичность по значениям температуры воды — 3 года, но также выделяются периоды 2 года, 5 и 7 лет. Для солености воды характерна периодичность 2, 3 и 6 лет (табл. 3). По результатам вейвлет-анализа для поверхностного слоя вод хорошо заметна короткопериодная изменчивость (2-3 и 8-9 лет), а также выражена передача энергии к более долгопериодным процессам, с продолжительностью 26-27 лет (рис. 7). Для промежуточного слоя также характерна разномасштабная изменчивость, наиболее выраженная для периодов 4-5 лет, с передачей энергии
Таблица 3. Периоды изменчивости по районам, в годах
Элемент Район Запад-но-Шпицбер-генского течения Фарреро-Шетландский пролив Район «Купола» донных вод Датский пролив Разраез от о. Медвежий Район у ю. оконечности Гренландии
Т воды 2 года; 5 лет 2 года; 3 года 3 года; 3 года; 7 лет 3 года; 5 лет 3 года 2 года; 6 лет
8 воды 2 года; 4 года 2 года; 3 года 3 года; 3 года; 7 лет 6 лет 5 лет 3 года; 6 лет
1965 19в) 1966 1 970 1976 1980 1986 1990 1996 2000 2006 2010
0,4
-1,4
Рис. 7. Вейвлет (а) и временной ход (б) температуры промежуточного слоя на полигоне «Купол» в зимний период
к масштабам порядка 15-18 лет, а в дальнейшем — к 28-30-летним циклам с заметным совпадением периодов похолодания и минимумов дисперсии для 30-летних циклов. На глубинных горизонтах слабо выражена короткопериодная изменчивость, и сильно выделяется период около 30 лет, к которому идет передача энергии с более мелких масштабов.
На построенных для солености вод в поверхностном слое вейвлет-спектрах заметна периодичность около 3 лет, 6-8 лет, а затем идет передача энергии на заметный масштаб порядка 35 лет, который можно отметить и на графике временного хода солености. Для промежуточного и глубинного слоев хорошо выражен лишь период 35 лет.
При сравнении с вейвлет-спектрами индексов атмосферной циркуляции стоит отметить, что периоды изменчивости температуры и солености воды совпадают для периодов 3 года, 6-8 лет и заметно совпадение периодов на больших масштабах. Говорить о достоверности циклов более 10 лет при данной длине ряда сложно, поэтому полученные результаты отражают лишь возможную изменчивость исследуемой характеристики. В целом выявленные периодичности совпадают с периодичностями, обнаруженными в результате спектрального анализа вод в данном районе.
Выводы
В результате выполненной в настоящей статье работы получено наглядное представление о временной изменчивости термохалинных характеристик вод полигона «Купол» и линейных трендах. В целом для поверхностных вод на различных полигонах
в зимний период линейные тренды с года усиления изменяются в пределах от +0,05°С/ год до +0,08°С/год, для промежуточных вод около 0,03°С/год и около +0,04°С/год для глубинных вод. Для солености вод линейные тренды составляют в поверхностных слоях около 0,008%о/год, а в более глубоких слоях около 0,002%о/год.
На основе анализа отличий в вертикальной структуре воды были выделены два характерных периода. Обобщенная Т8 кривая для периода 1979-84 гг. характеризуется значениями Т = -1,22°С и 8 = 34,654% на поверхности, на глубинах 200 м температура достигает максимума--0,34°С, на глубинных горизонтах значения температуры воды близки к -1,1°С, значения солености составляют порядка 34,89%. Вторым выделенным периодом стали 2006-2012 гг. Можно отметить, что в вертикальном распределении температуры воды не происходит инверсии — температура уменьшается от +0,38°С на поверхности до -0,85°С в придонном слое. В то же время соленость вод остается стабильно высокой (от 34,881% на поверхности до 34,916% на глубине 3500 м).
Анализ автокорреляционных функций и спектральной плотности данных позволил выделить основные периоды изменчивости температуры и солёности в каждом районе исследований. По результатам анализа температурных и соленостных разрезов и Т8-диаграмм, можно предположить, что в последнее десятилетие в динамической структуре гренландского циклонического круговорота произошли значительные изменения. На западной периферии круговорота Ян-Майенское течение, переносящее арктические поверхностные воды с низкой температурой и соленостью, было замещено возвратным атлантическим течением. Характерные значения температуры этих вод в 1996 г. составляли +0,2°С, а в 2006 г., +0,5°С при значениях солености до 34,92%. С 1991 г. отмечено увеличение температуры и солености поверхностных вод в центральной части Гренландского моря, что обусловило блокировку конвективных процессов. Ослабление процессов осенне-зимней конвекции в совокупности с уменьшением интенсивности циклонического круговорота, вызванным минимизацией горизонтальных градиентов температуры и солености между центром и периферией циркуляции, привело к деградации (с 1991 г.) и полному исчезновению (с 1996 г.) структуры «купола» донных вод, ограниченных изотермой -1°С. Установлено, что блокировка конвективных процессов в 2000-х годах произошла за счет повышения поверхностной температуры, а не за счет распресне-ния поверхностного слоя, как это происходило в предшествующий период.
По результатам взаимокорреляционного анализа выявлено влияние вод Северо-Атлантического течения на изменения термохалинных параметров на полигоне «Купол» в пределах временных сдвигов от -6 до 3 лет. Для связи с Норвежским течением замечена отрицательная корреляция на сдвигах (-8-14 лет) для температуры воды и до -6 лет для солености промежуточных и глубинных вод и положительная взаимосвязь на сдвигах 1-2 года для температуры воды и до 7 лет для поверхностной солености. Для всех районов при анализе взаимосвязи временных рядов, как температуры, так и солености, часто отмечаются максимальные коэффициенты корреляции при нулевом сдвиге. По-видимому, этот факт свидетельствует о присутствии третьего фактора, влияющего на оба района. В качестве этого фактора могут служить изменения в атмосфере.
Связь с процессами в атмосфере, при совместном рассмотрении характеристик вод «Купола» и температуры воздуха на о. Ян-Майен, показала широкий (0-5 лет)
диапазон сдвигов с взаимным влиянием друг на друга изменений температуры воздуха и воды. Взаимосвязь между изменениями индекса NAO и характеристик вод «купола» была выявлена лишь между значениями NAO в отдельные месяцы и значениями термохалинных параметров на различных горизонтах. Использование индекса NAO оправдано для расчета внутригодовой изменчивости, когда учитываются характеристики вод, осредненные помесячно.
Вейвлет-анализ позволил выявить основные периодичности в изменении температуры, и при сравнении с вейвлет-спектрами индексов атмосферной циркуляции стоит отметить, что периоды изменчивости температуры и солености воды совпадают для периодов 3 года, 6-8 лет, и заметна похожая изменчивость на больших масштабах.
Начиная с 1991 г., наблюдались значительные положительные тренды температуры и солености вод, что оказало заметное влияние на всю структуру толщи исследуемого бассейна. Взаимосвязь района с окружающими акваториями и широкий спектр связанных процессов позволяют говорить о возможных значительных изменениях в ближайшее время. Смена знака тренда в изменчивости температуры и солёности, наблюдаемая в 2008-2011 гг. (рис. 3), дает основания предположить возможное уменьшение температуры промежуточных вод, усиление Гренландского круговорота, увеличение продукции плотных вод, что приведёт к восстановление структуры «купола» донных вод и усилению конвекции.
Литература
1. Никифоров Е. Г., Шпайхер А. О. Закономерности формирования крупномасштабных колебаний гидрологического режима Северного Ледовитого океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 270 с.
2. Федоров К. Н., Островский А. Г. Климатически значащие физические параметры океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 42 с.
3. Langehaug H. R., Falck E. Changes in the properties and distribution of the intermediate and deep waters in the Fram Strait // Progress in Oceanography. 2012. Vol. 96. P. 57-76.
4. Bersch M., Yashayaev I., Koltermann K. P. Recent changes of the thermohaline circulationin the subpolar North Atlantic // Ocean Dynamics. 2007. Vol. 57. P. 223-235.
5. Broecker W. The Great Ocean Conveyor — discovering the trigger for abrupt climate change. Princeton: Princeton University Press, 2010. 172 p.
6. Jones E. P., Rudels B., Anderson L. G. Deep waters of the Arctic Ocean: origins and circulation // Deep Sea Research. Part I: Oceanographic Research Papers. 1995. Vol.42, N 5. P. 737-760.
7. Алексеев Г. В. Натурные исследования крупномасштабной изменчивости в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 112 с.
8. Häkkinen S. A. Proshutinsky Freshwater content variability in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. P. 3-51.
Статья поступила в редакцию 28 июня 2014 г.
Контактная информация
Федорова Анастасия Дмитриевна — аспирант; [email protected] Попов Андрей Вадимович — кандидат географических наук; [email protected] Рубченя Андрей Валерьевич — кандидат географических наук; [email protected]
Fedorova Anastasiia D. — post graduate student; [email protected] Popov Andrey V. — Candidate of Geographic Sciences; [email protected] Rubchenya Andrey V. — Candidate of Geographic Sciences; [email protected]
