CC BY
22
УДК 504.45+551.46 Вестник СПбГУ. Сер.7,2005, вып. 2
А. А. Бобков, Н. В. Усов, В. Ю. Цепелев ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ АНОМАЛИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ У МЫСА КАРТЕШ
Введение. В течение нескольких десятилетий, начиная с 1961 г., сотрудники Беломорской биологической станции (ББС) Зоологического института РАН выполняют уникальные не только по продолжительности, но и по содержанию комплексные измерения в одной и той же точке Белого моря на выходе из губы Чупы у мыса Картеш. Дискретность этих работ строго выдерживается на протяжении всех лет и составляет 10 суток в теплый период года и 1 раз в месяц в зимний. Каждый цикл наблюдений включает в себя океанографические и гидробиологические измерения с заякоренного судна или со льда от поверхности до глубин порядка 60-65 м. Местоположение гидробиологической станции (ГБС), в которой выполняется вышеупомянутый объем работ, показано на рис. 1.
32° 33° 34° 35° 36° 37° в.д.
Рис. 1. Местоположение ГБС в губе Чупе у мыса Картеш.
Собранный к настоящему времени материал послужил экспериментальной базой для многочисленных публикаций; на его основе НОАА создан каталог с компакт-диском, подводящий итоги этих исследований, который содержит большое число различных графиков о распределении абиотических параметров и морской биоты
Многолетние колебания гидрологических условий (температура воды) привлекли наше внимание, поскольку они показывают достаточно сложную временную и, очевидно, пространственную долгопериодную изменчивость океанологического режима акватории северо-западной части Белого моря, причины которой могут лежать как внутри региона, так и за его пределами. Такая изменчивость достаточно обсуждена в литературе или знакома исполнителям работ, поэтому попытку ее объяснить предприняли, объединив усилия, авторы настоящей статьи, по специальностям океанолог, метеоролог и гидробиолог, справедливо полагая, что одним из источников ее могут являться макросиноптические процессы.
1 Berger V., Naumov A., Zubaha М. et al. 36-Year time series (1963-1998) of zooplankton, temperature and salinity in the White Sea. St.Petersburg; Washington, 2003.
О А. А. Бобков, H. В. Усов, В. Ю. Цепелев, 2005
Данные. В качестве отправной точки исследования была взята температура воды как фактор, отражающий изменения водно-тепловых условий региона. Конечно, изменения в одной точке пространства не могут быть репрезентативными для всей акватории, но общий фон долгопериодных колебаний значения температуры воды должны отражать.
Предполагая взаимообусловленность гидрологических условий и изменчивости атмосферных процессов, была использована база данных ЫСАЯ полей среднемесячного атмосферного давления в узлах регулярной географической сетки, захватывающей Белое море с шагом 5><5 градусов. Во всех случаях оперировали со среднемесячными значениями исходных величин за 1961-2001 гг., взятых за летний период (июль-сентябрь), хотя в процессе работы ряд был продолжен за счет привлечения других месяцев года - с апреля по июнь. Использование последних потребовалось для предварительного тестирования материала.
Методы исследования и расчеты. Прежде всего был проведен качественный анализ межгодовой изменчивости циркуляционных атмосферных процессов над северо-западным районом Европейской территории России для оценки их влияния на температуру поверхности Белого моря. Для этой цели по среднемесячным полям аномалий приземного атмосферного давления были построены карты для трех летних месяцев, первоначально - с июня по август, но в дальнейшем с июля по сентябрь 1961-2001 гг. Также было проанализировано временное распределение температуры воды в точке ГБС на поверхности, отдельных горизонтах и между слоями как в абсолютных значениях, так и в отклонениях от среднего для среднелетних величин и каждого летнего месяца в отдельности. При анализе графиков аномалий акцент был сделан на значимые (по модулю более 1°) годы с положительными или отрицательными отклонениями.
В качестве рабочей гипотезы был взят тезис о том, что различные типы макросиногггических процессов и предыстория их развития за 2-3 месяца до изучаемого, преимущественно антициклонического или циклонического режима, обусловливают разную интенсивность прогрева водной поверхности солнечной радиацией за счет преобладания соответственно ясной, безветренной, или пасмурной, ветреной, погоды с соответствующим типом облачности и осадков. Результат должен фиксироваться в фактическом материале - выраженных положительных или отрицательных аномалиях температуры воды, режиме солености и, как следствие, в отклике гидробионтов.
Для всего испытуемого периода были рассчитаны коэффициенты корреляции (к) между рядами температуры поверхности моря и ее величинами на отдельных горизонтах за летний сезон и по каждому месяцу в отдельности. Анализ этого этапа работы показал, что наибольший вклад в формирование летней аномалии температуры поверхности моря вносит август, а минимальный - июнь:
Месяцы Июнь Июль Август
к 0,53 0,75 0,85
Следовательно, в. нашем исследовании при изучении роли атмосферных процессов и их вкладе в формирование аномалий температурного режима поверхности моря логично было бы рассматривать только два летних месяца - июль и август, так как именно они определяют среднюю летнюю температуру и ответственны за накопление тепла Белым морем. Процессу накопления тепла' акваторией в июне может препятствовать сохраняющийся в отдельные годы лед, из-за чего солнечная радиация, даже при благоприятных для прогрева атмосферных условиях, уходит на разрушение ледового покрова, а не на прогрев морской воды.
Результаты и их обсуждение. Белое море относится к внутренним морям, для которых характерна квазизамкнутость водного пространства. В нем отсутствуют значимая адвекция тепла или холода морскими течениями, за исключением Горла с интенсивными приливо-отливными движениями. В соответствии с вышесказанным, гидрц-динамику бассейна можно считать слабо развитой, и температурный режим поверхностного слоя моря формируется в основном в летний период года (в июле-августе) вследствие интенсивного поглощения водой солнечной радиации. В связи с этим такие крупномасштабные нарушения в механизме прогрева, как аномальное развитие облачного покрова, ветровой режим, распределение температуры воздуха в приводном слое, приводят к аномальному прогреву или охлаждению поверхности моря. Все перечисленные факторы определяются циркуляционным режимом атмосферы.
На первый взгляд, механизм взаимодействия океана и атмосферы можно считать установленным, и литература на эту тему достаточно обширна. Аномальный циркуляционный режим атмосферы сопровождается формированием отклонений в поле баланса тепла. Влияние поглощенной солнечной радиации, адвекция тепла (холода) морскими течениями, теплообмен между морем и атмосферой, волновое и конвективное перемешивание приводят к изменению температуры поверхности моря на больших площадях и способствуют возникновению температурных аномалий. Так, например, устойчивая антициклональная погода в летний период способствует прогреву верхнего слоя моря, а сопутствующий антициклону штилевой режим ветров благоприятствует сохранению и накоплению этого тепла. Наоборот, циклонический тип циркуляции препятствует прогреву воды вследствие наличия облачности, а повышенная повторяемость штормов ведет к усиленному перемешиванию водной массы и дальнейшему выхолаживанию.
Вследствие высокой удельной теплоемкости океана возникшие температурные аномалии имеют тенденцию к сохранению. Типичная продолжительность существования аномалий составляет несколько месяцев с максимумом внутригодовой корреляции летом и зимой. Изучив причины формирования крупномасштабных аномалий в поле
температуры воды, можно попытаться объяснить режимы локальных биотопов и поведение биоты, отношение которой к изменению температурных условий не нуждается в доказательствах.
Многолетние изменения температуры поверхностного слоя моря у мыса Картеш, взятом за основу наших рассуждений, иллюстрирует рис. 2, на котором приведены аномалии температуры, осредненной по двум горизонтам -О и 10 м. На рисунке отчетливо видно чередование теплых и холодных лет, когда отклонения от среднего значения составляли 2 °С и более в ту или другую сторону.
Аномалии температуры
Рис. 2. Многолетние изменения аномалий температуры поверхностного слоя моря у мыса Картеш (губа Чупа, Кандалакшский залив, Белое море) в летний период (июль-сентябрь).
Обращаясь к синоптическим ситуациям, восстановленным на эти моменты, следует констатировать, что практически все значительные положительные аномалии температуры поверхностного слоя совпадают с антициклоническими атмосферными процессами и ветрами южных румбов (см. рис. 2 и таблицу). Для случаев, когда формировались отрицательные аномалии температуры воды, характерен циклонический тип атмосферных процессов. Понятно, что такая однозначность соблюдается не всегда, поскольку на образование аномалий температуры влияют также такие не учтенные нами факторы, как, например, ледовый режим и сток рек. В частности, отрицательные аномалии воды при преобладающем антициклональном режиме циркуляции, а следовательно, при активном прогреве, могут сформироваться и удерживаться из-за экстремально развитого ледового покрова.
Классификация лет с выраженными положительными и отрицательными аномалиями температуры поверхностного слоя моря (ТПМ) у мыса Картеш
Годы с положительными аномалиями ТПМ Годы с отрицательными аномалиями ТПМ
1967 1-966
1970 „ 1969
1977-1978 1971
1980 1976
1984-1985 1982-1983
1988 1992
1990 1995
1994 1999
1998 2001
2000.
Рис. 3. Аномалии приземного атмосферного давления (Мб), характерные для холодных (а) и теплых (б) годов летних месяцев.
Области давления: Н - низкого, В - высокого
Формализация потенциально двух возможных синоптических ситуаций, имеющих сходный характер развития в летний период, показана на рис. 3. В первом случае (рис. 3, а) идентичность макросиноптических процессов циклонического типа с июля по сентябрь обусловила отрицательные аномалии температуры воды у мыса Картеш в 1964, 1966, 1969, 1971, 1976, 1982-1983, 1992, 1995-1996, 1999 и 2001 гг. (см. таблицу, правая часть). Во втором случае (рис. 3, б) при преобладании антациклонического типа циркуляции в 1961, 1967, 1970, 1972, 1977-1978, 1980,1984-1985,1988,1990, 1994, 1998 и 2000 гг. формировались положительные аномалии.
Вместе с тем при сравнении данных рис. 2 и таблицы видно, что имеются некоторые несоответствия в объяснении формирования крупномасштабных аномалий температуры воды и характера развития макросиноптических процессов. Причину этого мы видим в несколько формализованном подходе к классификации макросиноптических ситуаций, при котором мало учитываются как местные условия, так и аномалии ледового режима.
Заключение. Крупномасштабная изменчивость гидрологических условий Белого моря вполне объяснима с позиции ее совместного анализа с изменчивостью синоптических процессов. Удалось выделить в исходном ряду аномально теплые и холодные годы в рядах температуры воды и разбить их на два принципиально различных класса. В одном из них доминировали циклонические, а во втором антициклонические типы циркуляции, которые и обусловили различный отклик водной поверхности и формирование разных тепловых режимов. Абсолютного совпадения метеорологических и океанологических колебаний тем не менее ожидать не приходится, так как атмосферные процессы - не единственная причина формирования аномалий температуры воды. Другая причина этого несовпадения - пространственная разнородность океанологической и метеорологической информации.
Summary
BobkovA. A , Usov N. V., Tsepelev V. Yu. Hydrometeorological factors influencing the formation of water temperature anomalies nearby the Kartesh Cap.
Variability of a hydrological regime near the White Sea Biologic Station of the Zoological Institute by the Kartesh Cap in summer period 1961-2001 is correlated to variability of atmospheric circulation forms. Of common case for forming negative anomalies of water temperature is the cyclonic type of atmospheric processes which keeps within a period of three months at least. All expressed positive anomalies of a surface layer are corresponded to predominating athmospheric processes of anticyclonic character.
Статья поступила в редакцию 20 сентября 2004 г.
