Океанология, 2020, T. 60, № 1, стр. 27-36

ВВЕДЕНИЕ

Гольфстрим играет ключевую роль в переносе массы и тепла из низких широт на север и оказывает существенное влияние на климатические условия Атлантико-Европейского и Арктического регионов [1, 27, 31]. Меридиональные сдвиги положения северной границы Гольфстрима, разделяющей воды с различными гидрологическими характеристиками, влияют на положение районов с высокой биологической продуктивностью, привязанных к фронтальным зонам. Эти сдвиги отражаются на распределении некоторых видов рыб [22, 23], численности кальмаров [9], а также могут приводить к изменениям в составе и численности планктонных сообществ [6, 33].

Район Гольфстрима является сложным для исследования объектом, так как широта, на которой течение поворачивает на восток от побережья Америки и распространяется через Северную Атлантику, различается в разные сезоны и годы [30]. Из-за существующих интенсивных мезомасштабных флуктуаций в районе 65°–75° з.д., переходящих в растущие меандры между 45° и 60° з.д. [4, 18, 20, 30], путь Гольфстрима трудно предсказывается даже с помощью самых современных моделей циркуляции.

Сведения о широтных смещениях положения Гольфстрима содержатся в массиве данных индекса “северной стены” Гольфстрима (ССГ) [www.pml.ac.uk/gulfstream]. Ряд, полученный на основе обработки аэро- и спутниковых наблюдений, выполненных с 1966 г. на участке, где струя отрывается от вдольберегового положения, представлен в работе [34]. В ней проанализированы временны́е ряды меридиональных отклонений положения северной границы Гольфстрима от среднего значения широты на шести долготах на участке между 65° и 79° з.д., который называется “северная стена” Гольфстрима. Анализ проводился методом главных компонент. Результирующий ряд индекса ССГ представляет собой первую главную компоненту, характеризующую смещение всего анализируемого участка Гольфстрима. Положительные значения индекса (положительная фаза индекса ССГ) соответствуют смещениям к северу “северной стены”, а отрицательные значения (отрицательная фаза индекса ССГ) – ее смещениям к югу.

Анализу этих данных и выявлению причин изменений положения Гольфстрима посвящено большое число исследований. На изменения положения ССГ могут оказывать существенное влияние ветровое воздействие на фоне крупномасштабных климатических сигналов [7, 13, 35], изменения положения Исландского минимума атмосферного давления [15, 32], адвекция водных масс из моря Лабрадор [11, 28], а также комплексное воздействие различных факторов [17, 29].

Изменение широтного положения Гольфстрима сопровождается возникновением аномалий температуры и скорости течений в районах его смещения, а также в других районах Северной Атлантики за счет переноса тепла течениями. Исследование температурных аномалий, связанных с изменением положения Гольфстрима, проводилось во многих работах. С меридиональными смещениями Гольфстрима связываются изменения температуры в районе шельфового склона в [24, 26]. Часть работ посвящена анализу пространственного распределения и продуктивности биологических сообществ за счет изменений температуры воды, сопровождающих смещения Гольфстрима [23, 33, 34]. Эти исследования, как правило, выполнялись по данным отдельных съемок. Исследований пространственного распределения аномалий температуры и скорости течений на основе данных океанических реанализов, созданных в настоящее время и имеющих длинные временны́е ряды на регулярной сетке, не проводилось. Сравнение данных океанических реанализов с контактными наблюдениями, выполненное в работах [5, 21] показывает, что они хорошо воспроизводят межгодовую изменчивость и долговременные тенденции гидрологических параметров и могут использоваться для исследования аномалий скорости и температуры в Северной Атлантике.

Цель работы – проанализировать пространственное распределение и получить количественные оценки аномалий скорости течений и температуры поверхности Северной Атлантики, связанные со смещением “северной стены” Гольфстрима на основе использования данных океанического реанализа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования изменения положения Гольфстрима использовался временнóй ряд среднемесячных значений индекса ССГ 1966–2010 гг. [www.pml.ac.uk/gulfstream] и его продленный ряд (1966–2017 гг.) [http://www.pml-gulfstream.org.uk].

Использовались данные о температуре поверхности океана T (°C) и скорости течений на поверхности V = (u, v) (мс^–1) океанического реанализа ORAS4 за 1958–2017 гг. с пространственным горизонтальным разрешением 1° × 1° [fttp:// fttp.icdc.zmaw.de/EASYInit/ORA-S4/monthly_1x1/] для района 10°–65° с.ш., 0°–80° з.д. в Северной Атлантике. Реанализ ORAS4 базируется на модели океана NEMO [http://www.nemo-ocean.eu/] версии 3.0 и системе усвоения данных NEMOVAR и поверхностного форсинга ECMWF [21]. По этим данным в каждом узле сетки были вычислены ряды отклонений (аномалий) температуры поверхности океана (ТПО), модуля и компонент u и v вектора скорости течений от среднемноголетнего значения.

Исследование проводилось для зимних месяцев (январь и февраль), так как зимой аномалии температуры, возникающие при смещении Гольфстрима, более выражены за счет контрастов между холодными водами, поступающими с севера, и теплыми водами Гольфстрима. Кроме того, учитывалось, что влияние температуры и интенсивности течения Гольфстрим на условия в других районах Северной Атлантики и на климат Европы наиболее сказывается в зимнее время [31].

Пространственные распределения аномалий ТПО, модуля скорости течений, соответствующие каждой из двух фаз индекса ССГ, рассчитывались на основе формирования композитов – наборов полей аномалий температуры и скорости течений, объединенных по годам с положительными и отрицательными значениями индекса по данным за январь–февраль. Выбирались те годы, в которые значение индекса ССГ для января и февраля были одного знака (рис. 1а). Были выбраны следующие годы с положительным индексом ССГ – 1969, 1984, 1985, 1990, 1992, 1994, 1995, 1996, 2001, 2005 и отрицательным индексом – 1967, 1970, 1971, 1973, 1976, 1979, 1983, 1987, 2004, 2006. Осреднением за эти годы были построены поля аномалий ТПО и скорости течений, соответствующие смещениям ССГ к северу и к югу.

Рис. 1.

Межгодовая изменчивость индекса ССГ [www.pml.ac.uk/gulfstream] в январе и феврале (а), сезонный цикл индекса ССГ (доверительный интервал – ±σ среднеквадратическое отклонение) (б), межгодовая изменчивость индекса ССГ, осредненного за зимний (декабрь–февраль), весенний (март–май), летний (июнь–август), осенний (сентябрь–ноябрь) сезоны (в). Жирные кривые – полиномиальные тренды 5-го порядка.

Статистическая значимость величины аномалий скорости течений и ТПО определялась в каждом узле сетки как значимость разности между значениями в средних полях композитов, соответствующих разным фазам индекса ССГ. Использовался t-критерий Стьюдента для двух независимых выборок ${{t = ({{x}_{1}} - {{x}_{2}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{t = ({{x}_{1}} - {{x}_{2}})} {\sqrt {{{(s_{1}^{2} + s_{2}^{2})} \mathord{\left/ {\vphantom {{(s_{1}^{2} + s_{2}^{2})} n}} \right. \kern-0em} n}} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {{{(s_{1}^{2} + s_{2}^{2})} \mathord{\left/ {\vphantom {{(s_{1}^{2} + s_{2}^{2})} n}} \right. \kern-0em} n}} }}$, где ${{x}_{1}}$, ${{x}_{2}}$ – средние значения аномалий, $s_{1}^{2}$, $s_{2}^{2}$ – дисперсии, $n$ – число лет в композитах [36].

Дополнительно для обнаружения статистической связи между индексом ССГ и значениями аномалий ТПО и скорости течений вычислялись корреляции r между их временны́ми рядами в каждом узле сетки для каждого месяца. Значимость коэффициента корреляции $r$ определялось по t-критерию Стьюдента ${{t = r\sqrt {n - 2} } \mathord{\left/ {\vphantom {{t = r\sqrt {n - 2} } {\sqrt {1 - {{r}^{2}}} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {1 - {{r}^{2}}} }}$, где $n$ – длина рядов [36]. Для длины ряда в 45 лет коэффициенты корреляции, превышающие значение 0.30, являются значимыми на 1% доверительном уровне.

Для анализа корреляционных связей аномалий скорости течений и ТПО с индексом Североатлантического колебания использовался его ряд среднемесячных значений за 1958–2017 гг. [http:// www. cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao. shtml].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Внутригодовая и межгодовая изменчивость индекса ССГ. Сезонная изменчивость значений индекса ССГ выражена слабо, и различия между среднемесячными значениями индекса незначимы (рис. 1б). Величина амплитуды среднемноголетнего сезонного цикла индекса ССГ в 2 раза меньше амплитуды его межгодовой изменчивости (рис. 1б и 1в), что подтверждает результаты работ [2, 34]. Следует отметить, что минимальные значения индекса наблюдаются весной–летом, максимальные – осенью–зимой (рис. 1б).

В межгодовой изменчивости индекса ССГ наблюдаются низкочастотные колебания (рис. 1в), которые присутствуют во все сезоны и имеют сравнительно синхронный характер. Это предполагает существование на длительных временны́х масштабах единого, не зависящего от сезона, механизма, обусловливающего причины таких изменений. Смещение “северной стены” Гольфстрима в южном направлении происходило в 1970-е гг., в северном – в 1990-е гг., на что ранее обращалось внимание в работах [2, 14, 25].

Пространственное распределение коэффициентов корреляции компонент скорости течений и ТПО с индексом ССГ. Пространственное распределение коэффициентов корреляции в каждой точке сетки между временны́ми рядами индекса ССГ и компонент скорости течений, модуля скорости и ТПО, осредненных за январь–февраль, приведено на рис. 2. Положительные коэффициенты корреляции (0.40–0.56) индекса ССГ с зональной компонентой скорости u (рис. 2а) и модулем скорости V (рис. 2в) расположены вдоль северной границы Гольфстрима, отрицательные вдоль южной границы, в районе “северной стены”. Максимальные значения коэффициентов корреляции находятся в районе северной границы Гольфстрима. Значения коэффициентов корреляции индекса ССГ с меридиональной компонентой скорости v (рис. 2б), превышающие по абсолютной величине 0.40, расположены точечно в районах “северной стены” Гольфстрима и Восточно-Гренландского течения.

Рис. 2.

Пространственное распределений коэффициентов корреляции, вычисленных в каждом узле сетки, между индексом ССГ и компонентами скорости u (а) и v (б), модулем скорости V (в) и ТПО (г). Изолинии – средние за январь–февраль поле модуля скорости (мс^–1) (а, б, в) и поле температуры, °С (г).

Положительные значения коэффициентов корреляции ССГ с ТПО, имеющие значения 0.40–0.53, расположены в районе северной границы Гольфстрима (50°–65° з.д.), вдоль северного и южного побережий Пиренейского полуострова и в центре субтропического антициклонического круговорота. Максимальные значения коэффициентов корреляции расположены в районе северной границы Гольфстрима.

Распределение коэффициентов корреляции ССГ с зональной компонентой скорости и модулем скорости хорошо согласуются между собой, и для них получены наибольшие значения (рис. 2а, 2в). Поэтому далее пространственное распределение аномалий скорости течений, возникающих при положительной и отрицательной фазах ССГ, анализируется только для модуля скорости.

Среднемноголетние аномалии модуля скорости течений для двух фаз индекса ССГ.

Пространственные распределения значимых на 5% доверительном уровне средних аномалий скорости течений для положительной и отрицательной фаз индекса ССГ представлены на рис. 3а, 3в, 3д.

Рис. 3.

Средние аномалии модуля скорости (а, в) и ТПО (б, г) при положительной фазе индекса ССГ (а, б) и при его отрицательной фазе (в, г) и среднемноголетние поля модуля скорости течений (д, изолинии – а, в) и ТПО (е, изолинии – б, г) за январь–февраль. Черными квадратами (а–е) отмечены районы, в которых аномалии значимы на 5% доверительном уровне, белыми квадратами (е) – на 10% .

При положительной фазе индекса ССГ (смещении “северной стены” к северу) положительные аномалии скорости (0.02–0.03 м/c) расположены по всей северной границе Гольфстрима, в том числе восточнее “северной стены” (рис. 3а). В районе Восточно-Гренландского течения положительные аномалии составляют 0.01 м/с. В районах Канарского и Северного пассатного течений значимые положительные аномалии скорости течений имеют невысокие значения. При положительной фазе индекса ССГ Гольфстрим более продвинут в зональном направлении к востоку (аномалия в районе с центром 40° с.ш. 45° з.д., рис. 3а) по сравнению с отрицательной фазой (рис. 3в).

Отрицательные аномалии скорости (–0.02 м/c) за счет смещения Гольфстрима на север наблюдаются на южной границе Гольфстрима (36°– 37° с.ш., 61°–73° з.д) (рис. 3а). Значимая отрицательная аномалия отмечается и на восточной границе струи южнее мыса Хаттерас (рис. 3а). Возможно, это связано с тем, что в положительную фазу Гольфстрим больше прижимается к берегу, чем в отрицательную. На такое смещение также указывается в работе [24].

При отрицательной фазе ССГ (смещении “северной стены” к югу) ситуация обратная (рис. 3в). На всей северной границе Гольфстрима, в Восточно-Гренландском течении, у побережья Африки и на северной границе Северного Пассатного течения наблюдаются отрицательные аномалии скорости. Максимальные по амплитуде аномалии (–0.03 м/с) отмечаются в районе “северной стены” Гольфстрима между 65° и 79° з.д.

Отметим, что пространственное положение значимых на 5% доверительном уровне аномалий скорости (рис. 3а, 3в) соответствует районам с наибольшими корреляциями между временны́ми рядами индекса ССГ и модуля скорости течений (рис. 2в).

Среднемноголетние аномалии температуры поверхности океана для двух фаз индекса ССГ. Карты распределения осредненных аномалий ТПО для разных фаз индекса ССГ (рис. 3б, 3г, 3е) показывают наличие значимых аномалий вдоль северной границы Гольфстрима, в районе его вдольберегового потока (30°–40° с.ш.), у побережья Пиренейского полуострова и в центральной части субтропического антициклонического круговорота.

Аномалии, значимые на 5% доверительном уровне, составляющие 1°С в положительную фазу индекса ССГ и –0.6°С в отрицательную фазу, отмечаются вдоль северной границы Гольфстрима (50°–65° з.д.). Высокие значения аномалий в положительную фазу, при смещении потока к северу связаны с наличием резких градиентов температуры между теплыми водами Гольфстрима и холодными водами Лабрадорского течения в зимние месяцы.

Аномалии вдоль Пиренейского полуострова, значимые на 5% доверительном уровне, составляют ±0.3°С. Аномалии в центральной части субтропического антициклонического круговорота (рис. 3а, 3б, 3д) значимы на 10% доверительном уровне. Их величина составляет 0.25°С в положительную фазу индекса ССГ и –0.4°С – в отрицательную фазу.

Направление скорости течений при разных фазах ССГ. В направлениях скорости течений осредненных полей, полученных для каждой из фаз индекса ССГ, имеются различия, как показано на рис. 4. Заметные изменения наблюдаются в области субтропического антициклонического круговорота, между 20° и 30° с.ш., где направление скорости течения изменяется с юго-восточного в отрицательную фазу на юго-западное – в положительную. В районе ответвления Португальского течения от Северо-Атлантического течения направление скорости течений в положительную фазу по сравнению с отрицательной изменяется с северо-восточного на юго-восточное, а в области ответвления Азорского течения от Гольфстрима – с восточного на юго-восточное направление. Таким образом, в положительную фазу индекса ССГ в районе восточнее и севернее Гольфстрима увеличивается перенос тепла в восточном направлении, что может сопровождаться возникновением положительных аномалий температуры у берегов Пиренейского полуострова. В отрицательную фазу увеличивается перенос в северо-восточном направлении.

Рис. 4.

Поле поверхностных течений при разных фазах ССГ. Черными квадратами отмечены районы, в которых аномалии ТПО значимы на 5% доверительном уровне, белыми квадратами – на 10% .

Полученные результаты хорошо согласуются с результатами [10, 12]. В работе [12] по данным альтиметрических измерений проанализированы режимы смещения северного субполярного фронта на декадных временны́х масштабах в соответствии с изменениями индекса САК. Показано, что при смещении Гольфстрима к югу сегмент субполярного фронта, проходящий по восточной границе Северо-Атлантического течения, смещается к западу, что указывает на увеличение переноса теплых вод на север. При смещении Гольфстрима к северу фронт смещается к востоку, что сопровождается уменьшением переноса теплых вод на север. Эти два режима хорошо согласуются с распределением направления скорости течений при двух фазах индекса ССГ (рис. 4).

В работе [10] при исследовании бюджета тепла в районе Гольфстрима показано, что в режиме более интенсивного и “вытянутого” (‘‘elongated’’) в зональном направлении Гольфстрима (что в нашей работе соответствует положительной фазе ССГ, рис. 3а) происходит увеличение переноса тепла на восток и наблюдаются положительные аномалии поверхностной температуры в субтропическом антициклоническом круговороте. В режиме “сжатого” (‘‘contracted’’) Гольфстрима (что в нашей работе соответствует отрицательной фазе ССГ, рис. 3в) в субтропическом антициклоническом круговороте наблюдаются отрицательные аномалии температуры. Указанные режимы могут служить объяснением наличия значимых положительных корреляций между индексом ССГ и ТПО и значимых аномалий ТПО, полученных у берегов Пиренейского полуострова и в центре субтропического круговорота (рис. 2в, рис. 3б и 3г).

Долговременная изменчивость скорости течений и ТПО в районах со значимыми аномалиями. Для более подробного анализа межгодовой изменчивости аномалий скорости течений и ТПО были выбраны следующие четыре района (отмечены буквами на рис. 3д, 3е). Район A (39°–40° с.ш., 60°–65° з.д.) – для анализа изменчивости скорости в районе среднего широтного положения северного участка Гольфстрима (рис. 3д). Районы В, C, D – районы со значимыми аномалиями скорости течений и ТПО. В районе В (41°–43° с.ш., 55°–57° з.д.) рассматривалась изменчивость скорости течений и ТПО на северной границе Гольфстрима (рис. 3д, 3е). В центре субтропического антициклонического круговорота – район C (29°–31° с.ш., 51°–53° з.д.) и у северной границы Пиренейского полуострова – район D (43°–44° с.ш., 4°–7° з.д.) рассматривалась изменчивость ТПО (рис. 3е).

Статистические характеристики рядов аномалий скорости и ТПО, корреляции с индексом САК (табл. 1) рассчитывались по всей длине имеющихся рядов 1958–2017 гг., корреляции с индексом ССГ – для периода 1966–2017 гг. Анализ временны́х рядов показывает наличие значительных межгодовых вариаций скорости и температуры в январе–феврале в указанных районах (рис. 5, табл. 1). Вариации скорости на северной границе Гольфстрима (район B) превышают вариации в самом течении (район A) (табл. 1). Наибольшая изменчивость температуры также отмечается на северной границе Гольфстрима (район B). Размах аномалий модуля скорости и температуры в районе B достигает 0.06 м/с и 4°С соответственно. Такой размах изменчивости температуры может существенно сказываться на изменениях биологических сообществ [8, 16], а также отражаться на региональном климате [19]. В центре субтропического антициклонического круговорота (район С) и у северных берегов Пиренейского полуострова (район D) размах температуры меньше в 2 раза и составляет соответственно 2.4 и 2.6°С. Отметим, что значения средних аномалий, полученных по данным 1958–2017 гг. (табл. 1), превышают значения на рис. 3а–3г, полученные по более короткому ряду 1966–2010 гг.

Рис. 5.

Межгодовая изменчивость аномалий скорости течения в районах A, B (а), аномалий ТПО в районах B (а), C, D (б), индекса ССГ [http://www.pml-gulfstream.org.uk] и индекса САК [http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/ pna/nao.shtml] (в). Жирные кривые – полиномиальные тренды 5-го порядка. Положение районов A, B, C, D приведено на рис. 3д и 3е.

Для анализа низкочастотных колебаний скорости течений и ТПО, характеризующих тенденции долговременной изменчивости, временны́е ряды в указанных районах сглаживались полиномами 5-го порядка (рис. 5). В северной части Гольфстрима (район А) и на его северной границе (район В) происходило уменьшение температуры и скорости течений с 1960-х до начала 1980-х и с середины 2000-х до середины 2010-х гг. Увеличение температуры и скорости течений отмечалось с начала 1980-х до середины 2000-х гг. и в конце рассматриваемого временнóго периода. В работе [3] по данным спутниковых альтиметрических измерений за 1993–2015 гг. отмечаются аналогичные долговременные тенденции изменчивости скорости в Гольфстриме и изменений его меридионального положения.

Временнáя изменчивость аномалий скорости и ТПО в указанных районах имеет значимую положительную корреляцию с индексом ССГ. В районе северной границы Гольфстрима (район B) она максимальная и составляет 0.56 (табл. 1). Коэффициенты корреляции (r) между индексом ССГ и скоростью течений в районе A, а также температуры в районах B и C превышают 0.5. Аномалии скорости на северной границе (район B) имеют положительную связь (r = 0.76) со скоростью течения в самом Гольфстриме (район А), то есть смещения северной границы происходят при увеличении скорости в Гольфстриме.

Ряды аномалий температуры и скорости течений в указанных районах, а также индексы САК и ССГ имеют положительные тренды. Вклады дисперсий, вносимые трендами в суммарную дисперсию исходных рядов индексов САК и ССГ, равны 24 и 26% соответственно, скорости течений – 14% (район А) и 34% (район В), температуры поверхности океана – 30% (районы В и С) и 50% (район D). Таким образом, тренды вносят существенный вклад в суммарную дисперсию, поэтому после удаления трендов корреляции уменьшаются (табл. 1).

После удаления трендов коэффициенты корреляции температуры с индексом ССГ во всех районах со значимыми аномалиями (районы B, C, D) превышают значения корреляции с индексом САК (таблица). В стрежне Гольфстрима (районе А) корреляция скорости течения с индексом САК превышает корреляцию с индексом ССГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе данных океанического реанализа ORAS4 в Северной Атлантике построено пространственное распределение и выполнены оценки аномалий ТПО и модуля скорости течений для января–февраля для разных фаз индекса Гольфстрима.

Выделены районы со значимыми аномалиями модуля скорости течений и ТПО, которые возникают одновременно с событиями меридиональных смещений “северной стены” Гольфстрима.

Значимые аномалии скорости течений отмечаются в районе северной границы и вдольберегового Гольфстрима (0.03 м/c), в районах Восточно-Гренландского и Северного Пассатного течений. Значимые аномалии ТПО присутствуют в районе северной части Гольфстрима (1°C), в центральной части субтропического антициклонического круговорота (0.3°C) и у берегов Пиренейского полуострова (0.3°С).

Эти же районы выделяются на основе расчета корреляций индекса ССГ с компонентами скорости течений и ТПО. Значимые положительные коэффициенты корреляции (0.40–0.56) с зональной компонентой и модулем скорости течений получены вдоль северной границы Гольфстрима и отрицательные (–0.48...–0.40) – вдоль его южной границы, в районе ССГ. Значимая отрицательная связь индекса ССГ с меридиональной компонентой скорости v обнаружена в районе ССГ и Восточно-Гренландского течения.

Получено, что размах межгодовых колебаний модуля скорости течений в районе северной границы Гольфстрима равен 0.06 м/c. Диапазон колебаний температуры в этом районе составляет 4°С, а в районах центра субтропического антициклонического круговорота и северной границы Пиренейского полуострова – в 2 раза меньше.

Для средних значений модуля скорости и температуры по указанным районам выявлено наличие положительных связей с индексами ССГ и САК на межгодовом масштабе.

Источник финансирования. Работа выполнена по темам государственного задания Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра Института биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАН “Функциональные, метаболические и токсикологические аспекты существования гидробионтов и их популяций в биотопах с различным физико-химическим режимом” (АААА-А18-118021490093-4) и Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра Морского гидрофизического института РАН “Фундаментальные исследования процессов взаимодействия в системе океан–атмосфера, определяющих региональную пространственно-временнýю изменчивость природной среды и климата” (№ 0827-2018-0001).