Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предмет исследования, использованные данные и методы 14
Рисунки к Главе 1 31
Глава 2. Крупномасштабные океанические фронтальные зоны климатического происхождения 38
2.1. Глобальная география, климатология и сезонная изменчивость океанических фронтальных зон .38
Рисунки к разделу 2.1 .46
2.2. Многофронтальная структура океанических фронтальных зон 52 Рисунки к разделу 2.2 .62
2.3. Сезонный меридиональный фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана 65
Рисунки к разделу 2.3 73
2.4. Квазидекадная изменчивость и фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана 76
Рисунки к разделу 2.4 .96
2.5. Сравнительный анализ долгопериодной изменчивости основных фронтальных зон Мирового океана и ее связь с крупномасштабным атмосферным воздействием 107
Рисунки к разделу 2.5 115
2.6. Поверхностные проявления крупномасштабных фронтальных зон и сопутствующих мезомасштабных явлений на спутниковых изображениях видимого диапазона 128
Рисунки к разделу 2.6 .144
Глава 3. Фронтальные зоны прибрежных климатических апвеллингов 153
3.1. Двухфронтальная структура, синоптическая изменчивость и фронтогенез в системе Бенгельского апвеллинга .153
Рисунки к разделу 3.1 .175
3.2. Декадные изменения в системе Канарского апвеллинга и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием .186
Рисунки к разделу 3.2 203
Глава 4. Фронтальные зоны в морях .212
4.1. Система фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей 213
Рисунки к разделу 4.1 224
4.2. Долгопериодная изменчивость фронтов и поля темрературы поверхности в Черном и Эгейском морях и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием .231
Рисунки к разделу 4.2 .257
Заключение .272
Список использованных источников .
- Многофронтальная структура океанических фронтальных зон 52 Рисунки к разделу 2.2
- Квазидекадная изменчивость и фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана
- Декадные изменения в системе Канарского апвеллинга и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием
- Долгопериодная изменчивость фронтов и поля темрературы поверхности в Черном и Эгейском морях и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием
Введение к работе
Актуальность исследования. Крупномасштабные океанические фронтальные зоны (ОФЗ) климатического происхождения и фронтальные зоны прибрежных климатических апвеллингов являются важнейшими элементами структуры и общей циркуляции Мирового океана, поддерживаемыми глобальным перераспределением потоков тепла и количества движения. Долгопериодная изменчивость ОФЗ интегрально отражает процессы взаимодействия океана и атмосферы и изменения климата. Сами ОФЗ служат важным звеном в механизмах формирования декадной климатической изменчивости океана и в цепи передачи энергии по каскаду масштабов от элементов глобальной океанической циркуляции до мелкомасштабных явлений. В связи с этим изучение долгопериодной (квазидекадной) изменчивости ОФЗ является актуальной океанологической задачей.
ОФЗ также являются областями высокой биопродуктивности и имеют важное рыбопромысловое значение. Фронтальные зоны климатических апвеллингов представляют естественные границы прибрежных экосистем и оказывают на них существенное влияние. Последнее крайне актуально для жизнедеятельности населения прибрежных регионов (промысел морепродуктов, поддержание биоразнообразия, сохранение окружающей среды).
Основная цель исследования - изучить долгопериодную (квазидекадную) изменчивость основных климатических ОФЗ Мирового океана (субполярных, субтропических, экваториальных), фронтальных зон прибрежных климатических апвеллингов, а также пространственно-устойчивых (в климатическом плане) фронтов и поля температуры поверхности ряда внутренних морей на основе анализа глобальных спутниковых измерений температуры поверхности океана (ТПО) и установить связь этой изменчивости с крупномасштабными атмосферными воздействиями. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Построить глобальные среднемесячные климатологические карты распределения величины локального градиента ТПО (как индикатора интенсивности фронтов) в Мировом океане по спутниковым измерениям,
идентифицировать на них крупномасштабные ОФЗ и установить циклы их сезонной изменчивости.
-
Построить временные ряды основных характеристик ОФЗ (максимума меридионального градиента зонально осредненной ТПО и его широтного положения) в Мировом океане и провести сравнительный анализ их долгопериодной изменчивости.
-
Установить связь вариаций основных ОФЗ с долгопериодной изменчивостью крупномасштабного атмосферного воздействия.
-
Получить на основе простой одномерной модели однородного перемешанного слоя оценки меридионального фронтогенеза, обусловленного изменчивостью потоков тепла и количества движения на сезонном и межгодовом масштабах и сравнить их с реально наблюдавшимися скоростями фронтогенеза.
-
Изучить особенности структуры, изменчивости и фронтогенеза системы фронтальных зон Бенгельского апвеллинга в районе побережья Намибии.
-
Провести детальное исследование декадного сдвига режима интенсивности системы Канарского апвеллинга в начале 1990-х гг. по спутниковым данным о ТПО и оценить его влияние на биопродуктивность.
-
Описать систему фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей и исследовать межгодовую изменчивость участка фронта Куросио в Восточно-Китайском море и ее связь с изменчивостью системы Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК).
-
Исследовать сезонную и межгодовую изменчивость пространственно-устойчивых термических фронтов и поля температуры поверхности моря (ТПМ) в Черном и Эгейском морях и их связь с изменчивостью крупномасштабных атмосферных процессов (Северо-Атлантическое колебание - САК, Восточно-Атлантическое - Западно-Русское колебание - ВАЗР).
Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые
на защиту:
1. Показано, что сезонная изменчивость климатических ОФЗ проявляется в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Максимум интенсивности субполярных ОФЗ достигается летом соответствующего полушария, а субтропических - синхронно в обоих полушариях (зимой
Северного полушария). Ядра субтропических ОФЗ в обоих полушариях синхронно смещаются к югу/северу зимой/летом Северного полушария, что связано с сезонным меридиональным смещением области максимума конвергенции экмановского переноса.
-
Установлено, что все субполярные и субтропические ОФЗ в Мировом океане обнаруживают хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 7-10 лет) изменчивость, проявляющуюся в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Усиление градиента ТПО сопровождается смещением ядер зон к северу в обоих полушариях для субполярных и к полюсам для субтропических ОФЗ. Амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО в ОФЗ в Северном полушарии в 2-3 раза выше, чем в Южном.
-
Обнаружено, что долгопериодная изменчивость интенсивности субполярных и субтропических ОФЗ с высокой достоверностью положительно коррелирована с долгопериодными вариациями аномалий меридионального сдвига зональной компоненты ветра. Интенсивность субполярной ОФЗ в Северной Атлантике также положительно коррелирована с изменчивостью САК.
-
Подтверждено, что сезонная и межгодовая изменчивость фронтогенеза в климатических ОФЗ средних широт в первом приближении определяется меридиональной изменчивостью экмановского воздействия и суммарного теплового потока на поверхности и может быть рассчитана в рамках простой одномерной модели однородного перемешанного слоя.
-
Показано, что период изменчивости северной экваториальной ОФЗ Тихого океана составляет 4-5 лет и определяется изменчивостью системы ЭНКЖ. Во время событий Эль-Ниньо происходит резкое уменьшение интенсивности экваториальной ОФЗ.
-
Установлено, что долгопериодная изменчивость системы Канарского апвеллинга проявляется как декадный сдвиг режима интенсивности апвеллинга от ослабленного в 1980-х гг. к очень интенсивному в 1990-х гг., который связан с долгопериодной изменчивостью меридиональной компоненты ветра, обусловленной вариациями САК, и может влиять на биопродкутивность системы.
-
Показано, что участок фронтальной зоны Куросио на границе Восточно-Китайского моря испытывает межгодовую изменчивость с периодами, соответствующими периоду колебаний системы ЭНКЖ (4-5 лет).
-
Обнаружено, что изменчивость интенсивности фронта в северо-западной части Черного моря отрицательно коррелирована с изменчивостью осредненной по акватории среднезимней ТПМ, которая контролируется изменчивостью САК.
Практическое значение. Полученные фактические результаты относительно долгопериодной изменчивости океанических фронтальных зон и ее связи с атмосферным воздействием могут быть использованы для верификации и совершенствования моделей климатических изменений общей циркуляции океана и взаимодействия в системе океан-атмосфера в целях улучшения долгосрочных прогнозов. Поскольку ОФЗ и климатические апвеллинги являются областями высокой биопродуктивности и естественными границами морских экосистем, данные об их долгопериодной изменчивости могут использоваться при решении практических вопросов, связанных с промыслом морепродуктов, сохранением биоразнообразия, охраной окружающей среды.
Достоверность результатов проведенных исследований определяется использованием регулярных исходных спутниковых данных высокого разрешения о ТПО, рассчитанных по единым для всего Мирового океана и временного интервала современным алгоритмам; применением адекватных методов обработки исходных данных; корректной оценкой статистической значимости полученных корреляций в условиях коротких рядов; хорошей сопоставимостью модельных оценок фронтогенеза с наблюдениями; соответствием полученных результатов имеющимся литературным данным.
Личный вклад автора. Соискателем лично:
собраны многолетние массивы глобальных спутниковых измерений ТПО и метеоданных, послужившие фактической основой выполненного исследования;
выполнена обработка первичных данных, получены и проанализированы среднемноголетние и среднемесячные карты распределения локального градиента ТПО в Мировом океане и многолетние ряды характеристик изменчивости основных ОФЗ и атмосферного воздействия;
- проведен корреляционный анализ связей между интенсивностью и
меридиональным положением ядер фронтальных зон и меридиональным сдвигом
зональной компоненты ветра, на основании которого получены выводы о роли
атмосферного воздействия в формировании долгопериодной изменчивости ОФЗ;
получено фронтогенетическое уравнение для оценки скоростей продукции меридионального градиента ТПО, обусловленных различными факторами и проведено сравнение модельных и наблюдавшихся скоростей фронтогенеза;
принималось непосредственное участие в получении всех использованных в работе натурных судовых данных;
- написана основа большинства статей, опубликованных в соавторстве; представлены на конференциях и научных семинарах результаты выполненных по теме диссертации исследований.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации докладывались на семинарах Лаборатории экспериментальной физики океана и заседаниях Ученого совета Физического направления ИО РАН; на семинарах в Морском университете Циндао (КНР, 1989-90); в Центре космических полетов им. Го ддар да/NASA (США, 1993-94); в Институте исследования глобальных изменений/FRONTIER Research System for Global Change (Япония, 1998-99); в Португальском институте рыболовства и океанографии (IPIMAR, Лиссабон, 2003); в Греческом институте океанографии (Афины, 2005, 2006, 2007); в университете Жироны (Испания, 2010, 2012); на заседании кафедры океанологии Географического факультета МГУ (2013); совместном заседании семинара и научно-технического совета Отдела исследования Земли из космоса ИКИ РАН (2013); семинаре Отдела долгосрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России (2013).
Материалы представлялись также на следующих российских и международных конференциях: международный Льежский коллоквиум по гидродинамике океана (Бельгия, 1992); PORSEC-92 (Япония, 1992), PORSEC-98 (КНР, 1998), PORSEC-2002 (Индонезия, 2002); симпозиум Океанографического общества США по тихоокеанскому бассейну (Гонолулу, 1994); международный симпозиум TRIANGLE-98 (Япония, 1998); рабочая группа/симпозиум ЕС-Япония по изменениям климата (Япония, 1999); 24-я Генеральная ассамблея EGS
(Нидерланды, 1999); PACON99 (Москва, 1999); Генеральная ассамблея IUGG (Великобритания, 1999); 4-я португальско-испанская ассамблея по геодезии и геофизике (Португалия, 2004); международные конференции Комиссии по защите Черного моря от загрязнения (Стамбул, 2006; София, 2008); Генеральная ассамблея EGU (Австрия, 2006, 2012); международная конференция «Проблемы биологической океанографии XXI века» (ИНБЮМ, Севастополь, 2006); международный симпозиум по влиянию изменений климата на Мировой океан (Испания, 2008); 39-й Конгресс SIESM (Венеция, 2010); Открытая всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" ИКИ РАН (Москва, 2008, 2009, 2011, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 23 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертаций, 11 статей в изданиях, не упомянутых в списке ВАК, 19 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка использованных источников. Объем тома 310 страниц, включая 101 рисунок и 9 таблиц. Список литературы включает 231 наименование, в том числе 165 на иностранных языках.
Благодарности. Автор, в первую очередь, искренне признателен академику РАН Р.И. Нигматулину за его мягкое, но настойчивое предложение оформить результаты многолетних исследований автора в виде докторской диссертации, что дало уверенность в осуществимости проекта. Автор глубоко благодарен д.ф.-м.н. А.Г. Зацепину и д.ф.-м.н. А.Г. Костяному за ценные советы и консультации и моральную поддержку на протяжении всего времени работы над диссертацией. Автор также благодарен член-корреспонденту РАН В.Г. Нейману, член-корреспонденту РАН С.К. Гулеву, член-корреспонденту РАН С.А. Добролюбову, д.г.н. П.О. Завьялову, д.ф.-м.н. К.А. Коротенко, д.ф.-м.н. Г.И.Баренблатту, д.ф.-м.н. О.В. Копелевичу, д.ф.-м.н. В.И. Бышеву, д.г.н. А.Н. Косареву, д.б.н. Т.А. Шигановой, д.ф.-м.н. Г.М. Резнику, д.г.н. Ю.А. Романову, д.ф.-м.н. Н.П. Кузьминой, д.ф.-м.н. М.Н. Кошлякову и другим коллегам за конструктивные замечания. Особая благодарность к.ф.-м.н. А.И. Гинзбург за помощь в оформлении диссертации.
Многофронтальная структура океанических фронтальных зон 52 Рисунки к разделу 2.2
Сезонная изменчивость. В отличие от субполярных ОФЗ, наблюдаемых в поле градиентов ТПО в течение всего года в обоих полушариях, поверхностные проявления субтропических фронтов имеют сезонный характер. Такая сезонность отмечалась ранее в ряде региональных исследований для северного полушария (Roden, 1980; Bohm, 1988; Halliwell et al., 1991). Однако нам удалось обнаружить существенные различия в сезонной изменчивости субтропических ОФЗ между двумя полушариями Kazmin and Rienecker, 1996). В отличие от субполярных ОФЗ, сезонная изменчивость интенсивности субтропических фронтальных зон в обоих полушариях синхронизирована по времени и достигает максимума в период с ноября по март, когда фронты находятся в их максимально смещенном к югу положении. Таким образом, в этот период (ноябрь-март) субтропические ОФЗ в Северном полушарии представляют собой отдельные (от субполярных ОФЗ), четко идентифицируемые структуры, тогда как в Южном полушарии их южные границы имеют тенденцию к слиянию с субполярным фронтом и образованию единого пояса повышенных градиентов ТПО (рис. 2.1.1, февраль). Примечательным исключением является центральная область южной части Тихого океана (170 з.д.-120 з.д.), где меридиональное разделение двух зон слишком велико для их слияния. Важной особенностью сезонной изменчивости является синхронное в обоих полушариях меридиональное смещение субтропических ОФЗ (или, скорее поясов увеличенного градиента ТПО, связанного с фронтальными зонами) к северу весной северного полушария. В северном полушарии это смещение приводит к слиянию субполярной и субтропической зон в конце августа и к виртуальному исчезновению последней (точнее, ее проявлений в поле градиентов ТПО) в пределах ее климатологических границ. В этот же период в Южном полушарии субтропические фронты отделяются от субполярных и становятся четко различимыми, хотя и менее интенсивными (рис. 2.1.1, август) структурами. Эти процессы наиболее наглядно проявляются на компьютерной анимации среднемесячных климатологических карт, которая также подтверждает, что проявления субтропических ОФЗ в поле градиента ТПО в Южном полушарии (в отличие от Северного полушария) наблюдаются в течение всего года; сезонная изменчивость здесь проявляется в меридиональной миграции ядра фронтальных зон и их южных границ, тогда как северные границы ОФЗ сохраняют более или менее постоянное положение.
Субполярный фронт в северной части Тихого океана достигает максимальной интенсивности летом северного полушария (градиенты ТПО до 1.5-1.8 С/100 км) и проявляется в виде непрерывного когерентного пояса между 39 с.ш. и 42 с.ш. практически вдоль всего бассейна. В Южном океане субполярный фронт имеет квазинепрерывную циркумполярную структуру. Он четко идентифицируется как независимая структура зимой южного полушария, тогда как летом южного полушария (в результате слияния с субтропической ОФЗ) становится частью широкого пояса повышенных градиентов ТПО.
Северный и южный экваториальные фронты в Тихом океане проявляются в течение всего года. При этом северный фронт значительно превосходит по интенсивности южный (1.0-1.3 С/100 км и 0.5-0.8 С/100 км, соответственно). Северный экваториальный фронт имеет максимальную интенсивность в период с июля по ноябрь, а южный – с марта по июнь, при этом величина градиента ТПО в этот период меняется незначительно. Сезонная изменчивость проявляется в резком уменьшении градиента ТПО в феврале-марте для северного фронта и в сентябре-октябре для южного.
Локальный градиент ТПО, использованный выше для описания глобального распределения и общей качественной картины сезонной изменчивости поверхностных проявлений основных ОФЗ, может также быть полезен для исследования внутренней структуры и мезомасштабной изменчивости внутри индивидуальных фронтальных зон. Для получения количественных характеристик сезонной и межгодовой изменчивости интенсивности и меридионального положения ОФЗ далее будет использоваться также величина меридионального градиента зонально осредненной ТПО, определяемая как G(y,t)=( T /y), где T обозначает зонально осредненную ТПО. Зональное осреднение фильтрует мезомасштабную пространственную изменчивость поля ТПО (Halliwell and Cornillon, 1990; Kazmin and Rienecker, 1996) и позволяет выделить основные крупномасштабные особенности изменчивости ОФЗ. Такое зональное осреднение применимо в центральных областях среднеширотных зон Мирового океана где, вдали от районов продолжений западных пограничных течений, ОФЗ имеют преимущественно зональную ориентацию, а также в экваториальной части Тихого океана (где экваториальные фронты в силу своей природы ориентированы строго зонально). В рамках задачи данного раздела (сезонная изменчивость) были построены среднемноголетние месячные карты глобального распределения ТПО. Далее было проведено зональное осреднение ТПО в пределах районов, показанных на рис. 2.1.1 (Тихий океан: 20-50 с.ш. - 160 в.д.-170 з.д., 10 ю.ш.-10 с.ш. - 100-130 з.д. и 20-60 ю.ш. - 120-160 з.д.; Атлантический океан: 20-60 с.ш. - 20-40 з.д. и 20-60 ю.ш. - 0-20 з.д.; Индийский океан: 20-60 ю.ш. - 50-90 в.д.) и получены среднемноголетние меридиональные профили зонально осредненной ТПО для каждого месяца. В среднеширотных областях выбранные районы осреднения охватывают субполярные и субтропические ОФЗ (рис. 2.1.1). Затем были рассчитаны величины меридиональных градиентов зонально осредненной ТПО (G) и определены их максимальные значения (Gmax) для каждой ОФЗ и широтное положение Gmax (ядро ОФЗ).
Квазидекадная изменчивость и фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана
Декадные изменения ТПО в 1980-х и 1990-х гг. по спутниковым данным. На рис. 2.4.2А в виде функции широты и времени представлены среднезимние (декабрь-февраль) аномалии зонально осредненной ТПО (150 в.д.-175 з.д.) в северо-западной части Тихого океана, полученные на основе спутниковых измерений. Аномалии рассчитаны как отклонения от среднего за весь период наблюдений. Очевидно, что квазидекадная изменчивость на представленной иллюстрации доминирует над межгодовой. В частности, в средних широтах отрицательные аномалии наблюдались на протяжении 1980-х гг. и достигали экстремальных значений в середине десятилетия. В этот холодный период самые сильные отрицательные аномалии концентрировались в узкой зоне СПФЗ, расположенной между 38 с.ш. и 44 с.ш. (см. также рис. 2.4.5А). Далее, после быстрого перехода в 1988 г., последовал теплый период с максимумом значений положительных аномалий, наблюдавшихся в 1990-91 гг. также в области СПФЗ.
Противоположная картина наблюдалась в субтропической зоне к югу от 27 с.ш., где в начале 1980-х и 1990-х гг. обнаруживались отрицательные аномалии ТПО, а в промежутке – положительные. В субтропиках аномалии ТПО были в целом менее интенсивными и распределены более однородно по сравнению с более высокими широтами. Это может быть связано с тем, что наиболее интенсивная декадная изменчивость в СТФЗ наблюдается восточнее линии смены дат (Nakamura et al., 1997; также рис. 2.4.1b), за пределами исследуемого района.
В целом, эволюция аномалий ТПО, полученная на основе спутниковых данных (рис. 2.4.2А), согласуется с полученной по данным UWM/COADS (рис. 2.4.2Б). Однако, спутниковые данные показывают более высокие значения аномалий и более выраженную привязку аномалий к ОФЗ по сравнению с судовыми измерениями (из-за существенно более низкого разрешения последних).
Декадная изменчивость градиента ТПО в 1980-х и 1990-х гг. по спутниковым данным. Для анализа квазидекадных изменений интенсивности и меридионального положения ОФЗ и крупномасштабного меридионального фронтогенеза будет использоваться, как и в разделе 2.3, величина меридионального градиента зонально осредненной ТПО, определяемая как G(y,t)=( T /y), где T обозначает зонально осредненную (150 в.д.-175 з.д.) ТПО. На рис. 2.4.3 в виде функции широты и времени представлены среднезимние (декабрь-февраль) значения G, рассчитанные по спутниковым (MCSST; рис. 2.4.3А) и судовым (COADS; рис. 2.4.3Б) данным. На рис. 2.4.3А проявляются две основных постоянных зоны интенсивных градиентов в пределах 36 с.ш.-46 с.ш. и 27 с.ш.-31 с.ш., соответствующие СПФЗ и СТФЗ. Эти две ОФЗ четко разделены областью слабых градиентов ТПО в течение практически всего времени, за исключением конца холодного периода в СПФЗ в 1986-87 гг. В этот период отрицательная аномалия ТПО в продолжении Куросио и в СПФЗ достигала 35 с.ш. Одновременно в СТФЗ наблюдалась интенсивная положительная аномалия, что привело к значительному усилению величины G между двумя зонами. Фактически, в этот период (1986-87 гг.) произошло слияние СПФЗ и СТФЗ в обширную область повышенных градиентов, простирающуюся от 27 с.ш. до 45 с.ш.
В рассматриваемый период СПФЗ сохранялась как четко выраженная, когерентная структура с высокими значениями G, идентифицируемая как по спутниковым (рис. 2.4.3А), так и по судовым (хотя и с меньшими деталями; рис. 2.4.3Б) данным. СТФЗ характеризуется более слабыми значениями G (примерно на 40% ниже по сравнению с СПФЗ) и идентифицируется как самостоятельная отдельная структура, существующая весь период наблюдений, только по спутниковым данным. Различия в интенсивности двух фронтальных зон связаны с тем, что СТФЗ расположена внутри субтропического круговорота (в области с относительно невысокими меридиональными градиентами ТПО), тогда как СПФЗ образует границу между субтропическим и субполярным круговоротами, которая разделяет две водные массы со значительными температурными контрастами. В рассматриваемый период СТФЗ на квазидекадном масштабе демонстрирует тенденцию к уменьшению G (рис. 2.4.4), что подтверждается также спутниковыми картами, осредненными за 1984-85 гг. и 1992-93 гг. (рис. 2.4.5). На этих иллюстрациях наглядно видно, что СТФЗ, однозначно идентифицируемая как организованная фронтальная зона в середине 1980-х гг., существенно ослабевает и теряет когерентность в начале 1990-х гг.
Декадные изменения меридиональной протяженности, положения ядра (зоны максимальных градиентов) и интенсивности СПФЗ отчетливо проявляются на рис. 2.4.3. По спутниковым данным видно, что СПФЗ в целом была смещена к югу в холодный период, а затем сместилась к северу на 3-4 широты при переходе к теплому периоду. Этот сдвиг к северу более выражен для южной границы, чем для северной. Подобное меридиональное смещение (хотя и менее выраженное) заметно также и на судовых данных (рис. 2.4.3Б). На рис. 2.4.3А видно, что градиент ТПО на оси СПФЗ (отмеченной как положение максимума G; точечная линия) усиливается при смещении фронта к северу в теплый период. Эта тенденция более наглядно представлена на рис. 2.4.4, который показывает величину G по спутниковым данным, осредненную в пределах фиксированного широтного пояса, примерно соответствующего климатическому положению фронтальной зоны. Та же тенденция, хотя и менее выражено, прослеживается и по зонально осредненным судовым данным (рис. 2.4.3Б).
Декадные изменения в системе Канарского апвеллинга и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием
В этом разделе представлены сравнительные данные о долгопериодной изменчивости основных крупномасштабных климатических ОФЗ Мирового океана и ее связи с крупномасштабным атмосферным воздействием, полученные на основе анализа спутниковых измерений ТПО высокого пространственного разрешения (4 км х 4 км по пространству и 1 месяц по времени; продукт PATHFINDER) за 1982-2009 гг. и данных о поле ветра (реанализ NCEP/NCAR) за тот же период (Казьмин, 2012, 2013). Для получения количественных характеристик межгодовой изменчивости интенсивности и широтного положения ОФЗ использовалась (как и ранее для исследования сезонной изменчивости в разделе 2.1) величина меридионального градиента зонально осредненной ТПО, определяемая как G(y,t)=( T /y), где T обозначает зонально осредненную ТПО. Зональное осреднение фильтрует мезомасштабную пространственную изменчивость поля ТПО (Halliwell and Cornillon, 1990; Kazmin and Rienecker, 1996) и позволяет выделить основные крупномасштабные особенности долгопериодной изменчивости ОФЗ. Такое зональное осреднение применимо в центральных областях среднеширотных зон Мирового океана где, вдали от районов продолжений западных пограничных течений, ОФЗ имеют преимущественно зональную ориентацию, а также в экваториальной части Тихого океана (где экваториальные фронты в силу своей природы ориентированы строго зонально). Зональное осреднение ТПО проводилось в пределах тех же районов, которые использовались в разделе 2.1 для анализа сезонной изменчивости (рис. 2.1.1). В среднеширотных областях выбранные районы осреднения охватывают субполярные и субтропические ОФЗ. Предварительно было проведено осреднение ТПО для сезонов максимальной интенсивности ОФЗ, различных для субполярных и субтропических зон и для северного и южного полушарий. Далее были рассчитаны величины меридиональных градиентов зонально осредненной ТПО (G) и определены их максимальные значения (Gmax) для каждой ОФЗ и широтное положение Gmax (ядро ОФЗ). В итоге получены 28-летние (1982-2009 гг.) ряды среднесезонных значений указанных характеристик для субполярных (рис. 2.5.1) и субтропических (рис. 2.5.2) ОФЗ Атлантического и Тихого океанов (оба полушария) и Индийского океана (рис. 2.5.3), а также для северного экваториального фронта восточной части Тихого океана. Ряды были сглажены 3-летним скользящим осреднением. Для выявления связей между основными характеристиками ОФЗ (максимальный меридиональный градиент зонально осредненной ТПО и его широтное положение) и между долгопериодной изменчивостью характеристик ОФЗ и основными атмосферными воздействиями (меридиональный сдвиг зональной компоненты ветра) использовался статистический анализ. Из 19 представленных в этом разделе коэффициентов корреляции 11 статистически значимы с уровнем вероятности p 0.01 и 8 – с уровнем p 0.05. Более подробно достоверность полученных связей обсуждалась в Главе 1.
Субполярные ОФЗ. Все субполярные ОФЗ (за исключением южной части Тихого океана) проявляют хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 8-10 лет) изменчивость величины Gmax (рис.2.5.1 и 2.5.3). В южной части Тихого океана период изменчивости корче и составляет 6-7 лет. Обнаружены статистически значимые корреляции между интенсивностью субполярных ОФЗ (Gmax) и широтным положением ядра ОФЗ (за исключением южной Атлантики, где статистически достоверной связи не выявлено). В обоих полушариях усиление градиента ТПО сопровождается сдвигом ядра ОФЗ (широтного положения Gmax) к северу (рис. 2.5.4). Выше (раздел 2.4) также было детально задокументировано смещение ядра субполярной ОФЗ в северной части Тихого океана к северу в период усиления интенсивности ОФЗ в начале 1990-х гг. (Nakamura and Kazmin, 2003). О признаках смещения субполярного фронта к северу упоминается также в работе Belkin et al. (2002). В южной части Тихого океана и в Индийском океане наблюдается статистически значимый положительный линейный тренд в интенсивности субполярных ОФЗ, составляющий 0.0021 С/100км/год и 0.0026 С/100км/год соответственно (рис. 2.5.1 и 2.5.3). При этом общая интенсификация субполярных ОФЗ в этих районах в течение периода наблюдений сопровождается также общим смещением ядер зон к северу. Максимальная амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО субполярных ОФЗ в северном полушарии (0.48-0.51 С/100км) более чем в два раза превышает соответствующую величину для южного полушария (0.18-0.27 С/100км; табл. 2.5.1).
Субтропические ОФЗ. Субтропические ОФЗ также проявляют квазидекадную изменчивость с периодами 7-10 лет, хотя и менее регулярную по сравнению с субполярными зонами (рис. 2.5.2). Обнаружены статистически значимые корреляции между интенсивностью субтропических ОФЗ и широтным положением их ядер. При этом наблюдается тенденция меридионального смещения ядер зон к полюсам (к северу в северном полушарии и к югу в южном) при интенсификации градиента ТПО (рис. 2.5.5). Как и в случае субполярных ОФЗ, максимальная амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО в субтропических зонах в северном полушарии существенно (в 2-3 раза) превышает эту величину в южном полушарии (табл. 2.5.1).
Долгопериодная изменчивость фронтов и поля темрературы поверхности в Черном и Эгейском морях и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием
Океанологические исследования Желтого и Восточно-Китайского морей представляют значительный интерес, как с научной, так и с практической точки зрения. К настоящему времени накоплен определенный объем знаний об основных особенностях гидрологического режима этих морей (Beardsley et al.,1983; Byun and Chang, 1988; Hu Dunxin, 1984; Hu Dunxin, 1987; Kuroda et al., 1988; Lie, 1989; Mao Hanil et al., 1983; Milliman et al., 1984; Pan, 1987; Sha and Xu, 1988; Xu and Sha, 1988; Zheng and Klemas, 1982; Belkin and Cornillon, 2003). Следует, однако, отметить, что в этих исследованиях преобладал традиционный подход, основанный на проведении гидрологических съемок с малым пространственным разрешением (за исключением Belkin and Cornillon, 2003). При этом, как правило, вне поля зрения оставались мезо- и мелкомасштабные структуры, в первую очередь фронтальные зоны и фронты. В то же время именно фронтальные зоны в значительной мере определяют процессы формирования биопродуктивности и переноса загрязнений, составляющие суть проблем, крайне актуальных для стран региона. Также в литературе содержится очень мало сведений о временной изменчивости (в особенности долгопериодной) фронтов в этом районе (сезонная изменчивость кратко рассмотрена в Belkin and Cornillon, 2003). Желтое и Восточно-Китайское моря особенно интересны для исследования именно фронтов в связи с тем, что здесь на сравнительно небольшой акватории сосуществуют фронтальные разделы различной природы и масштаба (от типично океанической фронтальной зоны Куросио до локальных мелкомасштабных фронтов приливного происхождения), поведение которых определяется сложным взаимодействием разнообразных факторов. Полноценные исследования фронтов невозможны без использования спутниковой информации о поле температуры поверхности моря (ТПМ), позволяющей получать данные высокого пространственного разрешения о тонкой структуре и пространственно-временной изменчивости фронтальных зон на обширных акваториях. Вместе с тем, эффективное использование спутниковой информации невозможно без хорошего знания гидрологии исследуемого района, основанного на измерениях in situ. В этом разделе представлены комплексное описание условий формирования фронтов в Желтом и Восточно-Китайском морях применительно к задаче интерпретации спутниковых данных, характеристики основных фронтов, полученные на основе анализа спутниковой информации и результаты исследования сезонной и долгопериодной изменчивости фронта Куросио в Восточно-Китайском море. В работе использованы изображения ИК и видимого диапазонов, полученные с ИСЗ серии NOAA в 1984-1989 гг., а также среднемесячные данные высокого разрешения о ТПМ за 1982-2009 гг. (PATHFINDER).
На рис. 4.1.1 представлена генерализованная схема общей циркуляции и условий формирования основных фронтальных разделов в Желтом и Восточно-Китайском морях, построенная на основе компиляции цитированных выше литературных источников и спутниковых данных (Казьмин, 1992а). Наиболее специфической особенностью гидрологического режима этого региона является взаимодействие теплых и соленых вод океанического происхождения, поступающих из юго-восточной части в результате адвекции ветвями Куросио, с холодными и распресненными водами, локально формирующимися в условиях мелкого окраинного моря. Существенное влияние на формирование гидрологического режима оказывают также сильная сезонная изменчивость, очень большой речной сток и интенсивное приливное перемешивание. Результат взаимодействия указанных процессов проявляется в существовании на сравнительно небольшой акватории Жетого и Восточно-Китайского морей фронтальных разделов различной природы от типично океанической фронтальной зоны Куросио до локальных прибрежных приливных фронтов. Адвекция теплых соленых вод в рассматриваемый район осуществляется тремя основными ответвлениями Куросио: Тайваньским теплым течением (ТТТ), теплым течением Желтого моря (ТТЖМ) и Цусимским течением (ЦТ). Компенсационная циркуляция холодных распресненных вод Желтого и Восточно-Китайского морей происходит в виде прибрежных течений, направленных в целом с севера на юг. Термохалинные характеристики вод Куросио весьма стабильны в течение года (в поверхностном слое 20-26 С, 34-34.5 %o). Напротив, поверхностный слой вод Желтого и Восточно-Китайского морей испытывает сильные сезонные колебания температуры -от 2-3 С зимой до 20-29 С летом. Соленость здесь может колебаться в пределах 30-33.5%o, падая значительно ниже вблизи устья р. Хуанхэ. На распространение ветвей Куросио в северном направлении существенное влияние оказывает сезонная изменчивость ветра: летом преобладающие юго-западные ветра способствуют усилению теплых течений и проникновению ТТЖМ вплоть до залива Бохай; зимой северо-западные ветры ослабляют течения северного направления. Основные фронтальные зоны формируются в областях конвергенции теплых и холодных течений (рис. 4.1.1).
