CC BY
69
Известия ТИНРО
2006 Том 145
УСЛОВИЯ ОБИТАНИЯ ПРОМЫСЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 551.513
Дж.Кинг1, В.В.Иванов2, В.Курашов2, Р.Дж.Бимиш1, Г.А.МакФарлан1 (1Fisheries and Oceans Canada Pacific Biological Station Nanaimo, Canada, 2ААНИИ, г. Санкт-Петербург)
ИНДЕКС ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ НАД СЕВЕРНОЙ ЧАСТЬЮ ТИХОГО ОКЕАНА
Атмосферные процессы, формирующиеся над Северной Пацификой, по данным для периода 1900-2004 гг. классифицированы в один зональный и два меридиональных типа. Ежегодная повторяемость зонального типа циркуляции с 1972 г. превышает среднемноголетнюю норму, в то время как количество меридиональных процессов ниже среднемноголетнего уровня. Представлен новый показатель — тихоокеанский циркуляционный индекс, который может быть использован исследователями для выделения периодов (эпох) преобладающих циркуляционных процессов. Отмечено, что в зимние сезоны (декабрь—март) периода 19002004 гг. индекс общей атмосферной циркуляции над Тихим океаном хорошо согласован с индексом алеутского минимума; схожие тенденции в их ходе отмечены в середине 1920-х, конце 1940-х и конце 1970-х гг. Установлено, в частности, что в периоды с низкой активностью Алеутской депрессии интенсивность проявления меридиональных процессов зимой — на уровне средней или выше (19001925 и 1947-1976). В периоды повышенной активности Алеутской депрессии, наоборот, количество меридиональных процессов ниже среднемноголетнего (19261946 и 1977-1988 гг.). Тихоокеанский циркуляционный индекс, наряду с индексом алеутского минимума, отражает эпохи и изменения и характеризует механизм передачи энергии от атмосферы в океан. Это полезный индикатор климата северной части Тихого океана и океанических систем, который может быть использован как показатель взаимосвязи продуктивности океана с климатом.
King J.R., Ivanov V.V., Kurashov V., Beamish R.J., McFarlane G.A.
An index of general circulation of the atmosphere over the North Pacific // Izv. TINRO. — 2006. — Vol. 145. — P. 220-227.
The atmospheric processes over the North Pacific are categorized for 19002004 into a zonal and two meridional types. The zonal circulation process has dominated since 1972 with positive anomalies of annual frequency , while the annual frequency of the meridional processes has been below average. A new index, the Pacific Circulation Index, is introduced here and can be used to describe periods of dominance of certain circulation processes, or circulation epochs. For winter (December—March), this index has a good agreement with the index of the Aleutian Low Pressure; both of them had similar trends changed in the middle 1920s, late 1940s, and late 1970s. Generally, periods with weak Aleutian Low experienced average or above average meridional processes in winter (e.g. 1900-1925 and 1947-1976). Conversely, periods with intense Aleutian Low experienced below average meridional processes (e.g. 19261946 and 1977-1988). The Pacific Circulation Index reflects the epochs and shifts
denoted by the Aleutian Low Pressure Index. It represents an energy transfer mechanism from the atmosphere to the ocean and is a useful indicator of the North Pacific climate and ocean systems. The index can be developed for studies of ocean climate influence on water productivity.
Использование макрометеорологических методов в долгосрочном метеорологическом прогнозировании впервые было предложено Г.Я.Вангенгеймом (1952) для Атлантико-Евразийского региона. На основе анализа ежедневных приземных барических карт циркуляционные процессы над северным полушарием классифицировались им в три типа: один зональный и два меридиональных. В научно-исследовательском институте Арктики и Антарктики (ААНИИ) составлен каталог ежедневных форм атмосферных циркуляционных процессов, формирующихся над Атлантико-Евразийским регионом с 1891 г., успешно использующийся в обеспечении долгосрочных прогнозов. Этот каталог используется для изучения взаимосвязи многолетних изменений в атмосферной циркуляции с ходом температуры и осадков (Гирс, 1971), а также с колебаниями климата и скоростью вращения Земли (Сидоренков, Свиренко, 1991).
Долгопериодные флюктуации характера атмосферной циркуляции над Ат-лантико-Евразийским регионом представлены в виде индекса атмосферной циркуляции, который отражает доминирующие изменения в характере атмосферной циркуляции северного полушария и используется как показатель климатических сдвигов (Beamish et al., 1999). По схожему принципу А.А.Гирс (1971) разработал аналогичную схему классификации для Тихоокеанско-Североамериканского региона. Недавно ААНИИ выпустил каталог циркуляционных процессов для Тихо-океанско-Североамериканского региона, который охватывает период с 1900 по 2004 г.
Во многих областях исследования окружающей среды часто возникает необходимость оценить взаимосвязь атмосферных процессов с региональными условиями. Например, в рыбохозяйственной науке связи между атмосферными, океанологическими и биологическими процессами помогают в понимании климатического воздействия на морские ресурсы.
Для Тихоокеанско-Американского региона показатель, подобный индексу атмосферной циркуляции, описанному для Атлантико-Евразийского региона, разработан не был. Хотя, например, в рыбохозяйственной науке Тихоокеанского региона он был бы весьма полезен для исследования зависимости морских ресурсов от климатических условий.
Цель данной работы — описать циркуляционные эпохи в Северотихоокеанском регионе, используя многолетние данные повторяемости зональных и меридиональных процессов из каталога, составленного в ААНИИ. На основе приведенных в каталоге типов атмосферных процессов для Тихоокеанско-Амери-канского региона и был разработан тихоокеанский индекс циркуляции.
Для иллюстрации того, что этот новый индекс атмосферной циркуляции хорошо соответствует характеру изменчивости других атмосферных процессов, мы связали зимний тихоокеанский индекс циркуляции с индексом алеутского минимума, который был получен с помощью объективных данных о состоянии поверхностного барического поля.
Область Алеутской депрессии является квазистационарной системой низкого давления в Северной Пацифике, располагающейся преимущественно над Алеутскими островами. Алеутский минимум усиливается зимой и ослабевает весной следующего года. Соответственно от интенсивности области низкого давления зависят активность зимних штормов (Bromirski et al., 2003), изменение глубины залегания слоя термоклина в океане (Miller et al., 2004), океанологические условия в прибрежных районах восточной и западной частей Северной Пацифи-ки (Gargett, 1997; Nagasawa, 2000; Seager et al., 2001; Lluch-Belda et al., 2003).
Обнаружены связи соотношения размеров, интенсивности и местоположения алеутского минимума с первичной продуктивностью в центральных районах Северной Пацифики (Venrick et al., 1987) и распространением Куросио—Ойясио (Goes et al., 2004). Подобные зависимости получены и для представителей высших трофических уровней, таких как крабы (Paralithodes camtschaticus, P. platypus, Chionoecetes bairdi, C. opilio), японская сардина (Sardinops japonica), тихоокеанский лосось (Oncorhynchus spp.), угольная (Anoplopoma fimbria) и конюга-крошка (Aethia pusilla) (Beamish and Bouillon, 1993; Beamish et al., 1999; Yasuda et al., 1999; King et al., 2000; Nagasawa, 2000; Zheng and Kruse, 2000; Jones et al., 2002).
Соотношение интенсивности и положения Алеутской депрессии определяет характер атмосферной циркуляции над Северной Пацификой. В связи с этим тихоокеанский циркуляционный индекс, разработанный нами для зимних месяцев, представляет характер Алеутской депрессии, но одной цифрой.
Построение ежедневных синоптических карт для Северо-Американского региона северного полушария за период с января 1900 по декабрь 1999 г. осуществлялось по ежедневным значениям давления на уровне моря. В ААНИИ при помощи этих карт все циркуляционные процессы визуально разделялись на типы в соответствии с классификацией А.А.Гирса (1971). Согласно его схеме выделено три типа: зональный (Z), меридиональный 1 (M1) и меридиональный 2 (M2) (рис. 1). Зональные процессы характеризуются западно-восточным переносом воздушных масс циклонами в средних и полярных широтах и антициклонами в субтропической части Тихого океана. Эти процессы связаны с наличием термических волн малой амплитуды в тропосфере. Процессы М1 характеризуются "волнообразным" западно-восточным переносом и связаны с наличием крупного тропосферного гребня над центральными районами Северной Пацифики и тропосферной ложбины над ее восточной частью. Этому типу соответствуют юго-западный перенос воздушных масс над прибрежными районами на северо-западе Тихого океана и северо-западный перенос — над северо-восточными районами океана. Процессы М2 имеют противоположные относительно М1 характеристики, с северо-западной направленностью циркуляции над прибрежными районами на северо-западе Тихого океана и юго-западной — над его северо-восточными районами.
"Ъ
Рис. 1. Схематическая диаграмма трех классифицированных типов атмосферной циркуляции над Северной Пацификой
Fig. 1. Schematic diagram of the three classification schemes for atmospheric circulation procresses over the North Pacific
Было определено суммарное за год и зиму (декабрь—март) количество каждого типа процессов как отклонение от среднегодового значения 19001966 гг. (рассчитывались аномалии). Далее устанавливались временные периоды, когда повторяемость одного из трех процессов была выше среднего, а остальных двух — пониженной. Для характеристики этих периодов мы использовали термин "циркуляционная эпоха".
Аномалии долгопериодных значений каждого процесса суммируются к нулю, так что отрицательные аномалии одного временного ряда равны сумме двух других, например: - аномалия М1 = (аномалия Z + аномалия М2). В этом случае основой для определения индекса атмосферной циркуляции являются отрицательные аномалии меридиональных процессов, соответствующие процессу M1. Эти аномалии представлены в виде интегральной кривой, отображающей изменения в преобладании атмосферных процессов; для расчета этих изменений и был разработан тихоокеанский циркуляционный индекс. Расчет индекса производился для года и для зимнего периода (декабрь—март).
Область Алеутской депрессии наибольшей интенсивности достигает зимой. Индекс состояния Алеутского минимума разработан Бимишем и Буиллоном (Beamish and Bouillon, 1993), усовершенствован Бимишем с соавторами (Beamish et al., 1999) и определяется как среднемесячная площадь низкого давления в северной части Тихого океана за декабрь—март, очерченная изобарой менее или равной 1005 гПа, в отклонении от среднемноголетнего значения площади для 1950-1997 гг. Для определения площади использовались данные о давлении на уровне моря, которые снимались с 5-градусных среднемесячных приземных карт, составленных в Национальном центре исследования атмосферы (Боулдер, Колорадо, США). Сравнение значений зимнего тихоокеанского циркуляционного индекса атмосферы с индексом алеутского минимума проводилось в виде сопоставления интегральных кривых.
Наиболее отличительная особенность многолетней повторяемости процессов Z, M1 и M2 — существование периода i — длительности аномально высокой повторяемости зонального типа Z в период 1973-2000 гг. (рис. 2, А) — и соответственно периода ii — длительности аномально низкой повторяемости обоих меридиональных типов, М1 и М2 (рис. 2, В, С). Эта 26-летняя циркуляционная эпоха зональных процессов Z является наиболее длительной за весь период наблюдений, с 1900 по 1999 г. По изменению повторяемости выделяются следующие эпохи: Z — 1900-1909 гг.; М1 — 1910-1924; Z — 1925-1932; М2 — 19341952; Z — 1953-1961; M2 — 1962-1972 гг. (рис. 2). В целом межгодовой ход количества типа Z противоположен характеру изменения количества типа М2 (рис. 2), т.е. в периоды аномально высокой (низкой) повторяемости типа Z количество типа М2 бывает аномально низким (высоким). Что касается процессов М1, то кроме периода 1910-1924 гг. отмечается только один длительный период их пониженной повторяемости, в 1970-2004 гг.
В ходе тихоокеанского циркуляционного индекса (рис. 3, А) отмечено общее снижение в 1900-1924 гг., и после периода относительной стабильности, пришедшегося на 1925-1948 гг., в 1949-1973 гг. вновь произошло его снижение, однако после 1974 г. наметилась тенденция к росту его значений. Зимний тихоокеанский циркуляционный индекс (рис. 3, В) был относительно неизменным в 1900-1923 гг., затем постепенно увеличивался до 1948 г., уменьшался в 1949-1976 гг. и вновь увеличивался в 1977-1988 гг., а после 1989 г. сохранялся на одном уровне.
Наблюдается выраженное соответствие между изменениями, проявляющимися в ходе зимнего тихоокеанского циркуляционного индекса, и интегральными значениями индекса алеутского минимума (рис. 4). В целом отмечается хорошая согласованность между обоими индексами, рассчитанными за год, на что указывают обнаруженные тренды: падению либо росту интегральной кривой индекса
Рис. 2. Годовое количество дней с аномально высокой повторяемостью (выше среднего уровня, определенного за период 1900-1966 гг.) атмосферных процессов Z (A), M1 (В) и M2 (С)
Fig. 2. The annual number of days above 1900-1966 average for the Z process (A), Ml process (B) and M2 process (C)
алеутского минимума соответствует уменьшение либо увеличение значений тихоокеанского циркуляционного индекса. Эта согласованность указывает на то, что в периоды усиления Алеутской депрессии отмечается аномально высокая повторяемость зональных (2) и меридиональных (М2) процессов при одновременном сокращении количества процессов М1.
А
Рис. 3. Тихоокеанский циркуляционный индекс атмосферной циркуляции для Тихоокеанско-Североамериканского региона: А — для года, В — для зимнего периода (декабрь—март)
Fig. 3. The atmospheric circulation index for the Pacific-North American region (A) the annual Pacific Atmospheric Circulation Index and (B) the winter (December—March) Pacific Atmospheric Circulation Index
о
^ .700 -]-,-,-,-,--,----r—
1900 1915 1930 1945 1960 1975 1990
В
1900 1915 1930 1945 1960 1975 1990
Рис. 4. Зимний тихоокеанский циркуляционный индекс (1) и интегральная кривая индекса алеутского минимума (2) Fig. 4. The winter Pacific Circulation Index (1) and integrative form of the Aleutian Low Pressure Index (2)
-100
-150 1900
1910 1920
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
В последние десятилетия (с конца 1970-х до 2004 г.) в ходе интегральных кривых индекса алеутского минимума и зимнего тихоокеанского циркуляционного индекса обнаружился тренд на увеличение с коротким периодом стабилизации с конца 1980-х до конца 1990-х гг.
Атмосферные процессы над Северной Пацификой претерпевают изменения "эпохальных" масштабов. Переход от одной циркуляционной эпохи к другой представлен изменениями в наклоне кривой хода тихоокеанского циркуляционного индекса. Новый индекс может быть полезен для исследователей, занимающихся проблемами изменчивости климата северной части Тихого океана, особенно в
масштабах десятилетий. Зимний тихоокеанский циркуляционный индекс хорошо согласуется с индексом алеутского минимума, позволяющим оценивать состояние Алеутской депрессии. Как правило, в периоды ослабления интенсивности депрессии количество меридиональных (М1) процессов зимой достигает средне-многолетнего уровня и выше (как в 1900-1925 и в 1947-1976 гг.), что соответствует усилению юго-западной циркуляции у восточного побережья России и северо-западной циркуляции у западного побережья Канады.
Тихоокеанский циркуляционный индекс может представлять интерес для специалистов в междисциплинарных исследованиях, например в океанологии и ихтиологии. Поскольку атмосферные переносы оказывают непосредственное воздействие на характер океанологических процессов и циркуляцию вод, можно предположить, что морская продуктивность тесно связана с изменениями упомянутого тихоокеанского циркуляционного индекса. Например, направленность атмосферных переносов может быть главной причиной перехода от зимнего даун-веллинга к летнему апвеллингу у западного побережья Канады (Thomson, 1981). С направлением и интенсивностью зимнего сезонного даунвеллинга связывается продуктивность зоопланктона (Brodeur and Ware, 1992) и выживаемость на ранних стадиях жизни некоторых видов рыб, таких как окунь и угольная (McFarlane et al., 1997). Зимний тихоокеанский циркуляционный индекс является показателем изменений в экосистеме и поэтому может быть использован наряду с другими индексами для определения сдвигов в климатических и океанологических системах, может быть индикатором для выявления связи рыбной продуктивности с климатическими изменениями в Северной Пацифике.
ААНИИ намерен разработать метод прогнозирования циркуляционных процессов для Атлантико-Евразийского региона и в дальнейшем планирует разрабатывать схожие прогнозы для Тихоокеанско-Североамериканского региона. По прогностическим значениям зимнего тихоокеанского циркуляционного индекса можно будет составлять прогнозы океанологических условий и рыбопродуктивности.
Литература
Вангенгейм Г.Я. Основы макроциркуляционного метода для долгосрочного прогнозирования в Арктике: Тр. ААНИИ. — 1952. — Т. 34. — 314 с.
Гире А.А. Долгопериодные изменения атмосферной циркуляции и гидрометеорологические прогнозы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971. — 280 с.
Сидоренков И.С., Свиренко П.И. Долгопериодные изменения в атмосферной циркуляции и колебания в первом естественно-синоптическом регионе // Атмосферные процессы Земли: Тр. Гидрометеорологического научно-исследовательского центра СССР. — 1991. — Т. 316. — С. 93-104.
Beamish R.J. and Bouillon D.R. Pacific salmon production trends in relation to climate // Can. J. of Fish. and Aquat. Sci. — 1993. — № 50. — P. 1002-1016.
Beamish R.J., Noakes D., McFarlane G.A. et al. The regime concept and natural trends in the production of Pacific salmon // Can. J. of Fish. and Aquat. Sci. — 1999. — № 56. — P. 516-526.
Brodeur R.D. and Ware D.M. Long term variability in zooplankton biomass in the subarctic Pacific Ocean // Fish. Oceanogr. — 1992. — № 1. — P. 32-38.
Bromirski P.D., Flick R.E. and Cayan D.R. Storminess variability along the California coast: 1858-2000 // J. of Climate. — 2003. — № 16. — P. 982-993.
Gargett A.E. The optimal stability 'window': a mechanism underlying decadal fluctuations in salmon stocks? // Fish. Oceanogr. — 1997. — № 6. — P. 109-117.
Goes J.I., Gomes H.R., Limsakul A. and Saino T. The influence of large-scale environmental changes on carbon export in the North Pacific ocean using satellite and shipboard data // Deep Sea Research (II Topical Studies in Oceanography). — 2004. — № 51. — P. 247-279.
Jones I.I., Hunter F.I. and Robertson G.I. Annual adult survival of Least Auklet (Aves, Alcidae) varies with large-scale climatic conditions of the North Pacific ocean // Oecologia. — 2002. — № 133. — P. 38-44.
King J.R., McFarlane G.A. and Beamish R.J. Decadal-scale patterns in the relative year class success of sablefish (Anoplopoma fimbria) // Fish. Oceanogr. — 2000. — № 9. — P. 62-70.
Lluch-Belda D., Lluch-Cota D.B. and Lluch-Cota S.E. Scales of interannual variability in the California Current system: associated physical mechanisms and likely ecological impacts // California Cooperative Ocean. Fish. Investigat. Rep. — 2003. — № 44. — P. 76-85.
McFarlane G.A., Saunders M.W., Thomson R.E. and Perry R.I. Distribution and abundance of larval sablefish (Anoplopoma fimbria), off the west coast of Vancouver Island and linkages to physical oceanography // Proc. of the Intern. Sablefish Sympos. on the Biology and Management of Sablefish / Eds. M.E.Wilkins, M.W.Saunders. — Nat. Ocean. and Agricult. Administr. Tech. Rep. Nat. Mar. Fish. Service, 1997. — № 130. — 275 p.
Miller A.J., Chair F., Chiba S. et al. Decadal-scale climate and ecosystem interactions in the North Pacific ocean // J. of Oceanogr. — 2004. — № 60. — P. 163-188.
Nagasawa K. Long-term changes in the climate and ocean environment in the Okhotsk Sea and western North Pacific and abundance and body weight of East Sakhalin pink salmon (Oncorhynchus gorbuscha) // North Pac. Anadrom. Fish Comm. Bull. — 2000. — № 2. — P. 203-211.
Seager R., Kushnir Y., Naik N.H. et al. Wind-driven shifts in the latitude of the Kuroshio-Oyashio extension and generation of SST anomalies on decadal timescales // J. of Climate. — 2001. — № 14. — P. 4249-4265.
Thomson R.E. Oceanography of the British Colombia Coast: Can. Spec. Publ. of Fish. and Aquat. Sci. — 1981. — № 56. — 291 p.
Venrick E.L., McGowan J.A., Cayan D.R. and Haysare T.L. Climate and chlorophyll a: long-term trends in the central North Pacific Ocean // Science. — 1987. — № 238. — P. 70-72.
Yasuda I., Sugisaki H., Watanabe Y. et al. Interdecadal variations in Japanese sardine and ocean/climate // Fish. Oceanogr. — 1999. — № 8. — P. 18-24.
Zheng J. and Kruse G.H. Recruitment patterns of Alaskan crabs in relation to decadal shifts in climate and physical oceanography // ICES J. of Mar. Sci. — 2000. — № 57. — P. 438-451.
Поступила в редакцию 2.11.05 г.
