Исследование Земли из Космоса, 2020, № 4, стр. 18-26

ВВЕДЕНИЕ

Тихоокеанская сайра (Cololabis saira) является важнейшим объектом рыбного промысла на Дальнем Востоке России. Во время нагула и в преднерестовый период сайра собирается в большие косяки. Эта пелагическая рыба мигрирует в северо-западной части Тихого океана с марта по август на север, а с сентября до января на юг (Kosaka, 2000; Байталюк, 2004; Филатов и др., 2011; Baitaliuk et al., 2013). Промысел сайры традиционно велся российским флотом с августа по декабрь в ночное время в районе южных и средних Курильских островов (Россия) с удалением до 300 миль в океан к востоку от Курил и о. Хоккайдо (Япония). В 2019 году оставшимся специализированным судам тайваньской постройки приходилось уходить в поисках сайры в океан еще дальше до 1200 миль от о. Хоккайдо, а в 2018 г. до 830 миль.

В районе северо-западной Пацифики (рис. 1) сходятся богатые пищей субарктические воды течения Ойясио, субтропические олиготрофные воды течения Куросио и его продолжения и специфические водные массы из Охотского моря. Издавна это один из важнейших районов Мирового океана по рыбному промыслу (Uda, 1938). Фронтальная зона Ойясио–Куросио отличается повышенной вихревой активностью с большим количеством суб- и мезомасштабных вихрей различных размеров и разного происхождения вод в своих ядрах. Некоторые вихри регулярно год от года стагнируют в определенных местах. Для рыбного промысла сайры наиболее важными являются хоккайдский антициклон с ядром теплой субтропической воды (ХАЦ, обозначен HAC на рис. 1 и 3) и буссольский антициклон с холодным ядром субарктических вод Ойясио и частично охотоморских вод (БАЦ, обозначен BAC на рис. 1 и 3). Изредка вместо хоккайдского антициклона примерно на его месте стагнирует аномальный антициклон (АХАЦ, обозначен AHAC на рис. 1, c), воды которого имеют другое происхождение, чем ХАЦ. Он также оказывает существенное влияние на промысел сайры. Большое число работ посвящено связи мест улова сайры с мезомасштабными антициклоническими вихрями в районе российского рыбного промысла (Saitoh et al., 1986; Sugimoto, Tameishi, 1992; Самко и др., 2008; Самко и др., 2010; Пранц и др., 2012; Prants et al., 2014; Самко, Булатов, 2014; Антоненко, Новиков, 2017). Вокруг таких вихрей образуются и обычные гидрологические фронты, и так называемые лагранжевы фронты (Пранц и др., 2012; Пранц и др., 2014; Prants et al., 2014), где сходятся водные массы различного происхождения, создавая благоприятную кормовую базу для сайры.

Помимо мезомасштабных вихрей в этом районе имеются и другие крупномасштабные структуры. Это в первую очередь ветви Ойясио (Белоненко и др., 1997): 1-я прибрежная ветвь, распространяющаяся вдоль восточного побережья Хоккайдо, 2-я ветвь, огибающая ХАЦ по его северо-восточной периферии и 3-я менее развитая и устойчивая ветвь, отделяющаяся к востоку от основного стрежня Ойясио в районе пролива Буссоль (см. рис. 1) и регулируемая БАЦ. Как правило, все ветви не существуют одновременно, ослабевая и усиливаясь по-разному от путины к путине. Имеется также квази-стационарная струя Исогучи (Isoguchi, 2006), которая меандрирует, меняет положение и форму год от года (см. рис. 1). 2-я и 3-я ветви Ойясио, несущие субарктическую воду, вливаются в струю Исогучи, смешиваясь с трансформированной субтропической водой, и формируют фронт Ойясио.

В последние годы произошли очень существенные изменения в уловах сайры российским флотом (см. рис. 2). В традиционных местах лова российских рыбаков вылов на судо-сутки в тоннах (CPUE) снижается после 2008 г. и катастрофически падает, начиная с 2015 гг. Похожая картина наблюдается у японских рыбаков (Kuroda, Katsumi, 2017) и у других стран участников промысла. Вылов на судо-сутки зависит, по крайней мере, от четырех факторов: состояния популяции, технической оснащенности судов, человеческого фактора и океанологических условий (Байталюк, 2004; Филатов и др., 2011). Что касается состояния популяции, то, по общему мнению, биомасса сайры снижается в последние годы (NPFC, 2019a; NPFC, 2019b).

Мы не вдаемся в причины снижения общей биомассы сайры в океане. Цель работы – исследование связи вылова сайры с изменениями океанографической обстановки в районе российского промысла и попытка объяснения как падения уловов, так и смены мест лова этими изменениями. Для этого используются поля скорости АВИЗО в 2004–2018 гг., усредненные за период путины каждого года, и рассчитанные на их основе лагранжевы карты происхождения вод (Prants et al., 2017).

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Геострофические скорости в приповерхностном слое заимствованы из базы данных АВИЗО (http://www.aviso.altimetry.fr) с архивированием ежесуточного глобального поля скорости с 1 января 1993 г. с горизонтальным разрешением 1/4° x 1/4°. Этот продукт получен в результате комбинирования альтиметрических данных со спутников TOPEX/POSEIDON, Jason-1 для данных после декабря 2001 г. и Envisat для данных после марта 2002 г.

Все результаты моделирования в этой статье получены после численного решения уравнений адвекции для большого числа трассеров в поле скорости АВИЗО

где $u$ и ν угловые зональная и меридиональная скорости, φ и λ – широта и долгота. Бикубическая пространственная интерполяция и интерполяция по времени лагранжевыми полиномами третьего порядка обеспечивают требуемую точность численного интегрирования. Траектории лагранжевых частиц находятся интегрированием уравнений адвекции по схеме Рунге–Кутта 4-го порядка.

Для фиксирования положения мезомасштабных вихрей ежесуточно вычисляются особые точки, где суточное поле скорости равно нулю. Стандартный анализ устойчивости этих точек позволяет находить местоположения устойчивых эллиптических точек и неустойчивых гиперболических точек. Движение воды в окрестности гиперболических точек неустойчиво в том смысле, что две близко расположенные частицы воды могут экспоненциально быстро расходиться. Эллиптические точки расположены, как правило, в центрах вихрей и циркуляций, где вращение водных масс превалирует над их деформацией. Такие точки, обозначающие центры антициклонов (циклонов), наносятся на рисунки с полем скорости и на лагранжевы карты в виде треугольников, ориентированных вверх (вниз). Точность вычисления эллиптических точек долгоживущих мезомасштабных вихрей много лучше номинального разрешения поля скорости АВИЗО, т.к. поле скорости вокруг центров таких вихрей гладкое и медленно меняющееся. Это было проверено в двух экспедициях: на НИС “Академик Гагаринский” в июне–июле 2012 г. со съемкой буссольского вихря (БАЦ) в районе средних Курил, координаты центра которого только на несколько км отличались от вычисленных координат соответствующей эллиптической точки (Prants et al., 2016). С такой же точностью была определена эллиптическая точка камчатского вихря в рейсе НИС “Академик Опарин” в сентябре 2017 г.

Одной из основных задач этой работы является идентификация источников водных масс в районе промысла сайры российским судами. Для этого рассчитывались лагранжевы карты происхождения вод – новый инструмент лагранжевой диагностики крупномасштабного переноса и перемешивания вод в океане (Prants et al., 2014; Prants et al., 2017). Методика расчета таких карт следующая: (1) каждые сутки задается решетка с большим числом пассивных частиц, покрывающая весь регион на рис. 1; (2) задаются координаты цветных отрезков – источников специфических водных масс (см. рис. 1); (3) интегрируя уравнения адвекции назад во времени на полгода, вычисляются траектории всех частиц из массива начальных данных; (4) на фиксированную дату на географической карте региона отмечаются цветом те частицы, которые в течение полугода в прошлом пересекли соответствующий цветной отрезок. В качестве фиксированной даты выбран конец сайровой путины – 1 декабря. Рассчитанные таким образом лагранжевы карты, параметризованные датой и временем интегрирования уравнений адвекции, дают информацию о происхождении водных масс в заданном районе.

Использованы позиции движения судов, включая суда Японии и Кореи (когда они находятся внутри или поблизости ИЭЗ РФ), ловивших сайру бортовыми ловушками, сохраненные в Отраслевой Системе Мониторинга (ОСМ) ФГБУ “Центр системы мониторинга рыболовства и связи” с 2004 по 2018 гг. в ночное время, которое определялось по углу захода Солнца за горизонт глубже 6 астрономических градусов по каждой паре координат и всемирному координированному времени по алгоритму (Michalsky, 1988), реализованному со всеми последовавшими исправлениями в пакете oce (https://cran.r-project.org/web/packages/oce) для языка программирования высокого уровня R (https://cran.r-project.org/).

Выборка операций, где предположительно велся лов сайры, осуществлена по соответствию времени каждой операции диапазонам бюджета времени каждого судна, подававшему отчет о вылове сайры в ОСМ. Если скорость движения к следующей позиции превышала 3 м/с, то такая позиция удалялась. Прочие операции и позиции, отстоящие от предыдущей позиции дальше, чем судно могло двигаться на максимальной скорости, указанной в реестре судов ОСМ, также удалены. Данные по уловам до 2017 г. получены из ФАО (FAO, 2019), за 2018 г. получены из документов РФ для Комиссии по рыболовству в северной части Тихого океана (The North Pacific Fisheries Commission – NPFC), которые в табличном виде представлены на сайте NPFC (https://www.npfc. int/summary-footprint-pacific-saury-fisheries), а за 2019 г. из ОСМ. Стандартизированный CPUE РФ получен из рабочего документа NPFC (Kulik et al., 2019).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены поля скорости АВИЗО в 2014, 2015, 2017 и 2018 гг. в районе российского промысла сайры, усредненные за путину соответствующего года, с 1 августа по 30 ноября. На каждую карту наложены за все время путины позиции судов России, Японии и Кореи, застопоривших ход и ловивших сайру бортовыми ловушками в ночное время. Это критерии успешного лова сайры в этих местах. Отметим квази-перманентные антициклонические вихри (BAC и HAC на рис. 1), регулярно стагнирующие примерно в одних и тех же местах, и наличие квази-стационарной струи Исогучи (IJ на рис. 1), которая меняет положение и форму год от года. Поскольку эта струя трансформированной субтропической воды определяет границу фронта Ойясио, то и фронт мигрирует год от года. На положение субарктического фронта оказывает влияние и межгодовая изменчивость 2-й и 3-й ветвей Ойясио, которые вливаются в струю Исогучи, формируя благоприятные для промысла (не только сайры, но и кальмара Бартрама (Будянский и др., 2017)) лагранжевы фронты схождения трансформированных субтропических и субарктических вод.

Для идентификации происхождения различных водных масс в районе промысла мы рассчитываем на основе поля скорости АВИЗО лагранжевы карты происхождения вод в период 2004–2018 гг. в соответствии с методикой, изложенной в разд. 2 статьи. На каждую карту, так же как и на рис. 1, нанесены позиции судов (места улова) за путину. Из-за недостатка места на рис. 3 приведены карты только последних лет. Мы идентифицируем три основные водные массы в районе промысла: субарктические богатые биогенами воды течения Ойясио, продуктивные воды, поступающие в океан из Охотского моря через Курильские проливы и субтропические олиготрофные воды течения Куросио и его продолжения. Эти водные массы отображаются на картах на рис. 3 оттенками разного цвета в зависимости от того отрезок какого цвета соответствующие трассеры пересекли в прошлом. Зональный отрезок синего цвета пересекает стрежень Ойясио вдоль 49.5° с.ш. от 154.75° до 160° в.д., отрезок зеленого цвета находится в Охотском море (оба показаны на рис. 1) и зональный отрезок красного цвета пересекает стрежень Куросио вдоль 34.5° с.ш. от 139° до 144° в.д. (не показан, т.к. находится за границами области на рис. 1 и 3). Все отрезки приведены на рис. 1 в статье (Prants et al., 2018). Белый цвет на картах означает, что соответствующие частицы воды имеют либо иное происхождение и не принадлежат указанным водным массам, либо за полгода в прошлом (начиная с 1 декабря каждого года) они не успели достичь ни одного из выбранных отрезков.

В период 2004–2008 гг. места уловов сайры были сосредоточены в основном вблизи лагранжевых фронтов на периферии ХАЦ в местах схождения водных масс различного происхождения: трансформированной олиготрофной субтропической воды в ядре ХАЦ, богатых питательными веществами и зоопланктоном субарктических вод Ойясио и водных масс из Охотского моря. Отметим, что субтропическая вода в ядре ХАЦ не отображается на картах на рис. 3, так как полгода недостаточно для ее переноса от Куросио до Хоккайдо. Для этого требуется большее время. На картах происхождения вод, рассчитанных на 2 года назад во времени в статье (Prants et al., 2018), видно, что ядро ХАЦ в различные годы состоит в основном из субтропической воды Куросио. В период 2004–2008 гг. была хорошо сформирована 2-я ветвь Ойясио, огибающая ХАЦ по его северо-восточной периферии. В эти годы в сайровую путину регулярно формировалась устойчивая система лагранжевых фронтов, создающих благоприятную кормовую базу для нагула сайры (Пранц и др., 2012; Пранц и др., 2014; Prants et al., 2014). Лов велся также вблизи лагранжевых фронтов на океанской стороне у средних Курил на периферии и внутри БАЦ. На графике на рис. 2 видно, что наибольшие значения CPUE сайры были получены российскими рыбаками именно в этот период времени 2004–2008 гг.

Начиная с 2009 г., эффективность лова сайры снижается по разным причинам, включая уменьшение биомассы сайры и сокращение количества российских судов на путине. После сравнительно большого общего вылова сайры в 2014 г. следует существенное сокращение уловов в последующие года и особенно в 2017 и 2019 гг. (рис. 2). Что касается CPUE (вылова за судо-сутки), то он также уменьшается с 2014 г., но в 2018 г. выходят на уровень 2014 г. Согласно последним оценкам биомасса сайры в научных траловых съемках Японии сократилась на 30% в 2019 г. относительно 2018 г. Рыбы возраста 1+ встречались в основном восточнее 160° в.д., а сеголетки – восточнее 175° з.д. Ранее большая часть сеголеток отмечалась восточнее 165° в.д. (NPFC, 2019a). Последняя согласованная консенсусом оценка состояния запаса сайры, рассчитанная в соответствующей структуре NPFC, показывает, что с уровня высокой биомассы примерно равного приемной емкости в середине 2000-х гг. оценки снизились до минимума с 1980 г. в 2017 г., когда отношение биомассы сайры к ее максимальному устойчивому уровню снизилось до 0.63 (NPFC, 2019b). Однако эта оценка не включала оценки биомассы 2019 г. и CPUE 2018–2019 гг. По предварительным оценкам Вануату, Республики Корея, России, Тайваня и Японии очередной минимум эффективности лова сайры был достигнут в 2019 г. (NPFC, 2019a).

Как уже упоминалось во Введении, CPUE зависит от нескольких факторов. Изменения как общего вылова сайры в 2014–2019 гг., так и CPUE за этот период мы связываем, помимо указанных факторов, с изменением гидрологического режима, а именно, с формированием 3-й ветви Ойясио (рис. 1, в, г, д). Сравнительно высокие значения CPUE в 2014 и 2018 гг. (см. рис. 1 и 3) обусловлены ловом, главным образом, на перифериях ХАЦ и БАЦ с хорошо развитыми лагранжевыми фронтами в эти годы, где сходятся воды различного происхождения, в том числе, богатые питательными веществами и зоопланктоном субарктические воды Ойясио и водные массы из Охотского моря. В результате на периферии этих антициклонов создаются благоприятные условия для кормления сайры. БАЦ в 2015 г. был развит плохо, в отличие от 2016 г. В 2015 и 2016 гг. места уловов в значительно меньшей степени концентрируются вокруг и внутри ХАЦ и БАЦ, и находятся, главным образом, в районе между вихрями (рис. 1).

Особенная ситуация сложилась в путину 2017 г., когда вместо типичного устойчивого ХАЦ сформировался гораздо менее развитый антициклон местного происхождения АХАЦ (рис. 1), вокруг которого не смогли сформироваться достаточно устойчивые лагранжевы фронты с благоприятной кормовой базой для сайры. В путину этого года интенсифицировалась 3я ветвь Ойясио (рис. 1, в), к фронту которой, а также к фронту квази-стационарной струи Исогучи сместились места лова (рис. 1, в и 3, в). Вылов за судо-сутки в этот год был минимальным (см. рис. 2), что мы объясняем отсутствием развитого антициклона у берегов Хоккайдо, а также минимальной оценкой биомассы сайры.

Что касается катастрофического снижения общего вылова сайры в районе промысла в последние годы, то мы связываем это (помимо сокращения общей биомассы сайры) с изменением гидрологического режима Ойясио. Наиболее значительные изменения происходят, начиная с 2015 г., и связаны они с усилением 3-й ветви Ойясио, переносящей продуктивные воды этого течения в открытый океан к востоку и юго-востоку от средних Курил и с ослаблением 2-й ветви Ойясио, несущей субарктические воды на юг и юго-запад (рис. 1 и 3). Одной из причин усиления 3-й ветви является увеличение, начиная с 2015 г., средней скорости течения Ойясио в целом.

Для проверки этого на всем зональном отрезке, показанном на рис. 1, а, были вычислены значения нормальной компоненты геострофической скорости усредненной за период сайровой путины, начиная с 2014 г. Расчет показал, что эта средняя скорость неуклонно растет в последние годы и выросла в 2016 г. почти в 2 раза по сравнению с 2014 г. Вследствие этого уменьшается транспорт вод Ойясио вдоль берегов Курил и Хоккайдо и увеличивается транспорт субарктических вод на восток и юго-восток от пр. Буссоль и БАЦ. На картах скорости на рис. 1 это отражается в появлении 3-й ветви Ойясио, контролируемой БАЦ, а на картах происхождения вод на рис. 3 – в расширении на восток площади “синих” вод Ойясио. Два этих фактора приводят к сокращению уловов в прибрежных районах южных Курил и Хоккайдо и к созданию потенциальных мест лова на востоке в открытых водах океана. Снижение уловов вблизи берега вынуждает рыбаков искать новые места далеко на востоке, что для судов, традиционно работавших в прибрежных районах, экономически менее привлекательно из-за значительных расходов на топливо, когда в прибрежных районах можно успешно ловить кальмаров, сардину-иваси, скумбрию и минтая.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значительные межгодовые изменения как величины общего вылова сайры российскими судами, так и вылова за судо-сутки (CPUE) обусловлены сочетанием многих факторов, из которых в этой статье рассматривалось только изменение гидрологических условий в последние годы, когда и произошло резкое падение уловов в традиционных местах лова российских и японских рыбаков. С помощью спутникового альтиметрического поля скорости АВИЗО и рассчитанных на его основе лагранжевых карт происхождения вод с нанесенными на них позициями судов России, Японии и Кореи в каждую путину мы изучили крупномасштабный транспорт и перемешивание вод в районе промысла в период с 2004 по 2018 гг.

Значительное сокращение как общего вылова сайры, так и CPUE в 2015–2018 гг. мы связываем, помимо сокращения биомассы сайры в целом, с изменением путей распространения богатых питательными веществами субарктических вод Ойясио. Начиная с 2015 г., в результате почти двукратного увеличения средней скорости течения Ойясио интенсифицировалась 3-я ветвь Ойясио, переносящая субарктические продуктивные воды на восток в открытый океан, создавая там благоприятные условия для кормления сайры. Однако, лов сайры на большом удалении от берега становится слишком затратным из-за значительного увеличения стоимости топлива. В 2019 г. вылов сайры еще более снизился у всех стран участников промысла не только в районе российского промысла у южных и средних Курил и Хоккайдо, но и значительно восточнее этих островов. Ситуация стала настолько серьезной, что переключаться с промысла сайры на другие виды (минтай, скумбрия, сардина иваси и кальмар) стали не только российские рыбаки, но и самые успешные и опытные в океаническом промысле сайры – тайваньские рыбаки (на кальмаров).