ИЗМЕНЕНИЕ АДВЕКЦИИ ТЕПЛА В БАРЕНЦЕВО МОРЕ
Северо-Европейский бассейн (СЕБ), частью которого является Баренцево море (помимо Норвежского, Гренландского и Белого морей), находится под влиянием Северной Атлантики, из которой поступает в данный регион значительное количество тепла. Изменение количества приходящего тепла с течениями может влиять на общую ледовитость Баренцева моря [1]. Ледовитость моря, в свою очередь, оказывает влияние на экономическую деятельность региона: промысел, навигацию, добычу полезных ископаемых. Для точного прогноза ожидаемых изменений в морском ледяном покрове и безопасного ведения хозяйственной деятельности необходимо четкое понимание долгопериодной изменчивости горизонтального и вертикального обмена и потоков в СЕБ.
Адвекция океанического и атмосферного тепла является важнейшей составляющей термического баланса Арктического бассейна. Так, усиленное поступление атлантических вод в Баренцево море оставляет свободной ото льда акваторию моря в зимний период, что приводит к изменению циркуляции атмосферы и к аномально холодным периодам на европейской территории России и в Западной Европе [3-7]. Изменение адвекции тепла на западной границе Баренцева моря рассматривается в данной работе.
Материалы и методы. В качестве основной базы исходных данных послужил океанский реанализ ORAS4, который является составной частью ECMWF (Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды) и охватывает период 1958 года по настоящее время (http://apdrc.soest.hawaii.edu/). Реанализ ORAS4 использует ассимиляцию профилей температуры и солености, полученных с датчиков XBT, CTD, ARGO и мареографов. Кроме того используются аномалии уровня моря по альтиметрическим данным AVISO. Температура поверхности океана (ТПО) и ледяной покров получаются из базы данных ERA-40 и NCEP OISSTV2. В качестве ассимиляционного метода используется метод NEMOVAR. Из этого архива данных выбирались среднемесячные значения широтной составляющей скорости течений (по нормали к разрезу), солености и температуры воды на 23 горизонтах от 0 до 540 метров с 1980 по 2015 гг. Данные рассматривались на разрезе по меридиану 16,5° в.д. (от 69° до 76° с.ш.) через 1° и, по сути, представляют средние значения в полосе 16-17 в.д. (рис. 1).
Тепловой поток рассчитывался для каждой ячейки вертикального разреза отдельно, по формуле [11]:
Q = Ср -(T-0)'U-p-V, (1) где Q - поток тепла, Вт-м-2; T -температура воды, °С; Ср - удельная теплоемкость воды 4205 Дж-кг-1-°С-1 для температуры 5 °С; 0 - температура замерзания, °С; U - скорость течения, м-с-1; р - плотность воды, кг-м-3 ;V -объем переносимой воды, м3.
Температура замерзания 0 рассчитывалась по формуле Крюммеля [12] с учетом солености в конкретной ячейке S, %о:
0=-10-3-(3+52,7S+0,04S2+0,0004S3), (2) а плотность морской воды - по уравнению Линейкина [13]:
р= p0+10-3-(s1S+ s2T- s3ST- s4T2), (3) где s1, s2, s3, s4 - некоторые постоянные коэффициенты, найденные
П. С. Линейкиным эмпирическим путем.
Рис. 1. Схема основных потоков воды в Северо-Европейском бассейне [2]. Черной линией выделен меридиональный разрез по 16.5о в.д.
Результаты и обсуждение. Из рис.1 видно, что потоки водных масс, проходящие через меридиональный разрез, представляют собой струи, имеющие восточное направление. О существовании струй на этом участке упоминается разными исследователями [3, 7, 8]. Преобладающим горизонтальным потоком здесь является Нордкапское течение. Это наиболее мощный и устойчивый поток, обусловливающий гидрологический режим моря. Он входит в море с запада и по мере продвижения на восток разделяется на несколько ветвей.
Оценки изменчивости горизонтальных потоков тепла в океане и атмосфере в регионе Баренцева моря рассматриваются в многочисленных научных исследованиях, например [3 -10], некоторые из них приведены в табл. 1. Как отмечено в [8 - 10] и видно из табл.1, оценки суммарного переноса массы и тепла через открытую часть Баренцева моря разных исследователей довольно близки.
Для каждой вертикальной ячейки сетки меридионального разреза были рассчитаны среднемноголетние значения потоков тепла, скоростей течения и температуры воды (Рис.2).
Таблица 1- Средние многолетние оценки потоков массы и тепла на меридиональном разрезе Баренцева моря
Рис. 2. Распределение среднемноголетних гидрофизических характеристик на меридиональном разрезе 16.5° в.д. за период с 1980 по 2015 год. (а - тепловой поток, Вт/м2, б - скорости течений, см/с, в - температура воды, °С)
Как видно из рис.2, поток тепла в Баренцево море определяется несколькими основными струями. Южная струя теплового потока находится у побережья Норвегии, в устье Нордкапского желоба, на широте 69.571.5° с.ш. и распространяется до горизонта 300 метров. Максимальное значение потока достигает 3.6*106 Вт/м2 на горизонте 0-50 метров. Второй, центральный, поток расположен в широтной зоне 72-74° с.ш., распространяется вдоль Медвежинского желоба и достигает глубины 450 метров с максимальной интенсивностью 1.8*106 Вт/м2 у поверхности. Самая северная струя располагается на широте 74.5-76° с.ш. в Зюйдкапском желобе. Глубина ее распространения достигает 30 метров с максимумом 0.6*106 Вт/м2 также у поверхности. Все три струи имеют восточное направление. В придонной части разреза, в широтной зоне 70-71° с.ш. глубже 300 м и в Зюйдкапском желобе отмечается слабое противотечение западного направления. В южной части разреза тепловой поток определяется как вертикальным распределением температуры воды, так и течениями, а центральный и северный поток тепла - в основном, распределением скоростей течения (рис. 2 (б, в)).
Чтобы проследить временную изменчивость каждой характеристики для каждой вертикальной ячейки разреза, были сделаны оценки тренда по среднемесячным данным за период с 1980 по 2015 год (рис.3). На меридиональном разрезе значимые тренды присутствуют во всех трех струях теплового потока, выявленных в среднемноголетнем состоянии, и показывают, что значительное усиление потока со временем происходит в центральной и северной струе. Максимальный тренд отмечается в подповерхностном слое центральной струи потока и составляет 950 Вт/м2 в месяц. Основную роль в формировании трендов центральной и северной струй потока тепла играют тренды в скорости течений и в температуре воды. В южном потоке у поверхности отмечается отрицательный тренд в скорости течения в широтной зоне 69.5-72о с.ш., что свидетельствует об ослабевании течения, а в более глубоких горизонтах (100-300 м) - его усиление, что отражается и в распределении величины тренда потока тепла (рис. 3 б).
Все характеристики потоков были проинтегрированы от поверхности до горизонта 540 м в пределах следующих широтных зон: южный поток - 69-72° с.ш., центральный - 72-74° с.ш., северный - 74-76° с.ш. В таблице 2 представлены статистические параметры интегральных для каждой струи характеристик потоков и средние взвешенные оценки температуры и солености воды.
Рис. 3. Распределение величины тренда на меридиональном разрезе 16.5° в.д. за период с 1980 по 2015 год. (а - величина тренда теплового потока Вт/м2 в год, б - величина тренда скоростей течений м/с в год, в - величина тренда температуры воды °С в год)
Таблица 2 - Статистические характеристики интегральных потоков массы и тепла, а также средневзвешенных значений температуры и солености воды в южной, центральной и северной широтных зонах меридионального разреза по 16.5 в.д. (69-76° с.ш.), среднемесячных за период 1980-2015 гг
Как видно из таблицы 2, преобладающим потоком воды, проходящим через меридиональный разрез в Баренцево море, является струя в центральной части разреза, поток воды в которой достигает величины 2.1 Св, в южной части разреза немного меньше (1.7 Св), а самый слабый поток - в северной части разреза (0.5 Св). В целом средний многолетний перенос воды через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря за период 1980-2015 гг составляет 4.3 Св.
Значимый положительный тренд в среднемесячной изменчивости потока воды (при уровне значимости 5%) отмечается только в центральной и северной струях разреза, что обуславливает значимость тренда в целом по разрезу. В южной части разреза, наоборот, отмечается ослабление потока. По оценкам тренда оказалось, что за 36 лет общий поток воды, проходящий через южную часть разреза, ослабел на 5% (от среднего значения), центральный усилился на 15%, наиболее интенсивное усиление выявлено для северного потока воды - 20 %. В целом по всему разрезу поток усилился на 7%.
Нордкапское течение, идущее с запада на восток вдоль северной части Скандинавского полуострова, влияет на распределение температуры и солености воды на исследуемом разрезе. Из таблицы 2 видно, что средняя по площади широтных зон разреза температура воды закономерно уменьшается к северу от 6.2 °С до 3.0 °С и имеет значимый, практически одинаковый по всему разрезу тренд 0.03 оС/год. Соленость также испытывает положительный тренд 0.002 о/оо в год.
Из таблицы 2 видно, что, несмотря на относительно небольшой поток воды в южной струе разреза, в этой широтной зоне отмечается мощный поток тепла, сравнимый с центральной струёй. Очевидно, это обусловлено повышенными значениями температуры воды в прибрежной зоне Норвегии. За период 1980 по 2015 год среднемноголетний южный поток тепла составил в среднем 62 ТВт, центральный поток - 65 ТВт, северный поток тепла наиболее слабый - 11 ТВт. Тренд в потоках тепла определяется соответствующими трендами во временной изменчивости температуры воды и скорости течений, а также, опосредованно, трендом в солености воды, положительная величина которого уменьшает температуру замерзания и увеличивает плотность морской воды в соответствии с формулами (1) -(3). По оценкам тренда оказалось, что за 36 лет поток тепла, проходящий через южную часть разреза, увеличился на 6%, центральный на 31%, наиболее значительно усилился северный поток тепла - почти в полтора раза (на 42%).
Средний многолетний поток тепла через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря составляет 139 ТВт и имеет значимый положительный тренд с величиной 0.80 ТВт/год.
Полученные в данной работе распределения потоков воды и тепла через меридиональный разрез в целом для бассейна Баренцева моря также представлены в табл.1. Для сравнения, оценки рассчитаны для того же периода времени и для той же широтной зоны: Barents Sea Opening и соответствует центральной струе рассматриваемого меридионального разреза. Из табл. 1 видно, что оценки потоков воды совпадают, а оценки потока тепла выше, это может быть связано с недооценкой авторами [8-10] разницы между температурой замерзания и нулем.
Также нужно отметить, что неучет тепла, переносимого в прибрежной части Норвегии, а также в усиливающейся северной струе теплового потока, как делают авторы [8 - 10], приводит к значительной недооценке общего потепления Баренцева моря.
Характеристики внутригодовой изменчивости составляющих потока тепла на меридиональном разрезе по 16.5о в.д. представлены в табл. 3.
Дисперсия годового хода температуры воды на разрезе достаточно велика: перепад значений от максимума в сентябре до минимума в феврале составляет 1 оС для центральной и южной широтной зоны, и 2 оС - для северной. Однако, несмотря на малые скорости течений, степень их внутригодовой изменчивости, определяемая коэффициентом вариации, в 3 - 6 раз выше, чем у температуры воды. Кроме того, оценка вклада в дисперсию внутригодовой изменчивости потока тепла, определённая последовательным учетом переменных в пошаговой множественной линейной регрессии [14] показывает, что внутригодовой ход интегральных по вертикали горизонтальных потоков тепла через меридиональный разрез 16.5о в.д. (рис. 3) практически полностью определяется годовым ходом скоростей течений.
Таблица 3 - Характеристики внутригодовой изменчивости составляющих потоков тепла в южной, центральной и северной широтных зонах меридионального разреза по 16.5 в.д.
Как видно из рис.3, во внутригодовой изменчивости центральный и северный потоки находятся в противофазе: наибольшая интенсивность центрального потока в феврале сопровождается ослаблением северной струи; в августе - наоборот. Годовой ход южного потока испытывает значительные колебания и сдвинут относительно центрального на 1 месяц: сначала в январе наступает максимум интенсивности прибрежного течения, и только через месяц, в феврале, усиливается центральный поток.
Нужно отметить, что зимой южный прибрежный поток тепла является преобладающим среди трёх струй на меридиональном разрезе, а летом прибрежный поток настолько ослабевает, что приближается по величине к усилившемуся в это время северному потоку. Это еще раз подтверждает тезис о необходимости учета потоков тепла в южной и северной широтных зонах на входе в Баренцево море для правильной оценки его теплового баланса.
Рис. 4. Внутригодовой ход интегральных по вертикали южного (1), центрального (2), северного (3) горизонтальных потоков тепла через меридиональный разрез 16.5 в.д. в широтной зоне 69-76° с.ш. за период 1980-2015 гг.
Заключение. При оценке адвективного потока тепла, поступающего через меридиональный разрез по 16.5о в.д. в бассейн Баренцева моря, выявлено, что он распространяется тремя основными струями (южной, центральной и северной), располагающимися в углублениях рельефа дна на входе в Баренцево море. Преобладающим потоком воды, проходящим через меридиональный разрез в Баренцево море, является струя в центральной части разреза, поток воды в которой в среднем составляет 2.1 Св. Тем не менее, за счет повышенных значений температуры воды в прибрежной зоне Норвегии мощным потоком тепла является южный поток (62 ТВт). Средний многолетний поток тепла через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря составляет 139 ТВт. и имеет значимый положительный тренд с величиной 0.80 ТВт/год.
Тепловые потоки в северной и южной частях разреза испытывают значительную внутригодовую изменчивость, практически полностью определяемую скоростями течений, и летом становятся сравнимы. Всё это свидетельствует о том, что для правильной оценки теплового баланса Баренцева моря необходимо принимать во внимание динамику вод как в южной, прилегающей к Норвегии, так и в северной, прилегающей к Шпицбергену, границам моря.
В межгодовой изменчивости потоков тепла центральной и северной струй выявляются значительные положительные тренды, обусловленные как усилением течений, так и потеплением воды. По оценкам тренда оказалось, что за исследуемый период центральный поток тепла увеличился на 31%. а северный - на 42%. Таким образом, акцент в переносе тепла в Баренцево море значительно смещается к северу, с чем может быть связано уменьшение площади ледяного покрова в Баренцевом море.
Соколов А.А.1, Гордеева С.М.2
1 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург
2 Российский государственный гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург
