Влияние притока из Атлантики на содержание пресной воды в верхнем слое Арктического бассейна
Г.В. Алексеев 1,
А.В. Пнюшков 1-2,
А.В. Смирнов 1,
А.Е. Вязилова 1,
Н.И. Глок 1
1 - ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
2 -- Международный Арктический научно-исследовательский центр, Университет Аляски, Фэрбенкс, США
Summary
INFLUENCE OF ATLANTIC INFLOW ON THE FRESHWATER CONTENT IN THE UPPER LAYER OF THE ARCTIC BASIN
G.V. ALEKSEEV1, A.VPNYUSHKOV1,2, A.V SMIRNOV1, A.E. VYAZILOVA1, N.I. GLOK1
State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia
International Arctic Research Center, University of Alaska, Fairbanks, USA
Keywords: Arctic basin, Atlantic inflows, freshwater content, polar changes.
Inter-decadal changes in the water layer of Atlantic origin and freshwater content (FWC) in the upper 100 m layer were traced jointly to assess the influence of inflows from the Atlantic on FWC changes based on oceanographic observations in the Arctic Basin for the 1960s - 2010s. For this assessment, we used oceanographic data collected at the Arctic and Antarctic Research Institute (AARI) and the International Arctic Research Center (IARC). The AARI data for the decades of 1960s - 1990s were obtained mainly at the North Pole drifting ice camps, in high-latitude aerial surveys in the 1970s, as well as in ship-based expeditions in the 1990s. The IARC database contains oceanographic measurements acquired using modern CTD (Conductivity - Temperature - Depth) systems starting from the 2000s. For the reconstruction of decadal fields of the depths of the upper and lower 0 °С isotherms and FWC in the 0-100 m layer in the periods with a relatively small number of we used a climatic regression method based on the conservativeness of the large-scale structure of water masses in the Arctic Basin. Decadal fields with higher data coverage were built using the DIVAnd algorithm. Both methods showed almost identical results when compared.
The results demonstrated that the upper boundary of the Atlantic water (AW) layer, identified with the depth of zero isotherm, raised everywhere by several tens of meters in 1990s - 2010s, when compared to its position before the start of warming in the 1970s. The lower boundary of the AW layer, also determined by the depth of zero isotherm, became deeper. Such displacements of the layer boundaries indicate an increase in the volume of water in the Arctic Basin coming not only through the Fram Strait, but also through the Barents Sea. As a result, the balance of water masses was disturbed and its restoration had to occur due to the reduction of the volume of the upper most dynamic freshened layer. Accordingly, the content of fresh water in this layer should decrease.
Our results confirmed that FWC in the 0-100 m layer has decreased to 2 m in the Eurasian part of the Arctic Basin to the west of 180° E in the 1990s. In contrast, the FWC to the east of 180° E and closer to the shores of Alaska and the Canadian archipelago has increased. These opposite tendencies have been intensified in the 2000s and the 2010s. A spatial correlation between distributions of the FWC and the positions of the upper AW boundary over different decades confirms a close relationship between both distributions. The influence of fresh water inflow is manifested as an increase in water storage in the Canadian Basin and the Beaufort Gyre in the 1990s - 2010s. The response of water temperature changes from the tropical Atlantic to the Arctic Basin was traced, suggesting not only the influence of SST at low latitudes on changes in FWC, but indicating the distant tropical impact on Arctic processes.
Аннотация
На основе данных океанографических наблюдений в Арктическом бассейне за 1960-2010-е гг. прослежены междесятилетние совместные изменения в слое воды атлантического происхождения и содержания пресной воды! (СПВ) в верхнем слое для того, чтобы оценить влияние притока из Атлантики на изменения СПВ. Полученные результаты показали, что верхняя граница слоя АВ, отождествляемая с глубиной нулевой изотермы, повсеместно поднялась в 1990-2010-е гг. на несколько десятков метров относительно ее положения до начала потепления в 1970-е гг. Нижняя граница слоя, также определяемая по глубине нулевой изотермы, опустилась. Такие смещения границ слоя свидетельствуют об увеличении объема воды в Арктическом бассейне, поступившей не только через пролив Фрама, но и через Баренцево море. Для сохранения баланса должно было произойти сокращение объема верхнего наиболее динамичного опресненного слоя и, соответственно, уменьшиться содержание пресной воды в этом слое. Наши расчеты подтвердили, что в 1990-е гг. СПВ в слое 0-100 м уменьшилось до 2 м и более в евразийской части Арктического бассейна к западу от 180° в.д., а к востоку от 180° в.д. ближе к берегам Аляски и Канадского архипелага, возросло. Эта тенденция усилилась в 2000-е и в 2010-е гг. Сравнение распределений СПВ и положения верхней границы слоя АВ в разные десятилетия методом пространственной корреляции полей подтвердило тесную связь между обоими распределениями. Прослежен отклик температуры АВ в проливе Фрама, Баренцевом море и в Арктическом бассейне на аномалии температуры воды в тропической области Атлантики, который свидетельствует о тропическом воздействии на арктические процессы. океанографический вода пресный
Ключевые слова: Арктический бассейн, вода из Атлантики, полярные изменения, содержание пресной воды.
Введение
Пресноводный баланс Северного Ледовитого океана (СЛО) формируется под влиянием глобального гидрологического цикла и вместе с ним реагирует на глобальные изменения климата. Атмосферный перенос влаги из низких широт, осадки и испарение над акваторией СЛО, речной сток с окружающей суши и морской транспорт пресной воды и льда являются главными компонентами пресноводного баланса Арктического бассейна. Пресная вода, поступающая в Арктику с полярной ветвью глобального гидрологического цикла, аккумулируется в верхнем слое океана и препятствует вертикальному перемешиванию с нижележащими водами. Изолирующий эффект стратификации, препятствующий проникновению тепла промежуточных вод атлантического и/или тихоокеанского происхождения ко льду, вместе с сильным выхолаживанием слоя в зимний период обеспечивают сохранение дрейфующих льдов на его поверхности. Опресненная вода из верхнего слоя выносится в жидкой и твердой (морской лед) фазах в Северную Атлантику. Этот процесс контролирует распространение опресненных вод и морских льдов на поверхности Северной Атлантики и составляет главное звено в формировании арктического воздействия на глобальный климат.
Пресная вода, попадающая в Северный Ледовитый океан, проходит многократные фазовые превращения "вода - лед", которые влияют на время пребывания поступающей пресной воды и на формирование стока пресной воды. Эти процессы составляют своего рода внутренний арктический гидрологический цикл, действующий вместе с внешним циклом, который составляют процессы поступления пресной воды в Арктику, ее стока в СЛО и далее в Северную Атлантику [1].
Для оценки содержания пресной воды (СПВ) в верхнем слое СЛО рассчитывается ее количество относительно некоторой априори заданной солености. В качестве такой отсчетной солености K. Aagaard и E.C. Carmack [2] предложили использовать соленость 34,80 %о. Такой выбор имеет глубокий физический смысл, поскольку эта величина близка к критическому значению солености (примерно 34,82 % [3]), которое разделяет режимы глубокой и мелкой конвекции в центральной части Гренландского моря, где структура вод близка к структуре вод Арктического бассейна. При солености воды в верхнем слое, близкой к критическому значению, действует механизм низкотемпературной сжимаемости морской воды, обеспечивающий проваливание конвективных плюмов до больших глубин [2]. С этой точки зрения содержание пресной воды в слое с соленостью менее 34,80 % составляет избыток пресной воды, после удаления которого возможно глубокое конвективное перемешивание и, следовательно, безледный режим в СЛО.
Среднее за 1955-1979 гг. распределение содержания пресной воды в слое над изохалиной 34,80 % в Арктическом бассейне (центральная глубокая часть СЛО) [1] показывает максимум в круговороте моря Бофорта и постепенное уменьшение по направлению к Баренцеву морю и проливу Фрама. Максимальная величина СПВ в канадском секторе Арктики формируется совместным вкладом сильного распреснения в верхнем 30-50-метровом слое и притоком тихоокеанских вод, влияние которых здесь заметно до большой глубины. Вертикальная протяженность слоя, в котором оценивалось содержание пресной воды, варьирует от 120 м в приатлантической части Арктического бассейна до 800 м над Канадской котловиной. Распределение вклада слоев в СПВ также неоднородно в этих частях Арктического бассейна: в приатлантической части основная его часть (60 %) содержится в верхнем 50-метровом слое, а над Канадской котловиной в этом слое находится только 40 % общего количества пресной воды. В целом в этой области под воздействием антициклонической циркуляции сконцентрировано наибольшее количество пресной воды, а вода с меньшей соленостью здесь прослеживается до глубины 800 м, что, по-видимому, связано с ее опусканием в центре антициклонического круговорота [4, 5].
В настоящее время содержанию пресной воды в Арктическом бассейне и его изменениям уделяется большое внимание как источнику поступления опресненных вод в северную часть Атлантического океана, влияющих на Атлантическую термохалинную циркуляцию [6-9]. По оценке авторов работы [10], в среднем за год приток пресной воды в Северный Ледовитый океан определяется более всего речным стоком (42 %), затем притоком через Берингов пролив (32 %) и осадками (26 %). Ранее Aagaard и Carmack [2] оценили вклад речного стока в 56 % при 28 % притока через Берингов пролив и 15 % осадков. Однако изменения СПВ в Арктическом бассейне от года к году зависят не только от соотношения притоков и стоков пресной воды, но и от других факторов. В первую очередь исследователи указывают на воздействие ветра, способное изменить толщину и динамику верхнего опресненного слоя [11].
Выполненное в работе [12] сравнение СПВ в Арктическом бассейне в 20062008 гг. и в 1992-1999 гг. показало увеличение на 8400±2000 км 3. Расчеты СПВ выполнялись относительно солености 35 %о в слое от поверхности до глубины изохалины 34 %о на акватории глубже 500 м. Причину роста СПВ авторы статьи нашли в увеличении глубины верхнего опресненного слоя в результате индуцированной ветром экмановской накачки и опреснения, вызванного усилением таяния льда и притока речной воды. При этом преобладает эффект уменьшения солености в верхнем слое, а на изменения его глубины пришлось менее четверти роста СПВ.
Авторы работы [13] исследовали вклад в опреснение верхнего слоя Канадского бассейна от увеличения таяния морского льда и притока речных вод. Они установили, что в 2006-2007 гг. основной приток пресной воды приходился на таяние, составлявшее 1,3 м льда в год, но в 2007 году южной части бассейна преобладал приток речной воды из Маккензи. Приток от таяния растет с конца 1980-х годов со скоростью 0,27 м/год, а от речного стока 0,7 м/год.
В работе [14] рассмотрены многолетние изменения СПВ в Арктическом бассейне с начала XX в. и до 2000-х гг. и найдены периоды повышенной солености верхнего слоя в 1920-1930-х и в последние два десятилетия прошлого века и пониженной солености в начале прошлого столетия и в 1940-1970-е гг. Эти периоды соответствуют потеплениям и похолоданиям климата Арктики, а также повышениям и понижениям температуры в слое воды атлантического происхождения в Арктическом бассейне. Авторы считают причиной таких крупномасштабных изменений СПВ процессы нарастания и таяния льда и устойчивый отток пресной воды из Арктического бассейна под действием ветра, а поступление пресной воды с шельфа и изменения в слое воды атлантического происхождения не оказывают заметного влияния. В то же время отмечены согласованные долгосрочные изменения основных параметров арктического климата и их взаимосвязь с изменениями в системе Арктика - Северная Атлантика.
Авторы работы [15] изучали характер и количественную значимость изменений годовых осадков, суммарного испарения и речного стока для СПВ в Арктическом бассейне за последние несколько десятилетий на основе наблюдений и набора совместных моделей циркуляции атмосферы и океана. За немногими исключениями потоки осадков, суммарного испарения и речного стока из наблюдений и глобальных моделей климата демонстрируют положительные тенденции. Однако существенные положительные тенденции выше уровня достоверности 90 % присутствуют не для всех наблюдений.
Авторы работы [16] использовали модели CMIP5 и нашли, что они моделируют пресноводный баланс Северного Ледовитого океана точнее, чем модели CMIP3. Тем не менее моделируемая скорость увеличения содержания пресной воды (296 ± 232 км 3/год) ниже, чем (600 ± 300 км 3/год), найденная на основе наблюдений за 19922012 гг. Кроме того, моделируемые потоки пресной воды все еще демонстрируют значительное межмодельное расхождение и отличаются от наблюдаемых значений.
В работе [17] на основе океанографических съемок в марте-апреле 2008 года установлены значительные сдвиги в количестве и распределении СПВ по сравнению с зимними климатическими показателями, включая значительное опреснение верхнего слоя на тихоокеанской стороне хребта Ломоносова. Измерения в Канадском бассейне и в бассейне Макарова позволили оценить увеличение СПВ на 8500 км 3.
В обзоре [18] рассмотрены прогнозы изменений в арктическом гидрологическом цикле на основе моделей климата, которые предполагают существенную его интенсификацию. Ожидается, что осадки будут увеличиваться в средних и высоких широтах, в основном в ответ на вызванное потеплением увеличение влагосодержания атмосферы. Однако опресняющий эффект роста осадков невелик по сравнению с поступлением пресной воды в результате увеличения речного стока и таяния морского льда и ледников.
Для понимания причин изменений СПВ в Арктическом бассейне особое значение имеет работа [19], в которой выполнено моделирование межгодовой изменчивости содержания пресной воды в Северном Ледовитом океане и проанализированы источники этой изменчивости за период 1951-2002 гг. При этом изменения притока речных вод и поступления воды через Берингов пролив, а также осадков не учитывались. Три основных процесса были рассмотрены в связи с изменения СПВ в Арктическом бассейне.
Первый процесс - накачка Экмана в круговороте Бофорта как причина накопления и выпуска пресной воды в зависимости от того, является ли режим циркуляции антициклоническим/циклоническим [4]. Было найдено, что эффект накачки присутствует, но его влияние на распределение солености не очевидно.
Второй процесс - это нарастание и таяние морского льда. Оказалось, что он также не очень важен, кроме сибирского и канадского секторов Арктики, где влияет на соленость.
Третий процесс - адвекция атлантических вод (АВ) в Северный Ледовитый океан. В модели этот процесс объясняет большую часть изменчивости содержания пресной воды в верхних 1000 м. Наиболее ярким признаком этого процесса в случае циклонического режима является проникновение АВ в Канадский бассейн и смещение круговорота Бофорта в сторону Канадского архипелага. В заключение авторы констатируют, что обмен между Северным Ледовитым океаном и остальными океанами оказывает наибольшее влияние на изменчивость содержания пресной воды в СЛО, по крайней мере, в используемой численной модели, в которой адвективные процессы преобладают над другими внутренними механизмами.
В дальнейших исследованиях идея о роли адвекции АВ в изменениях СПВ в Арктическом бассейне была оставлена в пользу определяющей роли экмановской накачки и круговорота Бофорта как основного регулятора изменений СПВ в Арктическом бассейне [20, 21], и приток АВ не рассматривался в более поздних работах как фактор, влияющий на изменения СПВ в Арктическом бассейне. Однако недавно по результатам моделирования с использованием глобальной модели океана NorESM20CR и наблюдений с 1900 г. показано [22], что объем переносов АВ в Арктический бассейн и оттока с Восточно-Гренландским течением и через пролив Дэвиса коррелированы (г = 0,87), поскольку объем воды в Северном Ледовитом океане сохраняется.