CC BY
24
УДК 551.465
ФОРМИРОВАНИЕ АНОМАЛИИ РАСПРЕСНЕННЫХ ВОД В РАЙОНЕ КРУГОВОРОТА БОФОРТА В СЕВЕРНОМ ЛЕДОВИТОМ ОКЕАНЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Геннадий Алексеевич Платов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (913)926-74-91, e-mail: Platov.G@gmail.com
В работе обсуждаются результаты численного моделирования формирования аномалии распресненных вод в районе круговорота Бофорта в Северном Ледовитом океане. Показано, что, согласно модельным расчетам, аномально высокое содержание пресной воды в этом регионе в 2000-е годы связано с вовлечением в антициклонический круговорот стока реки Маккензи, вод Тихого океана, поступающих через Берингов полив, а также связано со значительным таянием льдов в этот период. Отмечается также, что роль стока сибирских рек минимальна в этот период, хотя подчеркивается возможность присутствия этих вод в регионе, благодаря процессам, происходящим в предшествующий циклонический период 90-х и при переходе от одного периода к другому.
Ключевые слова: Северный Ледовитый океан, Арктика, численное моделирование, формирование водных масс, физика океана.
FORMATION OF THE FRESH WATER ANOMALY IN THE AREA
OF THE BEAUFORT GYRE IN THE ARCTIC OCEAN BASED ON THE RESULTS
OF NUMERICAL SIMULATIONS
Gennady A. Platov
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Leading Scientist, tel. (913)926-74-91, e-mail: Platov.G@gmail.com
The paper discusses the results of numerical simulation of the fresh water anomaly formation in the area of the Beaufort Gyre in the Arctic Ocean. It is shown that, according to model calculations, the anomalously high fresh water content in this region in the 2000s is associated with the involvement of the Mackenzie River flow and the waters of the Pacific Ocean, entering Arctic through the Bering Strait, into the anticyclonic circulation. Anomaly is topped up also with the considerable melting of ice in this period. It is also noted that the role of the Siberian rivers runoff is minimal during this period. Meanwhile, it is emphasized that these waters can enter the Beaufort region due to the processes occurring in the preceding cyclonic period of the 1990s and during the transition from one period to another.
Key words: Arctic ocean, numerical modeling, water mass formation, ocean physics.
Северный Ледовитый океан, будучи наименьшим из океанов, получает наибольшее количество поступающей вместе с реками Евразии и Америки пресной воды. Вторым важным источником вод с низким содержанием соли являются воды Тихого океана, поступающие через Берингов пролив с интенсивностью, в среднем, 0.8 Св [1, 2]. Кроме того, опреснение воды происходит
вследствие положительного баланса осадков и испарения, а также таяния и намерзания льда. Полярный вихрь северного полушария формирует соответствующее распределение поля ветра над поверхностью океана и льда, а межгодовые колебания его интенсивности приводят к периодам усиления антициклонического круговорота и к периодам его ослабления [3]. Вследствие экманов-ской подкачки, интенсивный антициклонический ветер вызывает конвергенцию вод приповерхностного слоя. Воды низкой солености, имея низкую плотность, оказываются вовлеченными в этот процесс, в результате чего в районе круговорота моря Бофорта формируется аномалия распресненных вод. При ослаблении действия ветра экмановская подкачка не может противостоять градиенту плотности, сложившемуся в результате формирования аномалии, в результате чего часть накопленных распресненных вод через проливы Канадского архипелага поступает в Северную Атлантику [4]. Наблюдавшаяся в XX веке серия соле-ностных аномалий в Северной Атлантике [5] является возможным результатом этих процессов.
Последний наблюдавшийся антициклонический период приходится на 2000 годы. В этот период наблюдалось резкое увеличение содержания вод низкой солености в районе циркуляции моря Бофорта. Гидрохимический анализ проб воды в море Бофорта показал, что речные воды активно представлены в регионе [6]. Однако, предварительные эксперименты показывают, что в условиях сильной антициклонической циркуляции воды сибирских рек не могут достигать этих районов Арктики, и что аномалия пресной воды, в основном, формируется водами Берингова пролива и реки Маккензи [7]. К сожалению, гидрохимический анализ не может пока дать исчерпывающую информацию о возрасте этой пресной воды: новая ли она или сформирована задолго до 2000-х. В статье [8] утверждается, что в 2005-2008 годах была сильная циклоническая циркуляция в европейской части Арктики и в результате этого пресная вода из сибирских рек достигала северных районов Восточно-Сибирского и Чукотского морей и затем вовлекалась в циркуляцию моря Бофорта, увеличивая количество пресной воды в этом районе.
Цель данной работы состоит в численной оценке роли различных источников в формировании данной аномалии.
Модель и метод исследования. При проведении численных экпериментов использовалась совместная модель океана и льда Северного Ледовитого океана и северной Атлантики, подробное описание которой можно найти в предыдущих работах [9, 10]. В качестве атмосферного форсинга использовался результат реанализа CORE-2. Траектории движения вод от различных источников отслеживались с помощью лагранжевых частиц нейтральной плавучести. Частота, с которой частицы испускаются источником, соответствует его интенсивности, и, таким образом, каждой частице может быть приписан некоторый объем поступающей водной массы. Район моря Бофорта, для которого производились оценки бюджета водных масс, ограничен с запада и с востока линиями долготы 230Е и 190Е, с севера - линией широты 80.5^ а с юга линией изобаты 300 м.
Результаты численных экспериментов. На рисунке представлены полученные в ходе численных экспериментов сопоставимые объемы пресной воды, достигшей моря Бофорта, при условии, что ее трассеры выпускались с 2000 года.
Siberian shelf ОЬ, Yenisey, Olenek, Lena. Yana, Indigir4a, Kolyma
2000 , 2002 2003 2004 2005 2006 2007
щш
Melted ice water
I | >300m | 1150-300ГП 75-ISOm 30-75m 10-30iri 0-1 Om
Рис. Временной ход объемов (км3) пресных вод, достигших моря Бофорта
Среди речных вод наибольший вклад вносит сток реки Маккензи, достигая к 2010 году объема 1000 км3. Тихоокеанские воды при расчете по отношению к стандартной солености 34.8 привносят примерно в 4 раза больше пресной воды. Количество вод растаявшего ледово-снежного покрова еще более чем в два раза выше, однако, данная величина в значительной степени корректируется обратными процессами намораживания льда. В работе [11] на основе анализа данных показано, что район моря Бофорта является своего рода «фабрикой» по производству льда, т. е. экспорт льда из этого района преобладает над импортом, а процессы намораживания льда полностью или в значительной степени компенсируют его таяние.
Вклад стока сибирских рек оказался минимальным и, примерно, в 20 раз меньше, чем вклад реки Маккензи. Анализ траекторий частиц показывает, что воды сибирских рек почти полностью изолированы линией Трансполярного дрейфа от циркуляции моря Бофорта. Однако, в предшествующий циклонический период 1989-1996 гг. и при переходе от циклонического периода к антициклоническому вполне возможно вторжение вод сибирского шельфа в зону действия круговорота. По результатам дополнительного эксперимента, в котором трассеры сибирского стока испускались с 1985 года, объем вод сибирского стока, достигших к 2006 г. зоны циркуляции моря Бофорта, составляет 2 000 км3. Однако до 90 % этой величины состоит из воды с возрастом более 10 лет, которая за такой срок может в значительной степени потерять свою идентичность.
Выводы. В ходе анализа результатов численного моделирования формирования аномалии распресненных вод в районе круговорота Бофорта в Северном
Ледовитом океане показано, что аномально высокое содержание пресной воды в этом регионе в 2000-е годы связано с вовлечением в антициклонический круговорот стока реки Маккензи, а также вод Тихого океана, поступающих через Берингов полив. Запас пресной воды может также пополняется за счет значительного таяния льдов в этот период, при условии, что он не будет компенсироваться намораживанием нового льда. Известно, что с 2003 г. толщина льда в регионе уменьшилась примерно на 1 м [11]. Если предположить, что вся выделившаяся при этом вода останется в зоне циркуляции Бофорта, то ее вклад будет примерно 500 км3, что в 2 раза меньше вклада реки Маккензи. Отметим также, что роль стока сибирских рек минимальна в этот период, хотя подчеркивается возможность присутствия этих вод в регионе благодаря процессам, происходящим в предшествующий циклонический период 90-х и при переходе от одного периода к другому.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. The large-scale freshwater cycle of the Arctic / M. C. Serreze, A. P. Barrett, A. G. Slater, R. A. Woodgate, K. Aagaard, R. B. Lammers, M. Steele, R. Moritz, M. Meredith, C. M. Lee // J. Geophys. Res. - 2006. - V. 111 - C11010. doi:10.1029/2005JC003424
2. Arctic pathways of Pacific Water: Arctic Ocean Model Intercomparison experiments / Y. Aksenov, M. Karcher, A. Proshutinsky, R. Gerdes, B. de Cuevas, E. Golubeva, F. Kauker, A. T. Nguyen, G. A. Platov, M. Wadley, E. Watanabe, A. C. Coward, A. J. G. Nurser // J. Geophys. Res. Oceans. - 2016. - V. 121. - P. 27-59. doi:10.1002/2015JC011299
3. Proshutinsky A. Y., Johnson M. A. Two circulation regimes of the wind-driven Arctic Ocean // J. Geophys. Res. - 1997 - V. 102, C6, - P. 12493-12514. doi:10.1029/97JC00738
4. Beaufort Gyre freshwater reservoir: State and variability from observations / A. Proshutinsky, R. Krishfield, M.-L. Timmermans, J. Toole, E. Carmack, F. McLaughlin, W. J. Williams, S. Zimmermann, M. Itoh, K. Shimada // J. Geophys. Res. - 2009. - V. 114. - C00A10. doi:10.1029/ 2008JC005104
5. Belkin I. M. Propagation of the "Great Salinity Anomaly" of the 1990s around the northern North Atlantic // Geophys. Res. Lett. - 2004. -V. 31. - L08306. doi:10.1029/2003GL019334
6. Pacific freshwater, river water and sea ice meltwater across Arctic Ocean basins: Results from the 2005 Beringia Expedition / E. P. Jones, L. G. Anderson, S. Jutterstrom, L. Mintrop, J. H. Swift // J. Geophys. Res. - 2008. - V. 113. - C08012. doi:10.1029/2007JC004124
7. Кузин В. И., Платов Г. А., Лаптева Н. А., Оценка влияния межгодовой изменчивости стока Сибирских рек на циркуляцию Северного Ледовитого океана // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2015. - Т. 51, № 4. - С. 437.
8. Changing Arctic Ocean freshwater pathways / J. Morison, R. Kwok, C. Peralta-Ferriz, M. Alkire, I. Rigor, R. Andersen, M. Steele // Nature. - 2012. - V. 481. - P. 66-70. doi: 10.1038/nature10705
9. Golubeva E. N., Platov G. A. On improving the simulation of Atlantic Water circulation in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. - 2007. - V. 112. - C04S05. doi:10.1029/2006JC003734
10. Голубева Е. Н., Платов Г. А., Численное моделирование отклика арктической системы океан-лед на вариации атмосферной циркуляции 1948-2007 гг // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2009. - Т. 45, № 1. - С. 145-160.
11. Deterioration of perennial sea ice in the Beaufort Gyre from 2003 to 2012 and its impact on the oceanic freshwater cycle / R. A. Krishfield, A. Proshutinsky, K. Tateyama, W. J. Williams, E. C. Carmack, F. A. McLaughlin, M.-L. Timmermans // J. Geophys. Res. Oceans. - 2014. -V. 119. - P. 1271-1305. doi:10.1002/2013JC008999
© Г. А. Платов, 2017
