Изменчивость температуры воды баренцева моря и ее воздействие на биотические компоненты экос и стемы
РОССИЙССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)
На правах рукописи
УДК 551.463.(268.45)
Бойцов Владимир Дмитриевич
Изменчивость температуры воды Баренцева моря и ее
воздействие на биотические компоненты экосистемы
Специальность 25.00.28 – Океанология
Автореферат
диссертация на соискание ученой степени
доктора географических наук
Санкт-Петербург
2009
Работа выполнена в Полярном научно-исследовательском институте
морского рыбного хозяйства и океанографии им Н.М. Книповича (пинро)
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор Малинин В.Н.
доктор географических наук Несветова Г.И.
доктор географических наук Родин А.В.
Ведущая организация:
Арктический и Антарктический научно-
исследовательский институт (ААНИИ)
Защита состоится 26 февраля 2009 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д. 212.197.02 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского
государственного гидрометеорологического университета.
Автореферат разослан ___ января 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат географических наук В.Н. Воробьев
Общая характеристика работы
Актуальность исследований. В Баренцевом море имеются значительные природные биологические и углеводородные ресурсы. Многолетний мониторинг его экосистемы показал, что сезонное распределение и межгодовая динамика численности и биомассы рыб, беспозвоночных и других добываемых видов испытывают значительные вариации, которые во многом определяются изменчивостью характеристик окружающей среды. Результаты исследований закономерностей развития атмосферных и океанографических процессов в районе Баренцева моря и оценка влияния колебаний их параметров на биологическую продуктивность вод служат научной основой для долговременного и экономически эффективного промысла гидробионтов. Международный опыт добычи полезных ископаемых на морском шельфе говорит о том, что экологически безопасные работы по разведке, извлечению и транспортировке углеводородного сырья на морском шельфе, а также другие виды деятельности невозможны без учета особенностей гидрометеорологического режима в районах проведения таких работ и результаты подобных исследований являются весьма актуальными.
Среди факторов среды температура - наиболее важная физическая характеристика состояния вод. Она используется для оценки интенсивности теплообмена океана с атмосферой, адвекции тепла течениями, вертикальной стратификации водной толщи и других процессов. Особую значимость имеют исследования динамики климата Баренцева моря, расположенного между двумя океаническими системами - теплой Атлантикой и холодной Арктикой. Результаты исследований во многом способствуют разработке более эффективных методов долгосрочных и перспективных прогнозов теплового состояния вод моря, необходимых для заблаговременной оценки его биопродуктивности, планирования экономических и социальных мероприятий в регионе.
Температура воды как важнейший абиотический фактор определяет сроки начала и интенсивность продуцирования первичного органического вещества, скорость обменных процессов и созревания половых продуктов в организмах, двигательную и пищевую активность и другие особенности функционирования экосистем (Риклефс, 1979; Промысловая океанография, 1986; Гершанович, Елизаров, Сапожников, 1990). Исследования влияния изменчивости в пространстве и во времени этой и других характеристик состояния морских вод на биоту позволят оценить степень воздействия абиотических факторов на организмы различных трофических уровней, что является важной научной и прикладной задачей. Разработанные на основе этих результатов методы диагноза и прогноза состояния экосистемы и динамики показателей эксплуатируемых популяций гидробионтов необходимы для выработки научных рекомендаций по рациональному использованию биологических ресурсов.
Северо-восточная арктическая треска - один из ключевых видов баренцевоморской экосистемы и наиболее ценный объект промысла. Несмотря на многолетние исследования влияния абиотических и биотических факторов на ее распределение и динамику численности, ряд вопросов по-прежнему требует рассмотрения, а некоторые ранее полученные результаты существенного уточнения. Одной из наиболее важных научных и прикладных задач рыбохозяйственной науки является заблаговременная оценка численности каждого годового класса трески, достигшей промыслового возраста. Это необходимо для прогнозирования динамики промыслового запаса и определения общего допустимого улова. Задача не имеет простого решения, поскольку существуют значительные межгодовые колебания урожайности поколений, вызванные изменчивостью комплекса абиотических и биотических условий, при которых формируется мощность отдельных генераций рыбы.
Большинство рыб Баренцева моря и их молодь в некоторые периоды годового жизненного цикла питаются зоопланктоном, сезонные и межгодовые вариации распределения и биомассы которого определяют состояние кормовой базы рыб. Поэтому актуальными являются исследования влияния внешней среды на динамику численности не только промысловых видов ихтиофауны, но и объектов их питания, в частности ракообразных.
Цель работы: исследование закономерностей колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов, разработка методов ее краткосрочного и долгосрочного прогноза, а также создание диагностических и прогностических моделей динамики численности и распределения зоопланктона и северо-восточной арктической трески.
Основные задачи:
- оценка параметров внутрисуточных, внутримесячных, внутрисезонных, сезонных и межгодовых колебаний температуры воды Баренцева моря и анализ их пространственной неоднородности;
- выявление основных циклических компонент в межгодовой изменчивости гидрометеорологических факторов, формирующих климат Баренцева моря;
- исследование закономерностей крупномасштабных колебаний климата Баренцева моря в XX - начале XXI в. и причин, вызывающих его потепление и похолодание;
- оценка сопряженности многолетней изменчивости космогеофизических сил и циркуляционных факторов атмосферы с температурой воды;
- разработка методов краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Мурманского течения;
- выявление основных абиотических факторов, влияющих на распределение мезозоопланктона и трески Баренцева моря;
- разработка методов прогноза пополнения макрозоопланктона и промыслового запаса баренцевоморской трески.
Основные гипотезы:
- физико-химические и биологические процессы на Земле протекают под влиянием экзогенных и эндогенных факторов. На динамику численности и распределение гидробионтов значительное воздействие оказывают основные характеристики состояния морских вод - среды их обитания. Циклические межгодовые колебания температуры воды определяются главным образом ритмическими вариациями параметров взаимодействующих крупномасштабных циркуляционных систем атмосферы и вод Северной Атлантики. Определенное влияние на интенсивность и направленность водных и воздушных масс этих систем могут оказывать космогеофизические силы, вызывая близкие по продолжительности циклические изменения их характеристик;
- исследования сложной структуры изменчивости численности и биомассы популяций целесообразно проводить методом выделения циклических составляющих в их динамике и выявлять близкие по периодам ритмы колебаний влияющих факторов. Реакция организмов на эти воздействия чаще всего происходит с временным запаздыванием, зависящим от интенсивности энергоинформационных потоков, трофического статуса гидробионтов и региональных особенностей функционирования экосистем. Это позволяет разрабатывать методики прогноза промыслово-биологических показателей различной заблаговременности.
Научная новизна. Впервые выполнена количественная оценка вклада колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов (от внутрисуточных до межгодовых) в ее суммарную дисперсию.
Впервые выявлены различия параметров сезонного хода температуры воды разного генезиса в теплые, нормальные и холодные годы.
По данным наблюдений продолжительностью более 100 лет установлено, что после второго десятилетия ХХ в. колебания основных параметров климатической системы Северо-Европейского бассейна стали проходить на более высоком среднем уровне.
Предложен интегральный индекс, с помощью которого впервые выполнен анализ закономерностей крупномасштабных колебаний климата Баренцева моря в 1900-2007 гг.
Впервые проведено сравнение уровня теплового состояния воздуха над Баренцевым морем, его воды и ледовитости при потеплении Арктики (первая половина ХХ в.) и в современный период (конец XX - начало XXI вв.). Установлены наиболее вероятные причины повышения температуры воздушных и водных масс и уменьшения ледовитости в эти климатические эпохи.
Разработаны новые методы краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Мурманского течения, в которых используется свойство аналогичности развития гидрометеорологических процессов, а также наличие хорошо выраженной полициклической структуры ее колебаний.
Впервые выявлены абиотические и биотические факторы, оказывающие влияние на распределение зоопланктона и баренцевоморской трески, и установлены такие их диапазоны, при которых формируются скопления этих гидробионтов определенной плотности. Предложена прогностическая модель динамики численности молоди эвфаузиид.
Разработаны три новых метода прогноза урожайности поколений баренцевоморской трески с использованием оценок численности ее молоди на различных стадиях развития.
Практическая значимость. Выявленные закономерности колебаний температуры воды различных временных масштабов могут быть использованы при изучении процессов тепло- и массообмена морских вод и атмосферы, изменчивости климата, а также при математическом моделировании развития физических процессов и функционирования экосистемы Баренцева моря.
Рассчитанные нормы средней послойной температуры воды на стандартных разрезах Баренцева моря на каждые сутки года позволяют в морских и береговых условиях более точно определять ее аномалии на дату наблюдений по сравнению с ранее применяемыми методами линейной и графической интерполяций.
Полученные режимные характеристики колебаний температуры воды используются при подготовке рекомендаций по выбору и размещению хозяйств промышленной аквакультуры в губах и заливах Мурмана, климатических атласов и справочных материалов для работников рыбной отрасли, нефтегазового комплекса, строительства, при эксплуатации гидротехнических сооружений и других видов деятельности в море и на побережье.
Представленный в работе сценарий будущего состояния климата Баренцева моря может быть использован при перспективном планировании экономических и социальных аспектов развития северо-западного региона России.
Прогнозы температуры воды Баренцева моря, составляемые с помощью разработанных автором методов, учитываются при формировании месячных и квартальных прогнозов распределения промысловых объектов в море, а также при долгосрочном и перспективном прогнозировании величины пополнения промысловых запасов гидробионтов и состояния сырьевой базы их промысла.
Предложенные диагностические и прогностические модели распределения и динамики численности зоопланктона позволяют по данным о состоянии внешней среды оценить возможный потенциал кормовой базы промысловых рыб и их молоди в Баренцевом море в период летнего нагула.
Методы прогноза численности молоди северо-восточной арктической трески на различных стадиях ее развития применяются при прогнозировании уровня пополнения промысловой части популяции, что необходимо для заблаговременной оценки запаса и определении общего допустимого улова рыбы.
Результаты исследований использовались при разработке лекционных и практических курсов для преподавания физической и промысловой океанография в Мурманском государственном педагогическом университете.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты многолетних исследований автора в области региональной физической и промысловой океанографии. Выдвижение гипотез, постановка задач, расчеты с помощью различных математических методов, выполнение графических работ осуществлялись им лично. Диссертант принимал участие в организации и проведении наблюдений, анализе полученных материалов в 10 комплексных морских экспедициях, а также в течение многих лет осуществлял сбор данных в губах и заливах Баренцева и Белого морей, их обработку, систематизацию и анализ, тем самым внес определенный вклад в формирование океанографической базы данных ПИНРО. Опубликованы метаданные, в которых представлена необходимая для работы с первичными материалами информация о рейсах научно-исследовательских и научно-поисковых судов в Баренцевом море и сопредельных водах за 1900-2000 гг.
На защиту выносятся:
1. Закономерности колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов (внутрисуточные, внутримесячные, сезонные, межгодовые, внутривековые).
2. Структура долгопериодных колебаний температуры воздуха в Северной Атлантике и Северо-Европейском бассейне и воды в Баренцевом море.
3. Генезис крупномасштабных вариаций климата Баренцева моря в XX - начале XXI в.
4. Методы краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Баренцева моря.
5. Результаты исследований влияния температура воды и других факторов на распределение зоопланктона и трески Баренцева моря, а также прогностические модели динамики численности их молоди.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, были представлены и доложены на конференциях по промысловому прогнозированию (Мурманск, 1983; 1989; 1995; 2001; 2004); на конференциях по промысловой океанологии (Калининград, 1993; 1999; 2002; 2005; 2008; Санкт-Петербург, 1997); на 3-м советско-норвежском симпозиуме (Мурманск, 1987); на конференциях по изучению морских экосистем (Мурманск, 1994; 1995; 2000; Tromso, Norway, 1995; Кандалакша, 1996; St.-Peterburg, 1999; Мурманск, 1999; Астрахань, 2001; Москва, 2002); на отчетных сессиях ПИНРО (Мурманск, 1993; 1998; 2000); на международных конференциях «Циклические процессы в природе и обществе» (Ставрополь, 1994; 1995; 1999); на международном симпозиуме «Hydrobiological variability in the ICES Area, 1990-199» (Абердин, Шотландия, 2001); на российско-норвежских симпозиумах (Мурманск, 1999; 2002; 2005; 2006; 2007); на Международной конференции «Рациональное природопользование и управление морскими биоресурсами: экосистемный подход» (Владивосток, 2003); на VII Международном конгрессе по истории океанографии, (Калининград, 2003); на XII съезде Русского Географического Общества (Кронштадт, 2005), на VIII Международной конференции «Природа шельфа и архипелагов европейской Арктики» (Мурманск, 2008), на заседании Научно-консультационного совета по биологическим ресурсам Мирового океана, Секции промысловой океанологии и Секции по Белому морю Федерального государственного учреждения «Межведомственная ихтиологическая комиссия» (Москва, 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 47 научных работах, в том числе в 10 коллективных монографиях. 8 статей напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах перечня ВАК, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Закономерности изменчивости температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов и разработанные методы ее прогнозирования с различной заблаговременностью изложены в монографии диссертанта (Бойцов, 2006).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Ее объем составляет 347 страниц, включая 47 таблиц и 166 рисунок. Список использованной литературы имеет 501 наименование, из них 98 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении даны общие сведения о диссертационной работе. В их состав вошли актуальность темы, цели и задачи исследований, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечень национальных и международных конференций, на которых они докладывались, количество публикаций, объем и структура диссертации.
Глава 1. Особенности гидрометеорологических условий
и экосистемы Баренцева моря
Дана краткая характеристика гидрометеорологических условий Баренцева моря:
- метеорологического режима;
- циркуляции вод;
- распределения основных водных масс и фронтальных разделов;
- ледовой обстановки;
- климатического распределения температуры воды в различные сезоны;
- внутригодовых изменений солености воды.
К числу главных особенностей баренцевоморской экосистемы относится то, что влияние абиотических факторов на гидробионты превалирует над биотическими процессами (Эволюция экосистем и биогеография…, 1994). Основным продуцентом органического вещества в море является фитопланктон, который ежегодно определяет исходную величину потоков энергии через все остальные ее компоненты. Наибольший вклад в биомассу микроводорослей вносят жгутиковые, диатомовые и перидиниевые, представляющие бореальный и арктический комплексы (Жизнь и условия…, 1985).
Развитие зоопланктона, который питается фитопланктоном, во многом определяется сроками и интенсивностью «цветения». По численности в Баренцевом море доминируют веслоногие рачки, среди которых господствующая роль принадлежит представителю бореального североатлантического вида Calanus finmarchicus. В отдельные сезоны очень большие скопления могут создавать эвфаузииды, относящиеся к макрозоопланктону. В определенные периоды годового жизненного цикла основных промысловых рыб, и особенно молоди зоопланктон составляет основу их пищевого рациона. Поэтому динамика численности и распределение зоопланктона влияют как на поведение рыб в период нагула, так и на урожайность их поколений. По величине продукции фито- и зоопланктона Баренцево море относится к водоемам, трофность которых выше средней величины (Эволюция экосистем и биогеография…, 1994).
Конечным звеном переноса органического вещества и энергии по трофическим уровням (без учета млекопитающих и птиц) являются рыбы-планктофаги и рыбы-хищники. Последние потребляют рыб-планктофагов, беспозвоночных и бентос. В Баренцевом море обитает 11 видов основных промысловых рыб: треска, пикша, сайда, морские окуни, черный палтус, зубатки, морская камбала, камбала-ерш, мойва, сельдь, сайка. На начало 2008 г. суммарный промысловый запас наиболее ценных объектов промысла, которыми является треска и пикша, составил около 2,3 млн т и имел в последнее время тенденцию к росту. Однако запасы некоторых других популяций рыб в настоящее время находятся на низком уровне, и их специализированного промысла не ведется (Состояние биологических сырьевых…, 2008). Численность и биомасса промысловых видов испытывают значительные межгодовые колебания. Чаще всего это происходит под влиянием изменчивости абиотических факторов и состояния запасов кормовых организмов. Поэтому изучение влияния условий среды на урожайность поколений, динамику численности, миграции и распределение промысловых популяций, а также на объекты их питания является важнейшей задачей промысловой океанографии.
Глава 2. Материалы и методы анализа данных
В работе использовались материалы различной длительности и дискретности измерений океанографических параметров из базы данных ПИНРО. С 1900 по 2007 г. на акватории Баренцева моря и сопредельных районов было выполнено более 195 тыс. океанографических станций, а на вековом разрезе «Кольский меридиан» осуществлено более 1100 серий измерений температуры и солености воды.
Параметры внутрисуточных колебаний термохалинных индексов в настоящей работе рассчитывались по данным измерений с двухчасовой дискретностью на 5 станциях, выполненных в различных районах Баренцева моря в зимний, весенний, летний и осенний гидрологические сезоны (рис. 1А, станции I-V). Для того чтобы определить вертикальная или изопикническая адвекция вод являлись основной причиной изменчивости температуры и солености водных масс этого масштаба, использовался метод сравнительного анализа отклонений наблюденных характеристик от их средних значений (Федоров, 1978).
Исследования внутрисуточной и внутрисезонной изменчивости температуры воды в водоемах фьордового типа проводились с помощью данных измерений CTD-зондом с дискретностью 1 ч в апреле-мае 1999 г. и в мае 2002 г. в губе Ура Мотовского залива Баренцева моря. Кроме того, использовались наиболее продолжительные ряды наблюдений с помощью буйковой станции в феврале-августе 1996 г. в 20 милях к северу от о-ва Вардё у северо-восточного побережья Норвегии (см. рис. 1А, станция VI).
Анализ параметров климатического сезонного хода температуры воды Баренцева моря на различной глубине проводился по ее среднемноголетним месячным значениям на разрезе «Кольский меридиан» (№ 6). Для этого на стандартных горизонтах были рассчитаны время наступления экстремумов, амплитуда колебаний, межмесячная скорость сезонного увеличения и уменьшения температуры воды и другие показатели. Оценка пространственной неоднородности параметров сезонного хода температуры воды в слоях 0-50, 50-200 и 0-200 м осуществлялась посредством сравнения их вычисленных значений на основных стандартных разрезах (см. рис. 1А), а также в теплые и холодные годы.
 | |
 | |
Рис. 1. Положение суточных, многосуточных станций и их номера (1),
стандартных океанографических разрезов и их номера (2) в Баренцевом
море (А), метеорологических станций в Северо-Европейском бассейне
и Северной Атлантике (Б)
Для определения продолжительности гидрологических сезонов в южной части Баренцева моря использовались данные о среднемноголетней (1951-2000 гг.) месячной температуре воды на стандартных горизонтах океанографических разрезов №№ 6, 7, 8 и 9. Кроме того, это было сделано для холодного 1987 г. и аномально теплого 2004 г. Поскольку в течение года наблюдаются изменения параметров стратификации водных масс, в качестве основного показателя смены гидрологических сезонов была выбрана величина максимального вертикального градиента температуры воды. Квазиоднородным по температуре воды считался слой, в котором вертикальный градиент этого параметра не превышал 0,01 °С/м (Белкин, 1981; Кузнецов, 1984). Такая стратификация водных масс характерна для зимнего сезона. Значения вертикальных градиентов температуры воды в интервале 0,01-0,05 °С/м свойственны весеннему и осеннему сезонам. Летний тип стратификации вод наблюдается тогда, когда вертикальный градиент превышает 0,05 °С/м (Бойцов, 1985). Дополнительной характеристикой вертикальной структуры вод служила глубина залегания оси термоклина.
Границы вод Баренцева моря разного генезиса определялись методом «норм» (Адров, Смоляр, 1987) по среднемноголетним (1951-2000 гг.) данным температуры и солености воды на стандартных разрезах №№ 3, 4, 6, 7, 8 и 9 для всех сезонов. Количественными критериями являлись следующие среднемноголетние значения солености: если при определенной температуре соленость воды превышает норму не более чем на 0,2 - это атлантическая водная масса, а на 0,7 и более – это воды не системы Гольфстрима, в интервале 0,21-0,70 имеют воды, которые являются продуктом смешения атлантической с другой основной водной массой. В качестве дополнительного метода применялся T,S-анализ.
Исследование особенностей межгодовых колебаний температуры воды на различных участках акватории Баренцева моря выполнено по ее среднегодовым данным на основных стандартных разрезах (см. рис. 1А). Для выделения статистически значимых циклических составляющих и анализа пространственных различий их параметров использовались выборки одной длины.
Для выявления сходства и различий структуры межгодовой изменчивости температуры воздуха в Северо-Европейском бассейне, в состав которого входят Белое, Баренцево, Гренландское и Норвежское моря (Никифоров, Шпайхер, 1980), и в Северной Атлантике анализировались данные 12 метеорологических станций продолжительностью наблюдений 100 лет и более (см. рис. 1Б).
Для анализа колебаний климата в 1900-2007 гг. в районе Баренцева моря был предложен среднегодовой интегральный индекс, который учитывает суммарную изменчивость основных климатообразующих факторов, каковыми являются температура воздуха и воды, а также ледовитость моря (Бойцов, 2006). Интегральный индекс рассчитывался по формуле:
,
где 
- климатический индекс; 
- соответственно среднегодовая температура воздуха метеорологических станций Вардё, Канин Нос и Малые Кармакулы, температура воды слоя 0-200 м разреза "Кольский меридиан" и площадь Баренцева моря, свободная ото льда в мае-июле в %; 
- средняя многолетняя соответственно температура воздуха, температура воды и площадь моря, свободная ото льда; 
- среднеквадратическое отклонение соответственно температуры воздуха, температуры воды и площади моря, свободной ото льда.
Исследования возможного влияния космогеофизических сил на циркуляцию атмосферы над Северной Атлантикой и Северо-Европейским бассейном, а также на адвекцию вод системы Гольфстрима, которые в свою очередь влияют на межгодовую изменчивость температуры воды Баренцева моря, проводились с помощью статистических методов. Для этого были использованы индексы солнечной активности, лунного деклинационного прилива, нутации оси Земли, магнитной активности Земли (Ар), Северо-Атлантического колебания (NAO), повторяемости западной формы циркуляции атмосферы в атлантико-европейском секторе, которые помещены на сайтах международной сети Internet. Значения индекса вихревой активности атмосферы взяты из монографии В.Н. Малинина, В.М. Радикевича, С.М. Гордеевой и Л.А. Куликовой (2003).
Для оценки влияния гидрометеорологических процессов на распределение, динамику численности и биомассы зоопланктона Баренцева моря, а также на распределение северо-восточной арктической трески анализировались индексы этих показателей, имеющихся в базе данных ПИНРО и в материалах Международного совета по исследованию моря (ИКЕС).
Для оценки достоверности выявляемых циклов в колебаниях гидрометеорологических и биолого-промысловых параметров их частотная структура определялась с помощью нескольких методов: периодограмманализа, спектрального анализа, расчета гармоник с некратными частотами и вайвлет-анализа. Аппроксимация имеющихся в динамике исследуемых характеристик линейных и нелинейных трендов осуществлялась методом наименьших квадратов, а для выделения циклических компонент применялись частотные фильтры Поттера и Баттерворта. Эти вычислительные процедуры реализованы в программных пакетах Ехсеl, Mesosaur, Statistica, AutoSignal и «Призма». Последний был разработан в Российском государственном гидрометеорологическом университете Д.В. Густоевым. В настоящей работе были использованы рекомендации некоторых авторов (Кей, 1981; Anderson, 1974), согласно которым для выбора разумного компромисса между повышением разрешающей способности спектра при увеличении числа сдвигов автокорреляционной функции (Р) и одновременным ростом ошибок ее оценивания, Р задавался в интервале от n/3 до n/2 (n - длина исходного ряда).
Для выявления факторов среды и диапазонов их изменчивости, при которых в Баренцевом море северо-восточная арктическая треска в возрасте неполных 5 и 6 лет, а также суммарно в возрасте 4-10 лет создавала скопления определенной плотности был применен информационно-вероятностный анализ (Бойцов, 1989). В алгоритм этого метода нами были внесены некоторые изменения в целях исключения влияния различий в разбиение на неодинаковое число классов использованных показателей на результаты. Кроме того, на заключительном этапе построения расчетной схемы предложено использовать теорему гипотез и метод подобия.
Для оценки уровня и знака сопряженности анализируемых гидрометеорологических, космогеофизических и биолого-промысловых показателей во времени и в пространстве применялись прикладные методы одномерного и многомерного корреляционного и взаимокорреляционного анализа. Значимость полученных оценок связи, коэффициентов регрессионных уравнений и выделенных трендов проверялась сравнением их с различными статистическими критериями (Румшинский, 1971; Поллард, 1982 и др.).
Глава 3. Внутригодовая изменчивость температуры воды
Для Баренцева моря большое научно-прикладное значение имеют результаты исследований внутригодовых колебаний температуры воды в суточном (циркадном), синоптическом (внутримесячные колебания), внутрисезонном (межмесячные вариации) и сезонном (около года) временных диапазонах.
Изучение изменчивости температуры воды Баренцева моря началось в конце XIX в., когда по предложению Н.М. Книповича стали проводиться наблюдения как на разрезе «Кольский меридиан», а также и на некоторых участках акватории моря. Несмотря на достаточно продолжительный период исследований, научных публикаций с результатами анализа изменчивости температуры воды во времени не так уж много. При этом из всего спектра ее колебаний чаще всего рассматривались межгодовые вариации. Исследованиям структуры внутримесячной и мезомасштабной изменчивости от нескольких часов до нескольких суток и месяцев внимания уделялось меньше. Отчасти это было обусловлено малым количеством наблюдений необходимой продолжительности и дискретности. Так, анализу высокочастотных колебаний температуры воды Баренцева моря, размах которых может достигать нескольких градусов, посвящено только несколько работ (Россов, 1961; О суточных изменениях…, 1973; Цехоцкая, 1977; Гидрометеорология и гидрохимия..., 1990).
Физико-географические и климатические особенности Баренцева моря определяют наличие значительных сезонных колебаний температуры во всей его толще в водах разного генезиса. Они оказывают влияние на многие наиболее ключевые биопродукционные процессы экосистем. Анализу этой составляющей изменчивости температуры воды Баренцева моря посвящено несколько работ, в которых представлены общие сведения о сезонной изменчивости средней температуры воды в слоях 0-50, 0-200, 50-200 м (Мухин, Сарынина, 1974; Мухин, 1975; Сарынина, 1980; Жизнь и условия…, 1985; Закономерности формирования сырьевых…, 1994), а также рассмотрены особенности ее проявления в отдельные периоды года (Седых, 1959; Мухин, Двинина, 1982; Терещенко, 1995).
Недостаточная изученность внутригодовых вариаций и отсутствие оценок их вклада в общую изменчивость температуры воды Баренцева моря побудили автора диссертации выполнить исследования этой части спектра ее колебаний.
Внутрисуточная изменчивость. В работе впервые рассмотрены закономерности внутрисуточных колебаний температуры воды в различных районах Баренцева моря. Зимой в слое 0-50 м в отдельные дни их размах может составлять 0,5-0,8 °С, но чаще всего он не превышает 0,2 - 0,3 °С. Однако летом из-за вертикального смещения термоклина в течение суток возможны изменения температуры на 3-5 °С. Внутрисуточный размах колебаний также большой в периоды смены гидрологических сезонов и в зонах контакта вод разного генезиса. При этом в отдельные периоды изменчивость температуры воды в поверхностном слое и на нижележащих горизонтах происходит достаточно синхронно, но иногда отмечается ее противофазность (Бойцов, Несветова, 2002). Наиболее часто интенсивные внутрисуточные колебания океанографических параметров, по-видимому, могут возникать при прохождении внутренних инерционно-гравитационных волн, не имеющих полусуточной периодичности приливной волны.
В губах Западного Мурмана были отмечены полусуточные изменения температуры воды. При этом чаще всего в теплую часть года наблюдается ее понижение на фазе прилива и повышение на фазе отлива за счет различий температуры воды в море и в более мелководных полузамкнутых водоемах. Несмотря на то, что дисперсия ее короткопериодных колебаний в целом невелика, иногда в течение 2-6 часов температура изменялась на 0,7-0,8 °С.
Внутримесячная и межмесячная изменчивость. По данным среднесуточной температуры прибрежных вод слоя 0-50 м, в феврале-августе 1996 г. на юго-западе Баренцева моря, кроме доминирующей сезонной компоненты, на всех горизонтах в ее спектрах присутствовали вариации продолжительностью 100-110, 40-50, 12-15 и 7-8 суток (рис. 2). Наибольшую дисперсию имел 40-50-суточный цикл, причиной существования которого могут быть колебания адвекции тепла течениями. Изменчивость температуры воды с 7-8-суточной ритмичностью возбуждается атмосферными процессами синоптического периода, так как такие же вариации присутствовали в изменчивости температуры воздуха и атмосферного давления.
Весной в термоклине основные внутрисезонные циклы колебаний температуры воды имеют меньшую амплитуду, чем летом. С глубиной эти различия уменьшаются и вновь возрастают на глубине 50 м и ниже. Так максимальные межсуточные колебания температуры прибрежных вод поверхностного слоя на юго-западе Баренцева моря в мае составляли 0,2-0,4 °С, тогда как в июле-августе достигали 1,4-1,7 °С, а ее изменения около 1 °С происходили достаточно часто. Увеличение изменчивости температуры воды в слое 0-50 м летом, по-видимому, вызвано адвективно-турбулентными факторами и вертикальным смещением термоклина. Внутрисуточные, внутримесячные и межмесячные колебания температуры воды вносят 8-10 % в ее суммарную дисперсию.
В полуизолированных от моря губах Западного Мурмана второе место по вкладу в суммарную дисперсию теплосодержания водных масс после сезонной компоненты занимали колебания с периодом около 28 суток, который соответствует продолжительности лунного месяца. Здесь так же как и в открытой части моря, отмечен ритм, близкий к длительности естественных синоптических периодов при прохождении атмосферных циклонов (Бойцов, 1999, 2007).
Сезонная изменчивость. Сезонные изменения температуры воды имеют большое значение для поддержания высокой биологической продуктивности Баренцева моря. Охлаждение водных масс зимой вызывает их конвективное перемешивание и восстановление концентраций питательных веществ в фотическом слое до уровня, необходимого для продуцирования первичного органического вещества. Радиационный прогрев верхнего слоя весной и летом формирует слой скачка плотности, который играет важную роль в развитии растительного планктона.
Рис. 2. Внутрисезонные, межсезонные, (а) и внутримесячные (б) колебания
температуры воды слоя 0-20 м у восточного побережья п-ова Варангер
Баренцева моря в феврале-августе 1996 г.:
1 - 100-110; 2 - 40-50; 3 - 12-15-; 4 - 7-8 -суточные циклы
На разрезе «Кольский меридиан» по среднемноголетним данным в период сезонного понижения температуры воды в наибольшей степени происходит в слое 0-30 м от сентября к октябрю и составляет 1,3-2,0 °С. С глубиной этот параметр достаточно быстро уменьшается и сдвигается время его наступления: на глубине 50 м максимальное понижение температуры отмечается от октября к ноябрю, а на горизонте 150 м - от декабря к январю.
После наступления сезонного минимума рост температуры воды начинается в мае во всей толще в прибрежных водах и вблизи Полярного фронта, где процессы вертикального и горизонтального теплообмена водных слоев при их неустойчивой стратификации протекают более интенсивно из-за повышенной в этих районах динамики вод. На акватории между ними увеличение температуры воды в мае начинается только в слое 0-150 м. В нижележащих слоях в зоне действия стрежней Мурманского и Центральной ветви Нордкапского течений это происходит на 1-2 месяца, а вне этих потоков на 4-6 месяцев (сентябрь-ноябрь) позже и не зависит от глубины места.
В поверхностном слое до наступления сезонного максимума температуры в августе ее повышение продолжается 4 месяца с наибольшим ростом от июня к июлю, когда она увеличивается на 4 °С в прибрежных водах и на 2 °С вблизи Полярного фронта. В слое 50-150 м сезонный максимум температуры воды приходится на сентябрь, а в некоторых районах - на октябрь. На глубоководных участках в слое 200-250 м наиболее высокой температура воды чаще всего бывает в ноябре, а в придонном слое в декабре-январе (рис. 3).
 |  |
Рис. 3. Изоплеты среднемноголетней температуры воды на станциях
1 (а), 5 (б) и 9 (в) разреза «Кольский меридиан»
(пунктир - сезонный минимум, сплошная линия - сезонный максимум температуры воды)
В холодные годы (температура воды ниже нормы на 0,5 сигмы и более) в весенне-летний период из-за близости суши темпы сезонного увеличения температуры прибрежных вод Баренцева моря в верхнем 50-метровом слое выше, чем в теплые (температура воды выше нормы на 0,5 сигмы и более). В зоне действия Мурманского течения значения этого параметра примерно одинаковы, тогда как скорость сезонного понижения температуры воды здесь выше в теплые годы, чем в холодные. Вблизи Полярного фронта в теплые годы скорость сезонного роста выше, чем в холодные. В глубинных слоях отмечается противоположная ситуация (Бойцов, 2006).
Размах сезонных колебаний температуры воды зависит от абсолютных значений экстремумов, которые неодинаковы в различных районах Баренцева моря. Разность сезонных максимумом между восточными и западными участками моря меньше (1,6 °С), чем минимумов (2,4 °С). По среднемноголетним данным в слое 0-50 м на западе размах сезонной изменчивости температуры воды наименьший, а в прибрежной зоне Мурмана наибольший, где он в 1,5-2,0 раза выше, чем на водоразделе Норвежского и Баренцева морей (рис. 4). На юго-востоке моря он также значителен и составляет 4,5 °С (Бойцов, 2007).
Рис. 4. Размах сезонных колебаний температуры воды в слое 0-50 м
на разрезах Баренцева моря по многолетним данным
В слое 50-200 м наибольший размах сезонных колебаний среднемесячных норм, также как и в слое 0-50 м, наблюдается в прибрежных водах Мурмана, где он в районе разреза «Кольский меридиан» почти в 2 раза больше, чем на юго-западе и юго-востоке Баренцева моря.
В верхнем 20-метровом слое при высоком теплозапасе вод размах сезонных колебаний температуры воды больше, чем при низком уровне теплосодержания. Это связано с тем, что температура сезонного минимума в теплые годы в среднем лишь на 1 °С выше, чем в холодные года, тогда как разность максимумов составляет 2,5-4,5 °С. Ниже до глубины 100 м в прибрежных водах и вблизи Полярного фронта наблюдается обратная картина, поскольку разность сезонных минимумов здесь больше разности максимумов. В водах Мурманского течения размах сезонного хода больше в теплые годы, чем холодные во всей толще, за исключением придонного слоя, где его различия малы.
Климатический сезонный ход температуры воды в слое 0-50 м вносит около 51 %, в слое 50-200 м - 45 %, а в слое 150-200 м - около 34 % в ее общую изменчивость.
Сроки начала и продолжительность биологических сезонов достаточно согласованно изменяются с гидрологическими сезонами (Павштикс, 1987; Дружков, Фомин, 1991). Поэтому при отсутствии данных о развитии фито- и зоопланктона можно оценить время и скорость протекания этих процессов по сезонной динамике океанографических параметров.
Основной характеристикой определения гидрологических сезонов в настоящей работе была использована величина максимального градиента температуры воды и глубина его залегания, так как от этих параметров стратификации вод существенно зависят начало процесса деления микроводорослей, наличие одной или двух вспышек «цветения» в период вегетации и его длительность (Богоров, 1974).
В прибрежных водах и на акватории между Мурманским прибрежным и Мурманским течениями продолжительность зимнего типа их стратификации, по среднемноголетним данным, составляет 5,5 месяца. В более удаленных от берега районах Баренцева моря он длится 6 месяцев (табл. 1). На большей части акватории начало гидрологической весны приходится на середину мая. Только вблизи берега слой скачка формируется на полмесяца раньше в результате интенсивного прогрева поверхностных вод за счет теплообмена с более теплым воздухом, поступающим с Кольского полуострова. Продолжительность гидрологического лета составляет около 3 месяцев. Переход от лета к зиме раньше (начало сентября) отмечается вблизи побережья, поскольку над сушей сезонное понижение температуры воздуха проходит быстрее, чем над морем. Поэтому процесс отдачи тепла морской поверхностью в атмосферу в прибрежной зоне начинается раньше. Однако здесь гомотермия наступает в те же сроки, что и в мористых районах - в середине ноября. Вследствие этого у побережья Мурмана гидрологическая осень является самой продолжительной, составляя 2,0-2,5 месяца. На остальной акватории этот сезон начинается в начале октября, а завершается через 1,5 месяца.
Таблица 1
Гидрологические сезоны и их продолжительность (количество месяцев)
на 1-10 станциях разреза «Кольский меридиан»
(по среднемноголетним данным)
| Станция | Зима | Весна | Лето | Осень |
| 1 | середина ноября - апрель (5,5) | май (1) | июнь-август (3) | сентябрь – середина ноябрь (2,5) |
| 2 | середина ноября - апрель (5,5) | май-середина июня (1,5) | середина июня – середина сентября (3) | середина сентября – середина-ноябрь (2) |
| 3 | декабрь - середина мая (5,5) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь-ноябрь (2) |
| 4 | декабря – середина мая (5,5) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь- ноябрь (2) |
| 5 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - середина июня (1) | середина июня -сентябрь (3,5) | октябрь-середина ноября (1,5) |
| 6 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь-середина ноября (1,5) |
| 7 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь-середина ноября (1,5) |
| 8 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь-середина ноября (1,5) |
| 9 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - июнь (1,5) | июль-сентябрь (3) | октябрь - середина ноября (1,5) |
| 10 | середина ноября -середина мая (6) | середина мая - июнь (1,5) | июль – середина -сентября (2,5) | середина сентября -середина ноября (2) |
В холодные годы гидрологическая зима более длительна, чем в теплые, а продолжительность лета меньше климатических сроков, и оно значительно короче, чем в теплые годы. Развитие осенних процессов в холодные годы более длительно, чем при высоком уровне теплосодержания водных масс.
Локальные особенности океанографических условий влияют на сезонные изменения вертикальной термической структуры вод. На западе в прибрежных водах при различном уровне их теплосодержания продолжительность гидрологической зимы меньше, а весна и осень наступают раньше, чем на удаленных от берега участках. Самое короткое лето наблюдается на акватории вблизи Полярного фронта, пространственное смещение которого может оказывать дополнительное влияние на стратификацию вод.
Воды Баренцева моря по условиям их образования и трансформации термохалинных параметров можно разделить на пять типов: атлантические, арктические, баренцевоморские, прибрежные и воды смешения в различной пропорции двух этих водных масс и более (Бойцов, Терещенко, 1998).
В проведенных ранее исследованиях рассматривалось только горизонтальное распределение вод разного генезиса на некоторых глубинах Баренцева моря. В настоящей работе выделение вод различного происхождения и определение их T,S-индексов выполнено в вертикальной плоскости стандартных разрезов №№ 3, 4, 6, 7, 8 и 9. Поскольку океанографические разрезы расположены на относительно небольшом расстоянии друг от друга, это дает возможность оценить и горизонтальное распределение основных типов вод.
В южной части Баренцева моря существуют значительные сезонные изменения пространственного положения климатических границ вод разного генезиса, подробный анализ которых и оценка трансформации их температуры и солености в течение года представлены в диссертации. В качестве примера на рис. 5 показано положение водных масс в различные сезоны на разрезе «Кольский меридиан».
Температура прибрежных вод, занимающих слой 0-50 м зимой на востоке Баренцева моря на 2,5 - 3,5 °С ниже, а соленость воды на 0,05 меньше, чем на западе. Летом различия в солености почти отсутствуют, а разность температуры уменьшается до 1,5 - 2,5 °С.
Температура атлантических вод зимой на западе Баренцева моря на 1,5-2,0 °С выше, а соленость на 0,03-0,12 больше, чем на востоке. В теплый период эти различия сохраняются. Понижение температуры атлантических вод происходит в результате увеличения теплоотдачи в атмосферу при движении на восток, где температура воздуха ниже, чем на западе моря. Кроме того, наблюдается их распреснение за счет смешения с прибрежными водами. Летом в верхнем 20-метровом слое в южной части Баренцева моря атлантические воды отсутствуют, так как их замещают смешанные воды.
Глава 4. Межгодовая изменчивость температуры воды и колебания
климата Баренцева моря
Исследования межгодовых колебаний температуры воды Баренцева моря чаще всего проводились при разработке методов долгосрочного прогноза его теплового состояния. С этой целью Г. К. Ижевским (1957, 1961) впервые был выполнен анализ динамики температуры атлантических вод. В последующем, по мере увеличения данных наблюдений, уточнялся спектральный состав колебаний температуры воды (Бочков 1964, 1975; Суставов 1978; Серяков, 1979; Карпова, Суставов, Николаев, 1991; Бочков, Терещенко, 1992; Исследования и долгосрочное прогнозирование, 2005 и др.).
Рис. 5. Климатические границы водных масс на разрезе «Кольский меридиан» зимой (а), весной (б), летом (в) и осенью (г):
1- прибрежная; 2 - прибрежная, смешанная с атлантической; 3 - атлантическая;
4 - атлантическая, смешанная с баренцевоморской; 5 - баренцевоморская;
6 - арктическая; 7 - атлантическая, смешанная с арктической и баренцевоморской
Несмотря на достаточно длительный период изучения межгодовых колебаний температуры воды Баренцева моря, некоторые закономерности ее изменчивости остались невыясненными или требовали уточнения. В настоящее время большое значение имеют результаты изучения динамики климатической системы и анализа возможных причин, вызвавших значительное повышение температуры воды и воздуха в настоящий период, особенно в морских районах высоких широт. Накопленные многолетние данные наблюдений за основными климатообразующими факторами в районе Баренцева моря и на прилегающих акваториях за более чем 100 лет позволяют дать более достоверные количественные оценки особенностей их вариаций.
Межгодовая изменчивость температуры воды. Спектральный состав межгодовых колебаний температуры атлантических вод в зоне действия Нордкапского течения, его Центральной и Северной ветвей, а также Мурманского течения в целом идентичен: доминирующими являются тренд и циклические составляющие длительностью 16-19, 9-11, 7, 5 лет и 2-3 года (рис. 6). Различия состоят только во вкладе отдельных компонент в общую изменчивость теплосодержания водных масс: от западной границы моря на восток уменьшается доля дисперсии тренда и 9-11-летнего цикла, но увеличивается значимость ритмов с периодами 16-19 и около 7 лет. В короткопериодной части спектра на западе Баренцева моря преобладающей является цикличность 3,2 года (около 40 месяцев), а флюктуации с характерным для многих океанографических параметров периодом 2,6 года (30 месяцев) имеют больший вес в востокеморя. Отмеченные изменения спектральной мощности отдельных циклов могут быть следствием того, что эти участки Баренцева моря имеют физико-географические различия, а также находятся в разных климатических зонах. Поэтому доля вклада некоторых частот в межгодовые колебания температуры воды определяется влиянием локальных особенностей гидрометеорологического режима этих районов.
Рис. 6. Спектры колебаний среднегодовой температуры воды слоя 0-200 м (1)
на разрезах № 3 (а), 29 (б), 6 (в), 8 (г) и спектр «красного шума» (2)
Взаимнокорреляционный анализ показал высокую статистическую связь между близкими по периоду выделенными циклами в изменчивости температуры атлантических вод на различных участках акватории Баренцева моря и отсутствие между ними фазовых сдвигов.
С глубиной значительных изменений в спектральной структуре межгодовых колебаний температуры воды Мурманского течения также не выявлено. Как и в горизонтальном пространстве, существуют различия во вкладе некоторых составляющих в ее изменчивость. С увеличением глубины уменьшается удельный вес тренда. В слое 0-50 м наибольший вклад в дисперсию температуры воды вносит 15-18-летний цикл. С глубиной происходит увеличение его периода и уменьшение удельного веса. 9-11-летний ритм, напротив, имеет наибольшую значимость в изменчивости температуры воды в слое 150-200 м.
По данным наблюдений 1951-2007 гг., многолетние колебания температуры воды на разрезе «Кольский меридиан» в слое 0-50 м вносят около 31 %, в слое 0-200 м - 38 %, а в слое 150-200 м - около 50 % в ее общую дисперсию.
Многолетние наблюдения за температурой воды Баренцева моря показали, что иногда достаточно продолжительное время она была выше или ниже среднемноголетнего уровня. В течение более чем 50 лет (1951-2007 гг.) отмечено несколько продолжительных теплых и холодных периодов (рис. 7). Знак температурных аномалий в слое 0-200 м на разрезе «Кольский меридиан» чаще всего менялся в ноябре-феврале. Так, переход от теплого к самому продолжительному холодному периоду, который составил 64 месяца, произошел в конце 1976 - начале 1977 гг. Меньшее по времени (51 месяц) и не такое значительное похолодание наблюдалось во второй половине 1980-х годов. От ноября к декабрю 1998 г. произошел переход от пониженной температуры воды относительно среднемноголетней величины к норме, рассчитанной по данным за 1951-1991 гг. До конца 2007 г. в течение 108 месяцев она превышала норму, за исключением января, февраля и сентября 2003 г., когда теплосодержание было около средней многолетней величины.
Продолжительность повышенного или пониженного относительно нормы теплового фона вод Баренцева моря независимо от знака статистически связана со средней температурой воды (r = 0,73). Чем больше длительность теплого или холодного периода, тем выше или ниже средний уровень теплозапаса вод. Поэтому пониженный или повышенный уровень теплосодержания водных масс может сохраняться длительное время только тогда, когда наблюдается усиление или ослабление адвекции как в атмосфере, так и в морской среде.
Из 8 рассмотренных теплых и холодных периодов в 7 случаях летние аномалии по абсолютной величине превышали зимние или были примерно одинаковы. В теплые годы одновременно увеличивались значения сезонного минимума и максимума температуры воды, а в холодные происходило их уменьшение. В течение 1951-2007 гг. средняя продолжительность непрерывных положительных аномалий теплосодержания воды слоя 0-200 м составила 23 месяцев, а отрицательных - 15 месяцев.
Рис. 7. Изменения среднемесячных аномалий температуры воды слоя
0-200 м на станциях 3 -7 разреза "Кольский меридиан" в 1951-2007 гг.
Сверху стрелками показаны границы периодов и количество месяцев с
положительными и отрицательными аномалиями температуры воды, вертикальные
стрелки - смена знака аномалий наиболее продолжительных холодных и теплых периодов
Климатическая система Баренцева моря. Анализ межгодовой изменчивости температуры воздуха в различных районах Северной Атлантики и Северо-Европейского бассейна по данным за вторую половину XIX- начало XXI столетия показал, что в конце 1910-х - начале 1920-х годов климатическая система атмосферы, вероятно, перешла в новую межвековую фазу с более высоким средним тепловым фоном. При этом наблюдалось запаздывание в западном направлении смены квазистационарных климатических режимов. В 1920-2005 гг. средняя температура воздуха в Вардё была на 0,9 °С, в Бодо на 0,7 °С, а в Нуук на 1 °С выше, чем во второй половины XIX в. - двух десятилетий ХХ в. Сравнение средних с помощью t-критерия Стьюдента показало, что они статистически значимо различаются.
По данным метеостанции Вардё в течение 1840-1919 гг. и 1920-2000 гг., равных по продолжительности периодов, при различной средней температуре воздуха (рис. 8) имелись значительные различия частотной структуры ее колебаний. В 1840-1919 гг. в изменчивости этого параметра доминировали короткопериодные составляющие, тогда как в 1920-2000 гг. наибольший вклад вносили циклические компоненты низкочастотной части спектра (Бойцов, 2008).
В многолетних колебаниях температуры воды и ледовитости Баренцева моря с начала прошлого столетия по настоящее время также были выделены интервалы с различным уровнем их средних значений (рис. 9). Вероятно, на акватории, где особенности гидрометеорологического режима определяют основные центры действия атмосферы Северной Атлантики и воды системы Гольфстрима, в конце второго - начале третьего десятилетий ХХ в. произошло повышение теплового фона климатической системы, причиной которого могло быть наложение возрастающих фаз межвекового и векового циклов температуры воды и воздуха.
Рис. 8. Динамика среднегодовой температуры воздуха в районе Вардё
в 1840-1919 гг. (1) и 1920-2000 гг. (2)
Рис. 9. Колебания температуры воды слоя 0-200 м Мурманского течения (1),
ледовитости Баренцева моря (2) и их средние значения (3)
в 1900-1919 гг. и 1920-2004 гг.
Исследования крупномасштабных колебаний климата Баренцева моря особенно актуальны в настоящее время, поскольку в течение почти двух последних десятилетий отмечается повышенный тепловой фон его воздушных и водных масс, а также низкая ледовитость. Для оценки климатических вариаций в этой части Арктики был рассчитан индекс, представляющий собой сумму нормированных на среднеквадратические отклонения среднегодовых значений температуры воздуха и температуры воды, а также ледовитости Баренцева моря (Бойцов, 2008). По знаку его нелинейного тренда были выделены два продолжительных холодных (1900-1919 и 1963-1988 гг.) и два теплых (1920-1962 гг. и после 1988 г.) периода (рис. 10). Средняя температура воздуха двух теплых климатических фаз на 1,1 °С превышала таковую двух холодных фаз. Температура воды Баренцева моря соответственно была на 0, 6 °С выше, а его ледовитость на 14 % ниже (табл. 2). За период 1900-1919 гг. самая низкая температура воды и воздуха, а также наиболее высокая ледовитость моря были в 1902 г., а за период 1963-1988 гг. - в 1966 г. Сравнение средних значений и экстремумов теплосодержания водных и воздушных масс, а также климатического индекса показало, что эти характеристики первого холодного периода меньше характеристик второго периода. Следовательно, гидрометеорологические условия в начале ХХ в. были более суровыми.
Рис. 10. Межгодовые изменения климатического индекса Баренцева моря (1)
в 1900-2007 гг. и его нелинейный тренд (2)
Таблица 2
Средние значения климатического индекса и климатообразующих
факторов Баренцева моря в холодные и теплые периоды 1900-2007 гг.
| Период (тепловая характеристика периода) | Параметр | Экстремальные годы | |||
| климатический индекс | температура воздуха, °С | температура воды, °С | ледовитость, % | ||
| 1900-1919 (холодный) | -2,7 | -2,5 | 3,6 | 49 | 1902, 1912, 1917 |
| 1920-1962 (теплый) | 1,2 | -1,2 | 4,1 | 34 | 1943, 1944, 1950, 1954 |
| 1963-1988 (холодный) | -0,7 | -1,9 | 3,7 | 39 | 1966, 1978, 1979, 1981, 1982 |
| 1989-2007 (теплый) | 2,5 | -1,0 | 4,3 | 26 | 1992, 1995, 2000, 2004-2007 |
Кроме квазивекового цикла, в изменчивости климатического индекса Баренцева моря выявлены ритмические колебания меньшей длительности. Повышенная энергия спектральной плотности отмечается в диапазоне 16-19 и 9-11- летних колебаний. В настоящее время квазивековой и 16-19-летний ритмы находятся в положительной фазе. Поэтому вероятность сохранения теплового фона выше нормы, а ледовитости Баренцева моря ниже ее в ближайшие несколько лет (примерно, до 2010 г.) достаточно высока.
Выполнен также сравнительный анализ температуры воздуха в районе Баренцева моря, воды и площади моря, свободной ото льда, для двух периодов повышенного климатического фона 1920-1950 гг. (потепление Арктики) и 1989-2007 гг. Он показал, что в конце ХХ - начале XXI вв. средние и месячные максимальные значения этих параметров в целом были больше, а климатический индекс превышал в 1,6 раза. Основной причиной потепления Арктики в 1920-1950-е годы ведущие климатологи считали усиление воздухообмена между высокими и умеренными широтами, в результате которого увеличилось количество теплового воздуха, поступающего в арктический регион. При этом траектории циклонов сместились к северу, и их центры стали пересекать Баренцево море. Эти процессы в атмосфере способствовали увеличению адвекции теплых атлантических вод в арктические моря (Дзердзеевский, 1970; Вительса, 1977). Анализ межгодовой динамики некоторых индексов зонального циркуляции атмосферы показал, что в течение двух последних десятилетий они имели возрастающий тренд и их значения были на уровне таковых во время потепления Арктики. Следовательно, высокий теплозапас воздуха и воды в 1989-2007 гг. в Баренцевом море также является результатом длительного доминирования зонального переноса воздушных масс в Атлантико-Европейском регионе, вызвавшего повышение циклонической активности в холодную часть года и увеличение адвекции тепла течениями в европейскую часть Арктики. Кроме того, в конце ХХ в. наблюдалась активизация антициклонической деятельности в теплый период (Малинин, Радикевич, Гордеева, Куликова, 2003). Это могло привести к дополнительному повышению температуры воздуха и верхнего слоя морских вод весной и летом за счет более интенсивного радиационного прогрева из-за меньшей облачности в зонах действия антициклонов. Следовательно, высокий тепловой уровень водных и воздушных масс, а также низкая ледовитость Баренцева моря, которые наблюдаются в настоящее время, являются следствием развития природных процессов, вызывающих чередование достаточно продолжительных теплых и холодных периодов, а повышенная концентрация парниковых газов в атмосфере могла лишь несколько усилить эту тенденцию в последние годы (Бойцов, 2008).
Выполнен статистический анализ связи многолетних изменений космогеофизических факторов и параметров крупномасштабной системы циркуляции атмосферы с колебаниями температуры воды Мурманского течения Баренцева моря. Для этого с помощью полосовой фильтрации были выделены наиболее энергетически значимые циклы в их изменчивости (Бойцов, 2007).
В Баренцевом море 16-19-летний цикл в изменчивости теплосодержания атлантических вод, вероятно, генерируется не приливообразующей силой Луны, а долгопериодной ритмичностью смены направления и интенсивности циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой, близкой к периодичности лунного деклинационного прилива. Анализ сопряженности 18-19-летней квазипериодической вариации индекса NAO и близкого по продолжительности цикла теплосодержания атлантических вод Баренцева моря показал наличие высокой статистической связи между ними (r = 0,92) при их синхронном сопоставлении. Между этой цикличностью индекса NAO и потенциалом приливообразующей силы Луны существует запаздывание первого параметра относительно второго на 4 года (r = 0,92). Такой же временной лаг был выявлен в изменчивости индекса лунного деклинационного прилива и долгопериодной компоненты температуры воды Мурманского течения. Если приливообразующая сила Луны оказывает воздействие на динамические процессы в атмосфере и океане, то ее влияние на колебания температуры воды проявляется через изменения их интенсивности. Для заблаговременной оценки 16-19-летнего цикла температуры воды в качестве предиктора можно использовать индекс лунного деклинационного прилива.
В межгодовых колебаниях температуры воды Мурманского течения 11-летний цикл, вероятно, является результатом влияния гелиогеофизических сил на гидрометеорологические процессы, так как он присутствует в динамике солнечной активности, но не выявлен в изменчивости циркуляционных факторов атмосферы. Время наступления экстремумов 11-летнего цикла температуры воды в среднем на 3 года запаздывает относительно такового у индекса солнечной активности. По данным за 1951-2005 гг. коэффициент корреляции равен r = 0,78. Однако, начиная с 1985 г., статистическая связь между этими параметрами была наибольшей при сдвиге на 2 года (r = 0,94). Возможной причиной уменьшения временного лага является то, что если ранее в пределах каждого цикла рост солнечной активности наблюдается в течение 3-4 лет, а спад - 7-8 лет, то с 1985 г. время роста этого индекса увеличилось, а спада уменьшилось.
В межгодовой динамике показателя вихревой активности атмосферы, в качестве которого использовалась сумма нормированных значений индексов интенсивности перемещения циклонов над Норвежским морем и их повторяемости, а также в динамике климатического индекса Баренцева моря присутствуют нелинейные тренды, вклад которых в дисперсию исходных рядов составляет 22 и 23 % соответственно. После 1968 г. статистическая связь между ними была почти функциональной (r = 0,98).
В настоящей работе наличие фазовых сдвигов от года до трех лет в колебаниях отдельных долгопериодных ритмических компонент температуры воды Мурманского течения относительно соответствующих циклических вариаций циркуляционных факторов атмосферы и некоторых космогеофизических индексов было использовано при разработке методов долгосрочного прогноза теплосодержания водных масс Баренцева моря.
Глава 5. Прогнозы термического состояния вод Баренцева моря
Прогнозы температуры воды Баренцева моря используются в различных видах деятельности, но особое значение они имеют при формировании месячных и квартальных прогнозов распределения промысловых объектов в море, а также при долгосрочном и перспективном прогнозировании величины пополнения промысловых запасов гидробионтов и состояния сырьевой базы их промысла. В ПИНРО исследования по разработке методов оперативных и долгосрочных прогнозов температуры воды в Баренцевом и Норвежском морях начались в середине 60-х годов прошлого столетия. Они осуществлялись совместно сотрудниками лаборатории гидрологии моря ПИНРО (Ю.А. Бочков) и Ленинградского гидрометеорологического института (К.В. Кондратович, Е.И. Серяков, Ю.В. Суставов, И.П. Карпова и др.). Разработка тех или иных методов прогноза зависела от уровня исследований процесса, степени развития прогностики как научной дисциплины, качества и количества исходной информации, возможностей вычислительной техники, а также от запросов практики.
Анализ результатов ранее созданных методов прогноза температуры воды Баренцева моря показал, что несмотря на увеличение длины ее рядов и повышение уровня знаний о закономерностях пространственной и временной изменчивости этой характеристики, оправдываемость прогнозов не всегда отвечает установленным критериям. Так, некоторые хорошо зарекомендовавшие себя прогностические модели, в которых использовался большой набор независимых переменных, имели низкую эффективность в осенне-зимний период. Часто не удается предсказать быструю смену низкого уровня теплового состояния вод Баренцева моря на высокий и наоборот.
В связи с этим нами были выполнены исследования по разработке новых методов прогноза среднемесячной с заблаговременностью 1-2 месяца и среднегодовой с заблаговременностью 1-2 года температуры воды слоя 0-200 м Мурманского течения по данным 3-7 станций разреза «Кольский меридиан».
Методика прогноза температуры воды с учетом аналогичности развития гидрометеорологических процессов. Способ прогноза путем подбора аналогов основан на следующей гипотезе: если в настоящий период в течение определенного времени гидрометеорологический процесс развивается сходным образом с наблюдавшимся в одном из прошлых лет в этот же период, то в течение некоторого времени в будущем ход текущего явления будет близок к тому, который был зафиксирован в пределах интервала упреждения в год-аналог (Толмачев, 1990).
Как известно, изменчивость энтальпии деятельного слоя моря определяется колебаниями составляющих теплового баланса. Однако учесть в прямом виде вариации во времени даже его основных компонент в настоящее время практически невозможно. В диссертации при разработке методики краткосрочного прогноза температуры воды слоя 0-200 м Мурманского течения по данным за 1951-2000 гг. (Twn) были использованы гидрометеорологические характеристики, с помощью которых косвенно можно оценивать не только потоки тепла на поверхность моря, но и адвекцию тепла течениями. В качестве предикторов использовались следующие параметры:
- средняя температура воды слоя 0-200 м разреза «Кольский меридиан» двух предшествующих месяцев на момент прогноза ((Twn-2 + Twn-3)/2);
- средняя разность температуры воды слоя 0-200 м станций 3-7 разреза "Кольский меридиан" двух предшествующих месяцев ((Twn-2 - Twn-3)/2);
- средняя температура воздуха на станции Вардё месяцев с наибольшей статистической связью с температурой воды на разрезе "Кольский меридиан" (Tan-m или (Tan-m + Tan-(m-1))/2);
- средняя разность температуры воздуха Вардё и воды поверхностного слоя на станции Вайда ((Ta-Tw)n-2 + (Ta-Tw)n-3)/2);
- средний уровень моря двух предшествующих прогнозу месяцев в г. Полярный ((Hn-2 + Hn-3)/2);
- средняя ледовитость Баренцева моря двух предшествующих месяцев ((In-2 + In-3)/2).
Первый предиктор учитывает наличие инерции в изменчивости температуры воды в течение 2-3-х месяцев, второй - межмесячную динамику теплосодержания по величине и знаку разности, третий и четвертый использованы для косвенной оценки основных составляющих внешнего теплового баланса при взаимодействии поверхностных вод с атмосферой, пятый является косвенным показателем адвекции, шестой служит интегральной характеристикой развития гидрометеорологический процессов.
Выбор года-аналога с использованием этих предикторов осуществляется последовательно по следующей схеме:
Twn
