Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика состояния изученности Охотского моря
1.1. Географическое положение, границы, основные морфометрические характеристики, рельеф дна 9
1.2. Гидрометеорологические условия 11
1.3.Обзор исследований внутригодовой изменчивости океанологических условий 18
1.4. Обзор исследований межгодовой изменчивости режима вод Охотского моря 22
2. Материалы и методика исследований
2.1. Характеристика исходных данных 27
2.1. Оценка достоверности межгодовой изменчивости и сезонного хода температуры воды 32
2.3. Статистические подходы к исследованию межгодовой изменчивости термических условий вод Охотского моря 34
3. Сезонная изменчивость температуры воды в Охотском море 41
3.1. Пространственно-временное распределение температуры поверхностных вод 42
3.2 . Особенности внутригодовых изменений температуры воды в деятельном слое моря 62
3.3 .Сезонная изменчивость промежуточных вод Охотского моря 76
4. Межгодовая изменчивость термического состояния вод Охотского моря .
4.1.Оценка возможности выделения межгодовых колебанийтемпературы воды 94
4..2. Анализ многолетних изменений термического состояния вод 101
4.3. Долгопериодная изменчивость температуры придонных вод западнокамчатского шельфа 113
5. Изменчивость температуры воды Охотского моря, связь с гидрометеорологическими факторами и ее влияние на биоту Охотского моря .
5.1. Оценка возможного влияния гидрометеорологических факторов на формирование термических условий вод Охотского моря 122
5.2. Динамика численности некоторых видов рыб в связи с долгопериодной изменчивостью термических условий вод Охотского моря 134
5.3. Многолетняя изменчивость термических условий вод и макропланктона (эвфаузиид) в северной части Охотского моря 145
Заключение 149
- Оценка достоверности межгодовой изменчивости и сезонного хода температуры воды
- Особенности внутригодовых изменений температуры воды в деятельном слое моря
- Анализ многолетних изменений термического состояния вод
- Динамика численности некоторых видов рыб в связи с долгопериодной изменчивостью термических условий вод Охотского моря
Введение к работе
Актуальность темы. Охотское море считается одной из самых высокопродуктивных акваторий Мирового океана. В последнее десятилетие прошлого столетия в море ежегодно добывалось до 1.2-^-1:8 млн. тонн минтая, до 100+350 тыс. тонн сельди, до 30+50 тыс. тонн камчатского краба. Состояние запасов минтая, охотской сельди, тихоокеанских лососей, наваги, камбал, палтуса, других рыб и беспозвоночных позволяет вести здесь рациональный промысел биологических объектов. Высокая биологическая продуктивность моря обусловлена своеобразием его физико-географического положения и комплексом климатических и океанологических факторов, определяющих условия формирования первичной продукции, использующейся животными более высокого уровня.
В течение последнего десятилетия прошлого века в дальневосточных морях и сопредельных водах Северной Пацифики наблюдались существенные перестройки в составе и структуре планктонных и нектонных сообществ. Наряду с антропогенным воздействием изменения в биоте связываются с изменчивостью астрономических и геофизических факторов через воздействие на атмосферу и гидросферу Земли [134]. Пространственные и временные флуктуации температуры воды являются индикатором изменений, происходящих в абиотических условиях экосистемы моря. Температура играет важную роль на всех стадиях жизни морских организмов, развитие фитопланктона и зоопланктона, служащих кормовой базой для гидробионтов, тесным образом связано с термическим состоянием вод.
Исследование сезонной и межгодовой изменчивости температуры воды в Охотском море является важной научной и прикладной задачей. Изучение временной изменчивости термики вод и пространственной структуры полей температуры воды при различных типах термического режима представляет интерес не только для промысловой океанографии, но для промысла гидробионтов. Особенности и закономерности долгопериодных флуктуации термических условий используются при составлении промысловых прогнозов.
В последние годы особое внимание уделяется особенностям гидрологического режима вод моря в связи с освоением месторождений нефти на шельфе острова Сахалин.
Несмотря на большое количество публикаций российских и иностранных
авторов, посвященных изучению различных аспектов гидрологии Охотского моря,
наименее освещенными в научной литературе остаются вопросы многолетней
изменчивости океанологических процессов. Исследование долгопериодной
изменчивости в этих работах было ограничено длительностью используемых рядов наблюдений. Типизация термических условий проводилась для отдельных районов моря. Не выполнялась, за редким исключением, статистическая оценка характеристик, отражающих сезонные и межгодовые вариации термического режима вод.
С середины 80х годов прошлого века значительно интенсифицировались экосистемные и промыслово-океанографические исследования ТИНРО - центра в Охотском море. Возросло количество экспедиций, проводимых научно-исследовательскими судами Академии наук по российским и международным программам изучения океанографических условий дальневосточных морей. Накопление новых данных и пополнение информации за счет недоступных ранее ретроспективных наблюдений позволило значительно увеличить наполнение океанологической базы данных Охотского моря.
Значительное увеличение количества информации, улучшение ее качества за счет использования данных современных высокоточных океанологических зондов позволяет произвести новое обобщение наблюдений термических условий моря, выполнить статистическую оценку долгопериодных изменений термического режима, определяющих формирование океанологического климата и оказывающих существенное влияние на биоту моря.
Цель и задачи работы. Цель работы - изучение сезонной и многолетней изменчивости термических условий вод Охотского моря. При этом решались следующие задачи:
- сформировать из всех доступных источников наиболее полную базу океанографических данных;
выполнить расчет и анализ характеристик внутригодовой изменчивости температуры воды на основе климатического распределения температуры воды, а также статистическую оценку достоверности сезонных колебаний температуры воды в толще вод моря;
провести преобразование исходных полей температуры воды на естественные ортогональные функции (ЕОФ); восстановить пропущенные значения с применением метода ЕОФ на выделенном горизонте всей акватории моря и метода множественной линейной регрессии для придонных вод шельфа западной Камчатки; оценить возможность выделения многолетних флуктуации температуры воды на акватории Охотского моря;
выполнить оценку временных рядов, отражающих многолетние изменения термических условий Охотского моря, с использованием статистических критериев;
оценить возможное воздействие гидрометеорологических факторов на изменения термического состояния вод Охотского моря;
исследовать влияние временных колебаний температуры воды на изменения в экосистеме.
Научная новизна.. Сформирована база данных Охотского моря, содержащая максимальное на настоящее время количество наблюдений температуры воды (более 93 тыс. станций). Создан наиболее полный массив измерений придонной температуры воды для района Западной Камчатки. Впервые рассчитаны статистически достоверные и условные глубины распространения сезонных колебаний температуры воды в толще вод Охотского моря. Впервые рассчитаны амплитуды (размах) внутригодовых колебаний температуры воды на акватории моря на горизонте 100 м., уточнены сроки времени наступления экстремальных значений температуры воды на поверхности и горизонте 50 м. Для горизонтов 100 и 200 м построены средние многолетние ежемесячные, а для горизонтов 500 и 1000 м средние многолетние сезонные карты распределения температуры воды. Впервые показана смена знака сезонных аномалий температуры воды (относительно средних многолетних годовых значений) на промежуточных глубинах (200-500 м) на большей части акватории Охотского моря. Впервые произведен анализ пространственно -временной многолетней изменчивости температуры воды для всей акватории
7 Охотского моря и выполнена классификация термических условий за период с 1950 по 2001 г. Впервые показано на статистически достоверных рядах данных, что в «теплые» типы лет происходит увеличение биомассы охотоморского минтая, а также нерестового запаса популяции гижигинско-камчатской сельди. На защиту выносится:
1) уточненное климатическое распределение температуры воды на различных
горизонтах от поверхности до 1000 м;
2) параметры внутригодовой изменчивости температуры воды в деятельном
слое моря и промежуточных водах;
межгодовые изменения температуры воды на «ключевом» горизонте для Охотского моря в целом и придонной температуры воды в районе Западной Камчатки, а также классификация лет по термическим условиям;
статистически значимые связи между показателями термического состояния вод и возможными влияющими гидрометеорологическими факторами;
влияние долгопериодной изменчивости термического режима вод на колебания биологических параметров.
Практическая значимость работы. Результаты проведенного исследования реализуются при составлении фоновой части долговременных, квартальных и путинных прогнозов состояния биологических запасов Охотского моря; используются в оперативной работе при оценке океанологических условий по типу термического режима вод. Статистические связи среда-объект могут быть использованы при долгосрочном рыбопромысловом прогнозировании. Работа выполнена в соответствии с планом НИР ТИНРО (тема: 2.1.1.5)
Апробация. Отдельные положения и главы работы докладывались: на коллоквиумах лаборатории промысловой океанографии и отчетных годовых сессиях ТИНРО в 1996-2001 г., на Всесоюзной конференции «Рациональное использование биоресурсов Тихого океана» (Владивосток, 1991), на IV Международном Симпозиуме WESTPAC океанографического комитета ЮНЕСКО (Окинава, Япония, 1998), на Международной конференции организации PICES (Циндао, Китай, 2002), на Международном совещании «Изучение глобальных изменений на Дальнем Востоке» (Владивосток, 2002), на Международном совещании PICES «Охотское море и сопредельные районы» (Владивосток, 2003), на Океанологическом семинаре ТОЙ
8 ДВО РАН и биологической секции Ученого Совета ТИНРО-Центра (Владивосток, 2003). По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 12 тезисов докладов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Текст работы изложен на 168 страницах. Содержит 44 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 200 наименований, в том числе 52 иностранных.
Оценка достоверности межгодовой изменчивости и сезонного хода температуры воды
Как следует из работы [75], в качестве основной меры рассеяния при статистической обработке океанографических данных можно рассматривать среднее квадратическое отклонение (а) имеющее размерность вычисляемой величины. При нормальном законе распределения и достаточном количестве наблюдений среднее квадратическое отклонение характеризует 68 % всех возможных отклонений. Результаты расчетов в различных районах Мирового океана свидетельствуют, что даже при малом количестве измерений, стандартные отклонения могут служить, хотя бы, приблизительной оценкой погрешности измерений. Расчет средних квадратичных отклонений производится по формуле: о- = J 1 (2.1). V п Для исключения «выбросов» случайных данных, попавших в базу в результате погрешностей различного происхождения, применялось правило За: «выбросы» значений (Xj) гидрологических характеристик исключались в том случае, если они отличались от средних (X ) больше, чем на За, т. е. если выполнялось неравенство; Xj- Х. Зст, где а - стандартное отклонение. Исключение данных допускалось лишь в случае грубых ошибок и при условии, что распределение имело хотя бы приблизительно нормальный характер [4].
Предварительный критический контроль данных выполнялся с учетом известных к настоящему времени закономерностей пространственно-временного распределения температуры в Охотском море. Это существенно уменьшало вероятность исключения больших отклонений величин, обусловленных естественной изменчивостью. В Охотском море отмечается значительная сезонная и межгодовая изменчивость океанологических характеристик. Однако, в исследованиях как правило, отсутствуют оценки достоверности полученных результатов. На первом этапе анализа межгодовой изменчивости температуры воды, как и в работе [198], проверялась гипотеза о возможности выделения межгодовой составляющей в колебаниях температуры воды. Эта задача реализовывалась с помощью факторного дисперсионного анализа [52]. Дисперсия температуры воды в каждом квадрате представлялась в виде суперпозиции межгодовой и случайной составляющих: В этих выражениях Yij -температура воды в j году, a i= 1, nj; nj - число наблюдений в j году, Y} - средняя годовая температура воды в j году, Y- многолетняя средняя температура воды, (7 межгодовая - межгодовое среднее квадратическое отклонение, рассчитываемое за ряд лет по среднемесячным данным одного заданного месяца, характеризует изменения от года к году; 2 СУ случайная - обусловлена КОрОТКОПерИОДНОЙ ИЗМЄНЧИВОСТЬЮ ТЄрМИЧЄСКИХ условий, пространственной неоднородностью наблюдений, ошибками измерений. Охотское море было разбито на трапеции 2 по широте и 3 по долготе, для которых выполнялись вычисления. Лимитирующий коэффициент (т2) был определен из соотношения: у, 2 меж годовая , / 2 / -V О" е общая Он характеризует вклад изменчивости температуры воды, обусловленной межгодовыми флуктуациями.
Для оценки достоверности выделения межгодовой изменчивости с помощью таблиц распределения Фишера [52] находились ее предельные ошибки (±Аг)- При построении средних месячных распределений температуры воды по многолетним наблюдениям, произведено осреднение данных по одноградусным ( по широте и долготе) «квадратам»; рассчитаны средние значения температуры воды (X), экстремальные значения в их годовом ходе, средние квадратические отклонения и ошибки. Проблема учета ошибок наиболее актуальна в океанографических исследованиях, имеющих ограниченные объемы выборок. Так как выборочные средние месячные и годовые значения определяются с ошибками, то величину возможной ошибки определяли по соотношению: ±A=t -L- (2.4), jn-\ где t - коэффициент доверия, который берется из таблицы Стьюдента по заданной доверительной вероятности, о - среднее квадратическое отклонение конкретного ряда, an- его длина. Появление ошибок связано с межгодовой и короткопериодной изменчивостью гидрологических условий, пространственной неоднородностью наблюдений, ошибками измерений. Выборочные средние будут значимо различимы, если их доверительные интервалы не пересекаются [52, 112]. Это будет справедливо при выполнении, следующего соотношения: Xi-Xj t, ---...- +t, -.--С, (2. 5), -,77,-1 -jnj-l где n - количество наблюдений. В качестве меры годовых изменений элемента X принят средний размах: Хмакс -Хмии . Черта над значениями говорит об осреднении значений максимумов или минимумов, взятых за ряд лет. Соотношение (2.5) используется в работе при определении нижней границы проникновения сезонных колебаний. При этом в качестве принималось максимальное значение температуры воды в годовом ходе, а, соответственно, Xj - минимальное значение; nj и nj - количество наблюдений, произведенных в одноградусных трапециях, в эстремальные месяцы. 2. 3. Статистические подходы к исследованию межгодовой изменчивости термических условий вод Охотского моря Естественные ортогональные функции (ЕОФ) широко применяются в физике атмосферы и океана при анализе эмпирических данных. Основы использования метода ЕОФ при анализе метеорологических полей были заложены в работах [7, 8]. Первоначально, в основном, исследовалась пространственная структура метеорологических полей [1]. Метод ЕОФ применялся ранее для типизации поверхностных вод Охотского моря по ряду океанологических показателей [54, 55]. Для анализа временных рядов температуры поверхности в Охотском море и северо-западной части Тихого океана, метод ЕОФ использовался в работах [81, 153, 166]. В работе [87] этот метод был применен для выявления долгопериодных изменений температуры деятельного слоя вод Берингова моря. Большой объем исходной информации вызывает необходимость ее сжатия и выделения наиболее существенных особенностей в исследуемых процессах.
С этой целью все исходные поля раскладывались по естественным, или эмпирическим ортогональным функциям (ЕОФ) Метод разложения по ЕОФ основан на предварительном преобразовании исходного пространства признаков в новом базисе, в качестве которого выступает система ортонормированных функций, значение которых зависит от статистических свойств изучаемого поля. Поскольку обоснование метода и особенности применяемого математического аппарата неоднократно освещались в научной литературе [3, 7, 8, 70, 94, 132], ограничимся лишь кратким пояснением смысла разложения и его основных свойств. Разложение в ряды по эмпирическим функциям имеет цель наиболее точно в статистическом смысле описать рассматриваемое поле малым числом членов разложения. Для этого вводится ортогональная система нормированных функций Xj (rk) = Xj, к» заданная в точках поля Г . Значения Xj, к зависят от статистических свойств величины, подлежащей разложению. В нашем случае будем рассматривать отклонения значений температуры воды от среднего по времени в точках Гь которые обозначим: F(rk,tn) = Fk,n (n=l,2,...N) (2.6). Представим Fk,n в следующем виде: Рм=ІХЛ (Н М) (2.7). 7-1 И потребуем, чтобы средний квадрат ошибки представления функции Fk, п одним, двумя и т. д. членами разложения был минимален в том смысле, что любое изменение значений Xj, к приводит к росту среднего квадрата ошибок. То есть задачу разложения можно сформулировать как нахождение такой системы ортонормированных функций Xj; k, которая отражает свойства исходного поля и минимизирует уравнение (2.8). Опуская подробные выкладки, отметим, что функции, удовлетворяющие уравнению (2.8), представляют собой собственные вектора ковариационной или корреляционной матрицы рассматриваемого поля, а собственные числа этой матрицы равны дисперсиям коэффициентов разложения.
Особенности внутригодовых изменений температуры воды в деятельном слое моря
Сезонная изменчивость температуры воды на поверхности моря, в основном, определяется солнечной радиацией, горизонтальной адвекцией вод, ветровым и приливным перемешиванием. Формирование вертикального распределения температуры воды в толще вод происходит при сложном взаимодействии процессов конвекции и турбулентного перемешивания, переноса тепла течениями, теплового баланса поверхности моря и других факторов [1,47]. Из графиков вертикального распределения температуры воды (рис. 3.5) видно, что в южной глубоководной части моря внутригодовые изменения наиболее отчетливо выражены в слое 0+200 м, а в северной шельфовой части моря они проявляются только в слое 0+50 м. Ниже этих горизонтов сезонные различия температуры воды существенно уменьшаются. В марте (в период максимального развития зимней вертикальной конвекции) .минимальные значения температуры воды отмечаются от поверхности до горизонта 200 м в южной части моря и до 50+75 м на шельфе северной части моря. В дальнейшем (май, август) за счет уплотнения при смешении вод с различными характеристиками, и их адвективного переноса на шельфе моря; охлаждение постепенно распространяется до дна. Известно, что интенсивный прогрев поверхности моря приводит к повышению устойчивости стратификации и ослаблению перемешивания, уменьшая распространение тепла в глубинные слои [11, 65, 76, 119]. Летом (август) температура поверхности достигает максимальных значений. Вертикальные градиенты температуры воды в подповерхностном слое (ниже верхнего перемешанного слоя) также достигают своего максимума. Наличие слоя скачка температуры (и плотности), формирующегося в теплый период года в Охотском море, существенно ограничивает быструю передачу тепла вниз. Напротив снижение градиентов в сезонном термоклине зимой способствует быстрому охлаждению поверхностного слоя вод. Поэтому уже в декабре на севере моря и шельфе восточного Сахалина квазиизотермическое распределение температуры воды наблюдается от поверхности до 100+140 м, а в открытой части моря, соответственно, от поверхности до горизонта 75 м. При этом на горизонтах ниже 50 м, за счет запаздывания передачи тепла от поверхности моря вглубь, в декабре отмечается повышение температуры воды, по сравнению с августом.
Сезонные колебания температуры воды на различных горизонтах представлены на рисунке 3.6. Как видно, эти изменения имеют четко выраженный годовой ход. Температурный режим поверхностных вод моря характеризуется длительным холодным периодом с декабря - января по апрель - май, когда температура воды имеет минимальные значения и изменяется в небольших пределах. По окончании холодного периода под влиянием увеличения притока солнечного тепла происходит резкое повышение температуры воды. Теплый период с небольшими временными градиентами средних месячных температур выделяется в августе - сентябре, после чего происходит резкое охлаждение вод (до точки замерзания морской воды) на большей части акватории моря. Запаздывание в сроках наступления экстремумов температуры воды относительно радиационного баланса (минимум - декабрь, максимум - июнь [88]) составляет 1-2 месяца. Аномальность годового хода: в отдельных районах объясняется влиянием адвекции вод и вертикальной составляющей внутриводного теплообмена [82]. Для оценки преемственности сезонных изменений рассчитаны корреляционные матрицы хмежду месячными полями температуры воды (значения температуры воды в 297 центрах одноградусных трапеций) на поверхности Охотского моря. Коэффициенты, корреляции между значениями поверхностной температуры воды в мае и их соответствующими месячными значениями в июне-ноябре изменялись в пределах 0,61+0,82. Наличие устойчивых статистических связей (удовлетворяющих 95% уровню значимости) в период с мая по ноябрь свидетельствует о преимущественно однонаправленном (синхронном) развитии сезонных изхменений температуры воды на акватории Охотского моря. Только между полями температуры воды в мае и декабре значения коэффициента корреляции уменьшаются до 0,14, что связано с различной интенсивностью зимнего охлаждения вод на отдельных участках акватории моря и резким понижением поверхностной температуры воды в северной части моря. По мере распространения температурных колебаний от поверхности на нижележащие горизонты наблюдается постепенное уменьшение амплитуды колебаний с глубиной и фазовый сдвиг времени наступления экстремумов. На подповерхностных горизонтах время наступления эстремумов СхМещается относительно поверхности моря, при этом годовой ход температуры воды может искажаться под воздействием адвекции вод. Наиболее существенные колебания температуры наблюдаются в верхнем 0+50 м слое. На большей части моря, начиная с горизонта 100 м, они уменьшаются примерно на порядок.
Для исследования внутригодовой изменчивости термических условий акватории, покрытой льдом в холодный период года, нами использованы данные буйковых постановок: МІ (ст.266), М5 (ст.304), которые работали в течение года в районе Восточного Сахалина (см. рис.3. 6). Изменения температуры воды на станциях, расположенных в придонном слое воды на глубине 102 м (ст.266) и 131 м (ст.304), на расстоянии примерно 400 км между собой; происходили синхронно. Как видно из рисунка 3.7, в годовом ходе температуры воды отчетливо видны два абсолютных экстремума: максимум - в ноябре и минимум в январе. Если время наступления абсолютного максимума температуры воды в ноябре определялось запаздыванием распространения тепла из верхнего слоя моря вниз, то наличие локального максимума на ст. 266 в июле, по-видимому, связано с адвекцией вод. Понижение температуры воды, вызванное процессами охлаждения вод в результате вертикальной зимней конвекции, начинается также одновременно в декабре на обеих станциях. Таким образом, время перехода от абсолютного максимума до абсолютного минимума составляет всего два месяца. Как следует из рисунка 3.7, в период с января по июнь температура воды изменяется незначительно с -1,8 до- 1,4 С, затем с июля по ноябрь отмечается повышение температуры воды до -0,2+0,1 С. На основе графиков годового хода, примеры которых приведены на рисунках 3.6 и 3.7, построены карты размаха внутригодовых изменений температуры воды и схемы пространственного распределения времени наступления экстремумов температуры воды на акватории моря. На значительной акватории Охотского моря отсутствуют наблюдения в зимний период. По данным В.М. Глагольевой и А.Д. Ковалева [32] вертикальная зимняя конвекция вод до начала льдообразования в открытом море охватывает, по крайней мере, верхний 100-метровый слой воды. Поэтому, при построении карт характеризующих пространственно-временную изменчивость температуры воды на горизонтах 50-100 м, значения температуры воды подо льдом принимались близкой температуре замерзания (-1,7С). Максимальный размах сезонных колебаний температуры воды на поверхности Охотского моря (рис. 3.8А) отмечается в южной части моря и в Сахалинском заливе. В южной части моря это связано с повышенным притоком солнечной радиации и повышенной адвекцией теплых вод из Японского моря через пролив Лаперуза течением Соя в августе-сентябре. В Сахалинском заливе рост размаха сезонных колебаний температуры воды вызван увеличением температуры поверхностных вод в результате распространения теплых вод реки Амур. На большей части акватории моря годовой размах температуры составляет 10- 11 С. Минимальные значения внутригодовых изменений температуры воды наблюдаются в динамически активных районах (у восточных берегов острова Сахалин, у Шантарских островов, у центральных и северных проливов Курильской гряды, над банкой Кашеварова и вблизи полуострова Пьягина). Эти особенности обусловлены, в основном, интенсивным приливным перемешиванием водной толщи, что приводит в данных районах к понижению температуры воды на поверхности в теплый период года и ее повышению зимой. Следует отметить, что ранее при подобном пространственно
Анализ многолетних изменений термического состояния вод
Для анализа пространственно-временной структуры полей температуры воды, и восстановления пропущенных значений был использован метод разложения исходных полей температуры воды по естественным функциям (метод ЕОФ) [7, 8, 33, 70]. Этот метод ранее был успешно применен для выявления пространственно-временной изменчивости температуры воды на акватории дальневосточных морей и Северо-западной части Тихого океана, [81, 87, 153, 165]. В качестве исходной информации использованы средние поля, реконструированные из ежегодных аномалий температуры воды для периода с марта по июль. Для исключения сезонной составляющей хода температуры воды, данные предварительно центрировались, то есть использовались не абсолютные значения температуры воды, а их отклонения от средних месячных норм за каждый месяц с марта по июль на горизонте 50 м в каждой расчетной точке. Для аналитического представления аномалий температуры воды на горизонте 50 м была сформирована сетка из 43 точек.
Каждая из точек является центром трапеции. Пространственная дискретность между ними составляла 3 вдоль широты и 2 вдоль меридиана. Об амплитуде межгодовых колебаний температуры воды на горизонте 50 м в отдельных регионах Охотского моря можно судить по распределению средних квадратических отклонений аномалий температуры воды (см. рис. 4. Зд). Эти величины отражают изменчивость термических условий, связанных с влиянием различных процессов. Существенное воздействие оказывает различная степень охлаждения деятельного слоя вод Охотского моря в холодный период года. Хотя; безусловно, на эти колебания могут накладываться и изменения, происходящие под влиянием различной интенсивности и природы адвективных факторов. В частности, В.Б. Дарницким и Н.В. Булатовым [43] было показано влияние вихревых образований на формирование вертикальной изменчивости термохалинной структуры вод в южной части моря и. районе Курильских островов. В работах [123-125, 194] приводятся сведения о значительных межгодовых вариациях интенсивности теплого Западно-Камчатского и холодного Компенсационного течений у берегов западной Камчатки. Как видно из представленного рисунка 4.3д, на большей части акватории Охотского моря поле стандартных отклонений достаточно однородно, значения не превышают 0,3-Ю,6 С. Только в крайней южной части моря и в зал.. Анива они возрастают до 0,8+1,4 С.
Максимальная изменчивость в южной части моря, по-видимому, связана с различной интенсивностью процессов теплообмена океана и атмосферы в конкретные годы, взаимодействием вод Восточно-Сахалинского течения и течения Соя и межгодовыми изменениями границы распространения? теплых прибрежных вод в северном направлении. Обширная область относительно высоких значений средних квадратических отклонений (0,5+0,6 С) в северо-западной части моря связана с межгодовыми изменениями фронтального раздела вокруг динамически активной зоны банки Кашеварова и о-ва Ионы. Наличие относительно высоких значений (0,6+0,7 С) в северо-восточной части моря обусловлено, по-видимому, различной степенью проявления антициклонального меандра и интенсивностью опускания вод в районе глубоководного желоба и впадине ТИНРО, а также различной интенсивностью переноса и распространения теплых вод Западно-Камчатского течения. Относительное понижение амплитуд межгодовых колебаний в районе северных проливов Курильской гряды, вероятно, связано с влиянием приливного перемешивания, которое сглаживает сезонные и межгодовые колебания характеристик тихоокеанских вод, поступающих в Охотское море. Наличие относительно низких значений стандартных отклонений в крайней северо-западной части моря, обусловлено слабой изменчивостью и большей устойчивостью подповерхностного слоя вод к внешним воздействиям после прекращения зимних конвективных процессов.
Для анализа межгодовой изменчивости термических полей в Охотском море, были использованы только четыре первые составляющие разложения полей температуры воды на горизонте 50 м. Они аккумулируют 55,2 % суммарной дисперсии анализируемых полей. Первые порядковые номера коэффициентов разложения характеризуют изменчивость, обусловленную наиболее повторяемыми длительными, крупномасштабными факторами [90]. С увеличением порядкового номера естественные составляющие описывают процессы, масштабы которых постепенно уменьшается. Известно, что для анализа, учитывающего значительную пространственную и длительную аномальность процессов, соизмеримых с размерами исследуемой акватории, имеет смысл отбирать лишь несколько первых составляющих [87]. Первый собственный вектор несет 22,5 % межгодовой изменчивости температуры воды на горизонте 50 м (рис.4.4А) и представляет собой характеристику, которая отражает синхронные изменения гидрологических условий практически на всей акватории моря, исключая небольшие по размерам области в прибрежной северо-западной и крайней юго - западной частях моря. В этих областях межгодовые колебания происходят в противофазе с изменениями, происходящими на остальной акватории моря, на что указывают противоположные знаки первой составляющей разложения. В поле первой составляющей разложения максимальные значения отмечаются в крайней южной части моря и соответствуют области максимальных амплитуд межгодовой изменчивости температуры воды.
Локальный максимум в пространственном распределении первой компоненты разложения располагается также в северо-восточной части моря, что по расположению, соответствует «Восточному каналу» - области, где в мягкие и средние по ледовым условиям годы отсутствует ледовый покров. По-видимому, межгодовые изменения первой составляющей могут быть вызваны многолетними флуктуациями синоптических условий над Охотским морем, которые, в свою очередь, определяются крупномасштабной изменчивостью атмосферных процессов над северным полушарием. Второй собственный вектор аккумулирует 16,6 % суммарной дисперсии и характеризует процессы меньшего масштаба (рис. 4.4Б). Как и в поле первой компоненты, практически на всей акватории сохраняется один; и тот же знак собственного вектора, характеризующий однофазность межгодовых колебаний температуры воды. Ограниченные по площади области с противоположными знаками отмечаются только в северо - западной части моря. Максимальные значения второй компоненты ЕОФ находятся в крайней южной части моря. По величине они здесь сравнимы с первой составляющей. Вероятно, высокие значения второй составляющей в этой части моря можно трактовать как индикатор межгодовой изменчивости распространения теплых тихоокеанских вод в Охотском море, следующих через южные Курильские проливы и пролив Лаперуза [10], а также, как отражение взаимодействия теплых прибрежных вод острова Хоккайдо и холодных вод продолжения Восточно-Сахалинского течения. Однако влияние южного региона достаточно ограничено, о чем свидетельствует быстрое уменьшение в северовосточном направлении значений второй составляющей разложения полей температуры по ЕОФ.
Наличие локальных областей повышенных значений второй составляющей разложения в центральной и северной частях моря, может быть обусловлено изменчивостью динамики вод различного происхождения. Третий собственный вектор аккумулирует 9,2 % межгодовой изменчивости температуры воды и отражает противофазность изменений термических условий центральной части моря по отношению к северной и южной частям моря (рис. 4.4В). Эти особенности пространственного распределения в поле третьей составляющей свидетельствует о том, что при повышении температуры воды в центральной части моря происходит синхронное ее понижение в северном и юго-восточном районах моря и наоборот. Обращает на себя внимание соответствие области расположения максимальных отрицательных значений третьей составляющей разложения полей температуры по ЕОФ с районом наибольших внутригодовых флуктуации температуры воды в толще моря (см. гл. 3). Можно высказать предположение, что третья составляющая отражает межгодовые различия в интенсивности процессов вертикального и горизонтального теплообмена вод над Курильской котловиной и в прикурильском районе Охотского моря, происходящие в противофазе с центральными районами моря.
Динамика численности некоторых видов рыб в связи с долгопериодной изменчивостью термических условий вод Охотского моря
Под условиями среды обитания биологических организмов понимают изменяющийся во времени и пространстве абиотический фактор среды обитания, на который организмы реагируют по-разному в зависимости от его силы. В идеальном случае для данного вида можно было бы указать такой уровень условий, при которых жизнедеятельность особей этого вида протекает наилучшим образом. Трудность состоит в том, чтобы точно определить, что означает «наилучшим образом». Оптимальными условиями следует считать те, при которых особи данного вида оставляют наибольшее число потомков (т.е. оказываются наиболее приспособленными). Температура - это важнейшее из условий, влияющих на жизнедеятельность организмов [9]. Существует обширная литература, в которой исследовано влияние температуры воды на различные морские организмы от низших трофических уровней до рыб и млекопитающих. Как отмечается в работе В.П. Шунтова [143], температура воды является одним из главных факторов, от которого зависит функционирование видов и биоты в целом. Однако, за исключением-резко аномальных случаев, прямой связи урожайности поколений гидробионтов от температуры не обнаруживается. Ее действие, как правило, реализуется в совокупности с другими факторами, первостепенное значение для гидробионтов имеет не сама температура, а продолжительность и характер тенденции (в сторону повышения или понижения) в ее динамике.
Охотское море является одной из наиболее продуктивных акваторий Мирового океана. Это традиционный район промысла камчатского краба, минтая, сельди, тихоокеанских лососей и других гидробионтов. Результаты биологических и океанологических исследований служат научной основой рационального использования биологических ресурсов моря. Аномальные флуктуации океанологических условий могут создавать благоприятные или неблагоприятные условия внешней среды для существования биологических объектов. В биологических исследованиях отмечаются существенные изменения, происходившие в пелагических и донных сообществах дальневосточных морей в конце 20-го столетия [142, 143]. Поэтому все более актуальной становится проблема выявления закономерностей в долговременных изменениях режима вод Охотского моря. Важность предсказания этой изменчивости в прогнозировании запасов биологических ресурсов всегда была актуальной и привлекала внимание исследователей.
В задачу данного исследования не входило построение сценариев реагирования биологических объектов на изменения термических условий, которые зависят от видовой принадлежности организма, от характера условий и исследуемой реакции организма. Целью было установление статистических связей между долговременными крупномасштабными флуктуациями термического состояния вод и межгодовыми изменениями некоторых биологических показателей отдельных видов рыб и планктона, обитающих в Охотском море. В качестве индикаторов изменчивости термических условий моря были приняты временные флуктуации первой составляющей разложения по ЕОФ температуры воды и суммарный вклад первых четырех компонент разложения температуры воды по ЕОФ. В качестве показателей временной изменчивости биологических объектов были использованы сведения о многолетних изменениях запаса эвфаузиид [27], динамике численности минтая, заимствованные из опубликованных работ [2, 122], и нерестовом запасе охотской и гижигинско-камчатской популяций сельди (данные любезно предоставлены сотрудником ТИНРО к.б.н. И.В; Мельниковым). Привлечены также сведения о начале и продолжительности нерестового хода сельди, опубликованные в работе [159].
При всем разнообразии видов рыб экосистемы Охотского моря минтай является самым массовым и широко распространенным видом, он составляет основу вылова промысловых рыб в Охотском море, поэтому предвидение его долгопериодных изменений имеет особое значение для рыбного хозяйства [141, 142, 144]. В связи с широким распространением и обилием минтая наложение или суммарное воздействие климато-океанологических, биоценологических и антропогенных факторов на динамику его численности особенно выражено. Все более очевидно, что многолетнюю динамику численности вида, более того находящегося под значительным промысловым прессом, невозможно связать с каким-то одним даже мощным фактором [142]. В литературе имеются сведения о благоприятном влиянии на численность минтая как теплых, так и холодных лет [18, 38, 40, 71], что характеризует сложность явления. Вместе с тем, статистический анализ связей изменений термических условий и показателей биологического состояния минтая, основанный на достаточно длительных рядах наблюдений, к настоящему времени не производился. В многолетней динамике нерестового и промыслового запаса минтая присутствуют два максимума: в середине 80-х и середине 90-х годов (рис. 5.5а). В динамике численности поколений минтая северо-центральной части Охотского моря (следуя Н.С. Фадееву [122]) также отчетливо проявляются максимумы в середине 80- и 90-х гг. прошлого столетия (рис. 5.5 б). Температурный оптимум развития икры западнокамчатского минтая лежит в пределах от + 0,5 до 2,0 С. Однако в большинстве случаев, за исключением наиболее теплых лет, температура верхнего слоя вод характеризовалась отрицательными значениями. Особенно показательным в этом плане были март и апрель 1998 г., когда отрицательные аномалии достигали К 1,5 С. Столь низкие отрицательные значения температуры воды приводят к значительной задержке начала вегетации фитопланктона и очень жестко сопряженного с ним начала нереста большинства видов копепод и эфаузиид. В тоже время сроки массового нереста минтая сместились менее значительно. Кроме того, при отрицательных значениях температуры воды значительно увеличиваются сроки эмбрионального развития минтая, что определяет более длительное нахождение икры в планктоне и, соответственно, ее большее выедание. С 1984 по 1998 г. урожайные поколения западнокамчатского минтая появлялись только в годы, которые характеризовались либо средними, либо аномально положительными значениями температуры поверхностного (0-50 м) слоя вод [57, 113]. Однако еще раз заметим, что не следует считать температурный режим фактором прямого действия, определяющего урожайность поколений. На ход раннего онтогенеза и выживаемость потомства он воздействует через весь комплекс фенологических процессов, протекающих в зимне-весенний период в Охотском море. Наличие прямой связи между динамикой нерестового запаса и температурой вод свидетельствует о том, что периоды теплых по термическим условиям лет являются более благоприятными для формирования повышенных биомасс минтая, чем холодные годы. Также следует отметить, что снижение запасов охотоморского минтая, наблюдаемое в конце 90-х годов прошлого столетия, происходило на фоне общего понижения температуры воды в эти годы и увеличения общей деловитости моря. Однако, учитывая, что нерестовый запас формируется из рыб различного возраста, появившихся в различные по термическим условиям годы, вопрос об успешности воспроизводства минтая в «теплые» или «холодные» годы остается открытым. При этом следует отметить, что появление поколений наиболее высокой численности минтая в 1988, 1995 и. 1997 гг. приходится на «теплые» по термическим условия годы.
Ценными в промысловом отношении объектами: являются популяции тихоокеанской сельди. Тихоокеанская сельдь, вслед за минтаем, является важным компонентом пелагических биоценозов в экосистемах дальневосточных морей. В настоящее время наблюдается очередная волна роста биомассы охотской сельди на севере Охотского моря. В то же время, численность южных популяций приблизилась к своему историческому минимуму. Эти стада находятся в глубокой депрессии, в частности, популяция сахалино-хоккайдской сельди на юге моря. В динамике численности и промысловых уловах охотской популяции сельди отмечается значительная изменчивость с 5-6-летней и близкой к 20-летней цикличностями [93, 117, 118].
