Статья: Влияние притока из Атлантики на содержание пресной воды в верхнем слое Арктического бассейна

Экспедиционные исследования на судах и дрейфующих станциях "Северный полюс", измерения автономных дрейфующих буев в Арктическом бассейне в 19902000-е гг. по национальным и международным программам [14, 23] и во время проведения Международного полярного года 2007/08 показали увеличение притока из Атлантики и рост температуры в слое атлантической воды в Арктическом бассейне. Первые сведения о необычно высоких температурах в слое АВ поступили в начале 1990-х гг. из района к северу от Карского моря [24]. В дальнейшем обнаружили распространение этого феномена по всей акватории Арктического бассейна [25-28].

Накопленные к настоящему времени обширные данные океанографических наблюдений в Арктическом бассейне позволяют проследить многолетние изменения в слое АВ за 1960-2010-е гг. и оценить их влияние на изменения СПВ, что и составляет цель нашего исследования.

Данные и методы

Для выполнения работы использовались базы океанографических данных, созданные в ГНЦ РФ Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ГНЦ РФ ААНИИ) и в International Arctic Research Center (IARC). В базе ААНИИ собраны данные океанографических наблюдений в Арктическом бассейне с конца XIX в. (данные экспедиции Нансена на "Фраме" 1893-1896 гг) по 2018 г Для настоящей работы использованы данные из этой базы начиная с 1960-х по 1990-е гг, которые в основном получены на дрейфующих станциях "Северный полюс", в Высокоширотных воздушных экспедициях в 1970-е гг, а также в судовых экспедициях в 1990-е гг

В базе IARC наиболее полно представлены данные с 2000 г. Они включают профили температуры и солености, полученные с использованием современных CTD (Conductivity-Temperature-Depth) систем c высоким (~1 м) вертикальным разрешением. В собранный массив вошли данные судовых наблюдений, полученные из глобальных центров хранения океанографических данных (National Oceanographic Data Center (NODC), International Council for the Exploration of the Sea (ICES)) и взятые с порталов данных наблюдательских программ (Distributed Biological Observatory - DBO; Beaufort Gyre Observational System - BGOS, Nansen and Amundsen Basins Observational System - NABOS и др.), проводимых в акватории СЛО в последние два десятилетия. Данные судовых наблюдений были существенно дополнены измерениями температуры и солености, выполненными автономными дрейфующими буями ITP (Ice Tethered Profilers), включение которых обеспечило возможность восстановления полей в глубоководной части СЛО в зимний период, который, как правило, слабо освещен судовыми наблюдениями из-за неблагоприятных ледовых условий. Более ранняя версия представленного массива данных была успешно использована [23, 29, 30] для анализа региональных климатических изменений в СЛО и динамики циркумполярного пограничного течения и мезомасштабных вихрей. Для целей настоящего исследования массив был значительно дополнен новыми наблюдениями таким образом, что итоговый набор данных для периода 2000-2016 гг. для области, ограниченной с юга 65-м градусом широты, содержал более 125 тысяч океанографических профилей.

Для построения средних за десятилетие океанографических полей использованы разные методы в зависимости от полноты покрытия Арктического бассейна данными наблюдений. До 2000-х гг. количество океанографических станций, выполненных в течение десятилетия на акватории Арктического бассейна, было недостаточным для удовлетворительной точности восстановления полей с использованием существующих методов точечной интерполяции. Исключение составляет десятилетие 1970-х гг., когда в течение семи весенних сезонов были выполнены океанографические съемки Арктического бассейна на регулярной сетке станций. Это позволило построить поля для десятилетия 1970-х гг., которые являются наиболее точным описанием климата Арктического бассейна второй половины XX в.

Для построения средних полей за десятилетия с относительно небольшим количеством наблюдений использован метод климатической регрессии [31, 32]. Основанием для такого подхода служит консервативность крупномасштабной структуры водных масс Арктического бассейна, в котором сохраняется трехслойная структура вод (верхний холодный и опресненный слой, промежуточный слой воды атлантического происхождения с положительной температурой и нижележащий слой глубинных и придонных вод). Характеристики водных масс в этих слоях и границы между ними могут изменяться от года к году под влиянием как крупномасштабных процессов океанической циркуляции и водообмена с Атлантическим и Тихим океанами, так и локальных мезомасштабных процессов. Данные наблюдений на отдельных океанографических станциях включают обе составляющие. Осреднение за десятилетие оставляет крупномасштабные изменения, которые являются отклонениями от базового климатического состояния климатических полей. В качестве таких полей приняты океанографические поля, осредненные за десятилетие 1970-х гг., представленные в атласе Environmental Working Group [33] для зимнего периода.

Построение крупномасштабной составляющей поля включает выбор сеточной области на климатическом поле, в которой выполнено некоторое число океанографических станций. Затем выполняется расчет отклонений климатических и наблюденных значений от средних по выбранной области. После этого строится регрессия климатических отклонений на наблюденные и рассчитываются отклонения для каждого узла выбранной сеточной области, к которым добавляется среднее по наблюденным значениям. Такая процедура позволяет получить крупномасштабную составляющую наблюденного поля, свободную от возмущений. Математическая формулировка метода вынесена в приложение к статье.

Для построения средних полей в узлах регулярной сетки был использован алгоритм DIVAnd [34]. DIVAnd позволяет проводить многомерный вариационный анализ случайно распределенных в пространстве наблюдений. DIVAnd является усовершенствованной версией алгоритма DIVA [35], который с успехом применялся в океанологии для построения климатических полей [36]. Начальные данные были представлены в виде набора текстовых файлов, содержащих декадные значения параметров. Файлы прошли стандартные процедуры контроля качества (IODE) и были проинтерполированы в узлы регулярной сетки (0,5 градуса по широте и долготе) с помощью DIVAnd. Регион исследования включал в себя весь Арктический бассейн.

Дополнительным источником данных стал массив Global Ocean Physics Reanalysis GLORYS12V1 (GLOBAL-ANALYSIS-FORECAST-PHY-001-030), который представляет собой глобальный реанализ CMEMS, рассчитанный с горизонтальным разрешением 1/12° (~8 км) и 50 уровнями по глубине. Он включает в себя данные с января 1993 по декабрь 2018 г. Его модельная составляющая представляет из себя платформу NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) [37] с использованием поверхностного форсинга из реанализа ECMWF ERA-Interim [38]. Наблюдения ассимилируются с помощью фильтра Калмана. В модель ассимилируются данные по альтиметрии, спутниковой температуре поверхности моря, концентрации льда, а также in situ профили по температуре и солености воды. Модель использует схему 3D-VAR, которая позволяет корректировать медленно развивающиеся крупномасштабные вихри по температуре и солености [39].

Содержание пресной воды рассчитывалось для верхнего слоя 0-100 м относительно солености 34,80 %о. Положение (глубина) верхней границы слоя АВ определялась по глубине нулевой изотермы.

Результаты

Обнаруженное в начале 1990-х гг. потепление в слое воды атлантического происхождения к северу от Карского моря в дальнейшем было отмечено на всей акватории Арктического бассейна. Карты максимальной температуры в слое АВ, построенные по данным океанографических станций, выполненных в десятилетия 2000-х и 2010-х гг. (рис. 1), показывают повсеместное повышение температуры относительно 1970-х гг., достигающее 1,0 °С в потоке АВ вблизи материкового склона.

Рис. 1. Максимальная температура в слое атлантической воды в Арктическом бассейне в разные десятилетия: а - 1970-е, б--2000-е, в - 2010-е гг. и ее изменения относительно десятилетия 1970-х гг. для: г - 2000-х, д - 2010-х

Fig. 1. The maximum temperature in the layer of Atlantic Water in the Arctic Basin in different decades: а - in the 1970s, б - in the 2000s, в - in the 2010s; and its changes relative to the decade of the 1970s: г - in the 2000s, д - in the 2010s

Рис. 2. Глубина верхней границы слоя АВ в разные десятилетия: а - 1970-е, б - 1990-е, в - 2000-е, г - 2010-е гг.; и ее изменения относительно десятилетия 1970-х гг. для: д - 1990-х, е - 2000-х, ж - 2010-х гг.

Fig. 2. The depth of the upper boundary of the AW layer in different decades: а - in the 1970s, б - the 1990s, в - the 2000s, г - the 2010s; and its changes relative to the decade of the 1970s: д - in the 1990s, е - in the 2000s, and ж - in the 2010s

Столь масштабные изменения в одном из слоев повлияли на вертикальную структуру всей водной толщи Арктического бассейна. Верхняя граница слоя АВ, отождествляемая с глубиной нулевой изотермы, повсеместно поднялась на несколько десятков метров (до 60 м и более) относительно ее положения до начала потепления (рис. 2). Уменьшилась глубина, на которой отмечалась максимальная температура в слое атлантической воды. В то же время положение нижней границы слоя АВ, также определяемой по глубине нулевой изотермы, понизилось (рис. 3), что в совокупности с подъемом верхней границы слоя свидетельствует об увеличении объема АВ в Арктическом бассейне.

В результате расширения границ слоя АВ его вклад в баланс вод Арктического бассейна значительно вырос. Очевидно, что восстановление баланса должно произойти за счет сокращения толщины верхнего наиболее динамичного опресненного слоя. Соответственно, должно было уменьшиться содержание пресной воды (СПВ) в этом слое. Наши расчеты СПВ в верхнем 100-метровом слое, в пределах которого находится верхний опресненный слой, подтвердили такое развитие событий (рис. 4).

В десятилетие 1990-х гг. СПВ в слое 0-100 м уменьшилось в евразийской части Арктического бассейна (от 180° в.д.) более всего (на 2 м и выше). В Канадской котловине к востоку от 180° в.д. СПВ ближе к берегам Аляски и Канадского архипелага, наоборот, возросло. Эта тенденция усилилась в 2000-е гг., когда СПВ здесь повысилось до 2 м и более. В 2010-е гг. распределение СПВ, подобное 2000-м гг., сохранилось с тенденцией роста СПВ вблизи берегов Аляски и Канадского архипелага.

Глубина,

Рис. 3. Глубина нижней границы слоя АВ: а - 1970-е, б - 2000-е гг.

Fig. 3. The depth of the lower boundary of the AW layer: а - the 1970s, б - the 2000s

Рис. 4. Содержание пресной воды (СПВ) в слое 0-100 м в разные десятилетия: а - 1970-е, б - 1990-е, в - 2000-е, г - 2010-е гг. и разность с СПВ относительно десятилетия 1970-х гг. для: д --1990-х, е - 2000-х, ж - 2010-х гг.

Fig. 4. The fresh water content (FWC) in the 0-100 m layer in different decades: а - the 1970s, б - the 1990s, в - the 2000s, г - the 2010s and deviations from FWC in the decade of the 1970s: д --the 1990s, е - the 2000s, ж - the 2010s

а) б)

Рис. 5. Аномалии СПВ в слое 0-100 м в десятилетия 2000-х и 2010-х гг. относительно 1970-х гг.: а, б - значения СПВ интерполированы алгоритмом DIVAnd, в, г - методом климатической регрессии; а, в - аномалии 2000-х; б, г - 2010-х гг.

Fig. 5. Anomalies of FWC in the 0-100 m layer during the decades of the 2000s and 2010s relative to the 1970s.: а, б - the values of FWC are interpolated by the DIVAnd algorithm, в, г - by the method of climatic regression; а, в - anomalies of the 2000s; б, г - 2010s

Расчеты среднего СПВ были выполнены также методом климатической регрессии, которые показали идентичные результаты. В обоих случаях получено уменьшение СПВ в евразийской части Арктического бассейна и рост в канадской части (рис. 5).

Сравнение среднего по Арктическому бассейну СПВ и положения верхней границы слоя АВ в разные десятилетия и расчеты пространственной корреляции полей Т = 0 °С и СПВ подтвердили уменьшение средней глубин залегания изотермы Т = 0 °С и тесную связь между обоими полями (табл. 1).

Таблица 1

Средние по Арктическому бассейну глубина верхней изотермы Т = 0 °С и СПВ в слое 0-100 м и коэффициенты корреляции между средними полями глубин залегания изотермы Т = 0 °С и СПВ в разные десятилетия

Из таблицы следует, что, несмотря на подъем верхней границы АВ, среднее по Арктическому бассейну СПВ уменьшилось лишь в 1990-е гг., но затем возросло в 2000-е и 2010-е гг. Рост связан с понижением солености, особенно в круговороте Бофорта, в результате интенсивного таяния льда и притока речных вод (рис. 6).

Рис. 6. Распределение солености на глубине 25 м:

а - 1970-е, б - 2000-е гг., в - разность между (а) и (б)

Fig. 6. The salinity at a depth of 25 m:

а - the 1970s, б - 2000s, в - the difference between (а) and (б)

Обсуждение

Полученные результаты показали влияние роста толщины слоя АВ на содержание и распределение пресной воды в верхнем слое Арктического бассейна. Тем самым подтверждается вывод о влиянии притока АВ на изменчивость содержания пресной воды в Арктическом бассейне СЛО, полученный на модели циркуляции океана и льда без учета изменений притока пресной воды с речным стоком, осадками и через Берингов пролив [19]. Первые натурные сведения о влиянии притока АВ на СПВ во всем Арктическом бассейне были получены по данным наблюдений в период МИГ 2007/08 [31, 32]. Позднее в работе [40] было показано, что после 1990-х гг. в Амеразийском суббассейне средняя соленость в верхнем слое понизилась, средняя толщина уменьшилась, а в Евразийском суббассейне уменьшилась лишь средняя толщина слоя.