О межгодовой изменчивости температуры и солености промежуточных водных масс антарктического происхождения в южной части Тихого океана Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.465.16(265.7)

О МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОЛЕНОСТИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОДНЫХ МАСС АНТАРКТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В ЮЖНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА

© 2014 г. Е.В. Бородин

Бородин Евгений Владимирович - аспирант, Балтийский феде- Borodin Evgeniy Vladimirovich - Post-Graduate Student, ральный университет им. Иммануила Канта, ул. А. Невского, Immanuel Kant Baltic Federal University, Nevskiy St., 14, 14, г. Калининград, 236041, e-mail: [email protected]. Kaliningrad, 236041, Russia, e-mail: [email protected].

На основе данных проекта «Арго» производится обзор межгодовых изменений температуры и солености на горизонте промежуточной водной массы антарктического происхождения (АПрВ) и смежных с ним горизонтах. Рассмотрению подлежат точки измерений в западной центральной и восточной областях в южной части Тихого океана. Показаны возможные периоды, в которые происходило максимальное проникновение АПрВ в ЮТО. Показано среднемноголетнее распределение индекса нелинейности циклонических вихрей. Данный индекс отображает способность вихря переносить свойства водной массы, в пределах которой произошло его образование (температура, соленость, питательные соли, фито- и зоопланктон).

Ключевые слова: температура, соленость, вихри, промежуточная водная масса антарктического происхождения.

We used data of Agro-project for overview of interannual change in temperature and salinity in intermediate water of Antarctic origin (AIW) level and in level of near. For research we chose a dot in western, central and eastern South Pacific (SP). Periods with max penetrate of AIW in SP was show. Averannual distribution of index nonlinear for cyclonic eddys was show. Index of nonlinear are show capability of eddys for transport a parametetrs of water mass (temperature, salinity, nutrients, phyto and zooplankton).

Keywords: temperature, salinity, eddy, intermediate water of Antarctic origin.

Акватория южной части Тихого океана (ЮТО) является наиболее продуктивным океаническим районом Тихоокеанского бассейна. Начатые в 1978 г. промыслово-океанологические исследования этого района продолжались вплоть до 1991 г. и были остановлены в связи с прекращением промысла из-за финансово-экономических проблем рыболовной отрасли бывшего СССР. За 13 лет научных и промысловых работ, проведенных в области, ограниченной 20-45° ю.ш., 70-180° з.д., было выловлено более 13 млн т тихоокеанской ставриды (ТгаЛигш тигрИу1, N10018, 1920). За такое промысловое богатство район получил название «ставридный пояс» [1]. После 1991 г. было проведено всего несколько научно-исследовательских экспедиций (2002-2003, 2009, 2010 гг.), однако они ограничивались районом юго-восточной части Тихого океана (ЮВТО). В районе юго-западной части Тихого океана (ЮЗТО) - западнее 120° з.д. - научно-поисковых экспедиций в этот период не проводилось. По этой причине нельзя утверждать, что район ЮЗТО является бесперспективным районом для промысла, без предварительных исследований.

Хорошая промысловая обстановка, наблюдавшаяся в период промысла с 1978 по 1991 г., была обу-

словлена наличием стабильной кормовой базы для рыбы, основу которой составляет планктон. Развитию такой кормовой базы в океанической части ЮТО способствуют гидродинамические процессы, при которых антарктическая поверхностная водная масса (АПВ) [1] при опускании в районе Южного полярного фронта трансформируется в антарктическую промежуточную водную массу (АПрВ). Проникая в ЮТО, АПрВ несет в себе биогенные элементы (фосфаты, нитраты), которые не ассимилируются в зоне Антарктики из-за отсутствия достаточной освещённости [2]. Поступая в верхний фотический слой ЮТО, АПрВ формирует основу высокой продуктивности вод, на которой строится кормовая база промысловых объектов. Сравнивая карты распределения растворенных азота, фосфора и кремния [3], на которых отмечается повышение концентрации биогенных элементов по направлению с севера на юг, с распределением фито-и зоопланктона [4], где говорится об увеличении в сторону Антарктики общего тренда в разнообразии и количестве биомассы, легко объяснить увеличение биологической продуктивности вод повышенным содержанием в них биогенных элементов, источником которых является область Антарктики. Следователь-

но, изменение объема проникающих в ЮТО АПрВ, влияющее на общую биологическую продуктивность вод, может сказываться на объеме биомассы тихоокеанской ставриды в районе широтного пояса 20-45° ю.ш., 70-180° з.д.

Таким образом, целью данной работы является необходимость с использованием современных источников данных выделить особенности проникновения АПрВ в ЮТО. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: 1) установить механизм проникновения АПрВ в ЮТО; 2) произвести пространственно-временной анализ изменений свойств промежуточных вод в западной, центральной и восточной частях ЮТО и сравнить их между собой.

Материалы и методы

В работе используются следующие источники данных.

Проект «Арго» - система зондирования Мирового океана, благодаря которой можно получать информацию о процессах, протекающих в океане от поверхности до 2000 м. Суть проекта: создание долговременной, глобальной сети океанографических станций на основе дрейфующих буев. Временной интервал измерения каждого буя составляет 10 сут, нижний горизонт измерений - 2000 м. Верифицированные данные поступают с 2004 г. Период выборки данных: январь 2004 - декабрь 2012 г. Данные доступны в Интернете [5].

В работе используется массив данных, созданный в рамках глобального исследования нелинейных ме-зомасштабных вихрей [6]. Он содержит сведения об океанических вихрях, начиная с октября 1992 по январь 2013 г.: уникальный номер вихря, количество

точек, в которых фиксировался вихрь, дата фиксации вихря с обозначением координат, а также данные об амплитуде, см, диаметре, км, времени жизни вихря, недели, и скорости вращения, см/с. Данный массив строится посредством автоматизированной процедуры для выявления и отслеживания мезомасштабных вихрей, основаной на значении уровня моря. Период выборки данных: январь 1992 - декабрь 2012 г. Данный массив находится в свободном доступе [7].

Для удаления годового хода из данных используется скользящее среднее по 13 точкам.

Результаты и их обсуждение

Согласно материалам рейсовых отчетов, области наибольшей продуктивности в районе ЮТО располагаются вблизи постоянных токов. В данном случае таким током является АЦТ. Главным элементом циркуляции АЦТ являются циклонические и антициклонические меандры, которые, отделяясь от субантарктического фронта (САФ), образуют вихри, характеризующиеся максимальным, по сравнению с другими районами ЮТО, индексом нелинейности. Этот индекс вытекает из линейной теории передвижения вращающейся жидкости, которая гласит, что скорости вращающегося столба жидкости несильно отличаются друг от друга [8]. Отсюда понятно, что индекс нелинейности заключается в отношении различных компонентов скоростей вихря.

Из анализа распределения индекса нелинейности (рис. 1) можно сделать вывод, что наибольшей нелинейностью обладают вихри, локализующиеся вдоль оси АЦТ, а также расположенные на его периферии.

Рис. 1. Среднемноголетнее (1992-2012) распределение индекса нелинейности циклонических вихрей,

рассчитанного на двухградусной сетке [7]

Данный индекс определяет способность вихря сохранять и переносить свойства водной массы (температуру, соленость, питательные соли, фито- и зоопланктон), в пределах которой произошло его образо-

вание. Он является безразмерной величиной и рассчитывается как отношение скорости вращения вихря к скорости его передвижения [6]. Если скорость вращения вихря превышает скорость его передвижения (ин-

декс нелинейности > 1), то жидкость в нём находится в ловушке [6]. На основании вышеизложенного можно предположить, что проникновение АПрВ в ЮТО в определенной мере обеспечивается вихрями АЦТ. Это также подтверждается серией работ [9, 10], в которых развивается теория о вихревом механизме проникновения АПрВ в ЮТО. Согласно этим работам, меандры, отделившиеся от САФ, опресняют промежуточный слой вод ЮТО [9] при условии, что образовавшийся вихрь не вернется обратно в САФ [10]. В этом заключается часть механизма формирования АПрВ.

Другой частью механизма формирования АПрВ является происходящее на северной границе АЦТ изопикническое опускание более тяжелых антарктических вод под вышележащие слои более легких поверхностных вод умеренного пояса [11].

Для выявления областей наиболее активного проникновения АПрВ удобно отслеживать температурный и соленосный режим в подповерхностных и промежуточных слоях ЮТО.

Из классической работы О.И. Мамаева [12], известно, что антарктическая поверхностная вода (АПВ), из которой формируется АПрВ, характеризуется низкими значениями температуры и солености, что объясняется малым количеством солнечной радиации и обильными осадками [13]. Соответственно, при проникновении этих вод в северные области ЮТО происходит охлаждение и опреснение окружающих вод. Это дает нам возможность отслеживать проникновение антарктической воды в ЮТО, используя межгодовые изменения температуры и солености по данным зондирования вертикальной структуры вод.

Для этой цели на основе данных, полученных из массива «Арго», проводится анализ межгодовых колебаний температуры и солености на горизонтах 100, 300 и 500 м в западной (32,5° ю.ш., 167,5° з.д.), центральной (27,5° ю.ш., 132,5° з.д.) и восточной (32,5° ю.ш., 92,5° з.д.) частях ЮТО.

Горизонт 100 м, откуда вода поднимается к поверхности в зонах дивергенции и питает биогенными элементами фотический слой, можно рассматривать в определенной мере как относящийся к верхнему фо-тическому слою, горизонт 300 м - как переходный горизонт от фотического слоя к промежуточным слоям, и 500 м - как средний горизонт верхней границы АПрВ.

Межгодовые изменения температуры и солености в разных частях ЮТО во многом связаны с неравномерным проникновением в них АПрВ. Для мониторинга интенсивности поступления АПрВ в разные районы ЮТО было выбрано три равноудаленные точки, в которых проводились измерения температуры и солености с помощью буев «Арго» и где характер изменчивости термохалинных параметров вертикальной структуры вод довольно сильно различается из-за различной интенсивности проникновения в эти рай

оны АПрВ. Выбор этих точек так же связан с одной из научных гипотез о структуре запаса ставриды, согласно которой формирование относительно изолированных единиц запаса ставриды в западной, центральной и восточной частях района ЮТО (от Южной Америки до Новой Зеландии) происходит под воздействием крупномасштабной динамики вод в промежуточных слоях [14].

Несмотря на короткий анализируемый ряд (9 лет), автор попытался проанализировать межгодовые колебания термохалинных характеристик на различных горизонтах.

Западная часть. Ряды межгодовой (сглаженные по 13 точкам) изменчивости температуры и солености дают представление об интенсивности проникновения в эту область ЮТО АпрВ (рис. 2). Характер колебаний совпадает для всех горизонтов, кроме одного исключения: на горизонте 100 м не отмечалось минимума в 2007 г., а в 2008 г. наблюдался максимум температуры и солености. На горизонтах 300, 500 м в 2007 г. наблюдался минимум, хорошо выраженный по температуре и менее по солености на горизонте 500 м. Максимум был сдвинут к началу 2009 г. и запаздывал почти на год по отношению к горизонту 100 м. Не на всех горизонтах экстремумы температуры и солености имеют одинаковый характер, так например, на горизонте 100 м в 2011 г. наблюдается четкий экстремум на графике температуры, однако на графике солености он выражен слабо. Лучше всего согласование экстремумов прослеживается на горизонтах 300 и 500 м. Наибольшее проникновение АПрВ в восточный квадрат наблюдалось в 2009 г., когда ярко выраженные минимумы температуры и солености отмечались на всех горизонтах.

Основываясь на обновленном наборе данных, можно предположить, что наибольшее проникновение антарктических вод в западной части ЮТО происходило в 2007 и 2010 гг.

Центральная часть. При анализе графиков межгодовых изменений температуры и солености (рис. 3) выявились следующие подробности. На горизонтах 100, 300 м для температуры и на 100 м - для солености наблюдается возрастающий тренд, признаки которого отсутствуют на остальных графиках. Плавное повышение температуры в поверхностных горизонтах является следствием внешнего воздействия, так как его признаки отсутствуют на глубинных горизонтах. На фоне общей картины выделяется аномально теплый период 2011-2012 г. Период до 2011 г. не сопровождался какими-либо аномальными явлениями и имеет линейный характер в изменении параметров. Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сделать следующие предположения: единственным годом, в котором могло происходить проникновение антарктических вод, является 2010 г., или можно предположить, что проникновение антарктической воды происходило на протяжении периода с 2004 по 2010 г.

Температура, °С 100 м

Соленость, %о 100 м

Рис. 2. Сглаженные по 13 точкам (месяцам) межгодовые изменения температуры и солености в западной части на горизонтах 100, 300, 500 м

Температура, °С Соленость, %о

100 м 100 м

20.9 /^v 35.80

та 1 35.7S

20S / 35Л>

au ___ / 15.Й0

20.1 э&м

ял

19.7 ЗЛ50

.100 м

149 fS—\ 15.06

14.7 / 3S.O»

i4js / MJJ2

ш f 15.1X1

14.1 Д ** 34.9«

IM 34.%

117 34.94

500 м

tu ___34.41

8 ( 34.40

7.9 / VL40

7Л / 34.39

7.7 ___. / 34Л9

Ш)м

WO м

iigSggsI::

SSisi

J 3 S 8 S i fe i fe iäiSieBi:?

5 t 3 S

2 2 C. C- — — r« et

feüiisiii

Рис. 3. Сглаженные по 13 точкам (месяцам) межгодовые изменения температуры и солености в центральной части

на горизонтах 100, 300, 500 м

Восточная часть. Анализ межгодовых изменений термохалинных характеристик восточной части (рис. 4) выявил нижеперечисленные особенности. На горизонте 100 м колебания не соответствуют колебаниям, наблюдаемым на 300, 500 м. Следовательно, горизонт 100 м в большей степени подвержен внешнему влия-

нию по сравнению с 300 и 500 м, характер колебания на которых в большей степени соответствует друг другу. Начиная с горизонта 300 м мы можем выделять экстремумы. Отрицательный экстремум 2005 г., как и ожидалось, подтвердился.

Рис. 4. Сглаженные по 13 точкам (месяцам) межгодовые изменения температуры и солености в восточной части

на горизонтах 100, 300, 500 м

Следующий за ним положительный экстремум и последующее падение температуры, продолжавшееся вплоть до 2008 г., не находят подтверждения на графике солености, на котором отображено её возрастание с 2005 по 2007 г. и затем падение, продолжившееся до 2010 г. Следующий отрицательный экстремум, который может считаться достоверным, наблюдается в 2010 г. За ним следует положительный экстремум 2011 г., который так же находит свое подтверждение на горизонтах 300, 500 м. Исходя из вышесказанного, можно предположить, что периоды с максимальным проникновением антарктической воды в ЮТО приходятся на 2005 и 2010 гг.

Первый вывод, который отмечается при сравнении значений температуры и солености в выбранных точках, состоит в следующем: в восточной части ЮТО величины исследуемых параметров, особенно соленость, имеют значительно низкие показатели: на 100 м ниже на 0,8 -1,0 %«, на 300 м - на 0,7- 0,8, на 500 м - на 0,1- 0,3 %о. Это приводит к следующему выводу: восточная часть может считаться областью максимального проникновения АПрВ в ЮТО. Подтверждением вышесказанного могут быть следующие факты: во-

первых, при сравнении карт распределения температуры и солености за разные месяцы общей их особенностью выступает вынос вод из антарктической части в умеренную, в виде изгиба изотерм и изогалин на север в восточной части района; во-вторых, подтверждение гипотезы, что восточная часть ЮТО - область наиболее активного проникновения АПрВ, обозначалось ранее в работе [15], в которой установлено, что максимальное проникновение АПрВ в ЮТО происходит между 100° з.д. и побережьем Южной Америки. Учитывая гидродинамический режим района 25-50° ю.ш. (в северной части - движущиеся на запад антициклоны, в южной - циклоны, движущиеся на восток), будет логично предположить, что антициклонические вихри играют важную роль в переносе АПрВ, проникшей в восточную часть ЮТО, на запад. Это подтверждается тем фактом, что движущиеся на запад антициклоны имеют индекс нелинейности > 1 (рис. 1), а значит, они могут переносить воду, а также кремний, фосфаты, фитопланктон и другие вещества, отвечающие за продуктивность. Но поскольку время жизни вихрей может варьироваться от нескольких месяцев до нескольких лет, то продуктивность на ос-

нове питательных солей, захваченных вихрями вблизи побережья Южной Америки, не может развиваться в ЮЗТО, так как к тому моменту все питательные вещества уже ассимилированы. Таким образом, можно заключить, что продуктивность западной и центральной частей ЮТО развивается только от вод, принесенных вихрями с юга из области Антарктики.

Из вышеизложенного следует, что частью механизма проникновения АПрВ является океанические вихри, отделившиеся от САФ и характеризующиеся повышенным индексом нелинейности, за счет чего они способны сохранять свойства той водной массы, в пределах которой произошло его зарождение.

Рассмотрены межгодовые колебания температуры и солености на горизонтах 100, 300, 500 м в западной (32.5° ю.ш., 167.5° з.д.), центральной (27.5° ю.ш., 132.5° з.д.) и восточной (32.5° ю.ш., 92.5° з.д.) частях ЮТО. Используя ряды, полученные измерениями параметров в разных частях ЮТО, мы можем проследить характер колебаний термохалинных характеристик водной массы в разных областях ее поступления в ЮТО. Горизонт 100 м рассматривался как относящийся к верхнему фотическому слою, 300 м - как переходный горизонт от верхнего фотического к промежуточному, и 500 м - как горизонт верхней границы АПрВ. Установлено, что в западной части ЮТО максимальное проникновение АПрВ происходило в 2007, 2010 гг.; в центральной части - в 2010 г.; в восточной части - в 2005, 2010 гг.

Проникновение антарктических вод в восточной части наиболее активно по сравнению с западной и центральной.

Литература

1. Глубокое А.И., Глубоковский М.К., Нестеров А.А., Чер-нышков П.П. Современное состояние запасов океанической ставриды ТгаЛшге murphyi в южной части Тихого океана и международно-правовые проблемы её освоения // Тр. ВНИРО. 2010. Т. 169. С. 356-371.

Поступила в редакцию_

2. Чернявский Е.Б., Вавилова В.В., Максимов В.П. Биологические последствия подъема вод в открытом океане. М., 1976. Сер. 9, Вып. 4. C. 1-37.

3. Малинин В.Н., Гордеева С.М. Промысловая океанология

юго-восточной части Тихого океана. Т. 1: Изменчивость факторов среды обитания. СПб., 2009. 278 с.

4. Atkinson A., Ward P., Hurt B.R.V., Pakhomov E.A., Hosie

G.W. An overview of Southern Ocean zooplankton data: abundance, biomass, feeding and functional relationship // CCAMLR Science. 2012. Vol. 19. P. 171-218.

5. Global Marine Argo Atlas. URL: http://www.argo.ucsd.edu/

Marine_Atlas.html (дата обращения: 04.10.2013).

6. Chelton D.B., Michael G.S., Roger M.S. Global observations

of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91. P. 167-216.

7. Mesoscale eddies in Altimeter Observation of SSH URL:

http://cioss.coas.oregonstate.edu/eddies/data.html (дата обращения: 04.10.2013).

8. Гринспен Х. Теория вращающихся жидкостей. Л., 1975.

304 c.

9. Голивец С.В., Кошляков М.Н. Вихреобразование на суб-

антарктическом фронте по данным спутниковых наблюдений и формирование антарктической промежуточной воды // Океанология. 2004. Т. 44, № 4. C. 485494.

10. Голивец С.В., Кошляков М.Н. Циклонические вихри суб-

антарктического фронта и образование антарктической промежуточной воды // Океанология. 2003. Т. 43, № 3. С. 325-338.

11. Кукса В.И. Промежуточные воды Мирового океана. Л.,

1983. 272 c.

12. Мамаев О.И. Т^-анализ вод Мирового океана. Л., 1987.

297 c.

13. Атлас океанов. Т. I: Тихий океан. Л., 1974. 320 c.

14. Report of the south Pacific regional fishery management

organization Chilean Jack Mackerel workshop, 2008. URL: http: //www. southpacificrfmo. org/assets/6th-Meeting-0ctober-2008-Canberra/JM-Subgroup-VI/SPRFM0-VI-SWG-JMSG-02.pdf (дата обращения: 17.02.2014).

15. Iudicone D., Rodgers K.B., Schopp R., Madec G. An ex-

change window for the injection of Antarctic Intermediate Water into the South Pacific // J. of Physical Oceanography. 2007. Vol. 37. P. 31-49.

8 апреля 2014 г.