Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 2, стр. 105-110
Интенсификация крупномасштабных апвеллингов в атлантическом и тихом океанах при современных климатических условиях
Член-корреспондент РАН А. Б. Полонский 1, *, А. Н. Серебренников 1
1 Институт природно-технических систем
Севастополь, Россия
* E-mail: apolonsky5@mail.ru
Поступила в редакцию 03.02.2020
После доработки 31.03.2020
Принята к публикации 01.04.2020
Аннотация
По спутниковым данным о температуре поверхности океана с 1985 г. (с пространственным разрешением 0.05° × 0.05°) и приводном ветре с 1992 г. (в узлах регулярной сетки 0.25° × 0.25°) проанализированы параметры низкочастотной изменчивости полей, характеризующие интенсивность Канарского, Бенгельского, Калифорнийкого, Перуанского и Чилийского апвеллингов. Показано, что анализируемые крупномасштабные апвеллинги ветрового происхождения интенсифицируются. Для каждого апвеллинга оценены вклады в эту интенсификацию усиления сгонного ветра и изменения вертикальных скоростей, обусловленные пространственной неоднородностью поля ветра.
ВВЕДЕНИЕ
Океанические апвеллинги, примыкающие к западным побережьям Африки и Америки, относятся к наиболее высокопродуктивным регионам Мирового океана и относительно неплохо изучены. Известно, что они возникают, прежде всего, вследствие сгонного ветрового эффекта и особенностей восточных пограничных течений Атлантического и Тихого океанов. В Атлантике они представлены Канарским и Бенгельским апвеллингами. В Тихом океане – Калифорнийским, Перуанским и Чилийским апвеллингами [1–7].
Достаточно часто интенсивность апвеллингов оценивается с помощью так называемого термического индекса апвеллинга (ТИА). Он представляет собой разность температуры поверхности океана (ТПО) в прибрежной и удаленной от области подъема вод зонах [1, 8, 9]. Его широкое использование связано с простотой выделения апвеллинговых областей на основе легко наблюдаемого параметра – ТПО, несмотря на то, что ТИА является косвенной характеристикой апвеллинга и не всегда адекватно отражает интенсивность подъема вод в области апвеллинга (см., например, [1]). Вместе с тем, выполнено несколько численных экспериментов по расчету поля скорости в зонах крупномасштабных океанических апвеллингов с достаточно высоким пространственным разрешением (например, [10]).
Относительно долговременных тенденций в интенсивности апвеллингов восточных частей Атлантического и Тихого океанов при современных климатических трендах опубликованы различные точки зрения. В работе [11] была выдвинута гипотеза об усилении вертикальных движений в зонах океанических апвелингов при глобальном потеплении и описан соответствующий механизм. По мнению автора, интенсификация апвеллингов обусловлена ростом температурного контраста между поверхностью океана и континентом, сопутствующим увеличением градиента давления между сушей и морем и усилением вдольбереговой компоненты прибрежных сгонных ветров. Некоторые публикации подтвердили эту гипотезу [1, 2, 6, 12]. В то же время, авторы работы [10] провели моделирования долговременных тенденций Бенгельского апвеллинга за последние ~50 лет и показали несостоятельность выдвинутой Бакуном гипотезы. Сам Бакун с соавторами в более поздних работах (например, [13]) также выразили сомнения относительно справедливости гипотезы об усилении прибрежного апвеллинга в процессе глобального потепления. Вероятная причина отсутствия такого усиления в некоторых прибрежных районах заключается в том, что долгопериодные климатические тенденции сопровождаются изменением крупномасштабной структуры поля ветра и разнонаправленными трендами в интенсивности вертикальных движений, обусловленных пространственной неоднородностью ветра в апвеллинговых регионах [2].
Таким образом, возникает вопрос о тенденциях в интенсивности крупномасштабных океанических апвеллингов в процессе глобального потепления и их причинах. Выделение таких тенденций для Канарского, Бенгельского, Калифорнийского, Перуанского и Чилийского апвеллингов, а также обсуждение их вероятных причин и является целью настоящей работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИХ ОБРАБОТКИ
В работе проанализированы ежедневные векторные карты приповерхностного ветра с разрешением 0.25° × 0.25° за 27-летний период (с 1992 по 2018 гг.), полученные с сайта NCEP (National Centers for Environmental Prediction). По этим данным для каждого из рассматриваемых апвеллингов рассчитаны ежесуточные величины вдольбереговой компоненты вектора ветра, экмановского сгона (WEUI), модуля скорости приповерхностного ветра (ПВ), и вертикальной экмановской скорости, обусловленной пространственной неоднородностью поля ветра (WEP). Для косвенной характеристики интенсивности апвеллинга использовались данные о ТПО с разрешением 0.05° × 0.05° с 1985 по 2018 гг., полученные с сайта CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service). По ним вычислялись минимальные величины ТИА в средне-климатических масках, рассчитываемых с использованием пороговых значений для разности ТПО в прибрежной и удаленной оффшорной зонах. Подробности выбора этих пороговых значений и их влияние на результаты расчетов проанализированы в работе [1]. В отличие от этой работы, тренды ТИА рассчитывались для усредненных (по 50 минимальным значениям ТИА) месяцев с максимальной интенсивностью апвеллинга. Расчеты остальных параметров проводились в специальных фиксированных масках, построенных для каждого апвеллинга в своем диапазоне широт и ограниченных по долготе береговой линией и кривой, удаленной от берега на расстояние 1.75°.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Вертикальные движения, обусловленные ветровым сгоном и завихренностью поля ветра, интенсифицируются во всех анализируемых апвеллинговых зонах (рис. 1 и 2, табл. 1). Однако, значимость линейных трендов в зоне Атлантических апвеллингов в целом выше, чем в области Тихоокеанских. В значительной степени этот результат связан с тем, что в апвеллинговых зонах Тихого океана линейный тренд вертикальной скорости, связанный с изменением ветровых условий, явно не является оптимальной аппроксимацией для анализируемого временного периода. Сравнение рис. 1 и 2 показывает, что, если в Атлантике значительные различия между линейным и кубическим трендами на рассматриваемом временном отрезке отсутствуют, то в Тихом океане эти тренды более существенно отличаются между собой. Это свидетельствует о важной роли естественных низкочастотных вариаций в поле ветра, особенно выраженных в восточной части Тихого океана. Этот результат объясняется наличием в Тихом океане не только интенсивной междесятилетней изменчивости (типа Тихоокеанской декадной осцилляции), но и квази-регулярной генерации здесь наиболее мощного межгодового сигнала в системе “океан–атмосфера”– Эль-Ниньо – Южной осцилляции [14].
Таблица 1.
Анализируемые апвеллинги в Атлантике и Тихом океане | Вертикальная скорость сгонного характера, WEUI | Вертикальная скорость, связанная с пространственной неоднородностью поля ветра, WEP | Минимальные значения термического индекса апвеллинга | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R2 | Inc, 10–7 м/с | Proc, % | R2 | Inc, 10–7 м/с | Proc, % | R2 | Inc, °C | Proc, % | |
Канарский | 0.13 | 17.8 | 3.8 | 0.11 | 1.7 | 3.2 | 0.48 | –1.5 | 10.9 |
Бенгельский | 0.33 | 21.4 | 5.3 | 0.21 | 2.4 | 3.1 | 0.2 | –0.5 | 4.7 |
Калифорнийский | 0.17 | 33.6 | 19.8 | 0.32 | 3.8 | 12 | 0.12 | –0.8 | 5.5 |
Перуанский | 0.01 | 0.7 | 0.3 | 0.08 | 4.5 | 2.6 | 0.34 | –2.2 | 16.6 |
Чилийский | 0.25 | 24.7 | 6.3 | 0.18 | 2.9 | 3.7 | 0.3 | –0.8 | 10.1 |
Основной вклад в интенсификацию вертикальной скорости в зоне большинства апвеллингов вносит усиление экмановского сгона. Его типичная доля порядка 90%. Усиление завихренности поля ветра отвечает приблизительно за 10% интенсификации вертикальных движений в области апвеллингов, что подтверждают данные авторов работы [15]. Исключение составляет Перуанский апвеллинг, в котором, напротив, преобладает тренд, обусловленный усилением завихренности поля ветра (табл. 1).
Тренды и статистические характеристики временных рядов минимальных значений ТИА, рассчитанные для всех рассматриваемых апвеллингов, в целом подтверждают сделанные выше выводы (табл. 1). Некоторые различия между трендами ТИА и тенденциями в скорости подъема вод в верхнем слое океана ветрового происхождения обусловлены двумя причинами. Во-первых, ветровые тенденции оценивались по среднегодовым данным, а тренды ТИА – по месяцам с максимальным развитием апвеллинга. Во-вторых, временной ход ТИА отражает не только изменчивость вертикальной скорости, но и интенсивность адвективно-диффузионных процессов в зоне, примыкающей к области апвеллинга [2].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, все анализируемые крупномасштабные апвеллинги ветрового происхождения в восточных частях Атлантического и Тихого океанов в последние ~30 лет интенсифицируются. В целом, основной вклад в эту интенсификацию вносит увеличение скорости сгонного ветра. Полученные результаты свидетельствует в пользу справедливости гипотезы об интенсификации крупномасштабных океанических апвеллингов при глобальном потеплении, высказанной в работе [11]. Усиление направленной вверх вертикальной скорости, обусловленное пространственной неоднородностью поля ветра, наиболее важно в области Перуанского апвеллинга, где оно превышает интенсификацию подъема вод сгонного характера. Вместе с тем, на фоне линейного тренда выделяются интенсивные квазипериодические колебания в поле ветра межгодового–междесятилетнего масштабов. Они представляют собой проявление естественных вариаций в системе “океан–атмосфера” значительной амплитуды. Их наличие, а также сравнительно небольшая продолжительность накопленных рядов спутниковых данных достаточно высокого разрешения существенно осложняют выделение трендов, связанных именно с глобальным потеплением.
Список литературы
Polonsky A.B., Serebrennikov A.N. Long-Term Sea Surface Temperature Trends in the Canary Upwelling Zone and their Causes. // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2018. V. 54. № 9. P. 1062–1067.
Полонский А.Б., Серебренников А.Н. Об изменении температуры поверхности океана в зоне Бенгельского апвеллинга. Часть 2: многолетние тенденции. // Исследование Земли из космоса. 2019. № 4. С. 29–39. https://doi.org/10.31857/S0205-96142019429-39
Духова Л.А., Сапожников В.В. Гидрохимические показатели первичной продукции в зоне Перуанского и Канарского апвеллингов // Труды ВНИРО. 2014. Т. 152. С. 85–100.
Macias D., Landry M.R., Gershunov A., Miller A.J., Franks P.J.S. Climatic Control of Upwelling Variability along the Western North American Coast // PLoS ONE. 2012. V. 7: e30436. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030436
Seabra R., Varela R., Santos A.M., Gómez-Gesteira M., Meneghesso C., Wethey D.S., Lima F.P. Reduced Nearshore Warming Associated With Eastern Boundary Upwelling Systems. // Front. Mar. Sci. 2019. V. 6. P. 104. https://doi.org/10.3389/fmars.2019
Varela R., Álvarez I., Santos F., et al. Has Upwelling Strengthened along Worldwide Coasts over 1982-2010? // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 10016. https://doi.org/10.1038/srep10016
Малинин В.Н., Чернышков П.П., Гордеева С.М. Канарский апвеллинг: крупномасштабная изменчивость и прогноз температуры воды. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 156 с.
Chavez F.P., Messie M. A Comparison of Eastern Boundary Upwelling Ecosystems // Prog. Oceanogr. 2009. V. 83. № 1–4. P. 80–96. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2009.07.032
Lamont T., García-Reyes M., Bograd S.J., van der Lingen C.D., Sydeman W.J. Upwelling Indices for Comparative Ecosystem Studies: Variability in the Benguela Upwelling System // Journal of Marine Systems. 2018. V. 188. P. 3–16.
Tim N., Zorita E., Hünicke B. Decadal Variability and Trends of the Benguela Upwelling System as Simulated in a High Ocean-only Simulation // Ocean Sci. 2015. V. 11. P. 483–502.
Bakun A. Global Climate Change and Intensification of Coastal Ocean Upwelling // Science. 1990. V. 247. P. 198–201. https://doi.org/10.1126/science.247.4939.198
Narayan N., Paul A., Mulitza S., Schulz M. Trends in Coastal Upwelling Intensity During the Late 20th Century. // Ocean Sci. 2010. 6. P. 815–823. https://doi.org/10.5194/os-6-815-2010
Bakun A.,Field D.B., Redondo-Rodriguez A., Weeks S.J. Greenhouse Gas, Upwelling-Favorable Winds, and the Future of Coastal Ocean Upwelling Ecosystems // Global Change Biology. 2010. V. 16. № 4. P. 1213–1228.
Polonsky A. The Ocean’s Role in Climate Change. // Cambridge Scholars Publishing, Newcastle. UK. 2019. 294 p.
Junker T., Schmidt M., Mohrholz V. The Relation of Wind Stress Curl and Meridional Transport in the Benguela Upwelling System // Journal of Marine Systems. 2015. V. 143. P. 1–6.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле