Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 97-103
Отображение климатических изменений в придонных водах Субарктической Атлантики при наблюдениях in situ (по данным годовых непрерывных наблюдений in situ 2016–2017)
А. К. Амбросимов 1, *, А. А. Клювиткин 1
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской академии наук
Москва, Россия
* E-mail: ambrosimov@ocean.ru
Поступила в редакцию 24.01.2022
После доработки 09.02.2022
Принята к публикации 10.02.2022
- EDN: RTCYVS
- DOI: 10.31857/S2686739722050048
Аннотация
В работе представлены результаты непрерывных годовых наблюдений in situ за циркуляцией течений и температурой в придонных арктических областях энергоактивной зоны Исландского бассейна. Данные получены на притопленных буйковых станциях по разрезу 59.5° с.ш. на глубинах около 50 м от дна в течение 2016–2017 гг. Исследована внутригодовая изменчивость придонных течений и температуры. Показано, что в течение всего срока наблюдалось монотонное стационарное движение вод на всех станциях, а также рост температуры как входящих в бассейн придонных вод, так и выходящих. При этом годовые темпы роста температуры выходящего потока в 1.5 раза превышали рост температуры входящего.
В субарктическом районе Атлантики располагается энергоактивная зона – крупномасштабный океанский круговорот, где взаимодействие океана с атмосферой определяет влияние на глобальные климатические процессы [1–6]. Меридиональная термохалинная циркуляции вод арктической Атлантики формирует отдачу аккумулируемого океаном тепла в атмосферу, в результате чего происходят колебания климата. В научной литературе меридиональный перенос вод в субарктической части Северной Атлантики рассматривается в рамках концепции “глобального конвейера” [7, 8]. Согласно этой концепции, океанский перенос и перераспределение тепла в океане происходят благодаря функционированию глобальной системы двухслойной циркуляции вод. Эту крупномасштабную циркуляцию в арктическом регионе можно представить в виде океанского “конвейера”, который переносит на юг холодные придонные арктические воды. Эти воды формируются в арктическом регионе Атлантики в результате глубокой зимней конвекции [9, 10]. В качестве компенсационного возвратного потока в верхних слоях океана выступает ветвь Северо-Атлантического течения, которая переносит на север теплые поверхностные воды. Передача тепла из океана в атмосферу в субарктической Атлантике представляет особый интерес в связи с его определяющим влиянием на глобальные климатические изменения, особенно в Европе. Важность климатических изменений определяет развитие масштабных мировых исследовательских проектов по изучению взаимодействия океана и атмосферы [11]. Главными вопросами на пути исследователей к пониманию климатических изменений на севере Атлантики являются: какие физические процессы являются определяющими в поддержании данной динамической системы в стабильном состоянии, и какими для этого должны быть пространственно-временные масштабы изменений термохалинной циркуляции в системе меридионального переноса.
Интенсивность переноса глубинных вод Северной Атлантики в низкие широты не является постоянной, оценки переноса глубинных вод в южном направлении выявили максимальный перенос в первой половине 1980-х годов и минимальные переносы во второй половине 1950-х годов и в первой половине 1990-х годов [2, 4].
Изучение динамики верхнего и промежуточного слоев океана проводится давно и довольно интенсивно, а продолжительных наблюдений придонных течений in situ в придонной области практически нет. При анализе пространственных вариаций необходимы оценки временной изменчивости гидрофизических параметров в широкой полосе частот – от годовых (сезонных) до высокочастотных колебаний внутренних волн и турбулентности, которые можно выполнить только с привязкой к одной точке на притопленных буйковых станциях (ПБС) при измерениях in situ. Поэтому целями данного исследования были определение структуры придонных потоков и оценка пределов изменчивости скоростей течений и температуры в придонной области арктической части Атлантического океана in situ.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
В июне 2016 г. в 51-м рейсе НИС “Академик Иоффе” на трансатлантическом разрезе по 59°30′ с.ш. на трех притопленных буйковых станциях (ПБС) были установлены акустические доплеровкие измерители течений Teledyne RD Instruments DVS и Nortek Aquadopp, которые были подняты через год в июле 2017 г. в 68-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” [12–14]. Положение ПБС на разрезе показано на рис. 1, а характеристики и координаты – в табл. 1. Измерения проводились непрерывно в течение 380 сут, интервал измерений составил 1 ч, а интервал осреднения – 3 мин.
Рис. 1.
Карта-схема постановки буйковых станций (а) в арктическом бассейне Атлантического океана и принципиальная схема комплектации станций (б).
Таблица 1.
Помесячные статистические характеристики течения (см/с) и температуры (°С) на придонных горизонтах трансатлантического разреза по 59.5° с.ш. по данным наблюдений на трех ПБС в период с июня 2016 по июль 2017 г.
| №№ ПБС | 3540 | 3562 | 3580 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| координаты | 59°30.045′ с.ш. 17°59.980′ з.д. |
59°29.791′ с.ш. 26°39.821′ з.д. |
59°30.018′ с.ш. 32°49.647′ з.д. |
||||||||||||
| Период наблюдений | 0021 18.06.2016 г. – 2200 05.07.2017 г. |
0000 22.06.2016 г. – 1200 08.07.2017 г. |
0000 25.06.2016 г. – 1927 09.07.2017 г. |
||||||||||||
| глубина, м | 2229 | 2237 | 2203 | ||||||||||||
| горизонт, м | 2175 | 2183 | 2134 | 446 | |||||||||||
| прибор | Aquadopp | Aquadopp | DVS | DVS | |||||||||||
| характеристика | U* | V** | |V| | T(°С) | U | V | |V| | T(°С) | U | V | |V| | U | V | |V| | T(°С) |
| Июль 2016 г. | 0.5 | 1.7 | 6.4 | 2.32 | –11.8 | –0.2 | 14.9 | 2.91 | –0.2 | –6.1 | 7.2 | 16.5 | 26.8 | 16.5 | 3.92 |
| Август | 4.0 | 3.1 | 7.1 | 3.28 | –8.0 | –13.1 | 16.0 | 2.85 | –0.8 | –3.9 | 5.2 | 9.0 | 22.1 | 9.0 | 3.76 |
| Сентябрь | 3.1 | 2.3 | 7.7 | 3.36 | –9.9 | –12.9 | 16.9 | 2.87 | –0.2 | –4.2 | 5.5 | 12.4 | 25.9 | 12.4 | 3.81 |
| Октябрь | 1.3 | 1.5 | 6.3 | 3.39 | –11.4 | –16.1 | 20.3 | 2.82 | –0.8 | -4.7 | 6.1 | 8.0 | 20.3 | 8.0 | 3.79 |
| Ноябрь | 4.1 | 2.4 | 7.1 | 3.37 | –7.4 | –9.3 | 13.1 | 2.81 | –0.8 | –3.8 | 6.0 | 10.2 | 32.0 | 10.1 | 4.26 |
| Декабрь | 1.0 | 1.7 | 6.9 | 3.37 | –8.9 | –11.3 | 15.1 | 2.86 | –1.7 | –4.4 | 6.0 | 9.0 | 26.2 | 9.0 | 4.36 |
| Январь 2017 г. | 2.1 | 1.8 | 7.1 | 3.34 | –8.2 | –12.8 | 15.9 | 2.92 | –1.1 | –2.5 | 4.5 | 5.8 | 25.6 | 5.8 | 4.16 |
| Февраль | 1.9 | 1.1 | 6.2 | 3.36 | –8.8 | –15.1 | 18.0 | 2.88 | –0.2 | –9.9 | 10.4 | 4.8 | 26.7 | 4.8 | 3.71 |
| Март | 1.7 | 1.6 | 6.0 | 3.36 | –9.3 | –14.0 | 17.3 | 2.89 | –1.0 | –6.7 | 7.6 | 8.5 | 34.3 | 8.5 | 3.62 |
| Апрель | 0.7 | 1.6 | 7.0 | 3.42 | –8.3 | –11.8 | 15.0 | 3.00 | –0.6 | –4.3 | 5.8 | 9.4 | 26.5 | 9.4 | 3.98 |
| Май | 0.0 | 0.7 | 6.9 | 3.46 | –7.2 | –11.6 | 14.3 | 3.02 | 0.1 | –5.3 | 6.8 | 9.9 | 28.9 | 9.9 | 3.67 |
| Июнь | 5.0 | 1.6 | 8.5 | 3.38 | –9.0 | –12.5 | 15.8 | 2.97 | –1.3 | –4.4 | 6.5 | 13.0 | 25.6 | 13.0 | 3.88 |
| Ср. за год | 2.1 | 1.8 | 6.9 | 3.36 | –8.7 | –12.7 | 16.0 | 2.90 | –0.7 | –5.0 | 6.4 | 0.3 | –3.0 | 9.7 | 3.91 |
| Макс. | 21.9 | 21.4 | 27.3 | 3.59 | 7.4 | 7.9 | 35.1 | 3.21 | 12.1 | 8.0 | 24.2 | 26.9 | 31.3 | 34.3 | 5.0 |
| Мин. | –18.2 | –17.8 | 1.4 | 3.14 | –30.5 | –34.7 | 2.3 | 2.64 | –11.7 | –2.4 | 2.7 | –24.7 | –32.8 | 0 | 3.22 |
Измерения течений на придонных горизонтах показали, что в восточной части Исландского бассейна (ПБС-3540), между поднятием Роколл и хребтом Рейкьянес (рис. 1) на горизонте 2175 м (глубина 2229 м) в течение всего года с июня 2016 по июль 2017 г. наблюдалось придонное течение северо-восточного направления со среднегодовой скоростью 6.9 см/с (табл. 1). На прогрессивно-векторной диаграмме течения (рис. 2а), построенной по этим данным, заметно слабое воздействие внутренних волн, не нарушающее общую картину движения вод на северо-восток. Перенос водных масс в северо-восточном направлении за год составил 2246 км.
Рис. 2.
Прогрессивно-векторные диаграммы течения по данным наблюдений на станциях Атлантического океана по разрезу 59.5° с.ш.: (а) ПБС-3540; (б) ПБС-3562; (в) ПБС- 3580; (г) ПБС-3580.
На ПБС-3562, установленной в западной части Исландского бассейна (рис. 1) на горизонте 2183 м (глубина 2237 м), наблюдалось равномерное движение вод в течение всего года в юго-западном направлении со средней скоростью ~16 см/с. Общий перенос вод в юго-западном направлении за год наблюдений составил 5239 км (рис. 2б), что в 2.5 раза больше по длине, чем привнесение вод в восточную бассейна. Очевидно, что баланс достигается как за счет опускания в придонную область охлажденных поверхностных вод, так и за счет поступления придонных вод при горизонтальной циркуляции. Температура выходящего из Исландского бассейна придонного потока воды (ПБС-3562) в течение года изменялась в пределах от 2.64°С до 3.21°С, при средней 2.90°С. В восточной части моря Ирмингера у западного подножия хребта Рейкъянес была поставлена третья станция – ПБС-3580 (рис. 1), на которой было установлено два измерителя течений – один у дна на горизонте 2134 м (глубина 2203 м) и второй на горизонте 446 м.
Верхний горизонт наблюдений 446 м ПБС-3580 (рис. 2г) находился под воздействием крупномасштабного циклонического вихря диаметром более 300 км, который существовал с июня 2016 г. по март 2017 г. Его прогрессивно-векторная диаграмма течения искажена мезомасштабными возмущениями. Общий перенос по трассе составил 3185 км, а в южном направлении около 1000 км. Среднегодовая скорость течения на этом горизонте в среднем была в 1.5 раза выше, чем на придонном, и составила 9.7 см/с.
Прогрессивно-векторная диаграмма ПБС-3580 протяженностью 2109 км (рис. 2в), полученная по данным наблюдений на придонном горизонте 2134 м, показала, что течение здесь было направлено, практически, в южном направлении в течение всего года наблюдений. На него заметное влияние оказывает динамика вихревой структуры, образованной в верхнем слое океана.
Анализ данных температуры показал, что в течение всего года измерений наблюдалось монотонное повышение температуры как входящих атлантических вод в придонную область восточной части Исландского бассейна (рис. 3), так и выходящих вод из западной части бассейна. Температура входящего в Исландский бассейн потока воды в течение года медленно росла, линейная интерполяция этого роста имеет вид:
где T – температура в °С, t – количество дней наблюдений.Рис. 3.
Увеличение температуры воды, входящей (ПБС-3540) и выходящей (ПБС-3562) из Исландского бассейна, в течение года.
Линейная интерполяция изменения температуры придонной воды, выходящей из арктического бассейна Tвых от времени наблюдений, рассчитанная по данным более чем годовых наблюдений, представлена в виде:
где T – температура в °С, t – количество дней наблюдений.ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
Анализ динамики придонных течений на всех трех ПБС показал, что среднемесячные скорости и направления течений (табл. 1) в течение всего года носят довольно стабильный характер. В восточной части разреза в бассейн осуществлялся приток придонной воды в северо-восточном направлении с температурой на ~0.5° выше, чем температура выходящего из Арктики потока в южном направлении практически на таком же горизонте. Этот факт, очевидно, свидетельствует о том, что здесь отдача тепла в придонную морскую среду юго-восточной части Исландского бассейна является более сложным элементом глобальной системы циркуляции вод, который требует дополнительного исследования.
Записи скорости и направления течений на ПБС-3580 в море Ирмингера на горизонтах 446 и 2134 м показали, что существует связь между изменчивостью течений на этих горизонтах, которая очевидно связана с баротропными синоптическими колебаниями над океаном [15]. Сравнение хронограмм баротропных компонент приповерхностных геострофических течений, вычисленных по данным спутниковых измерений уровня моря, указывает на связь с данными измерения течения in situ на глубине 446 м. А изменчивость течений на хронограммах горизонта 446 м коррелирует с изменчивостью на горизонте 2134 м. Углубленное развитие этих связей открывает новые возможности для изучения океана из космоса с помощью привязки спутниковых данных к измерениям на ПБС in situ.
Тот факт, что придонное течение, втекающее в восточную часть Исландского бассейна в течение более года, движется в северо-восточном направлении, а на станциях 3562 и 3580 вытекает в юго-западном и южном направлении, указывает на его межгодовую стабильность. А это значит, что если измерять придонные течения и температуру в этих точках регулярно, то по их динамике можно контролировать климатические изменения. С другой стороны, двухслойная модель не предполагает втекания придонных атлантических вод в бассейн.
Данные спектрального анализа отмечают приливные и инерционные колебания с амплитудами до 20 см/с и периодами 13.9 и 12.4 ч соответственно, а также синоптические возмущения с периодами 4.5 и 17 сут (рис. 4) [12].
Рис. 4.
Спектры компонент скорости течений и плотности кинетической энергии на ст. 3540, горизонт измерений 2175 м.
Сравнение роста температуры входящего и выходящего из Исландского бассейна придонных потоков показало, что общее потепление входящего потока за год составило 0.1°, при средней температуре 3.37°С, а выходящего – 0.15°, при средней 2.90°С. Эти данные показывают, что в придонной области моря реально наблюдаются климатические изменения.
Возможно, что баланс между поступлением вод из Атлантики и выходом вод из придонной области Исландского бассейна достигается как за счет опускания в придонную область охлажденных поверхностных вод, так и за счет охлаждения и горизонтального переноса придонных вод.
ВЫВОДЫ
1. В придонной области юго-восточной части Исландского бассейна наблюдалось втекание пришедших с юга придонных атлантических вод, а в западной части – вытекание из бассейна.
2. Движение воды во входящем и выходящем из бассейна потоках носит стабильный стационарный характер.
3. Скорость выхода придонных вод из Исландского бассейна в 2.5 раза превышает скорость поступления придонных вод в бассейн.
4. Экспериментальные данные показывают, что циркуляция вод в придонной юго-восточной области Исландского бассейна проходит несколько отлично от глобальной системы двухслойной циркуляции вод, что требует дополнительных исследований.
5. Непрерывные наблюдения в придонной области Исландского бассейна in situ показали, что во входящем и выходящем потоках происходит монотонное повышение температуры в течение года. В выходящих из бассейна водах повышение температуры происходит в 1.5 раза быстрее, чем во входящих в бассейн. А это предполагает, что мы наблюдаем процесс климатических изменений.
Список литературы
Саркисян А.С. // Вестник АН СССР. 1983. № 10. С. 83–89.
Добролюбов С.А., Соков А.В. Роль глубинных вод Северной Атлантики в изменчивости теплообмена океана и атмосферы // Вестник МГУ. Сер. 5. География. 2002. № 6. С. 42–48.
Гладышев С.В., Гладышев В.С., Соков А.В. и др. // ДАН. 2017. Т. 473. № 1. С. 93–97.
Koltermann K.P., Sokov A.V., Tereschenkov V.P., Dobroliubov S.A., Lorbacher K., Sy A. Decadal Changes in the Thermohaline Circulation of the North Atlantic // Deep-Sea Research II. 1999. V. 46. P. 109–138.
Сарафанов А.А., Фалина А.С., Соков А.В. Многолетние изменения характеристик и циркуляции глубинных вод на севере Атлантического: Роль региональных и внешних факторов // ДАН. 2013. Т. 450. № 4. С. 470–473.
Daniault N., Mercier H., Lherminier P., et al. The Northern North Atlantic Ocean Mean Circulation in the Early 21st Century // Progress in Oceanography. 2016. V. 146. P. 142–158.
Лаппо С.С. К вопросу о причинах адвекции тепла на север через экватор в Атлантическом океане // Исследование процессов взаимодействия океана и атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 125–129.
Broecker W.S. The Great Ocean Conveyor // Oceanography. 1991. V. 4 (2). P. 79–89.
Dickson R.R., Brown J. The Production of North Atlantic Deep Water: Sources, Rates, and Athways // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1994. V. 99. № C6. P. 12319–12341.
Dickson R., Lazier J., Meincke J., Rhines P., Swift J. Long-term Coordinated Changes in the Convective Activity of the North Atlantic // Progress in Oceanography. 1996. V. 38. № 3. P. 241–295.
Lozier M.S., Bacon S., Bower A.S., et al. Overturning in the Subpolar North Atlantic Program: A New International Ocean Observing System // Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS). 2017. V. 98. № 4. P. 737–752.
Амбросимов А.К., Клювиткин А.А., Мельников В.А. Новые данные о сезонной изменчивости придонных течений и температуры в субарктической части Атлантического океана // Экологические системы и приборы. 2019. № 1. С. 38–44.
Клювиткин А.А., Политова Н.В., Новигатский А.Н. и др. // Океанология. 2017. Т. 57. № 3. С. 514–516.
Клювиткин А.А., Гладышев С.В., Кравчишина М.Д. и др. // Океанология. 2019. Т. 59. № 1. С. 170–172.
Шапрон Б., Кудрявцев В.Н., Коллард Ф. и др. Исследования субмезомасштабной изменчивости верхнего слоя океана по данным спутниковых наблюдений // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36. № 6. С. 676–690.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
Пн.-пт.: 10.00-19.00