CC BY
119
УДК 551.465 (262.5)
А.Б. Полонский, И.Г. Шокурова, В.Н. Белокопытов
Десятилетняя изменчивость температуры и солености в Черном море
По данным контактных и спутниковых измерений с середины прошлого столетия по настоящее время построены осредненные за десятилетние периоды поля температуры и солености на стандартных горизонтах в Черном море в слое 0 - 500 м и описаны характеристики их пространственно-временной изменчивости. В верхнем слое моря 0 - 50 м междесятилетняя изменчивость температуры представлена низкочастотными колебаниями, размах которых на поверхности моря достигает 1°С в зимние месяцы и 2°С - в летние. Эти колебания синфазны с колебаниями температуры воздуха, период которых составляет 60 - 70 лет. В изменчивости солености в верхнем слое присутствует отрицательный тренд, составляющий -0,04%о/10 лет, на фоне которого выделяются колебания с периодом 20 - 30 лет и размахом до 0,2%о. В области пикноклина и температура и соленость растут со скоростью до 0,02°С/10 лет и 0,05%о/10 лет соответственно.
Ключевые слова: Черное море, температура, соленость, десятилетняя изменчивость.
Введение
Долговременная изменчивость полей температуры и солености в Черном море служит надежным индикатором региональных изменений климата. Представления о ней складывались по мере накопления данных и увеличения продолжительности рядов наблюдений. Первые исследования межгодовой изменчивости температуры и солености в Черном море появились в 1980 -1990-е гг., когда длина ряда квазирегулярных измерений, начавшихся в 1950-е гг., составила более 25 лет. В этот период были выявлены такие изменения в термохалинной структуре вод, как увеличение температуры и солености в пикноклине и подъем его верхней границы [1 - 4]. В исследованиях следующих лет на основе анализа более продолжительных рядов данных измерений отмечалось наличие отрицательного тренда в изменчивости температуры и солености в поверхностном слое моря и сохранение положительного тренда в пикноклине [5 - 9]. По результатам обработки данных спутниковых измерений, начавшихся с конца 1970-х гг., в изменчивости температуры поверхности моря (ТПМ) была отмечена смена знака тренда с отрицательного на положительный, произошедшая в начале 1990-х гг. [10, 11].
Большая часть современных исследований многолетних изменений тер-мохалинных характеристик в Черном море посвящена их изменчивости в отдельных слоях - в холодном промежуточном слое (ХПС) [5, 12], в пикноклине [9, 13] и на поверхности моря [10, 11]. В ряде работ представлена общая характеристика долговременной изменчивости температуры и солености как в верхнем слое моря, так и в пикноклине [6 - 8, 14]. Несмотря на большое число исследований, посвященных данной проблеме, основное внимание в них, как правило, уделяется выявлению и анализу трендов в многолетней изменчивости термохалинных характеристик, в то время как изменения их пространственного распределения остаются неизученными.
© А.Б. Полонский, И.Г. Шокурова, В.Н. Белокопытов, 2013
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
27
Целью настоящей работы является изучение долговременной изменчивости температуры и солености во всем верхнем 500-метровом слое Черного моря в период с середины прошлого столетия по настоящее время. Исследование выполняется на основе восстановления десятилетних полей температуры и солености на регулярной сетке методом оптимальной интерполяции по данным контактных и спутниковых измерений. Наряду с количественной оценкой изменений температуры и солености, проводится анализ изменений пространственной структуры термохалинных полей.
Данные и методика их обработки
В работе использовались следующие данные контактных и дистанционных измерений в Черном море:
- данные судовых измерений температуры и солености с 1951 по 2008 гг. и измерений температуры дрифтерами с 2001 г. из банка океанографических данных МГИ НАН Украины [15, 16];
- данные измерений температуры и солености глубоководными буями-профилемерами на горизонтах от 4 до 1500 м (565 профилей за 2005 -2008 гг.) [17];
- среднемесячные данные по ночным спутниковым измерениям ТПМ на сетке 4 х 4 км за 1985 - 2007 гг. [18].
Для Черного моря наиболее длительный период наблюдений температуры и солености представлен данными судовых измерений. При этом наибольшее число измерений выполнено в промежутке между началом 1950-х и серединой 1990-х гг. Как правило, данные судовых измерений характеризуются неравномерным распределением по времени, глубине и акватории моря. Летние месяцы лучше обеспечены данными, чем зимние. Количество измерений убывает с глубиной (табл. 1). С середины 1990-х гг. количество судовых измерений уменьшилось, и в настоящее время основной вклад в общий массив данных вносят спутниковые измерения ТПМ, измерения температуры дрифтерами, а также измерения температуры и солености глубоководными буями-профилемерами. Наиболее представительным и регулярным источником данных являются спутниковые измерения ТПМ. В последние два десятилетия существует недостаток данных по солености на поверхности моря, связанный не только с уменьшением числа судовых измерений, но и с тем, что измерения современными С7Ю-зондами в основном начинаются не с поверхности моря, а с горизонтов 1 - 2 м, а буями-профилемерами - с горизонтов 4 - 5 м.
Построение гидрологических полей проводилось на основе данных, сгруппированных за десятилетние периоды времени с пятилетним сдвигом: 1951 - 1960, 1956 - 1965, 1961 - 1970 гг. и так далее. Объединение данных за десятилетия обеспечивало достаточно равномерное распределение их по пространству на большинстве горизонтов, что необходимо для выполнения горизонтальной интерполяции и дальнейшего анализа изменчивости средних по акватории значений. Для слоя 0 - 150 м вычисления выполнялись для каждого горизонта с интервалом 10 м, а также для горизонта 75 м. На глубинах от 200 до 500 м интервал между горизонтами составлял 100 м.
28
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
Т а б л и ц а 1
Количество контактных измерений температуры (солености) судовыми приборами, глубоководными буями-профилемерами и измерений температуры дрифтерами ** на стандартных горизонтах 0, 100 и 500 м за 1951 - 2008 гг.
Горизонт, месяцы 1951 -1960 1961 -1970 1971 -1980 1981 -1990 1991 -2000 2001 -2008
0 м февраль -март 913 (768) 2 141 (1780) 3 545 (3316) 3 977 (3951) 1 244 (1173) 10028**
0 м июль -август 1 646 (1478) 3 765 (3520) 5 767 (5175) 8 990 (8816) 2 131 (1877) 103+17748** (53)
100 м январь -декабрь 3 110 (2660) 4 854 (4187) 6 296 (5178) 11 877 (11445) 5 121 (5382) 235+565* (221+565*)
500 м январь -декабрь 219 (173) 1 197 (1093) 2 887 (2781) 5 291 (5390) 2 999 (3079) 52+565* (23+565*)
Тенденции долговременной изменчивости температуры и солености изучались для слоев моря 0 - 50 м, ХПС и 50 - 500 м. Для верхнего слоя моря 0 -50 м и ХПС, где сезонные изменения превышают межгодовые, анализ десятилетней изменчивости термохалинных характеристик выполнялся для двух сезонов - зимнего (февраль - март) и летнего (июль - август). Для периода 1951 - 1995 гг. все десятилетние поля рассчитывались по данным судовых измерений. Поля ТПМ восстанавливались отдельно по данным спутниковых и контактных измерений. Для периода 2001 - 2008 гг. при построении полей ТПМ по данным контактных измерений наряду с судовыми использовались данные дрифтеров, а для слоя 10 - 50 м — данные глубоководных буев-профилемеров (табл. 1). Из-за недостатка данных или их неравномерного распределения по акватории в этом слое моря не были рассчитаны зимние поля температуры и солености для 1991 - 2008 гг., летние поля солености для 1996 - 2008 гг. и летние поля температуры для 1996 - 2005 гг.
Для слоя 50 - 500 м, где влияние сезонного хода ослабевает, расчеты проводились без разделения на сезоны. Это увеличило количество интерполируемых данных (табл. 1) и позволило построить поля температуры и солености для всех десятилетних периодов.
Для построения горизонтальных полей температуры и солености использовался метод оптимальной интерполяции [19, 20]. Поля восстанавливались в узлах регулярной сетки с шагом 5' по широте и 8,57' по долготе (5 х 5 миль). Полученные поля дополнительно сглаживались с целью устранения пространственных неоднородностей, обусловленных мезомасштабными процессами, высокочастотными шумами и случайными погрешностями измерений.
Количественные оценки междесятилетних изменений температуры и солености на отдельных горизонтах выполнялись на основе сравнения их средних за десятилетия значений, вычисленных по полученным на регулярной
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
29
сетке полям. Доверительные интервалы для средних на каждом горизонте значений температуры и солености рассчитывались на основе дисперсии, ос-редненной по всем узлам сетки. Дисперсия в каждом отдельном узле вычислялась как отклонение исходных данных по температуре или солености в окрестности узла от среднего значения в этом узле, в качестве которого принималось значение, рассчитанное в результате оптимальной интерполяции.
Результаты и их обсуждение
Десятилетняя изменчивость температуры в поверхностном слое моря и ХПС. Десятилетняя изменчивость температуры в поверхностных водах моря имеет квазипериодический характер. Но для зимы и лета колебания различаются по амплитудно-фазовым характеристикам (рис. 1, а, б). На поверхности моря температура в зимний период увеличивалась к 1960-м гг., затем отмечалось ее уменьшение на 1°С к началу 1990-х гг. и последующее увеличение, составляющее более 1°С (рис. 1, а). В летние месяцы ТПМ уменьшилась с 1950-х гг. к началу 1980-х гг. на 1,3°С. Ее увеличение в последующие годы составило 2°С (рис. 1, б). Разница между значениями температуры по спутниковым данным и данным контактных измерений в среднем для всех десятилетий не превышает 0,3°С. Эта величина соответствует расхождениям в значениях, полученным при сравнении данных контактных и спутниковых измерений для Черного моря в работах [21, 22].
Отметим, что подобный характер долговременной изменчивости температуры поверхностных вод, с максимальными значениями температуры в 1960-е гг. и минимальными в 1980-е - начале 1990-х гг., наблюдается и для температуры в восточной части Средиземного моря [23].
Т, °С
8 7.6 7.2 6.8 5.6-| 6.4
4.8-
Т, °С
7.2 6.4
01Л01Л01Л01Л01ЛМ Ю^ОЫ^ООООФФООО
11111111111
25 24 2322 21
26 25 24 23 22
7.2 6.4
01Л01П01Л01Л01ЛМ ЮЮС— С— ООХ^^ООО
11111111111
Р и с. 1. Десятилетняя изменчивость средних значений ТПМ (°С) по данным контактных измерений (сплошная линия) и спутниковых измерений (штриховая) (а, б), температуры воздуха в Севастополе (о) и Ялте (□) (в, г), средних значений температуры на горизонте 50 м (д, е) в феврале - марте (а, в, д) и июле - августе (б, г, е)
4
8
8
30
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
При оценке величины периода колебаний температуры поверхности Черного моря можно учесть, что на десятилетних временных масштабах эти колебания совпадают по фазе с колебаниями температуры воздуха на береговых станциях в Севастополе и Ялте (рис. 1, в, г), по которой накоплены более продолжительные ряды наблюдений, чем по ТПМ. Станции расположены на юге Крымского п-ова и поэтому в наибольшей степени отражают температуру воздуха над акваторией моря. Таким образом, можно обоснованно предположить, что оценки периода колебаний для температуры воздуха в Черноморском регионе, полученные по вековым рядам данных и составляющие 60 - 70 лет [24], могут быть отнесены и к периоду колебаний ТПМ.
Рис. 2. Десятилетние поля зимней температуры поверхности моря (°С), построенные по данным судовых измерений (а, б, в, г) и спутниковым данным (д, е) (области с температурой ниже 7,5°С затемнены)
На рис. 2 и 3 представлены десятилетние поля ТПМ для зимнего и летнего сезонов. Отметим, что карты для двух последних десятилетий построены по данным спутниковых измерений. Крупномасштабная пространственная структура поля ТПМ в зимний период характеризуется увеличением температуры с севера на юг в области северо-западного шельфа (с высокими горизонтальными градиентами температуры) и с запада на восток в глубоководной акватории (рис. 2). Такое распределение температуры в основных чертах отмечается во все десятилетние периоды. Междесятилетняя изменчивость главным образом проявляется в количественных изменениях самой темпера-ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6 31
туры. Так, например, температура в восточной части моря и вдоль кромки северо-западного шельфа изменяется соответственно с 8,5 и 6,5°С в 1960-е гг. (рис. 2, б) до 7,5 и 5,5°С в 1980-е гг. (рис. 2, г), т. е. уменьшается на 1°С. В начале настоящего столетия эти значения приблизились к наблюдавшимся в 1960-е гг. (рис. 2, б, е). Перенос Основным Черноморским течением более теплых вод с востока, хорошо заметный вдоль берегов Крыма в 1980-е и 1990-е гг. (рис. 2, г, д), демонстрирует зависимость пространственного распределения температуры от структуры крупномасштабной циклонической циркуляции вод.
Р и с. 3. Десятилетние поля летней температуры поверхности моря (°С), построенные по данным судовых измерений (а ,б, в, г) и спутниковым данным (д, е) (области с температурой ниже 24°С затемнены)
Пространственное распределение температуры в летний сезон характеризуется ее увеличением с севера-запада на юго-восток (рис. 3). Такая структура поля сохраняется во все десятилетия. По сравнению с зимним сезоном различия в температуре по акватории небольшие. В 1970-е и 1980-е гг. на большей части моря отмечается ТПМ менее 24°С (рис. 3, в, г). В 1950, 1960 и 1990-е гг. общая площадь поверхности моря с температурой выше и ниже 24°С примерно одинакова (рис. 3, а, б, д). Последнее десятилетие выделяется тем, что не только вся акватория моря имеет температуру выше 24°С, но и присутствуют обширные области в восточной и юго-западной частях моря, температура которых превышает 25°С (рис. 3, е).
32 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
Изменения температуры на горизонте 50 м (рис. 1, д, е) характеризуют изменчивость в ХПС. Здесь ход десятилетней изменчивости в зимние месяцы аналогичен изменчивости на поверхности (рис. 1, а, д), так как в этот сезон верхний квазиоднородный слой заглубляется до ХПС, воды которого в результате обновляются [4, 12, 25]. Максимальная температура по зимним данным отмечается в 1960-е гг. и в последнее десятилетие, минимальная - в 1980-е гг.
Летняя температура на этом горизонте во все десятилетние периоды не превышает 8°С (рис. 1, е). В это время года холодные воды ХПС «заперты» под сезонным термоклином, максимальные вертикальные градиенты плотности которого располагаются в окрестности горизонта 20 м и составляют в среднем 0,2 кг-м-4 [2, 4, 26]. Максимальное значение температуры летом отмечается в 1960-е гг., минимальное - в 1990-е гг. Разница между максимальными и минимальными значениями температуры на горизонте 50 м для двух рассматриваемых сезонов составляет около 1°С (рис. 1, д, е).
Уменьшение температуры в ХПС в летний сезон в 1980-е и 1990-е гг. объясняется двумя причинами. Во-первых, в эти периоды происходило усиленное обновление ХПС в зимние месяцы, характеризующиеся отрицательными температурными аномалиями. Во-вторых, это сопровождалось повышением теплоизоляции летнего ХПС за счет увеличения плавучести поверхностных вод, связанного с положительным трендом в изменчивости летней ТПМ с начала 1980-х гг. и низкими значениями солености в поверхностном слое [25].
1201—i-1-1-<-1-I-1-■-г
о о IY1 о 1/-> о lo о эо
ЧО чс г- г— ОС оо о о- о о о
о о о о о О о о о
— — — >—1 <—1 1—1 — — Г-) <N сч
,—1 _ VD ,_1 о — ■чО _ чЬ —
1/-1 ю о г— ClO оо о о^ о
er- о 01 о CV о о о
\—1 1—1 •—1 — —1 .— •—1 '— ■—I —' CN
Р и с. 4. Десятилетняя изменчивость температуры (°С) в ХПС по данным за июль - август
На диаграмме временных изменений температуры воды в ХПС по летним данным, приведенной на рис. 4, видно, что изменчивость температуры в этом слое также имеет вид низкочастотных квазипериодических колебаний, проявляющихся в изменении толщины ХПС, положения его верхней и нижней
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6 33
границ и величины температуры в ядре ХПС. В 1950-е гг. температура в ядре ХПС понижалась до 7,4°С. В этот период отмечалось наиболее глубокое положение его нижней границы (около 120 м). В 1960-е гг. наблюдались минимальная толщина ХПС и повышенная для этого слоя температура, которая увеличилась до 7,8 - 8°С. С 1970-х до 1990-х гг. происходило увеличение объема вод ХПС и наблюдался подъем его ядра ближе к поверхности моря (в среднем по морю на 10 м). При этом температура в ядре упала до величин ниже 7°С. В 1990-е гг. отмечалось наиболее высокое положение верхней границы ХПС (40 м). С середины 1990-х гг. температура вод в ХПС возрастала.
Десятилетняя изменчивость солености в поверхностном слое моря 0 — 50 м. В верхнем слое моря 0 - 50 м квазипериодический характер изменчивости отмечается и для солености (рис. 5). Однако период колебаний у солености меньше, чем у температуры, и составляет 20 - 30 лет. Размах колебаний в среднем равен 0,2%о. Характер изменчивости незначительно различается для обоих сезонов и сохраняется в пределах верхнего слоя моря.
На горизонте 20 м (для которого продолжительность ряда данных наблюдений больше, чем для поверхности) локальные по времени максимумы солености для двух сезонов отмечаются в 1966 - 1975 и 1991 - 2000 гг., а минимумы - в 1961 - 1970, 1986 - 1995 и 2001 - 2008 гг. (рис. 5). На фоне квазипериодических колебаний выделяется отрицательный линейный тренд (особенно хорошо выраженный летом), который составляет в среднем для двух сезонов -0,04%о/10 лет. Наличие этого тренда согласуется с положительным трендом в изменчивости баланса пресных вод в Черном море [27].
8, %о
8, %
18.5 18.4 18.3 18.2 18.1 18 17.9
м
01/^01/^01/^01/^0 ююм^оооо^^о
111111111
нЮнЮнЮнЮн
а
00 о о о о ^ с^
I I
ЧО
С^ О
с^ о
18.4 18.2 18 17.8 17.6 17.4
01/^01/^01/^01/^01/^00 юю^мймтаооо
11111111111
С^С^С^С^С^СЛС^СЛС^С^О
б
Р и с. 5. Десятилетняя изменчивость средних по акватории моря значений солености (%о) на поверхности моря и горизонте 20 м по данным за февраль - март (а) и июль - август (б) (прямые линии - линейные тренды)
На рис. 6 приведены карты распределения солености на поверхности моря для периодов 1966 - 1975 и 1986 - 1995 гг., в которые отмечались ее максимальные и минимальные средние значения (рис. 5). Видно, что пространственная структура поля солености, обусловленная крупномасштабной цикло-
34
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2013, № 6
нической циркуляцией в море, в основном не меняется. Высокие значения солености отмечаются в глубоководной части моря, а низкие - в прибрежной части акватории, особенно вблизи устьев крупных рек. Но величины солености и площадь, ограниченная изогалинами с высокими значениями, претерпевают существенные изменения.
По зимним данным за 1966 - 1975 гг. в восточной части моря значительную область занимают воды с соленостью выше 18,5%о (рис. 6, а). Отметим, что здесь в конце 1960-х и начале 1970-х гг. отмечалось усиление циклонической завихренности напряжения трения ветра [28], что может являться причиной высоких значений солености за счет увеличения вертикальной скорости на нижней границе экмановского слоя и подъема соленых вод к поверхности. В 1986 - 1995 гг. соленость на поверхности не превышает величину 18,5%о (за исключением центра восточного циклонического круговорота) (рис. 6, в).
По летним данным 1966 - 1975 гг. область со значениями солености 18%о и более охватывает всю глубоководную часть моря (рис. 6, б). В 1986 -1995 гг. область, ограниченная изогалиной 18%о значительно уменьшилась, а воды с соленостью меньше 17,5%о распространяются вдоль юго-западного берега до прибосфорского района (рис. 6, г).
Р и с. 6. Распределение солености (%о) на поверхности моря в 1966 - 1975 гг. (а, б) и 1986 -1995 гг. (в, г) по данным за февраль - март (а, в) и июль - август (б, г) (области с соленостью выше 18%о затемнены)
Десятилетняя изменчивость температуры и солености в слое 50 -500 м. В пределах этого слоя на глубинах 50 - 200 м расположен постоянный пикноклин (часто называемый галоклином, так как основной вклад в изменения плотности в этом слое Черного моря вносит соленость). Максимальные вертикальные градиенты плотности в пикноклине находятся на глубинах 75 -100 м и составляют в среднем 0,025 кг-м-4 [2, 4, 26].
В верхнем слое моря и пикноклине наблюдаются противоположные тенденции в изменчивости солености. Если в верхнем слое моря соленость в ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6 35
изучаемый период имела тенденцию к уменьшению, то в слое 75 - 500 м она увеличивалась (рис. 7). Смена знака трендов междесятилетней изменчивости солености происходит в верхней части пикноклина между горизонтами 50 и 75 м (рис. 7, табл. 2). Значимые на 95%-ном доверительном уровне положительные тренды получены для слоя 75 - 300 м (табл. 2). Отметим, что эти тренды обусловлены главным образом резким увеличением солености в 1966 - 1975 гг. во всем исследуемом слое 0 - 500 м. Под пикноклином после этого периода не наблюдается существенных ее изменений. Отмечается лишь небольшое увеличение солености к 1981 - 1990 гг. и последующее ее небольшое уменьшение.
50 м
75 м
Т, °С
8п
7.67.2-6.8^ 8п
7.87.6-7.4^
8.2п
100 м
8
7.8 8.72
200 м 8.64 8.56 8.82 300 м 8.8
8.78
8.88 500 м 8.87 8.86
01001001001001000 ю^о^мзооо^^ооо
11111111111
(О^ЧОЧО^^ООООО.О.О СЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛО
8, %о
18.72 18.64 18.56 18.48
20.22019.8
21.4 21.221.76 21.68
21.6 22.08
22
21.92-
01001001001001000 ^О^О^^ММФФООО
11111111111
(О^ЧОЧО^^ООООО.О.О СЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛСЛО
Р и с. 7. Десятилетняя изменчивость средних температуры (°С) и солености (%о) на горизонтах 50, 75, 100, 200, 300 и 500 м по данным, осредненным за все сезоны (прямые линии - линейные тренды)
В многолетних изменениях температуры в слое 50 - 200 м прослеживается временной сдвиг в наступлении максимума при увеличении глубины.
36
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
Видно, что на горизонте 50 м максимум температуры отмечается в 1961 -1970 гг. На горизонте 200 м он смещается к 1976 - 1985 гг. (рис. 7).
Уменьшение температуры на горизонте 100 м до значений ниже 8°С в 1950-е гг. и в период с середины 1980-х до середины 1990-х гг. демонстрирует увеличение толщины ХПС в эти десятилетия (рис. 7).
В отличие от солености отклик на изменчивость внешних факторов, действующих на поверхности, в десятилетней изменчивости температуры прослеживается до более глубоких горизонтов. Смена знака тренда с отрицательного (отмечаемого в ХПС) на положительный для температуры происходит с горизонта 100 м, ниже которого отмечается общая тенденция к ее повышению (рис. 7). Значимые на 95%-ном доверительном уровне положительные тренды получены для слоя моря 150 - 500 м. (табл. 2). На горизонте 500 м отмечается, как и у солености, резкое увеличение температуры в 1966 -1975 гг.
Т а б л и ц а 2
Характеристики линейных трендов десятилетней изменчивости температуры и солености в слое 50 - 500 м в период 1951 - 2008 гг.
Горизонт, м Температура, °С Соленость, %о
Среднее Коэффициенты линейных трендов, °C/10 лет Среднее Коэффициенты линейных трендов, %«/10 лет
50 7,399 -0,0970 18,595 -0,0174
75 7,678 -0,0300 19,329 0,0434
100 8,055 0,0182 20,008 0,0611
150 8,462 0,0282 20,863 0,0740
200 8,659 0,0168 21,322 0,0503
300 8,806 0,0069 21,711 0,0256
500 8,877 0,0027 22,014 0,0183
П р и м е ч а н и е. Жирным шрифтом выделены статистически значимые на 95%-ном доверительном уровне коэффициенты линейных трендов.
На рис. 8 приведены карты пространственного распределения температуры и солености для горизонта 200 м в 1961 - 1970, 1981 - 1990 и 2001 -2008 гг. Пространственное распределение температуры и солености на этом горизонте характеризуется более высокими их значениями в центре моря и низкими на периферии, что обусловлено циклоническим характером крупномасштабной циркуляции и куполообразным строением пикноклина. Такая структура полей сохраняется во все десятилетия. В междесятилетних изменениях поля температуры на горизонте 200 м можно отметить следующие особенности. Зона, ограниченная изотермой 8,7°С, в 1960-е гг. занимает неболь-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
37
шую область в западной части моря (рис. 8, а). К 1980-м гг. она увеличивается и охватывает всю глубоководную часть, причем появляются области с температурой выше 8,75°С. При этом среднее значение температуры по акватории увеличивается на 0,1°С (рис. 7). В первое десятилетие текущего столетия происходит небольшое уменьшение температуры. Область, ограниченная изотермой 8,7°С, уменьшается, а участки с температурой выше 8,75°С исчезают.
Р и с. 8. Распределение температуры (°С) (а, в, д) и солености (%о) (б, г, е) на горизонте 200 м в 1961 - 1970, 1981 - 1990 и 2001 - 2008 гг. по данным, осредненным за все сезоны (области с температурой выше 8,7°С и соленостью выше 21,4%о затемнены)
Похожие изменения отмечаются на горизонте 200 м и для солености. В 1960-е гг. область с соленостью более 21,3%о, находящаяся в западной части моря, имеет небольшие размеры (рис. 8, б). В 1980-е гг. изогалина 21,4%о охватывает всю глубоководную часть моря, а в западной части соленость повышается до 21,5%о (рис. 8, г). Среднее значение солености по акватории увеличивается на 0,25%о (рис. 7). В начале XXI столетия распределение солености в основном такое же, как и в 1980-е гг. (рис. 8, е).
Соотношение внутригодовой и десятилетней изменчивости. В верхнем слое моря 0 - 50 м доминирующим видом временной изменчивости является сезонный цикл [4, 26]. На поверхности моря размах годового хода температуры (разница между максимальным и минимальным значениями) по
38
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
многолетним данным в среднем составляет 17°С, что значительно превосходит размах десятилетних колебаний, составляющий в изучаемый период от 1°С зимой до 2°С летом. Размах внутригодового хода солености на поверхности имеет величину около 0,6%о, а десятилетние изменения составляют не более 0,2%о. С глубиной амплитуда сезонного хода уменьшается. Размах десятилетних колебаний температуры и солености начинает превосходить внутригодовой ход с горизонта 75 м. Так, например, на горизонте 120 м для температуры он составляет 0,3°С, что превосходит сезонные изменения в этом слое почти в 3 раза, а для солености составляет 0,4%о, в то время как размах сезонного хода на этом горизонте равен 0,15%о.
Выводы
В результате анализа полей температуры и солености, восстановленных по данным за десятилетние периоды для февраля - марта и июля - августа с середины прошлого столетия по настоящее время в слое 0 - 500 м, получены количественные оценки десятилетних изменений средних по горизонтам значений температуры и солености и отмечены следующие тенденции их изменчивости.
В верхнем слое моря 0 - 50 м в долговременней изменчивости термоха-линных характеристик присутствуют низкочастотные квазипериодические колебания с периодом 60 - 70 лет для температуры и 20 - 30 лет для солености. Размах колебаний осредненных за десятилетия величин ТИМ достигает 1°С в зимние месяцы и 2°С - в летние. В изменчивости солености в верхнем слое наблюдается отрицательный тренд (-0,04%о/10 лет), согласующийся с положительным трендом в балансе пресных вод Черного моря.
С увеличением глубины влияние внешних факторов, действующих на поверхности моря и обусловливающих изменчивость термохалинных полей в его верхнем слое, ослабевает, а характер десятилетней изменчивости температуры и солености изменяется. В слое 75 - 300 м в изменчивости солености и в слое 150 - 500 м в изменчивости температуры получены значимые положительные тренды (в среднем 0,05%о/10 лет и 0,02°C/10 лет соответственно).
Таким образом, тенденции десятилетней изменчивости температуры и солености в верхнем слое моря и пикноклине различны. Это говорит о том, что определяющую роль в долговременной изменчивости термохалинных характеристик в разных слоях моря играют различные факторы. Анализ причин всех полученных изменений выходит за рамки настоящей статьи. Но можно отметить, что характер долговременной изменчивости температуры и солености определяется совокупностью многих внешних факторов, действующих на поверхности и боковых границах моря, таких как потоки тепла, осадки, испарение, ветер, сток рек, водообмен через проливы и других. Ио-этому необходимо не только изучить воздействие каждого внешнего фактора на изменчивость температуры и солености, но и провести комплексный анализ влияния всей совокупности факторов, включая стратификацию пикнок-лина и интенсивность вертикального обмена между слоями.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6
39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блатов А.С., Косарев А.Н., Тужилкин В.С. Изменчивость гидрологической структуры вод Черного моря и ее связь с внешними факторами // Водные ресурсы. - 1980. - № 6. -С. 71 - 82.
2. Блатов А.С., Булгаков Н.П., Иванов В.А. и др. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 239 с.
3. Murray J.W., Top Z., Ozsoy E. Hydrographic properties and ventilation of the Black Sea // Deep-Sea Res. - 1991. - 38, part A, suppl. 2. - P. S663 - S689.
4. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IV. Черное море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А.И. Симонова и Э.И. Альтмана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 430 с.
5. Еремеев В.Н., Ефимов В.В., Суворов А.М. и др. Аномальная климатическая тенденция изменения температуры Черного моря // Доп. НАН Украши. - 2001. - № 11. - С. 91 - 96.
6. Tsimplis M.N., Josey S.A., Rixen M. et al. On forcing of sea level in the Black Sea // J. Geophys. Res. - 2004. - 109, C08015. - doi: 10.1029/2003JC002185.
7. Полонский А.Б., Ловенкова Е.А. Тренд температуры и солености деятельного слоя в Черном море во второй половине ХХ века и его возможные причины // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2004. - 40, № 6. - С. 832 - 841.
8. Белокопытов В.Н., Шокурова И.Г. Оценки междесятилетней изменчивости температуры и солености в Черном море в период 1951 - 1995 гг. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2005. - Вып. 12. - С. 12 - 21.
9. Полонский А.Б., Ловенкова Е.А. Долговременные тенденции в изменчивости характеристик пикноклина Черного моря // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2006. - 42, № 3. - С. 419 - 430.
10. GinzburgA.I., KostianoyA.G., SheremetN.A. Sea surface temperature variability // The Black Sea Enviroment / The Handbook of Environmental Chemistry. - Berlin, Heidelberg: Springer
- Verlag, 2008. - 5, part Q. - P. 255 - 275. - doi: 10.1007/698_5_067.
11. Kara A.B., Barron C.N., Wallcraft A.J. et al. Interannual variability of sea surface height over the Black Sea: relation to climatic patterns // Earth Interactions. - 2008. - 12, paper № 10. -P. 1 - 11. - doi: 10.1175/2008EI259.1.
12. Belokopytov V. Long-term variability of cold intermediate layer renewal conditions in the Black Sea // NATO ASI ser.: Ecosystem Modeling as a Management Tool for the Black Sea / Eds. L. Ivanov, T. Oguz. - Dordrecht: Kluwer Academic Publisher, 1998. - 2/47. - P. 47 - 52.
13. Полонский А.Б., Шокурова И.Г. Долгопериодная изменчивость температуры пикноклина в Черном море в ХХ и начале XXI вв. // Доп. НАН Украши. - 2011. - № 9. - С. 103 - 110.
14. Oguz T., Dippner J. W., Kaymaz Z. Climatic regulation of the Black Sea hydro-meteorological and ecological properties at interannual-to-decadal time scales // J. Mar. Syst. - 2006. - 60, iss. 3 - 4. - P. 235 - 254.
15. Развитие морских наук и технологий в Морском гидрофизическом институте за 75 лет / Под общ. ред. В.Н. Еремеева. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. - 704 с.
16. Ратнер Ю.Б., Толстошеев А.П., Холод А.Л. и др. Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев // Морской гидрофизический журнал. - 2009. - № 3. - С. 50 - 67.
17. http://www.usgodae.org/argo/argo.html.
18. http://poet.jpl.nasa.gov/.
19. Гандин Л.С. Объективный анализ метеорологических полей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1963. - 287 с.
20. Полонский А.Б., Шокурова И.Г. Статистическая структура крупномасштабных полей температуры и солености в Черном море // Морской гидрофизический журнал. - 2008.
- № 1. - С. 51 - 65.
40
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2013, № 6
21. Nardelli B.B., Colella S., Santoleri R. et al. A re-analysis of Black Sea surface temperature // J. Mar. Sys. - 2010. - 79, iss. 1 - 2. - P. 50 - 64.
22. Плотников Е.В., Ратнер Ю.Б. Сопоставление температуры поверхности Черного моря, полученной по данным ИСЗ NOAA, с измерениями дрифтеров в 2005 - 2006 годах // Системы контроля окружающей среды. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2007. -С. 115 - 118.
23. Rixen M., Beckers J.-M., Levitus S. et al. The Western Mediterranean deep water: a proxy for climate change // Geophys. Res. Lett. - 2005. - 32, L12608. - doi:10.1029/2005GL022702.
24. Ильин Ю.П., Репетин Л.И. Вековые изменения температуры воздуха в Черноморском регионе и их сезонные особенности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2006. - Вып. 14. - С. 433 - 448.
25. Tuzhilkin V.S. Thermochaline structure of the sea // The Black Sea Enviroment / The Handbook of Environmental Chemistry. - Berlin, Heidelberg: Springer - Verlag, 2008. - 5, part Q. - P. 217 - 253. - doi: 10.1007/698_5_077.
26. ИвановВ.А., Белокопытов В.Н. Океанография Черного моря. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2011. - 209 с.
27. Ilyin Y.P. Observed long-term changes in the Black Sea physical system and their possible environmental impacts // Climate Forcing and its Impacts on the Black Sea Marine Biota. -CIESM Workshop Monogr. - 2009. - №. 39. - P. 35 - 43.
28. Полонский А.Б., Шокурова И.Г. Многолетняя изменчивость завихренности касательного напряжения трения ветра над Черным морем по данным реанализа // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2011. - Вып. 24. - С. 182 - 189.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 04.04.12
E-mail: [email protected] После доработки 31.05.12
АНОТАЦ1Я За даними контактних та супутникових вимiрювань з середини минулого столптя до тепершнього часу побудовано усереднеш за десятирiчнi перюди поля температури та соло-носл на стандартних горизонтах в Чорному морi в шарi 0 - 500 м та описано характеристики !х просторово-часово! мшливостг У верхньому шарi моря 0 - 50 м мiждесятилiтня мшлишсть температури являе собою низькочастотт коливання, розмах яких на поверхш моря досягае 1 °С в зимовi мюящ та 2°С - у лгтт. Ц коливання синфазт з коливаннями температури повггря, перюд яких складае 60 - 70 рокв. У мшливоста солоност у верхньому шарi присутня негативна тенденщя, яка становить -0,04%о/10 рокв, на тт яко! видшяються коливання з перюдом 20 - 30 роюв та розмахом до 0,2%о. В обласл ткноклину температура й солошсть ростуть зi швидюстю до 0,02°С/10 рокв та 0,05%о/10 рокв вщповщно.
Ключовi слова: Чорне море, температура, солошсть, десятирiчна мшливють.
ABSTRACT Decadal temperature and salinity fields at standard levels (0 - 500 m layer) in the Black Sea are constructed using in-situ data and satellite measurements obtained from the 50ies (XX century) up to now. The characteristics of their spatial and temporal variability are described. In the upper sea layer (0 - 50 m) the decadal temperature variability is characterized by low-frequency quasi-periodic oscillations whose amplitudes on the sea surface reach 1°C in winter and 2°C - in summer. These oscillations are synphased with air temperature oscillations whose period is 60 - 70 years. Variability of salinity in the upper layer shows a negative trend (-0.04%o/10 yr) against whose background the oscillations with a period 20 - 30 years and an amplitude 0.2%o are distinguished. In the pycnocline both temperature and salinity grow with a rate up to 0.02°C/10 yr and 0.05%o/10 yr, respectively.
Keywords: Black Sea, temperature, salinity, decadal variability. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6 41
