Долгопериодная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине 20-го века

Соков, Алексей Валентинович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Долгопериодная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине 20-го века
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Долгопериодная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине 20-го века"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА Географический факультет

На правах рукописи 005053841 УДК 551.465

СОКОВ Алексей Валентинович

ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XX ВЕКА

25.00.28 - Океанология

2 5 ОКТ 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора географических наук

Москва - 2012

005053841

Работа выполнена в Институте океанологии имени П.П. Ширшова РАН.

Официальные оппоненты:

Грузинов Владимир Михайлович, доктор географических наук, профессор, заместитель директора Государственного океанографического института имени H.H. Зубова;

Сапожников Виктор Вольфович, доктор географических наук, профессор, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии; Дианский Николай Ардальенович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики РАН

Ведущая организация:

Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

Росгидромета РФ (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится 1 ноября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационно совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете име: М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГ географический факультет, 18 этаж, ауд. 18-01, e-mail: science@geogr.msu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географическс факультета МГУ имени М.В. Ломоносова на 21 этаже.

Автореферат диссертации разослан «/сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

B.C. Савенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Актуальность диссертации определяется ключевой ролью крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики в формировании изменений глобального климата. Установлено, что перенос вод и интенсивные процессы обмена на границе океан-атмосфера в северной части Атлантического океана определяют значительную долю естественной долгопериодной климатической изменчивости. Так как количество тепла, переносимое океанскими течениями на север (-1-1015 Вт), сопоставимо с меридиональным переносом тепла в атмосфере [Rhines, 2006], даже небольшие изменения интенсивности циркуляции вод в этом регионе могут способствовать формированию климатических аномалий в умеренных и высоких широтах Северного полушария. В связи с этим построение картины долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод в Северной Атлантике и количественная оценка изменений интенсивности меридионального переноса воды и тепла в течение последних десятилетий крайне необходимы для понимания причин современных климатических изменений и достоверного прогнозирования колебаний климатической системы в будущем.

Меридиональный перенос вод в Северной Атлантике принято рассматривать в рамках концепции «глобального конвейера» [Лаппо, 1984, Broecker, 1985], согласно которой межокеанский обмен свойствами и перераспределение тепла в Мировом океане происходят благодаря функционированию глобальной системы двухслойной циркуляции вод (рис. 1).

В общем виде крупномасштабную циркуляцию вод Северной Атлантики можно представить следующим образом. Глобальный межокеанский «конвейер» переносит на юг холодные Североатлантические глубинные воды, формирующиеся в результате глубокой зимней конвекции в субарктическом регионе и прилегающем секторе Арктики [Dickson and Brown, 1994; Dickson et al., 1996]. Компенсационный возвратный поток в верхних слоях океана переносит на север, в Арктику, тёплые поверхностные воды. Промежуточные воды средиземноморского и антарктического происхождения поступают в

восточный бассейн субполярной Северной Атлантики с юга, из субтропических широт [Reid, 1979; van Aken and Becker, 1996], дополняя меридиональную циркуляцию вод в регионе.

Районы глубокой [ конвекции 1

j "Верхнее звено" . ■ глобального конвейера - i ! теплое поверхностное \ течение 5

Район глубокой конвекции

холодное глубинное течение

Рис. 1. Генерализированная схема функционирования «глобального конвейера» [Лаппо, 1984; Вгоескег, 1985,1987, 1991]

Понимая важность меридиональной термохалинной циркуляции (МГЦ) вод Северной Атлантики в перераспределении аккумулируемого океаном тепла и формировании колебаний климата, необходимо выявить физические механизмы, поддерживающие данную динамическую систему в стабильном состоянии в масштабе десятилетий. Для этого в первую очередь необходимо дать ответы на два важнейших вопроса:

(1) каким образом «глобальный конвейер» взаимодействует с региональной многослойной циркуляцией вод Северной Атлантики;

(2) какие именно изменения в системе меридиональной термохалинной циркуляции Атлантики происходят от десятилетия к десятилетию.

Цель диссертации состоит в выявлении долговременной изменчивости крупномасштабной структуры вод и циркуляции Северной Атлантики, построении концептуальных и количественных схем переносов воды и тепла в Северной Атлантике по данным наблюдений, полученным во второй половине

XX века. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• провести критический анализ существующих схем циркуляции вод северной части Атлантического океана;

• выявить и количественно оценить долговременные изменения характеристик Лабрадорской водной массы в пределах Северной Атлантики на основе данных широтных и меридиональных разрезов;

• оценить время распространения климатических сигналов в промежуточном слое вод Северной Атлантики;

• выявить изменения положения путей распространения основных климатически значимых водных масс в системе меридиональной циркуляции Северной Атлантики во второй половине XX века;

• определить роль Лабрадорской водной массы в долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики;

• разработать и применить методы количественных оценок переносов воды и тепла через плоскость зонального трансатлантического разреза;

• дать количественные оценки долговременных колебаний интенсивности меридионального переноса воды и тепла через трансатлантические разрезы по 24.5°, 36°, -48° и 60° с.ш. по данным 1950-х, 1980-х и 1990-х гг.;

• разработать концептуальные схемы режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики;

• оценить долговременную изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики и построить количественные схемы потоков воды в регионе во второй половине XX века;

Предметом защиты является новое решение актуальной научной проблемы — построение концепции существования режимов циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине XX века, включающей в себя описание различных состояний (режимов) меридиональной термохалинной циркуляции в регионе и количественные оценки изменчивости

крупномасштабных потоков воды и тепла в Северной Атлантике в 1950-х, 1980-х и 1990-х годах.

На защиту выносятся следующие положения:

• положение о существовании режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики, определяющих долговременные колебания интенсивности меридионального переноса воды и тепла в системе североатлантической ветви «глобального конвейера»;

• количественные схемы переноса воды и тепла в североатлантическом регионе для трёх десятилетий второй половины XX века, подтверждающие новое положение о существовании значительной долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики;

• положение о взаимосвязи между изменениями интенсивности формирования и распространения Лабрадорской водной массы и долговременньми изменениями крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые пересмотрены сложившиеся взгляды на крупномасштабную циркуляцию вод Северной Атлантики как стационарную во времени систему, не подверженную значимой изменчивости в масштабе десятилетий. Многие, в том числе современные, исследования динамики вод Атлантического океана опираются на «статичные» схемы циркуляции вод и положение об отсутствии значимых колебаний интенсивности меридиональных переносов воды и тепла в этом регионе. Автором диссертации выявлены пространственные и временные изменения динамики североатлантических вод, указывающие на существование двух относительно стабильных состояний циркуляции вод, дважды сменявших друг друга во второй половине XX века. Получены убедительные доказательства долговременной изменчивости путей распространения водных масс и интенсивности меридионального переноса воды и тепла в системе североатлангической ветви «глобального конвейера».

В рамках исследования автором разработаны не имеющие аналогов в мире концептуальные схемы меридиональной термохалинной циркуляции

североатлантических вод и карты пространственного распределения потоков воды, характеризующие состояние динамической системы Северной Атлантики во второй половине XX века.

В работе существенно обогащена концепция взаимодействия региональной многослойной циркуляции вод Северной Атлантики с «глобальным конвейером». Выявлена роль лабрадорских промежуточных вод в формировании режимов меридиональной термохалинной циркуляции Северной Атлантики.

Практическая значимость работы состоит в том, что её результаты использованы для усовершенствования методов мониторинга долговременной изменчивости структуры и циркуляции вод в климатообразующих районах Мирового океана.

Полученные результаты позволили перейти к исследованию физических механизмов, регулирующих естественные колебания циркуляционной системы Северной Атлантики.

Полученные количественные оценки и выводы диссертации могут быть востребованы в физической океанологии, климатологии и метеорологии:

• для оценок скоростей и изучения путей распространения климатических аномалий в толще вод Атлантического океана;

• для объективных оценок межгодовой и сезонной изменчивости структуры и циркуляции вод в регионе;

• для улучшения численных моделей циркуляции океанских вод и моделей взаимодействия океана и атмосферы;

• для повышения достоверности прогнозов изменений климата в Европе, Арктике, а также на территории европейской части России;

• для построения прогностических оценок антропогенного влияния на климатическую изменчивость.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены автором лично или в соавторстве с член-корреспондентом РАН, зам. декана географического факультета МГУ Добролюбовым С.А. и заведующим

отделом научных экспедиций и флота ИО РАН Терещенковым В.П. Личная заслуга автора состоит в получении оценок времени распространения Лабрадорской водной массы, оценке воздействия лабрадорских вод на МТЦ, построении картины долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине XX века, создании карт-схем потоков североатлантических вод. Автор спланировал и организовал 19 экспедиций в Северную Атлантику, в 12 из которых он принимал участие в качестве начальника экспедиции. В соавторстве с Добролюбовым С.А. и Терещенковым В.П. были разработаны концептуальные схемы режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики, получены количественные оценки переносов воды и тепла через гидрологические разрезы для трёх десятилетий второй половины XX века.

Апробация работы. Результаты и материалы диссертации неоднократно докладывались на национальных и международных конференциях и симпозиумах. Среди них: конференция WOCE "Ocean Circulation and Climate" (Галифакс, Канада, 1998), конференция WOCE "The North Atlantic Workshop" (Киль, Германия, 1999), совместная конференция WOCE и CLIVAR "Representativeness and Variability Workshop" (Фукуока, Япония, 2000), заключительная международная конференция WOCE "WOCE and beyond, Achievements of the WOCE" (Сан Антонио, США, 2002), конференция «ООРС'2004 Ocean Observing Panel for Climate» (Саутгемптон, Великобритания, 2004), Генеральная ассамблея EGU (Вена, Австрия, 2010), конференция AGU Ocean Sciences Meeting (Портленд, Орегон, США, 2010).

Научные результаты диссертации опубликованы в 30 статьях в научных журналах, из них 24 из списка ВАК и/или входящие в Science Citation Index Expanded, и в 5 статьях в сборниках научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 196 страниц, включая 40 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 241 наименование, в том числе 20 - на русском языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, рассмотрены научные предпосылки проводимого исследования, определено место диссертации среди работ, посвященных проблеме долговременной изменчивости крупномасштабной структуры и циркуляции вод Северной Атлантики.

Глава 1. Северная Атлантика: развитие представлений об изменчивости крупномасштабной структуры и циркуляции вод

По литературным данным рассмотрены главные этапы развития научных концепций, лежащих в основе диссертационной работы, и современные научные представления о долговременной изменчивости крупномасштабной структуры и циркуляции вод Северной Атлантики. Обоснована необходимость проведения исследования по теме диссертации, сформулированы задачи, которые необходимо решить, а также описана научная и практическая значимость диссертационной работы.

Исследование в рамках диссертации основано на двух концепциях современной океанологии - теории меридиональной термохалинной циркуляции и концепции водных масс. Возникновение и развитие этих концепций было обусловлено применением разных подходов к исследованию крупномасштабной структуры и циркуляции вод океана. С одной стороны, исследование океанских процессов проводилось в соответствии с «динамическим» подходом: толща вод океана рассматривалась как совокупность тёплых и холодных течений, т.е. как непрерывное трёхмерное поле, каждая «точка» которого характеризуется в первую очередь вектором скорости. Расширение научных представлений в рамках данного подхода в течение XIX и XX веков привело к формированию основополагающей концепции меридиональной термохалинной циркуляции вод Атлантического океана [Richardson, 2008]. С другой стороны, с начала XX века структуру и циркуляцию вод Атлантического океана стали рассматривать через описание

водных масс - различных по объему водных объектов со сравнительно однородным физико-химическим и биотическим составом [Defant, 1929; Wust, 1935; Iselin, 1936; Штокман, 1943, 1944; Добровольский, 1961; Мамаев, 1970]. Применение «структурного» подхода позволило выявить закономерности внутренней организации пространства океана и расширить представления о климатообразующих процессах взаимодействия в системе «океан-атмосфера».

На современном этапе при исследовании океанских процессов, в том числе в Северной Атлантике, «динамический» и «структурный» подходы дополняют друг друга и используются совместно. Полагается, что океанские течения, формирующие единую глобальную систему циркуляции, участвуют в распространении водных масс, являющихся носителями климатических сигналов, генерируемых изменениями в атмосфере. Это положение, синтезирующее в себе концепцию меридиональной термохалинной циркуляции и концепцию водных масс, лежит в основе предлагаемого исследования долговременной изменчивости динамики вод в Северной Атлантике.

Поскольку результаты проводимого автором исследования изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий призваны расширить представления о функционировании МТЦ, в начале первой главы приведен исторический обзор развития теории меридиональной циркуляции.

Вплоть до 1980-х годов теория МТЦ развивалась как обособленное научное направление динамической океанологии. На данном этапе произошло формирование представлений о существовании единой для обоих полушарий меридиональной ячейки циркуляции вод Атлантического океана. Было установлено, что эту динамическую ячейку в верхнем звене образуют распространяющиеся по направлению к Арктике тёплые поверхностные воды и промежуточные воды антарктического происхождения, в то время как в нижнем звене на юг распространяются глубинные холодные воды, формирующиеся в субарктическом регионе, в частности в море Лабрадор. Было также показано, что под единой ячейкой меридиональной циркуляции в южном

полушарии и низких широтах Северной Атлантики происходит распространение придонных вод антарктического происхождения [Merz, 1925; Wüst, 1935, 1949]. Важнейшим достижением этого этапа является выработка подхода [Merz, 1925; Wüst, 1935, 1949] к представлению МТЦ как системы зонально-осредненных меридиональных потоков вод в поле «глубина-широта», лежащего в основе многих концептуальных схем меридиональной циркуляции Атлантики.

В 1980-х годах научные представления о крупномасштабной циркуляции вод Атлантического океана были инкорпорированы в теорию глобальной термохалинной циркуляции вод Мирового океана или «глобального конвейера» [Broecker and Peng, 1982; Лаппо, 1984; Gordon, 1986; Broecker et al., 1987; Broecker, 1991]. Основная идея концепции «глобального конвейера» -существование обратного потока воды в верхнем слое Тихого и Индийского океанов, компенсирующего отток глубинных водных масс из Атлантики и замыкающего схему глобальной циркуляции [Лаппо, 1984; Gordon, 1986; Broecker, 1991]. Анализ первых схем глобального океанского конвейера [Broecker and Peng, 1982; Gordon, 1986; Broecker et al., 1987] показал, что они обладают существенными недостатками. Поскольку авторы концепции «глобального конвейера» исходили из двухслойной циркуляции вод Мирового океана, из схем функционирования конвейера были исключены многие важные динамические процессы: распространение придонных антарктических вод, распространение водных масс на промежуточных глубинах, перенос вод через пролив Дрейка, существование субполярного и субтропического круговоротов в поверхностных слоях Атлантического океана и др.

Безусловно, дальнейшее исследование механизма функционирования североатлантической ветви глобальной термохалинной циркуляции на основе таких существенных допущений было невозможно. В первую очередь это связано с тем, что одним из ключевых элементов динамической системы Северной Атлантики являются промежуточные воды. Лабрадорская водная масса (ЛВМ), формирующаяся в море Лабрадор, распространяется на

промежуточных глубинах во все глубоководные бассейны Северной Атлантики, играя важнейшую роль в меридиональном перераспределения воды и тепла [Talley and McCartney, 1982; Sy et al., 1997; Dickson et al., 2002]. Распространение ЛВМ как в меридиональном, так и в широтном направлении во многом определяет сложный характер региональной многослойной циркуляции вод Северной Атлантики, неучтенный при разработке схемы функционирования «глобального конвейера». Влияние ЛВМ на механизм функционирования МТЦ в Северной Атлантике и устойчивость работы «глобального конвейера» пока не изучено. В связи с этим в рамках диссертации поставлены такие задачи как исследование роли ЛВМ в изменениях крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики и построение концептуальных и количественных схем изменчивости потоков вод с учетом взаимодействия глобального конвейера с локальной многослойной циркуляцией вод Северной Атлантики.

Дальнейшее развитие концепции глобального конвейера и МТЦ Северной Атлантики получили в исследованиях [Schmitz and McCartney, 1993; Schmitz, 1995, 1996a, б], где была разработана схема четырёхслойной глобальной межокеанской циркуляции с учетом динамических процессов в придонном и промежуточном слоях, а также даны детальные схемы циркуляции вод в пределах Северной Атлантики. Схемы были разработаны путем обобщения большого массива океанологических данных и существовавших к середине 1990-х годов разрозненных оценок потоков воды. На сегодняшний день многие из приведённых в [Schmitz, 1996] оценок переносов вод Северной Атлантики уточнены благодаря использованию высокоточных данных наблюдений, полученных в конце 1990-х и начале 2000-х годов [Macrander et al., 2005, Lherminier et al., 2007, 2010; Holliday et al., 2009; Bacon and Saunders, 2010; Xu et al., 2010]. Вместе с тем подход Шмица к изучению МТЦ как многослойной, а не двухслойной динамической системы, лёг в основу многих последующих исследований, в том числе и настоящей диссертации.

Схемы Шмица обобщили накопленные к середине 1990-х годов знания о циркуляции вод Северной Атлантики и механизмах формирования глубинных

вод в субарктическом регионе. Однако данные карты и схемы (как и многие другие схемы циркуляции, разработанные в последующие годы, см., например, [Schott et al., 2004]) были созданы исходя из следующих положений: (1) пути распространения водных масс не меняют свое географическое положение, (2) расходы отдельных течений не подвержены значимой долговременной изменчивости и (3) интегральный перенос вод в системе МТЦ постоянен в масштабе десятилетий. Таким образом, современные схемы крупномасштабной циркуляции вод предполагают «статичное» состояние динамической системы Северной Атлантики, т.е. не учитывают возможное влияние изменений в климатической системе планеты на крупномасштабную циркуляцию океана.

Положение о «статичности» системы циркуляции вод Северной Атлантики противоречит результатам, полученным в последние годы благодаря применению концепции водных масс в исследованиях динамики вод.

Развитие концепции водных масс в течение XX века привело к пониманию того, что водные массы - различные по объёму водные объекты со сравнительно однородным физико-химическим и биотическим составом -осуществляют перераспределение энергии, пресной составляющей, растворенных газов и химических компонентов в Мировом океане [Штокман, 1943, 1944; Добровольский, 1947, 1961; Мамаев, 1962, 1963, 1966, 1969, 1970]. Относительная консервативность свойств водных масс определяет их роль в климатической системе планеты. Водные массы наследуют сигналы многолетних изменений климатических и гидрологических условий в районах их конвективного обновления и переносят эти сигналы в толще вод океана в системе глобального межокеанского водообмена. В рамках диссертации для детального рассмотрения были выбраны основные климатически значимые водные массы Северной Атлантики, участвующие в меридиональной термохалинной циркуляции вод: Антарктическая донная (ААДВ), Антарктическая промежуточная (ААПВ), Северо-восточная глубинная (СВГВ), Северо-западная глубинная (СЗГВ) и ЛВМ.

В конце прошлого века были получены свидетельства значительной долговременной изменчивости характеристик водных масс Северной Атлантики [Lazier, 1980; Dickson et al., 1988, 2002; Curry and McCartney, 1996]. В начале 1980-х годов были выявлены значительные межгодовые изменения температуры и солёности промежуточных вод, формирующихся в море Лабрадор вследствие изменений интенсивности зимней конвекции [Lazier, 1980]. Позже, благодаря практически непрерывным наблюдениям в море Лабрадор с конца 1920-х годов, были восстановлены временные ряды изменений термохалинных характеристик ЛВМ длиной более семи десятилетий. Их анализ свидетельствует о смене долговременных разнонаправленных тенденций изменения температуры ЛВМ в основном источнике её формирования. Многолетнее потепление в 1930-х-1960-х годов сменилось устойчивым охлаждением в 1970-х, 1980-х и начале 1990-х годов (хотя в конце 1970-х годов процесс охлаждения прерывался на несколько лет) [Сипу and McCartney, 1996]. Наиболее выраженные изменения характеристик ЛВМ наблюдались в 1990-х годах. С 1989 по 1994 годы в центральных районах моря Лабрадор было зафиксировано формирование аномально больших объёмов очень холодной и пресной ЛВМ. При этом в 1993-1994 годах температура и солёность данной водной массы достигли самых низких значений за всю историю наблюдений [Sy et al., 1997; Lazier et al., 2002]. Установлено также, что значительные межгодовые и долгопериодные изменения объёмов и характеристик ЛВМ в большой мере определяют изменчивость структуры водной толщи всего субполярного региона Северной Атлантики [Talley and McCartney, 1982; Dickson et al., 2002; Sarafanov et al., 2007].

В работе [Dickson et al., 2002] представлены неоспоримые доказательства существования трендов изменений солёности СЗГВ и СВГВ в субполярном регионе Атлантического океана. Было показано, что в субполярном регионе с середины 1960-х годов до середины 1990-х годов происходило устойчивое опреснение водных масс арктического происхождения. В среднем солёность СЗГВ в субарктической Атлантике уменьшалась на 0.013-0.015 епс, а солёность

СВГВ - на 0.008-0.013 епс за десятилетие [Dickson et al., 2002; Sarafanov et al., 2008].

Долговременное устойчивое опреснение глубинных вод арктического происхождения, сопровождавшееся опреснением Лабрадорской водной массы в 1980-х и начале 1990-х годов, привело к значительному изменению состояния водной толщи в пределах Северной Атлантики между началом 1960-х и концом 1990-х годов. Опреснение затронуло не только слой лабрадорских вод (где уменьшение солёности было наиболее выраженным), но и поверхностные, глубинные и даже придонные слои. В среднем солёность водной толщи в субарктической Атлантике за четыре десятилетия уменьшилась на 0.03 епс [Curry et al., 2003].

Таким образом, установлено, что состояние водной толщи в промежуточных и глубинных слоях океана меняется от десятилетия к десятилетию. При этом одним из основных механизмов, приводящих к изменчивости структуры вод в Северной Атлантике на этих глубинах, является изменчивость атмосферных и гидрологических условий в море Лабрадор -основном очаге формирования ЛВМ. Очевидно, что процесс перераспределения тепла (пресной воды) в системе МТЦ зависит от изменения температуры (солёности) переносимых течениями вод. Следовательно, описанные тенденции долговременной изменчивости характеристик промежуточных и глубинных водных масс следует рассматривать как косвенное доказательство существования климатических колебаний интенсивности меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий.

Данные доказательства подкреплены полученными в последние годы свидетельствами долговременной изменчивости интенсивности отдельных течений Северной Атлантики и МТЦ в целом. Установлено, что геострофический расход Западного глубинного течения (ЗГТ) в море Ирмингера характеризуется выраженной изменчивостью в масштабе десятилетий - минимумы расхода имели место в 1950-1960-х годах и в первой

половине 1990-х годов, максимум - в конце 1970-х - первой половине 1980-х годов [Bacon, 1998; Kieke and Rhein, 2006]. Оценки долговременной изменчивости интенсивности МТЦ в тропических широтах (на разрезе по 25°с.ш) показали, что в период с 1957 по 2004 годы произошло замедление меридиональной термохалинной циркуляции на 30% [Biyden et al., 2005]. При этом перенос теплых вод в верхнем звене МТЦ на север сократился с 22,9 Св до 14,8 Св, а перенос вод в нижнем звене на юг (на глубинах 3000-5000 м) уменьшился с 14,9 до 6,1-6,9 Св. Ослабление интенсивности МТЦ, согласно расчетам [Bryden et al., 2005], привело к уменьшению переноса тепла на север через разрез по 25°с.ш. с 1,3-1,4 ПВатг (1957, 1981 и 1992 годы) до 1,1 ПВатг (1998 и 2004 годы).

Подводя итоги, следует отметить, что описанные в первой главе свидетельства долговременной изменчивости характеристик климатически значимых промежуточных и глубинных водных масс, а также фрагментарные количественные оценки колебаний интенсивности меридионального переноса глубинных вод указывают на то, что существует необходимость развития теории МТЦ в контексте современных представлений об изменениях в климатической системе. Значительные изменения структуры водной толщи в период между 1950-ми и 1990-ми годами говорят о том, что океанскую среду и динамические процессы в ней невозможно описать с помощью осредненных во времени количественных параметров и «статичных» схем меридиональной циркуляции. Необходимо создание новых концептуальных схем функционирования североатлантической ветви «глобального конвейера» для разных десятилетий на основе анализа единого массива исторических и современных данных наблюдений и информации о многолетних изменениях в регионах взаимодействия океана и атмосферы.

Глава 2. Материалы и методы исследования долговременной изменчивости структуры и циркуляции вод Северной Атлантики

На современном этапе развития океанологии изучение изменчивости в толще вод Мирового океана на временных отрезках от года до десятилетий

проводится на основе целого спектра различных типов натурных данных, а также с помощью численного моделирования океанских процессов. Основной подход к исследованию долговременных изменений в системе крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики, использованный в работе, - анализ данных судовых наблюдений, полученных на повторяемых трансатлантических разрезах. Другие типы данных (временные ряды, спутниковые наблюдения, массивы разнородных данных, поля осредненных океанологических параметров, данные дрейфующих буёв), а также результаты модельных расчетов в рамках настоящего исследования использовались лишь в качестве дополнительных материалов, поскольку обладают существенными недостатками:

- непрерывные временные ряды измерений параметров морской воды, полученные в стационарных пунктах наблюдений (в том числе на станциях погоды), не позволяют судить о пространственной структуре изучаемых явлений;

- массивы спутниковых данных обладают широким пространственным покрытием акватории Северной Атлантики, но не могут быть использованы в исследовании изменчивости циркуляции глубинных вод в масштабе десятилетий, так как содержат лишь информацию о свойствах верхнего слоя океана, собранную в течение последних десятилетий;

- существующие массивы разнородных данных объединяют в себе измерения, выполненные с разной точностью, и, что не менее важно, с разной временной периодичностью, и их анализ может привести к неправильным или неточным оценкам изменчивости структуры и циркуляции вод [Gregory et al., 2004; AchutaRao et al., 2006; Koltermann and Gouretski, 2007];

- поля осредненных океанологических параметров не подходят для исследования разномасштабной изменчивости океанских процессов, так как интерполяция неоднородных данных приводит к искажению и затушевыванию климатических сигналов [Koltermann and Gouretski, 2007];

- данные, полученные в результате однократных съёмок на океанских разрезах, а также данные дрейфующих буёв не могут быть использованы в рамках диссертации, так как объективное исследование долговременной изменчивости гидрологической структуры и циркуляции вод возможно лишь на основе данных измерений, выполненных с постоянной периодичностью в одних и тех же географических координатах;

— построение непротиворечивой картины изменчивости динамических процессов в Северной Атлантике на основе численного моделирования сильно затруднено, так как результаты и оценки, получаемые с помощью моделей, существенно расходятся друг с другом в силу разных подходов к параметризации и выполнению расчетов.

Таким образом, несмотря на быстрое развитие методов мониторинга вод и математического моделирования океанских процессов, проведение повторных высокоточных наблюдений на океанографических разрезах остается единственно возможным достоверным экспериментальным методом исследования долговременной изменчивости характеристик водных масс и циркуляции вод океана. Судовые наблюдения на повторяемых трансокеанских разрезах обладают рядом неоспоримых преимуществ:

• охватывают одновременно всю толщу океана от поверхности до дна и от берега до берега, что позволяет отделять климатический сигнал в ядрах водных масс от сигнала, связанного с изменением границ гидрологических структур;

• выполняются практически в одних и тех же географических координатах, что позволяет свести к минимуму погрешности при интерполяции данных;

• имеют максимально высокую точность, что позволяет достоверно выделять изменчивость термохалинных и гидрохимических характеристик водных масс в глубинных слоях Мирового океана;

• представляют собой единственный на сегодняшний день тип данных наблюдений, позволяющий получать наиболее достоверные оценки интегрального меридионального переноса воды и тепла в Мировом океане.

В соответствии с поставленными задачами, исследование долговременных изменений крупномасштабной циркуляции вод в Северной Атлантике должно строиться на натурных данных, полученных на трансатлантических разрезах в разные десятилетия, но приблизительно в одних и тех же координатах. Для построения концепции долгопериодной изменчивости циркуляции вод Северной Атлантики был создан массив данных судовых наблюдений, включающий в себя три сетки повторных океанологических разрезов, выполненных в течение трёх отдельных периодов: конец 1950-х-начало 1960-х годов, начало 1980-х годов и 1990-е годы (рис. 2, табл. 1).

Рис. 2. Положение трансатлантических разрезов, использованных в работе

На первом этапе разработки концепции в анализе были использованы данные съёмок на широтных трансатлантических разрезах вдоль 24.5°, 36° и -48° с.ш. (рис. 2), дополненные данными двух меридиональных разрезов по 52° и 66° з.д. На втором этапе исследований в анализ были включены данные, полученные на северной периферии Атлантического океана в районе 53-60° с.ш.

В качестве дополнительной информации для анализа были привлечены все возможные временные ряды наблюдений в отдельных точках, относящиеся к

Долгота, з.д-

Долгота, з.д.

периоду с 1950 по 1997 годы. Такие данные, заполняя недостающие временные интервалы между съёмками на повторяемых разрезах, дополняют картину изменчивости характеристик водных масс в исследуемом регионе. Использовались результаты анализа изменчивости температуры и солёности, полученные с разреза CONVEX-91-Север [Read and Gould, 1992] и временные ряды Океанских погодных станций (OWS) "С", "S" [Levitas et al., 1996; Joyce and Robbins, 1996] и "В" [Curry and McCartney, 1996].

Таблица 1. Гидрологические разрезы, использованные для анализа

Период Положение разреза Время выполнения съёмки Судно

Широтные трансатлантические разрезы (рис. 2)

1957-1962 гг. 60° с.ш. 1962 г., январь-апрель «Erika Dan»

43-4S" с.ш. 1957 г., апрель «Discovery II»

36° с.ш. 1959 г., апрель-май «Chain»

24,5° с.ш. 1957 г., октябрь «Discovery II»

1981-1982 гг. 60° с.ш. 1981 г., июль «Knorr»

43^8° с.ш. 1982 г., апрель «Hudson»

36° с.ш. 1981 г., июнь-июль «Atlantis П»

24,5° с.ш. 1981 г., август-сентябрь «Atlantis II»

1991-1997 гг. 60° с.ш. 1991 г., апрель «Tyro»

60° с.ш. 1992 г., май «Poseidon»

60° с.ш. 1997 г., октябрь «Профессор Штокман»

43^8° с.ш. 1993 г., июль «Gauss»

43^8° с.ш. 1994 г., октябрь-ноябрь «Meteor»

43^t8° с.ш. 1996 г., май «Gauss»

43-48° с.ш. 1997 г., июнь-июль «Meteor»

36° с.ш. 1993 г., сентябрь-октябрь «Профессор Мультановский»

24,5° с.ш. 1992 г., июль-август «Hesperides»

Дополнительные меридиональные разрезы

52° з.д. 1956 г., ноябрь «Atlantis»

52° з.д. 1983 г., май «Oceanus»

66° з.д. 1954 г., сентябрь «Atlantis»

66° з.д. 1958 г., февраль «Crawford»

66° з.д. 1985 г., апрель «Endeavor»

В работе основное внимание было направлено на исследование изменчивости структуры и циркуляции вод в промежуточных и глубинных слоях океана (глубже 1000 м), практически изолированных от прямого

воздействия короткопериодиых атмосферных процессов. Выбранный подход к исследованию толщи вод позволил считать сезонную изменчивость на этих горизонтах пренебрежимо малой [McCartney, 1982; McCartney and Talley, 1982; Levitus, 1987; Терещенков и Андреев, 1993] и корректно рассматривать все разрезы, выполненные в разные месяцы.

Данные повторных съёмок на гидрологических разрезах в северной части Атлантического океана были использованы для оценок меридионального переноса воды и тепла для трёх десятилетий: 1950-х, 1980-х и 1990-х годов.

Для оценки полного переноса воды через плоскость зонального разреза применялась методика, согласно которой суммарный поток представлялся в виде суперпозиции трёх компонентов - геострофического, экмановского и баротропного (определяемого из соотношения Свердрупа) [Biyan, 1962; Koltermann et al., 1999]. Полагалось, что интегральные баротропный и экмановский переносы через плоскость разреза равны нулю. Баротропный перенос вод в западной пограничной области разреза считался равным по величине и противоположным по направлению баротропному потоку, полученному из соотношения Свердрупа для остальной части разреза. Полагалось, что экмановский перенос вод в поверхностных слоях океана скомпенсирован обратно направленным потоком, распределенным по разрезу в толще подповерхностных (глубинных) вод. Баланс геострофического переноса вод через плоскость разреза был положен равным потоку через Берингов пролив (-0,8 Св).

Оценки экмановского и баротропного (за исключением разреза по 24,5° с.ш.) компонентов основывались на среднемесячных климатических величинах напряжения ветра [Hellerman and Rosenstein, 1983; Kalnay et.al., 1996]. Границы Западного пограничного течения на разрезах по 36° с.ш. и -48° с.ш. соответствовали станциям, западнее которых полный геострофический перенос вод в верхнем 2000-метровом слое был направлен на север [Leaman et al., 1989]. Ширина пограничного течения, определенного таким методом, варьировала для разных гидрологических разрезов, но в

среднем составляла около 200 км. При анализе данных на 24,5° с.ш. полагалось, что величина баротропного переноса вод через восточную часть разреза составляет 32,3 Св, т.е. эквивалентна переносу Западным пограничным течением на данной широте, согласно оценке [Larsen, 1992].

Для расчета геострофического переноса вод через плоскость зонального разреза проводилась процедура выбора отсчетной («нулевой») поверхности. Для каждой пары станций на разрезе проводился анализ вертикального профиля геострофической скорости (вычисляемой по данным наблюдений). В качестве отсчетной поверхности для последующих расчетов выбиралась изопикна ст2, которая наиболее точно отделяла промежуточные и глубинные воды, распространяющиеся на юг, от поверхностных вод, перемещающихся в северном направлении. В качестве исходного предположения за отсчетный уровень принималась поверхность а2 = 36,80 кг/м3. В случае если геострофический перенос выше и ниже выбранного горизонта не выполнял условий баланса, проводилась следующая итерация с другим выбором нулевого горизонта. Значение поверхности а2 менялось до тех пор, пока не выполнялся заданный баланс полного геострофического переноса.

Для оценок переноса тепла через плоскость зонального гидрологического разреза был использован метод, предложенный в работах [Bennett, 1978; Hall and Bryden, 1982]. Меридиональный поток тепла Н через плоскость разреза рассчитывался по следующей формуле:

H«p-cp-[Qsv-(TSv -TA) + QE-(TE-TA)+nvgTdxdz] (1)

где р — плотность воды; Ср — удельная теплоёмкость морской воды; QSv -баротропный поток воды, рассчитанный из соотношения Свердрупа; QE -экмановский перенос вод; vg - геострофическая скорость; TSv - средняя потенциальная температура воды в области Западного пограничного течения; ТЕ - температура воды в слое Экмана; ТА - средняя потенциальная температура вод по данным всех станций на разрезе [Dobroliubov et al., 1996; Koltermann et al., 1999].

Методы оценки и величины погрешностей, присущих используемым в работе методам расчетов переносов воды и тепла через гидрологические разрезы в целях краткости изложения не приводятся в автореферате, однако подробно освещены в диссертации и публикации автора [Koltermann et al., 1999].

Глава 3. Построение научной концепции функционирования устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики

На первом этапе исследования путём совместного анализа особенностей распространения Лабрадорской водной массы и оценок переносов воды и тепла через трансатлантические разрезы в разные десятилетия были построены концептуальные схемы функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики.

Исследование динамики ЛВМ включало в себя оценку долговременных изменений характеристик данной водной массы в районах гидрологических съёмок и оценку времени распространения ЛВМ до разрезов путём сравнительного анализа параметров водной массы в очаге формирования и районах наблюдений.

Для анализа временной изменчивости свойств ядра ЛВМ были использованы данные зональных гидрологических разрезов вдоль 24°, 36° и ~48° с.ш., а также данные меридиональных разрезов по 52° и 66° з.д. Идентификация ЛВМ на разрезах проводилась путём выявления слоя с характерным промежуточным минимумом солёности или потенциальной завихренности [Talley and McCartney, 1982]. С помощью анализа вертикального распределения данных параметров как функций плотности были определены изопикнические поверхности минимума солёности (потенциальной завихренности) для каждого повторного разреза, при этом обеспечивалась относительная неразрывность данных поверхностей. Определенные таким образом минимумы соответствуют слою плотности ЛВМ ai.5 = 34.62-34.72 кг-м3, что согласуется с данными из работы [Curry et al., 1998].

Для проведения пространственного осреднения термохалинных характеристик ЛВМ каждый гидрологический разрез был разделён на отрезки (с учетом топографических особенностей и путей распространения ЛВМ в пределах Северной Атлантики). Так, разрезы по 36° и -48° с.ш. были разделены на 5 частей, представляющих: западный пограничный район, глубинную часть Западной котловины, западный склон Срединно-Атлантического хребта (САХ), восточный склон САХ и Восточную котловину. На разрезе по 24° с.ш. в анализ были включены три района над Западной котловиной (западнее 59° з.д.). Каждый меридиональный разрез был разделен на 4 части: к северу от 38° с.ш., 33-38° с.ш., 28-33° с.ш. и к югу от 28° с.ш.

Чтобы получить картины пространственного распределения характеристик ядра ЛВМ в разные десятилетия, для каждого из анализируемых разрезов, выполненных в 1950-х, 1980-х и 1990-х годах, путём зонального осреднения в пределах отдельных отрезков были получены средние величины температуры и солёности на заданном уровне плотности. Далее проводилась процедура сравнения полученных средних термохалинных характеристик ЛВМ для разных периодов наблюдений: были вычислены разности температуры и солёности между 1950-ми, 1980-ми и 1990-ми годами на всех отрезках разрезов. Следует отметить, что практически все полученные разности статистически значимы на уровне 90%.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в Северной Атлантике между 24° и 48° с.ш. долговременные изменения температуры и солёности ЛВМ практически повсеместно были согласованы и сонаправлены: охлаждение сопровождалось опреснением, а потепление - увеличением солёности.

Пространственное распределение разностей температуры и солёности указывает на две противоположных тенденции долговременной изменчивости характеристик ЛВМ в течение 1950-х-1990-х годов. Между концом 1950-х и началом 1980-х годов происходило практически повсеместное потепление ЛВМ, сопровождавшееся осолонением в западной части Северной Атлантики. Исключением из тенденции потепления являются изменения в пределах самых

восточных частей разрезов по 24,5° и 36° с.ш., в то время как максимальное потепление (на 0,25-0,32°С) наблюдалось в глубоководной части Западной котловины. Увеличение солёности наблюдалось на разрезах по 65° и 52° з.д. и в западной части разреза по 36° с.ш. В то же время вдоль разреза 48° с.ш. происходило опреснение, исключая глубоководную часть Западной котловины. Распреснение происходило также на среднем из трёх анализируемых отрезков разреза по 24,5° с.ш. Между 1980-ми и началом 1990-х годов происходило практически повсеместное охлаждение и опреснение JIBM (за исключением самых восточных частей разрезов по 24,5° и 36° с.ш.). Наиболее выраженное охлаждение зафиксировано вдоль ЗГПТ (на 0,15-0,16°С) и на разрезе по -48° с.ш. над западным склоном САХ (на 0,17°С). Особо следует подчеркнуть то, что сообщения [Lavin et al., 1994; Parrila et al., 1994] о повсеместном потеплении и осолонении вод на разрезе по 24,5° с.ш. в этот период справедливы практически для всего разреза, однако за исключением области ЗГПТ, где также как и в более северных районах, наблюдалось распреснение и охлаждение промежуточных вод.

На следующем этапе полученные величины изменений термохалинных характеристик ЛВМ в различных районах наблюдений сравнивались с многолетними изменениями характеристик данной водной массы в очаге её формирования. Для этого были использованы временные ряды температуры и солёности в слое минимума потенциальной завихренности (800-2000 м) в море Лабрадор с 1927 по 1993 годы из работы [Curry and McCartney, 1996].

Было установлено, что общие закономерности долговременных климатических изменений температуры и солёности в промежуточном слое практически на всей акватории Северной Атлантики обусловлены процессами в море Лабрадор. Зафиксированное на разрезах выраженное потепление ЛВМ между концом 1950-х и началом 1980-х годов и её резкое охлаждение между началом 1980-х и серединой 1990-х годов отражают тенденции многолетних изменений данной водной массы в очага её формирования. Исключением из

этого правила являются восточные области в районе 24,5° и 36° с.ш., где на изменения термохалинных характеристик в промежуточном слое сильное влияние оказывает Средиземноморская водная масса (СВМ). Постоянное потепление промежуточных вод в центре Западного бассейна на разрезе по 24,5° с.ш. и их охлаждение на той же широте в области ЗГПТ после 1980-х годов объясняются большим временем распространения климатического «сигнала», образующегося в море Лабрадор, до самого южного разреза. Поэтому к началу 1990-х годов в Западном бассейне на 24,5° с.ш. все ещё сохранилась тенденция потепления как результат увеличения температуры ЛВМ в море Лабрадор до 1970 г. Наличие охлаждения на самом западном участке разреза по 24,5° с.ш. указывает на то, что к 1992 г. «сигнал охлаждения» достиг тропических широт самым быстрым способом - через ЗГПТ.

Таким образом, климатические сигналы охлаждения или потепления, обусловленные изменениями в море Лабрадор, распространяются по акватории региона неравномерно (вдоль определенных траекторий и с разной задержкой во времени). Различная интенсивность потепления/охлаждения и опреснения/осолонения на различных участках разрезов позволила детально восстановить пространственную картину путей распространения ЛВМ и оценить скорости распространения данной водной массы.

Для оценки времени распространения ЛВМ в Северной Атлантике временные ряды характеристик ядра ЛВМ в море Лабрадор анализировались на предмет обнаружения разностей температуры и солёности, согласующихся по величине и знаку с теми, что были обнаружены в определенных частях Северной Атлантики и происходили бы за промежуток времени, равный интервалу между повторными разрезами. Для получения более точных оценок анализировались изменения температуры и солёности между экстремальными, а не осредненными значениями характеристик ЛВМ на разрезах. Такой подход обусловлен тем, что ЛВМ распространяется по определённым траекториям, которые соответствуют положению экстремумов её характеристик и тем, что первоначальные свойства ядра ЛВМ лучше всего сохраняются вдоль этих

траекторий. Разница во времени между одними и теми же событиями в очаге формирования ЛВМ и рассматриваемых районах Северной Атлантики была выбрана в качестве времени распространения ЛВМ от источника до соответствующей точки.

Оценка скорости распространения ЛВМ проводилась исходя из двух предположений: (1) за рассматриваемый промежуток времени свойства ЛВМ мало изменяются вдоль пути от района источника до выбранной части океана; (2) время перемещения ЛВМ также мало изменяется за этот же промежуток времени. Т.е., предполагалось, что время распространения полностью определяется разностью в значениях температуры и солёности в выбранных точках и интервалом времени между наблюдениями. Первое предположение подтверждается анализом адвективной и диффузионной составляющих, произведенным для слоя ЛВМ. Их сравнение показывает, что вклад адвекции в изменения температуры и солёности, по крайней мере, на два порядка больше, чем диффузии. Оценки адвекции и диффузии на основании климатических распределений температуры и солености взяты из [Levitus et al., 1994]; коэффициенты диффузии приняты согласно [Boning et al, 1996], а средняя скорость считалась равной 1 см/с. Второе предположение менее обосновано, однако, возможно, наилучшим аргументом в пользу этого допущения является его соответствие независимо полученным оценкам времени распространения ЛВМ, о чём будет сказано ниже.

Для каждого участка разрезов были получены оценки времени распространения ЛВМ отдельно по температуре и солёности. После этого учитывались лишь те значения, которые были схожими для обеих характеристик. Для большинства областей Северной Атлантики (разрезы по 48° с.ш., 52° з.д. и 65° з.д., западная часть разреза по 24,5° с.ш.) были получены однозначные оценки времени распространения ЛВМ, в первую очередь благодаря тому, что имели место обратные тенденции в изменениях температуры и солёности. Для разреза по 36° с.ш. были получены две возможные оценки времени распространения ЛВМ. Для периода потепления

они составили 9 и 12-13 лет в центре Западной котловины и над западным склоном САХ; 8 лет и 22 года для западной части Восточного котловины. Для периода охлаждения оценки отличались: 6 и 13 лет для западного котловины и западного склона САХ, 7 лет и 2 года - для восточного склона САХ. В каждом случае в расчет принималась только та оценка, которая не противоречила результатам, полученным для разрезов 24,5° и 48° с.ш., и существующим оценкам адвекции на промежуточных глубинах в океане.

В результате были получены схемы основных путей распространения ЛВМ в Северной Атлантике для периодов охлаждения (рис. ЗА) и потепления (рис. ЗБ), включающие в себя оценки времени распространения данной водной массы до различных бассейнов. Сравнение представленных схем (рис. 3) показывает, что время распространения ЛВМ во время периода её охлаждения примерно на 2-3 года меньше времени её распространения во время периода потепления. Несмотря на то, что эта величина близка к погрешности определения времени перемещения (± 1-3 года), согласованность долговременных изменений термохалинных характеристик ЛВМ в очаге формирования и в районах гидрологических съёмок дает основание полагать, что полученные оценки связаны с увеличением скорости распространения ЛВМ. По-видимому, в периоды устойчивого охлаждения происходит увеличение объёмов образующихся промежуточных вод в море Лабрадор, что приводит к увеличению скоростей их распространения. Частично это подтверждается анализом интенсивности переноса водных масс, приведенным далее.

Нам удалось также подтвердить вывод о том, что наибольшие скорости распространения ЛВМ характерны для восточной периферии субполярного круговорота [Эу й а1., 1997], а также вдоль ЗИП .

Разработка схем циркуляции ЛВМ позволила выявить неизвестную особенность распространения данной водной массы. Впервые был обнаружен дополнительный путь распространения ЛВМ в южном направлении вдоль западного склона САХ, где в период охлаждения (1980-е и начало 1990-х годов) происходили наибольшие изменения в термохалинной структуре

промежуточных вод на 48° и 36° с.ш. В указанный период доминирующую роль в распространении ЛВМ на юг играл путь над западным склоном САХ.

А) Время распространения сигнала охлаждения

Д о л г о т а ,°з л.

Б) Время распространения сигнала потепления

Рис. 3. Карты, иллюстрирующие время распространения Лабрадорской водной массы в Северной Атлантике для периодов многолетнего охлаждения (А) и многолетнего потепления (Б) данной водной массы. Оценки времени распространения приведены в эллипсах. На верхнем рисунке в прямоугольниках приведены оценки из работы Гву а1 1997]

Таким образом, наряду с изменениями термохалинных характеристик водных масс, в Северной Атлантике имеет место значительная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод в различные десятилетия.

На втором этапе построения концептуальных схем функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики

были даны количественные оценки интенсивности переносов воды и тепла через трансатлантические разрезы по 24°, 36° и 48° с.ш.

Для вычисления переносов воды и тепла толща североатлантических вод была разделена на 4 слоя: верхний (а2 < 36,8 кг/м3), промежуточный (36,8 < а2 < 37,0 кг/м3), глубинный (37,0 <а2< 37,105 кг/м3) и придонный (ст2> 37,105 кг/м3). Проведение оценок в данных слоях обусловлено распределением климатически значимых водных масс в поле плотности. Верхний слой, включающий в себя поверхностные воды, ААПВ и СВМ, представляет собой верхнее звено «глобального конвейера», переносящее водные массы в северном направлении. В промежуточном слое в диапазоне широт 24"М8° с.ш. происходит распространение лабрадорских вод с севера на юг. К глубинному слою приурочено распространение СВГВ и СЗГВ, образующих нижнее звено североатлантической ветви глобального конвейера. И, наконец, в придонном слое происходит проникновение ААДВ из южных широт.

Для вычислений были использованы данные, полученные в разные десятилетия: 1957-1959, 1981-1982 и 1992-1993 годы. Среднеширотная погрешность вычисления переносов вод составила для верхнего слоя порядка 1,2-2,2 Св, для слоя ЛВМ - 0,7-1,4 Св, для глубинного слоя - 0,8-2,6 Св и для придонного слоя - 0,4-2,0 Св [КоИегтапп е1 а1., 1999].

Анализ полученных оценок меридионального переноса воды по четырём выделенным слоям (рис. 4) через плоскости разрезов показал, что:

• Наименьшая изменчивость интенсивности переносов вод в течение всех четырёх десятилетий наблюдалась на 24,5° с.ш., хотя изменения переноса в глубинном и придонном слоях были выше возможных погрешностей. Максимум переноса в этих слоях приходился на 1981 г.

• В 1981-1982 годы произошла значительная интенсификация меридионального переноса вод на 36° и 48° с.ш. Перенос вод на север в верхнем слое (17-20 Св) значительно превышал аналогичный поток в 1993 и

1957-1959 годы (8-16 Св). Выявлено общее увеличение глубинного потока на юг в 1981-1982 гг. по сравнению с другими десятилетиями.

• Интенсификация меридионального переноса вод в 1981-1982 годы на 36° и 48° с.ш. была обусловлена в первую очередь увеличением переноса глубинных североатлантических вод (СВГВ и СЗГВ) в слое 3200-4500 м.

• В 1959 и 1981 годы на 36° с.ш. перенос ЛВМ в промежуточном слое был пренебрежимо мал, а перенос ААДВ в придонном слое был направлен на юг. В 1993 г. ситуация на данной широте была совершенно противоположной. Наблюдалась явная интенсификация потока ЛВМ, в то время как поток ААДВ был направлен на север.

Обобщая полученные оценки переносов воды, можно также сказать, что на разрезе по 24,5° с.ш. структура меридиональной циркуляции вод была трёхслойной во все периоды наблюдений благодаря существованию потока ААДВ в северном направлении. Изменения струюуры и интенсивности межширотной циркуляции вод на самом южном разрезе в течение 1950-х-1990-х годов были наименее выраженными.

На двух северных широтных разрезах были зафиксированы значительные вариации интенсивности переносов вод во всех четырёх слоях. Анализ этих изменений позволил сделать вывод о периодической смене состояния меридиональной термохалинной циркуляции вод в регионе.

Вертикальная структура переносов вод на разрезе по 36° с.ш. в 1959 и 1993 годах (рис. 4) указывает на функционирование трёхслойной меридиональной циркуляции (на север - на юг - на север). Однако в 1981 г. межширотный перенос вод осуществлялся преимущественно в двух слоях. Такая структура объясняется отсутствием направленного на север потока вод в придонном слое и пренебрежимо малым переносом ЛВМ на промежуточных глубинах. Меридиональный перенос вод на разрезе по 48° с.ш. имеет постоянную двухслойную вертикальную структуру, однако интенсификация направленных на юг глубоководных потоков происходила либо за счет абиссальных вод (1982 г.), либо в слое ЛВМ (1993 г.). В целом изменения

интенсивности переносов вод по слоям (за исключением придонного слоя) на разрезах по 36° и 48° с.ш. указывают на схожие тенденции: интенсификация переноса вод в поверхностном и глубинном слоях в 1981-1982 годы и ослабление меридиональных потоков в 1957-1959 и 1992-1993 годах.

Перенос, Св

Перенос, С в

14 4' ...... ...... I | I | i | I > I ч '

116.511.2 112.311.2

-6.510.8 | -6.4±0 9 | -7 410.8 [_ -7.411.1 |

11.011.5 | -8.311.7 | |||i;

0.311.3 ] 1.610.7 -0.710.4 1

Перенос, Св 1-5 0 5 10 15

I ' I 1 I

1992-1993

48 с.ш.

Перенос, Св -15-10 -5 0 5 10 15

I Ч ' I ' I ' I ' I ' I

Перенос, Св -15-10 -5 0 5 ю 15

-6.310.9 Г"

7.511.7 | |

□ 24° С.Ш

17.111.5| 6.4Í1.7

1 Ч Ч 1 -0.110.7 Ч Ч Ч

-3.8Ю.4 L

Перенос, Св -15 -10 -5 0 5 10 15

-' I ' Г

20.1±1.4

-1.610.7 Q -6.310.8 Ш -8.810.4 |

1981 -1982

36 с.ш.

48 с.ш.

Перенос. Св -15-10 -5 0 5 10 15

1 ч ч 1 -6.711.4 Q

~ 3.812.0

13.712.6 |

Перенос. Св -15-10 -5 0 5 10 15

-1 ' I Ч

I 1 I < I

15.312.1

-0.511.2 -7.212.4

-0.511.9'

36" С.ш.

Перелое, Св -15-10 -5 0 5 10 15

•5.111.2 Q

-5.1

■4.811.9 | -0.210.7

48°С.Ш.

ТП" 9.212.0

1957 -1959

Рис. 4. Меридиональный перенос вод (Св) через плоскости трансатлантических разрезов по 24,5°, 36° и -48° с.ш. по слоям: в верхнем (с2<36.8 кг/м ), промежуточном (36.8 < о2 < 37.0 кг/м3), глубинном (37.0 <а2< 37.105 кг/м3) и придонном (а2 > 37.105 кг/м3)

Оценки меридиональных потоков тепла (МПТ) через трансатлантические разрезы и оценки дивергенции тепла (обмена теплом с атмосферой) между разрезами подтвердили вывод о существовании значительной долгопериодной

изменчивости в системе меридиональной термохалинной циркуляции в Северной Атлантике.

Большая часть изменений потоков тепла через разрезы обусловлена вариациями интенсивности меридиональной геострофической циркуляции, поскольку оценки экмановского и свердруповского переносов были получены по среднеклиматическим величинам.

Полученные оценки МПТ (табл. 2) через плоскости разрезов хорошо согласуются с оценками переноса массы: увеличение потоков тепла на 36° и 48° с.ш. в начале 1980-х годов подтверждает вывод об интенсификации меридиональной циркуляции вод Северной Атлантики в этот период. Поток тепла через разрез по 36° с.ш. в 1981 г. (-1.3 ПВт) был в 2,7 раза больше, чем в 1957-1959 годах и в 1,8 раза выше, чем в начале 1990-х годов. Суммарный поток тепла через разрез по -48° с.ш. в начале 1980-х годов более чем в 2 раза превышал поток тепла в конце 1950-х годов и на 15% превосходил поток тепла в начале 1990-х годов (табл. 2). Оценки МПТ, полученные для 1950-х и 1980-х годов для разрезов по 24,5° и 36° с.ш. хорошо согласуются с величинами переноса тепла, полученными в работах [Hall and Bryden, 1982; Roemmich and Wunsch, 1985]. Величины переноса тепла, полученные по данным 1990-х годов на разрезе по 24,5°с.ш., близки к оценкам из работы [Lavin et al., 1994], хотя в расчетах был использован больший среднегодовой поток Флоридского течения: 32,3 Св вместо 29,5 Св [Larsen, 1992].

Количественные оценки дивергенции потоков тепла в широтных поясах между анализируемыми трансатлантическими разрезами (табл. 3) показали, что в начале 1980-х годов между 36° и 48° с.ш. наблюдалась значительная теплоотдача из океана в атмосферу, в то время как в районе между 24° и 36° с.ш. обмен теплом с атмосферой был слабым. Для конца 1950-х и начала 1990-х годов была характерна противоположная ситуация: в широтном поясе субтропического круговорота потеря тепла с поверхности океана была почти в 3 раза больше (-100 Вт/м2), чем в средних широтах в диапазоне 36°-48° с.ш. Пространственная картина дивергенции тепла хорошо согласуется с

результатами исследований С. Гулёва [вику, 1995], полученными на основе независимых оценок поверхностного баланса тепла.

Таблица 2. Меридиональный поток тепла (1015 Вт) в Северной Атлантике, полученный по гидрологическим данным на разрезах по 24°, 36° и 48° с.ш.

Годы Широта

24° с.ш. 36° с.ш. 48° с.ш.

1957-1959 1,38±0,29 0,47±0,24 0,27+0,15

1981-1982 1,48±0,20 1,29±0,17 0,62±0,11

1992-1993 1,54±0,19 0,70±0,15 0,53±0,12

Таблица 3. Дивергенция меридиональных потоков тепла между 24°, 36° и 48°с.ш. в Северной Атлантике, полученная по данным трансатлантических разрезов

Годы Широтный пояс

24°—36° с.ш. 36-48° с.ш.

Р\У \У/м2 Р\У \У/м2

1957-1959 0,91 ±0,3 8 105±44 0,2010,28 34+47

1981-1982 0,19+0,26 22±30 0,67±0,20 103±31

1992-1993 0,84±0,24 95+27 0,17+0,19 35±39

Совместный анализ оценок потоков воды и тепла через трансатлантические разрезы и динамики лабрадорских вод в разные десятилетия привел к созданию концептуальных схем функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики (рис. 5). Разработанные схемы иллюстрируют два сценария работы североатлангической ветви глобальной термохалинной циркуляции океана и объединяют в себе полученные знания о долгопериодной изменчивости динамики ЛВМ, переносах воды и тепла на разных широтах и колебаниях интенсивности МТЦ.

Верхняя схема на рис. 5 отражает состояние системы меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики в 1980-х годах. В этот период наблюдался интенсивный перенос на север атлантических вод в поверхностном слое, интенсификация поступления глубинных вод арктического происхождения через порош Датского пролива (СЗГВ) и ослабленное

формирование ЛВМ в море Лабрадор. Эти процессы в совокупности привели к формированию двухслойного режима МТЦ. Для данного состояния МТЦ были характерны высокие значения полного потока вод через разрезы (17-20 Св) и усиленный перенос тепла на разрезах по 36° с.ш. (1,3 ПВт) и 48° с.ш. (0,62 ПВт).

Ослабленное Усиленное Трехслойная мода

формирование СЗГВ формирование ЛВМ циркуляции

-1-Ж_I_

. ^_кСАГВ

ААДВ Щ

л А 4Гренландский басс Лабрадорская и Ньюфаундл. котл. ) -----1-1- ►¡Ц Ссверо-Аисриканская котлов ина ►

ак; 1957-1959 % 8.2 .47 16.6 1.38

КЙК 1992-1993 13.1 .70 17.2 1.54

Рис. 5. Концептуальная схема функционирования двух режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики

Каждый из рисунков представляет собой идеализированный меридиональный разрез через северную часть Атлантического океана. На рисунках экватор расположен справа, а Гренландско-Исландский порог - слева. Широты, вдоль которых выполнялись зональные трансатлантические разрезы, показаны в нижней части каждого рисунка на черном фоне. В нижней части каждого рисунка для каждого исследуемого периода времени приведены значения полных потоков тепла и воды через зональные разрезы

Нижняя схема на рис. 5 дает общее представление о механизме функционирования МТЦ Северной Атлантики в конце 1950-х и начале 1990-х годов. Для этих периодов были характерны: ослабленный перенос поверхностных вод в северном направлении, усиленное проникновение ААДВ в умеренные широты, уменьшение вклада СЗГВ в образование комплекса глубинных североатлантических вод (САГВ), интенсификация формирования ЛВМ в море Лабрадор. Эти процессы привели к формированию трёхслойной структуры МТЦ. Для данного состояния динамической системы Северной Атлантики характерны низкие значения полных переносов вод через зональные разрезы (-16 Св в 1993 г. и ~8 Св в 1957-1959 годы) и переноса тепла через разрез по 36° с.ш. (-0,5 ПВт в 1957-1959 годы и 0,7 ПВт в 1993 г.).

Выявлена взаимосвязь между интенсивностью формирования Лабрадорской водной массы и долговременными изменениями в системе меридиональной термохалинной циркуляции Северной Атлантики.

В 1960-х годы в море Лабрадор происходило устойчивое уменьшение интенсивности формирования ЛВМ, сопровождавшееся увеличением её температуры. В конце 1960-х годов из-за выноса аномально большого количество льда из Арктического бассейна к востоку от Гренландии и его последующего таяния солёность верхнего 200-метрового слоя океана в пределах субарктической Атлантики резко понизилась. Это явление, получившее название «Великая солёностная аномалия», привело к дальнейшему ослаблению глубокой зимней конвекции в море Лабрадор, которое продолжалось вплоть до 1972 г. [Dickson et al., 1988; Curry and McCartney, 1996]. Спустя несколько лет (в начале 1980-х годов) на разрезах по 36° и -48° с.ш. наблюдались низкие показатели переноса вод в промежуточном слое. Таким образом, процессы в море Лабрадор в большой степени способствовали установлению двухслойной моды термохалинной циркуляции Северной Атлантики в 1980-е годы. Начиная с 1987 г. в море Лабрадор начался период интенсивного формирования ЛВМ. Резкое увеличение объёмов формирующейся ЛВМ сопровождалось её резким опреснением и охлаждением

[Сипу and McCartney, 1996; Lazier et al„ 2002]. К 1993 г. эти процессы привели к увеличению переноса промежуточных вод через разрезы по 36° и -48° с.ш. и формированию трёхслойного режима МТЦ.

Изменчивость глубокой конвекции в море Лабрадор не только играет важную роль в формировании режимов термохалинной циркуляции Северной Атлантики, но и отрицательно коррелирует с интенсивностью МТЦ. Этот вывод, основанный на анализе полученных оценок потоков воды через плоскости разрезов, был впоследствии подтвержден в работе [Sarafanov et al., 2009], где было показано существование отрицательной корреляции между мощностью конвективного слоя в море Лабрадор и расходом ЗГПТ (мощностью глубинного звена МТЦ) в масштабе десятилетий.

Вывод о том, что долговременные изменения МТЦ и изменения интенсивности образования ЛВМ находятся в противофазе, опровергает вывод комиссии экспертов ЮНЕСКО о том, что данные процессы сонаправлены [IPCC, 2007, chapter 5, Box 5.1, p. 397].

На завершающем этапе создания теории долговременной изменчивости МТЦ Северной Атлантики концептуальная картина, приведенная на рис. 5, была преобразована в количественную схему, содержащую оценки зонально осредненных потоков воды в различных плотностных слоях, оценки вертикальных потоков воды между слоями, МПТ на разрезах и дивергенции МПТ между ними (рис. 6). Для разработки данной схемы были привлечены данные, полученные на трансатлантическом разрезе по 60° с.ш. (см. табл. 1). Для этого разреза были получены количественные оценки интенсивности переноса воды и тепла в верхнем, промежуточном, глубинном и придонном слоях в соответствии с методиками, примененными ранее для более южных разрезов.

Для разделения водной толщи на отдельные слои использовались те же плотностные интервалы, что и при расчете меридиональных потоков воды и тепла через разрезы. Однако для разрезов по 48° и 60° с.ш. глубинный и придонный слои были объединены, поскольку на данных широтах

проникновение ААДВ зафиксировано не было, и необходимость выделения придонного слоя отпала. На 24° с.ш. промежуточный слой был объединён с глубинным, т.к. на этой широте ЛВМ фактически отсутствует, за исключением

Рис. 6. Зонально-осред-ненные меридиональные потоки североатлантических вод (Св) в верхнем (красный, ог ^ 36,80 кг/м3), промежуточном (зеленый,

36,8 < СГ2 < 37,0 кг/м3), глубинном (синий, 37,0 <с2< 37,105 кг/м3) и придонном (желтый, аг > 37,105 кг/м3) слоях на 24°, 36°, -48° и 60° с.ш. в 1950-х, 1980-х и 1990-х годах. Красными цифрами обозначены оценки меридионального переноса тепла (петаВатт) на каждой широте, синими цифрами - оценки дивергенции потоков тепла между разрезами (петаВатт), отражающие теплоотдачу в атмосферу. Справа разноцветными цифрами - оценки потоков воды (Св) только для разреза по 60° с.ш. относительно изопикны 00 (синие - минимальные, красные - максимальные значения)

В результате впервые были созданы количественные схемы МТЦ для 1950-х, 1980-х и 1990-х годов, важнейшей особенностью которых является то, что они отражают принципиальное отличие меридиональных потоков североатлантических вод в разные десятилетия наблюдений. Глава 4. Построение картины динамического развития крупномасштабной циркуляции Северной Атлантики в 1950-Х-1990-х годах Разработанные схемы режимов меридиональной термохалинной циркуляции представляют концептуальный, обобщенный взгляд на колебания динамической системы Северной Атлантики в масштабе десятилетий. Данные

небольшой области в пределах ЗГПТ.

24'

МПТ 1 38 ф

«1

36' 48'

0.91 I .0.20 I

0.47 0.27

75 92

Д 05 Ж^

60'Север

0.28 ПетаВатт 13.8

■■т «•«

1950-е

тг 9,2

60'

I А 0.19 I 10.67 I 10.27 I МПТ 148 Т 1.29 I

»6 я 101 гвя 149 ш'

—0.1 ЗЛ 1980-е

годы

>14.2

24' 36' 48' 60'

I А0.Й4 I 10.17 I 10.15 I

МПТ 1 54 Т 0.70 0.53 0.38

12 3 7 12 в

«7.5

1990-е

годы

схемы не способны сформировать детальное представление о пространственном, географическом распределении потоков североатлантических вод в периоды наблюдений. Поэтому на следующем этапе исследований долгопериодной изменчивости МТЦ было необходимо разработать карты-схемы потоков вод Северной Атлантики в каждом из четырёх слоев (поверхностном, промежуточном, глубинном и придонном) для трёх десятилетий. При этом на стадии создания карт циркуляции необходимо было учесть два важных фактора: рециркуляцию потоков воды и интенсивность водообмена между слоями.

Для осуществления поставленной задачи были использованы все широтные разрезы 1957-1997 годов (см. табл. 1), т.е. область исследования охватила практически всю акваторию Северной Атлантики - от -20° до 60° с.ш. Для получения пространственной картины распределения потоков вычисления производились для отдельных частей разрезов. Каждый разрез был разбит на семь частей в соответствии с особенностями рельефа дна и представлениями о путях преимущественного распространения водных масс в регионе: восточный (Европейский) склон, глубокий восточный бассейн, восточный склон САХ, западный склон САХ, глубинный западный бассейн, область Западного пограничного течения, западный (Американский) склон. Для каждого отрезка всех разрезов, выполненных в 1950-е, 1980-е и 1990-е годы, были получены оценки меридионального переноса вод для четырёх слоев: верхнего, промежуточного, глубинного и придонного.

Наряду с этим была оценена так называемая горизонтальная рециркуляционная активность. Эта величина определялась для каждого зонального разреза как сумма абсолютных величин меридионального переноса воды через все участки разреза (табл. 4).

В таблице для каждого из трёх десятилетий представлены оценки интенсивности МТЦ по данным зональных разрезов по 24°, 36°, 48° и 60° с.ш. для каждого из четырёх слоев и соответствующие оценки рециркуляционной

активности. Анализ данных оценок позволил выявить три важных закономерности:

(1) в 1980-е годы максимальным значениям МТЦ соответствовали минимальные значения рециркуляционной активности;

(2) в 1950-е и 1990-е годы пониженным значениям потоков МТЦ в верхнем и глубинном слоях соответствовали максимальные показатели рециркуляции;

(3) в 1990-е годы увеличению интенсивности переноса вод на промежуточных глубинах соответствовали максимальные значения рециркуляционной активности.

Полученные результаты показывают, что временные изменения рециркуляционной активности находятся в противофазе с изменениями интенсивности МТЦ во всех слоях кроме промежуточного: максимум общего переноса всегда соответствует минимуму интенсивности рециркуляции (1980-е годы) и наоборот (1950-е и 1990-е годы). В слое ЛВМ наблюдается другая зависимость: максимальные значения интенсивности МТЦ сопровождаются максимальными значениями интенсивности рециркуляции. Наиболее четко это выражено в 1990-х годах на 36° и 48° с.ш., т.е. в годы наиболее интенсивного формирования ЛВМ в районах наибольшего распространения данной водной массы.

Следовательно, уменьшение интенсивности формирования ЛВМ в море Лабрадор и ослабление рециркуляционной активности в промежуточном слое, связанной с распространением ЛВМ, способствует интенсификации МТЦ Северной Атлантики. Усиление проникновения на север солёных вод в высокие широты в верхнем звене МТЦ в свою очередь приводит к созданию благоприятных условий для развития глубокой конвекции в субарктическом регионе. С другой стороны, интенсификация образования ЛВМ в море Лабрадор и формирование рециркуляционных ячеек способствуют ослаблению МТЦ. Это в свою очередь препятствует поступлению из низких широт солёных вод, необходимых для поддержания процессов глубокой конвекции, провоцируя последующее ослабление образования ЛВМ. Таким образом,

интенсивность формирования ЛВМ - ключевое звено в механизме внутренней изменчивости циркуляции Северной Атлантики и один из факторов, регулирующих ослабление или усиление МТЦ.

Таблица 4. Оценки полного послойного переноса воды (МТЦ) через плоскость зонального разреза и рециркуляционной активности для трех десятилетий в Св

1950-е годы

Слой 60° с.ш. 48° с.ш. 36° с.ш. 24° с.ш.

МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк.

Верхний 12,2 25,4 9,2 55,6 7,5 114,7 15,3 81,7

ЛВМ 5,8 9,8 5,0 26,2 0,5 18,1 6,7 6,7

Глубинный 6,7 6,7 4,8 40,4 7,2 31,0 13,2 13,8

Придонный 0,5 1,5 0,2 12,2 0,6 8,6 3,8 8,6

1980-е годы

Слой 60" с.ш. 48° с.ш. 36° с.ш. 24° с.ш.

МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк.

Верхний 14,5 22,1 18,9 33,9 20,2 111,0 16,5 65,3

ЛВМ 6,4 12,2 4,6 4,9 0,1 5,1 6,3 10,7

Глубинный 7,2 7,2 6,3 30,3 17,1 25,1 17,5 79,1

Придонный 1,7 1,7 8,8 8,8 3,8 3,0 6,5 12,1

1990-е годы

Слой 60° с.ш. 48° с.ш. 36° с.ш. 24° с.ш.

МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк. МТЦ Рецирк.

Верхний 12,6 32,2 14,7 62,1 12,3 109,5 16,4 87,6

ЛВМ 8,1 16,3 7,4 24,6 6,4 24,4 6,5 7,9

Глубинный 4,3 5,7 7,4 31,4 8,3 46,5 11,0 42,6

Придонный 1,0 1,0 0,7 2,1 1,6 3,4 0,3 3,7

Карты крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики, созданные на основе расчетов меридиональных потоков воды, оценок интенсивности рециркуляции и оценок водообмена между слоями (рис. 7-9) позволили выявить значительные изменения динамики вод в регионе между 1950-ми, 1980-ми и 1990-ми годами.

верхним слой ■

Рис. 7. Карты-схемы распределения потоков североатлантических вод в четырех слоях (верхнем, промежуточном, глубинном и придонном), построенные по данным конца 1950-х- начала 1960-х годов. Красными точками показаны районы даунвеллинга, синими - апвеллинга воды

90 80 70 60 50 40 30 20 10

70 60 50 40 30 20 70 60 50 40 30 20

Рис. 8. Карты-схемы распределения потоков североатлантических вод в четырех слоях (верхнем, промежуточном, глубинном и придонном), построенные по данным 1980-х годов. Красными точками показаны районы даунвеллинга, синими - апвеллинга воды

Рис. 9. Карты-схемы распределения потоков североатлантических вод в четырех слоях (верхнем, промежуточном, глубинном и придонном), построенные по данным 1990-х годов. Красными точками показаны районы дау нвеллинга, синими - апвеллинга воды

В верхнем слое (а2<36,8 кг/м3) в начале 1980-х годов наблюдались наименее интенсивные потоки холодных поверхностных вод в пределах субполярного круговорота. «Сжатие» круговорота привело к смещению Полярного фронта на северо-запад, что в свою очередь позволило водам субтропического происхождения более интенсивно проникать на север, к границе с арктическим бассейном. В связи с этим через самый северный разрез по 60° с.ш. был отмечен наибольший по величине перенос тёплых солёных вод, поступающих с Северо-Атлантическим течением. Рециркуляционная активность в этот период была снижена. В конце 1950-х и в первой половине 1990-х годов интенсификация и расширение субполярного круговорота привели к смещению Полярного фронта на юго-восток и формированию меандра Северо-Атлантического течения в районе 48° с.ш. В связи с этим в данные периоды наблюдался ослабленный перенос тёплых вод субтропического происхождения по направлению к Арктике и более мощные рециркуляционные потоки тёплых вод к югу от 48° с.ш. (рис. 7-9).

В промежуточном слое (36,8 < а2 < 37,0 кг/м3) - слое распространения лабрадорских вод - были зафиксированы самые выраженные изменения схем циркуляции между тремя периодами наблюдений. В начале 1980-х годов ослабленное образование ЛВМ в море Лабрадор привело к распространению данной водной массы преимущественно в субарктическом регионе. Наиболее интенсивные потоки ЛВМ были направлены в море Ирмингера и Исландский бассейн. Распространение в пределах ЗГПТ было ограничено широтой -40° с.ш., а потоки вод вдоль склона САХ и в восточном бассейне Атлантики были аномально слабыми. Это говорит о том, что большая часть объёма ЛВМ при распространении на юг вне ЗГПТ вовлекается в нижележащие слои примерно в районе 48° с.ш. Важными чертами промежуточной циркуляции в 1980-е годы являются также небольшой (1-3 Св), но устойчивый поток в слое ЛВМ в системе ЗГПТ на север, интенсивный апвеллинг вод между 24° и 36° с.ш. и низкая рециркуляционная активность.

В конце 1950-х и первой половине 1990-х годов распространение ЛВМ происходило преимущественно в меридиональном (южном) направлении. Циркуляция вод в промежуточном слое характеризовалась интенсивным распространением лабрадорских вод с ЗГПТ и большим количеством рециркуляционных ячеек к югу от 48° с.ш. В начале 1990-х годов, помимо ранее зафиксированных путей распространения ЛВМ, был обнаружен дополнительный мощный поток ЛВМ в южном направлении (вдоль западного склона САХ).

Таким образом, схемы циркуляции ЛВМ в Северной Атлантике для периода её интенсивного образования (начало 1990-х годов) и периода её ослабленного формирования (начало 1980-х годов) принципиально отличаются. Об этом свидетельствуют изменение направления переноса в районе ЗГПТ, появление нового течения вдоль западного склона САХ, резкое увеличение объемов переносимых вод в южном направлении.

В глубинном и придонном слоях (ст2 > 37,0 кг/м3) наблюдались наиболее выраженные признаки смены режимов циркуляции вод Северной Атлантики. В 1980-е годы отмечалась интенсификация потока глубинных вод арктического происхождения через разрез по 60° с.ш. и поступления ААДВ через разрез по 24° с.ш. В этот период перенос североатлантических глубинных вод осуществлялся преимущественно в меридиональном (южном) направлении. В конце 1950-х и в первой половине 1990-х годов в пределах исследуемого региона глубинная циркуляция представляла собой совокупность мощных рециркуляционных круговоротов. Высокая рециркуляционная активность приводила к тому, что до половины объема САГВ не выносилась в экваториальные широты (рис. 7, 9).

Основные выводы по анализу количественных карт-схем потоков североатлантических вод для трёх десятилетий:

(1) Долговременная изменчивость циркуляции вод Северной Атлантики во всех слоях настолько велика (вплоть до резкого изменения траекторий и даже направлений основных потоков), что нельзя говорить о средней схеме

циркуляции, построенной на основе сведения воедино всех имеющихся данных, полученных в разные периоды наблюдений;

(2) Зафиксированы не только изменения термохалинных характеристик основных водных масс Северной Атлантики, но и значительные изменения особенностей их циркуляции в масштабе десятилетий. Полученные результаты опровергают вывод комиссии экспертов ЮНЕСКО о том, что «существуют изменения свойств ключевых водных масс, однако доказательств изменения циркуляции вод океана нет» [1РСС, 2007, раздел 5, стр. 387];

(3) Существует тесная связь между долговременной изменчивостью пространственной картины распределения потоков североатлантических вод и сменой выявленных ранее режимов меридиональной термохалинной циркуляции;

(4) Наибольшая изменчивость циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий наблюдается между 36° и 48° с.ш., т.е. в области взаимодействия субполярного и субтропического круговоротов;

(5) Важную роль в формировании изменений интенсивности МТЦ играют колебания интенсивности поступления в субарктическую Атлантику вод арктического происхождения.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

1- Выявлены тенденции и причины долговременных изменений свойств Лабрадорской водной массы в пределах Северной Атлантики, произведены оценки времени распространения данной водной массы для периодов многолетнего охлаждения и потепления.

сопровождавшееся осолонением в западной части Северной Атлантики в период между концом 1950-х и началом 1980-х годов и (2) охлаждение и опреснение ЛВМ между началом 1980-х и серединой 1990-х годов.

Установлено, что климатические сигналы охлаждения или потепления, обусловленные изменениями в море Лабрадор, распространяются по акватории Северной Атлантики неравномерно (вдоль определенных траекторий и с разной задержкой во времени). Выявленные различия интенсивности изменений термохалинных характеристик промежуточных вод на различных участках трансатлантических разрезов позволили восстановить пространственную картину путей распространения ЛВМ и оценить скорости распространения данной водной массы для периодов многолетнего охлаждения и потепления. Установлено, что время распространения ЛВМ во время её охлаждения примерно на 2-3 года меньше времени ее распространения во время периода потепления. Разработка схем циркуляции ЛВМ по данным разных десятилетий позволила выявить существование в 1990-х годах ранее неизвестного пути распространения данной водной массы в южном направлении. Это говорит о значительных изменениях крупномасштабной циркуляции промежуточных вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий.

2. Даны количественные оценки долговременных колебаний интенсивности меридионального переноса воды и тепла через трансатлантические разрезы по 24.5°. 36°. -48° и 60° с.ш. в период между концом 1950-х и серединой 1990-х годов.

Создание уникального массива высокоточных данных наблюдений на трансатлантических разрезах в Северной Атлантике, охватывающего 1950-е -1990-е годы, и применение новых методов расчетов полных потоков воды и тепла через плоскость разреза позволило создать непротиворечивую количественную картину изменений интенсивности меридиональных потоков вод в Северной Атлантике в разные десятилетия. Были выявлены значительные вариации интенсивности переносов вод во всех плотностных слоях на разрезах по 36° и -48° с.ш., что позволило впервые обосновать положение о

периодических изменениях состояния меридиональной термохалинной циркуляции вод в регионе.

3. Разработаны не имеющие аналогов концептуальные схемы режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики для разных десятилетий.

На основании совместного анализа оценок переносов воды и тепла через трансатлантические разрезы и особенностей динамики лабрадорских вод в разные десятилетия установлено, что с конца 1950-х по середину 1990-х годов в Северной Атлантике существовало два устойчивых режима функционирования МТЦ.

Двухслойный режим МТЦ был выявлен по данным 1980-х годов. Для этого состояния меридиональной циркуляции характерны: (1) интенсивный перенос вод на север в верхнем слое, (2) интенсификация поступления глубинных вод арктического происхождения через пороги Датского пролива и (3) ослабленное формирование ЛВМ в море Лабрадор. Данный режим циркуляции характеризуется высокими значениями полного потока вод через разрезы (17-20 Св) и усиленным переносом тепла через разрезы по 36° с.ш. (1,3 ПВт) и 48° с.ш. (0,62 ПВт). Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой при двухслойной моде МТЦ наблюдается в зоне между 36° и 48° с.ш.

Трёхслойный режим МТЦ Северной Атлантики имел место в конце 1950-х и первой половине 1990-х годов. Для данного режима МТЦ характерны: (1) ослабленный перенос вод на север в верхнем слое, (2) уменьшение вклада СЗГВ в образование комплекса глубинных североатлантических вод, (3) интенсификация образования ЛВМ в море Лабрадор, (4) усиленное проникновение ААДВ в умеренные широты. Для данного состояния динамической системы Северной Атлантики характерны низкие значения полных потоков воды через зональные разрезы (8-16 Св) и ослабленный перенос тепла через разрезы по 36° с.ш. (0,47-0,70 ПВт) и 48° с.ш. (0,27-

0,53 ПВт). Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой при трехслойной моде МТЦ наблюдается в зоне между 24° и 36° с.ш.

4. Определена роль Лабрадорской водной массы в формировании долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод в пределах Северной Атлантики. Описан механизм воздействия ЛВМ на интенсивность МТЦ.

Установлено, что интенсивность формирования ЛВМ в море Лабрадор -ключевое звено в механизме внутренней изменчивости циркуляции Северной Атлантики. Проведенные оценки меридиональных переносов воды и рециркуляционной активности в регионе по данным трёх десятилетий указывают на то, что изменчивость глубокой конвекции в море Лабрадор не только играет важную роль в формировании режимов термохалинной циркуляции Северной Атлантики, но и отрицательно коррелирует с интенсивностью МТЦ.

Механизм влияния ЛВМ на МТЦ заключается в следующем. Уменьшение интенсивности формирования ЛВМ в море Лабрадор приводит к ослаблению рециркуляционной активности в промежуточном и глубинном слоях Северной Атлантики, что в свою очередь способствует увеличению меридионального переноса вод в этих слоях. Таким образом, ослабление конвекции в море Лабрадор в большой степени способствует установлению двухслойной термохалинной циркуляции и интенсификации МТЦ. Увеличение переноса вод в меридиональном направлении приводит к усиленному проникновению на север солёных вод в высокие широты в верхнем звене МТЦ, способствуя созданию благоприятных условий для развития глубокой конвекции в субарктическом регионе. Развитие глубокой конвекции в море Лабрадор приводит к увеличению объёмов, резкому опреснению и охлаждению ЛВМ. Данный процесс способствует интенсификации горизонтальной рециркуляции на промежуточных и глубинных горизонтах, формированию трёхслойной меридиональной циркуляции и ослаблению меридионального переноса вод Северной Атлантики. Это в свою очередь препятствует поступлению из низких

широт солёных вод, необходимых для поддержания процессов глубокой конвекции, провоцируя последующее ослабление образования ЛВМ.

5- Созданы карты-схемы потоков воды Северной Атлантики для 1950-х. 1980-х и 1990-х годов.

Выявлены значительные изменения динамики вод (изменения траекторий, направлений и интенсивности основных потоков) в Северной Атлантике между 1950-ми, 1980-ми и 1990-ми годами, а также на количественном уровне подтверждена достоверность концептуальных схем функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции. Показано, что динамические процессы в толще вод Северной Атлантики невозможно описать с помощью осредненных во времени количественных параметров и «статичных» схем меридиональной циркуляции. При проведении дальнейших исследований динамики атлантических вод необходимо учитывать такие факторы как значительная изменчивость условий формирования водных масс в районах глубокой конвекции и колебания интенсивности поступления арктических вод в субполярный регион.

В целом полученные в диссертации результаты вносят существенный вклад в развитие теории меридиональной термохалинной циркуляции вод Атлантического океана. В рамках работы качественно и количественно описано функционирование североатлантической ветви глобального океанского конвейера в контексте современных представлений об изменениях в климатической системе. Впервые на основе данных наблюдений получены доказательства существования изменчивости всей системы крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий.

Публикации автора по теме диссертации.

Соискатель имеет 123 опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 30 статей в рецензируемых журналах, из них 24 из списка ВАК и/или входящие Science Citation Index Expanded и 5 статей в сборниках научных работ.

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Добролюбов С.А., Терещенков В.П., Соков A.B. Сравнительный анализ характеристик водных масс на трансатлантическом разрезе по 36° с.ш. // Океанология. 1995. Т. 35. № 6. С. 811-823.

2. JIanno С.С., Соков A.B., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. Охлаждение и распреснение промежуточных и глубинных вод в северо-западной части Северной Атлантики в начале 90-х годов // Докл. Акад. наук. 1996. Т. 347. № 4. С. 548-551.

3. Соков A.B., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. 36 рейс НИС «Профессор Штокман» по международной программе WOCE в Северную Атлантику // Океанология. 1998. Т. 38. № 4. С. 629-632.

4. Koltermann K.P., Sokov A.V., Tereschenkov V.P., Dobroliubov S.A., Lorbacher К, Sy F. Decadal changes in the thermohaline circulation of the North Atlantic // Deep-Sea Research II. 1999. V. 46. P. 109-138.

5. Соков A.B., Шаповалов С.M., Добролюбов С.А. 15-й рейс НИС «Академик Сергей Вавилов» по международной программе WOCE в Северную Атлантику // Океанология. 2000. Т. 40. № 5. С. 791-793.

6. Соков A.B., Шаповалов С.М., Морозов Е.Г. 8-й рейс НИС «Академик Иоффе» по международной программе WOCE/CLIVAR в Атлантический океан // Океанология. 2001. Т. 41. № 3. С. 477-480.

7. JIanno С.С., Лозовацкий И.Д, Морозов Е.Г., Соков A.B., Шаповалов С.М. Изменчивость структуры вод экваториальной Атлантики // Докл. Акад. наук. 2001. Т. 379. № 5. С. 686-690.

8. Соков A.B., Морозов Е.Г., Шаповалов С.М., Бородкин С.О., Демидова Т.А. Структура вод в экваториальной Атлантике по данным трансатланти-ческого разреза 2000 г. // Океанология. 2002. Т. 42. № 1. С. 5-10.

9. Добролюбов С.А., Лаппо С.С., Морозов Е.Г., Соков A.B., Терещенков В.П., Шаповалов С.М. Структура вод в Северной Атлантике в 2001 г. по данным трансатлантического разреза по 53° с.ш.// Докл. Акад. наук. 2002. Т. 382. № 4. С. 543-546.

10. Добролюбов С.А., Соков A.B. Роль глубинных вод Северной Атлантики в изменчивости теплообмена океана и атмосферы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. № 6. С. 42-48.

И.Добролюбов С.А., Лаппо С.С., Морозов Е.Г., Писарев C.B., Соков A.B. Изменчивость водных масс в Северной Атлантике по данным гидрологических разрезов вдоль 60° с.ш. // Докл. Акад. наук. 2003. Т. 390. № 2. С. 255-259.

12. Добролюбов С.А., Лаппо С.С., Морозов Е.Г., Соков A.B. Перенос вод через разлом Чарли-Гиббс // Докл. Акад. наук. 2003. Т. 391. № 5. С. 689-691.

13. Фалина A.C., Сарафанов A.A., Соков A.B. К вопросу об обновлении Лабрадорской водной массы в бассейне Ирмингера // Океанология. 2007. Т. 47. № 4. С. 533-538.

14. Falina A., SarafanovA., SokovA. Variability and renewal of Labrador Sea water in the Irminger Basin in 1991-2004 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. CO 1006 doi:10.1029/2005JC003348.

15. SarafanovA., SokovA., Demidov A. Water mass characteristics in the equatorial North Atlantic: A section nominally 6.5° N, July 2000 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. С12023, doi: 10.1029/2007JC004222.

16. Sarafanov A., Sokov A., Demidov A., Falina A. Warming and salinification of intermediate and deep waters in the Irminger Sea and Iceland Basin in 1997-2006 // Geophys. Res. Letters. 2007. V. 34. L23609, doi: 10.1029/2007GL031074.

17. Сарафанов A.A., Демидов A.H., Соков A.B. О потеплении промежуточных и глубинных вод в экваториальной части Северной Атлантики // Метеорология и гидрология. 2008. № 3. С. 60-67.

18. Соков А.В., Гладышев С.В. 23-й научный рейс научно-исследовательского судна «Академик Иоффе» // Океанология. 2008. Т. 48. № 4. С. 804-806.

19. SarafanovA., Falina A., SokovA., Demidov A. Intense warming and salinification of intermediate waters of southern origin in the eastern subpolar North Atlantic in the 1990s to mid-2000s // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. C12022, doi: 10.1029/2008Jc004975.

20. Сарафанов A.A., Соков A.B., Фалина А. С. Потепление и осолонение Лабрадорской водной массы и глубинных вод в субполярной Северной Атлантике на 60° с.ш. в 1997-2006 гг. // Океанология. 2009. Т. 49. № 2 С 209221.

21. Sarafanov A., Falina A., Mercier #., Lherminier P., Sokov A. Recent changes in the Greenland-Scotland overflow-derived water transport inferred from hydrographic observations in the southern Irminger Sea // Geophys. Res. Letters. 2009. V. 36. LI 3606, doi: 10.1029/2009GL038385.

22. Sarafanov A., Falina A., Sokov A., Mercier H. Cessation and partial reversal of deep water freshening in the northern North Atlantic: Observation-based estimates and attribution // Tellus A Dynamic Meteorology and Oceanography. 2010. V. 62. Issue 1. P. 80-90.

23. SarafanovA., Falina A., Lherminier P., Mercier H„ SokovA., GourcuffC. Assessing decadal changes in the Deep Western Boundary Current transport of Cape Farewell (Greenland) from altimetry and hydrography // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. CI 1003, doi: 10.1029/2009JC005811.

24. SarafanovA., Falina A., SokovA., Lherminier P., Mercier H„ GourcuffC., Gladyshev S„ Gaillard F„ Daniault N. Mean full-depth summer circulation and transports at the northern periphery of the Atlantic Ocean in the 2000s // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. C01014, doi: 10.1029/2011JC007572.

Публикации в других журналах и сборниках:

25. Lappo S.S., Dobroliubov S.A., Sokov A.V., Tereschenkov V.P. Long-period changes in the intermediate and deep water circulation in the North Atlantic // ICES, C.M. 1994/C:10, 12 p.

26. Tereschenkov V.P., Sokov AV., Dobroliubov S.A. WHP section A3 across 36° N abord RV Professor Multanovskiy //1. WOCE Newsletter. 1995. V. 19. P. 25-27.

27. Dobroliubov S.A., Tereschenkov V.P., Sokov A.V. Water mass transport and heat flux Changes at 36° N in the Atlantic ocean // ICES, C.M. 1996a/0:l, 12 p.

28. Dobroliubov S.A., Tereschenkov V.P., Sokov A.V. Mass and heat fluxes at 36° N in the Atlantic: Comparison of 1993, 1981, and 1959 hydrographie surveys // I. WOCE Newsletter. 19966. V. 22. P. 34-37.

29. JIanno C.C., Соков A.B., Терещенков В.П., Добролюбов C.A. Океан и колебания климата // Российская наука: Выстоять и возродиться. М.: Наука, Физматлит, 1997. С. 245-251.

30. Sokov А. V., Tereschenkov V.P., Dobroliubov S.A. Cruise 36 of RV Professor Shtokman to the North Atlantic //1. WOCE Newsletter. 1998. V. 31. P. 39-40.

31. JIanno C.C., Гулев C.K., Добролюбов C.A., Морозов Е.Г., Соков A.B., Терещенков В.П., Шаповалов C.M. Северная Атлантика и ее влияние на климат Европы // Актуальные проблемы океанологии. М.: Наука, 2003. С. 8-59.

32. JIanno С.С., Добролюбов С.А., Лозовацкий И.Д., Морозов Е.Г., Соков A.B., Шаповалов С.М. Трансформация вод антарктического происхождения и меридиональный перенос в Атлантике к северу от экватора по данным квазизонального разреза 2000 года // Фундаментальные исследования океанов и морей. Кн. 1. М.: Наука, 2006. С. 15-33.

33. Сарафанов A.A., Фалина A.C., Соков A.B. Многолетние изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод субполярной Северной Атлантики: тенденции и причины // Морские испытания. 2008. № 1. С. 12-28.

34. Фалина A.C., Соков A.B., Сарафанов A.A. Изменчивость и формирование Лабрадорской водной массы в бассейне Ирмингера в 1991-2004 гг. // Комплексные исследования Мирового океана. Проект «Меридиан». Ч. 1. Атлантический океан. М.: Наука, 2008. С. 3-13.

35. Фалина A.C., Соков A.B., Добролюбов С.А., Демидов А.Н. Межгодовая изменчивость характеристик промежуточных и глубинных водных масс субполярной Северной Атлантики // Комплексные исследования Мирового океана. Проект «Меридиан». Ч. 1. Атлантический океан. М.: Наука, 2008. С. 14— 36.

Напечатано с готового оригинал-макета

Подписано в печать 29.08.2012 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 2,0. Тираж 150 экз. Заказ 321.

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 527 к. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891.

Содержание диссертации, доктора географических наук, Соков, Алексей Валентинович

Введение

1. Северная Атлантика: развитие представлений об изменчивости крупномасштабной структуры и циркуляции вод

1.1. Развитие теории меридиональной термохалинной циркуляции вод Атлантического океана

1.1.1. Развитие представлений о меридиональной циркуляции вод Атлантического океана до 1980-х гг.

1.1.2. Меридиональная циркуляция вод Атлантики в рамках концепции «глобального конвейера»

1.1.3. Современные схемы глобального конвейера и меридиональной циркуляции вод Северной Атлантики

1.2. Климатически значимые водные массы Северной Атлантики и их роль в меридиональной термохалинной циркуляции

1.2.1. Водные массы арктического происхождения

1.2.2. Лабрадорская водная масса

1.2.3. Водные массы южного происхождения

1.3. Выявленные тенденции долговременной изменчивости характеристик водных масс Северной Атлантики

1.4. Первые шаги в изучении долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики на основе данных наблюдений

1.4.1. Существующие оценки изменчивости переноса вод течениями Северной Атлантики в масштабе десятилетий

1.4.2. Необходимость развития концепции меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики в контексте представлений о современных изменениях климата

2. Материалы и методы исследования долговременной изменчивости структуры и циркуляции вод Северной Атлантики

2.1. Ограничения в использовании различных типов данных и численного моделирования для воспроизведения долговременной изменчивости структуры и циркуляции вод океана

2.2. Повторные наблюдения на океанографических разрезах как наиболее точный экспериментальный метод исследования климатическом изменчивости в океане

2.3. Описание используемого в исследовании массива океанологических данных

2.3.1. Структура массива используемых данных

2.3.2. Использованное оборудование и точность измерений

2.4. Метод получения количественных оценок полного потока вод через плоскость трансокеанского зонального разреза

2.5. Метод получения оценок меридионального переноса тепла через плоскость трансокеанского зонального разреза

2.6. Погрешности при оценке переноса воды и тепла через гидрологические разрезы

3. Построение научной концепции функционирования устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики

3.1. Количественные оценки изменений характеристик Лабрадорской водной массы и времени распространения климатических сигналов в Северной Атлантике по данным 1950-х - 1990-х гг.

3.1.1. Изменения температуры и солености Лабрадорской водной массы в Северной Атлантике по данным 1950-х - 1990-х гг.

3.1.2. Сравнение тенденций многолетних изменений характеристик Лабрадорской водной массы в районах гидрологических съемок и в море Лабрадор

3.1.3. Оценка времени распространения Лабрадорской водной массы в

Северной Атлантике

3.2. Количественные оценки долговременных изменений меридионального переноса воды и тепла через трансатлантические разрезы по 24,5°, 36° и 48°ш.

3.2.1. Послойное деление водных масс для проведения оценок изменчивости меридиональной термохалинной циркуляции на разрезах

3.2.2. Изменчивость переносов воды через разрезы по 24,5°, 36° и -48°ш. в масштабе десятилетий

3.2.3. Меридиональный перенос тепла через разрезы в Северной Атлантике

3.3. Разработка концептуальных схем функционирования устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики на основе полученных количественных оценок

3.4. Создание количественной схемы функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики и её анализ

3.4.1. Анализ количественной схемы режимов меридиональной термохалинной циркуляции по разрезам

3.4.2. Анализ количественной схемы меридиональной термохалинной циркуляции по периодам наблюдений

3.4.3. Изменчивость меридиональных потоков тепла и дивергенции потоков тепла между разрезами

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Долгопериодная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине 20-го века"

Настоящая диссертационная работа посвящена созданию непротиворечивой картины изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине XX века в рамках концепции «глобального океанского конвейера» [Лаппо, 1984; Broecker, 1991]. Данное исследование, выполненное автором в 1996 - 2001 годах послужило одним из этапов в развитии современных представлений о механизмах естественной изменчивости в пределах Северной Атлантики — ключевом климатообразующем регионе северного полушария.

Вплоть до 1980-годов существовало устойчивое мнение, что в промежуточных и глубинных слоях океана отсутствует значимая изменчивость параметров морской воды [Warren, 1981; Swift, 1984 Добролюбов, Соков, 2002]. Мировой океан рассматривался как стационарная во времени система, не подверженная значимым климатическим изменениям под воздействием природных и антропогенных факторов. В 1980-1990-х гг. впервые были получены убедительные доказательства существования временной изменчивости характеристик водных масс [Lazier, 1980; Talley and McCartney, 1982; Lazier, 1995; Dickson and Brown; 1994]. На первом этапе развитию представлений о климатической изменчивости в толще океана способствовали регулярные наблюдения на станциях погоды [см., напр., Lazier, 1980; Curry and McCartney, 1996]. Однако, определяющую роль в развитии теории естественной изменчивости водных масс сыграло проведение в 1990-1998 гг. повторных наблюдений на трансокеанских гидрологических разрезах в рамках крупнейшей международной программы по мониторингу вод океана -Эксперимента по изучению циркуляции вод Мирового океана (в английской транскрипции известной под аббревиатурой WOCE - World Ocean Circulation Experiment). Сопоставление данных, полученных сразу на нескольких широтных разрезах в Северной Атлантике, с более ранними измерениями показало, что в промежуточном и глубинном слоях океана происходят долговременные изменения как объёмов водных масс, так и их характеристик [Dickson et al., 2002; Koltermann et al., 1999; Lazier, 1995].

Изменения свойств водных масс (значительно превосходящие по величине точность определения параметров морской воды) были зарегистрированы не только в районах глубокой конвекции, где кратковременные климатические аномалии могут инициировать значимые изменения характеристик вод на больших глубинах, но и в транзитных» зонах океана, где промежуточные и глубинные водные массы имеют исключительно адвективное происхождение. Так, например, в Северной Атлантике в период между съёмками 1981 и 1992 гг. было выявлено значительное потепление 5 промежуточных и глубинных вод практически на всём протяжении разреза по 24° с.ш. [Lavin et al., 1994]. При этом наблюдаемое потепление вод на разрезе связывалось с глобальным изменением климата [Parrila et al., 1994]. В этот же период времени на более северных разрезах по 36°с.ш. и ~48° с.ш. было отмечено значительное опреснение и охлаждение промежуточных вод [Koltermann and Sy, 1994; Koltermann and Warrach, 1994; Добролюбов и др., 1995; Dobroliubov et al. 1996a,b; Tereschenkov et al., 1995].

Во время конференции ICES в Галифаксе в 1998 году один из ведущих специалистов по циркуляции вод океана Питер Колтерманн, подводя первые итоги полевой программы WOCE, отметил, что многие из зарегистрированных тенденций изменений характеристик водных масс Северной Атлантики противоречивы. Стало понятно, что разнонаправленные изменения температуры и солёности глубинных и промежуточных вод в разных бассейнах Северной Атлантики невозможно объяснить однонаправленным глобальным изменением климата (глобальным потеплением). В связи с этим научным сообществом впервые была поставлена задача выяснить возможные причины противоположных трендов изменения гидрологической структуры вод в различных районах Северной Атлантики.

Наряду с этим, к концу 1990-х годов, стало очевидным, что существующие схемы крупномасштабной циркуляции вод Атлантического океана обладают рядом существенных недостатков.

Накопленные к середине 1990-х гг. знания о функционировании «глобального конвейера» в целом, и циркуляции вод Северной Атлантики в частности, нашли отражение в работах Шмица [Schmitz and McCartney, 1993; Schmitz, 1995, 1996a,б]. Однако представленные карты и схемы (как и многие другие схемы циркуляции, разработанные в последующие годы, см. например, [Schott et al., 2004]) были созданы исходя из следующих положений: (1) пути распространения водных масс не меняют свое географическое положение, (2) расходы отдельных течений не подвержены значимой долговременной изменчивости и (3) интегральный перенос вод в системе меридиональной термохалинной циркуляции (МТЦ) постоянен в масштабе десятилетий. Таким образом, опираясь на данные схемы крупномасштабной циркуляции вод можно было предположить, что динамическая система Северной Атлантики находится в «статичном», стационарном состоянии и не «реагирует» на изменения в климатической системе планеты.

Этому противоречили первые оценки долгопериодной изменчивости расходов течений и интенсивности МТЦ в отдельных районах Северной Атлантики [напр., Bacon,

1998], полученные благодаря данным прямых наблюдений на разрезах. Данные результаты косвенно указывали на существование долговременной изменчивости динамики североатлантической ветви глобального конвейера.

Совокупность накопленных фактов, свидетельствующих о значительной изменчивости характеристик водных масс, расходов отдельных течений и интенсивности МТЦ в пределах Северной Атлантики позволили говорить о том, что схемы крупномасштабной циркуляции в данном регионе не отражают изменчивости динамики вод в масштабе десятилетий.

В целом, 1990-е годы стали переломными в развитии представлений о глобальной циркуляции вод Мирового океана и естественной изменчивости в системе океан-атмосфера. Благодаря проведению программы WOCE и развитию концепции «глобального конвейера», основанной на идее единства и взаимосвязанности течений Мирового океана [Лаппо, 1984; Broecker, 1987; Broecker, 1991], научным сообществом был поставлен ряд фундаментальных задач в области физической океанологии: (1) объяснить природу долговременной изменчивости характеристик вод в глубинных слоях океана, (2) выявить роль крупномасштабной циркуляции вод в изменениях свойств промежуточных и глубинных водных масс на временных масштабах от года до десятилетий и (3) количественно оценить долговременную изменчивость интенсивности меридионального переноса отдельных водных масс и МТЦ в целом.

Таковы были научные предпосылки исследования в рамках настоящей диссертации. Исходя из них, автором была сформулирована основная цель диссертационной работы. Она состоит в исследовании крупномасштабных динамических процессов в северной части Атлантического океана с точки зрения их долговременной изменчивости, построении концептуальных и количественных схем перераспределения воды и тепла в Северной Атлантике по данным наблюдений, полученным в разные десятилетия.

Сформулированная таким образом цель диссертации подразумевает, что автором должны быть найдены ответы на два важнейших вопроса: (1) каким образом «глобальный конвейер» взаимодействует с региональной многослойной циркуляцией вод Северной Атлантики, (2) какие именно изменения в системе меридиональной термохалинной циркуляции Атлантики происходят от десятилетия к десятилетию.

Решить поставленные задачи удалось на основе анализа прецизионных данных повторных наблюдений на квазиширотных и меридиональных гидрологических разрезах, обеспечивающих пересечение основных путей распространения всех климатически значимых водных масс Северной Атлантики. Сама возможность проведения такого исследования появилась благодаря тому, во второй полоне ХХ-го века Атлантический 7 океан был измерен от поверхности до дна и примерно равномерно по площади четыре раза: во время Международного геофизического года (1957-1959 гг.), во время программы GEOSECS (1973-1974 гг.), программы Long Lines в начале 1980-х годов и во время программы WOCE (1991-1998 гг.). Сравнительный анализ материалов высококачественных исторических разрезов и разрезов WOCE позволил впервые получить достоверные количественные оценки долговременных изменений характеристик водных масс и интегрального меридионального переноса воды и тепла в регионе.

Исследование в рамках диссертации было проведено в несколько этапов. На первом этапе были выявлены и количественно оценены долговременные изменения характеристик Лабрадорской водной массы в пределах Северной Атлантики на основе данных широтных и меридиональных разрезов и получены оценки времени распространения климатических сигналов в промежуточном слое вод Северной Атлантики. Это позволило выявить изменения траекторий распространения данной водной массы и определить её роль в системе меридиональной циркуляции Северной Атлантики. На втором этапе были разработан метод количественных оценок переносов воды и тепла через плоскость зонального трансатлантического разреза. Применение метода позволило получить количественные оценки долговременных колебаний интенсивности меридионального переноса воды и тепла через разрезы по 24.5°, 36°, -48° с.ш. и 60° с.ш. по данным 1950-х-1990-х гг. На третьем этапе исследование были разработаны не имеющие аналогов концептуальные схемы функционирования устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики, существенно дополняющие теорию меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики. На последнем этапе были разработаны карты пространственного распределения потоков воды, характеризующие состояние динамической системы Северной Атлантики в разные десятилетия: в конце 1950-х-начале 1960-х годов, в 1980-х годах и в первой половине 1990-х годов.

В результате проведенной работы получены убедительные доказательства долговременной изменчивости путей распространения водных масс и интенсивности меридионального переноса воды и тепла в системе североатлантической ветви «глобального конвейера». Выявленные пространственные и временные изменения динамики североатлантических вод указывают на существование относительно стабильных режимов циркуляции вод, сменяющих друг друга в масштабе десятилетий. Определена роль Лабрадорской водной массы (ЛВМ) в формировании долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод в пределах Северной Атлантики. 8

Описан механизм воздействия ЛВМ на интенсивность МТЦ. Установлено, что интенсивность формирования ЛВМ в море Лабрадор - ключевое звено в механизме внутренней изменчивости циркуляции Северной Атлантики. Проведенные оценки меридиональных переносов воды и рециркуляционной активности в регионе по данным трёх десятилетий указывают на то, что изменчивость интенсивности конвекционных процессов в море Лабрадор не только играет важную роль в формировании режимов термохалинной циркуляции Северной Атлантики, но и отрицательно коррелирует с интенсификацией МТЦ. В целом, результаты диссертационной работы позволяют пересмотреть сложившиеся взгляды на крупномасштабную циркуляцию вод Северной Атлантики как стационарную во времени систему, не подверженную значимой изменчивости в масштабе десятилетий.

В результате исследования автором сформулированы три основных вывода, которые вынесятся на защиту:

• положение о существовании режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики, определяющих долгопериодные колебания интенсивности меридионального переноса воды и тепла в системе североатлантической ветви «глобального конвейера»;

• положение о взаимосвязи между изменениями интенсивности формирования и распространения Лабрадорской водной массы и долговременными изменениями крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики.

Актуальность и научная значимость диссертации определяется ключевой ролью крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики в формировании изменений глобального климата. Установлено, что перенос вод и интенсивные процессы обмена на границе океан-атмосфера в северной части Атлантического океана определяют значительную долю естественной долгопериодной климатической изменчивости. Так как количество тепла, переносимое океанскими течениями Северной Атлантики на север (-1-1015 Вт), сопоставимо с меридиональным переносом тепла в атмосфере [Шипев, 2006], даже небольшие изменения интенсивности циркуляции вод в этом регионе могут способствовать формированию климатических аномалий в умеренных и высоких широтах Северного полушария.

В связи с этим, построение картины долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод в Северной Атлантике и количественная оценка изменений интенсивности меридионального переноса воды и тепла в течение последних десятилетий крайне необходимы для понимания причин современных климатических изменений и достоверного прогнозирования колебаний климатической системы в будущем.

• для дальнейших исследований физических механизмов, регулирующих естественные колебания циркуляционной системы Северной Атлантики;

• для объективных оценок межгодовой и сезонной изменчивости структуры и циркуляции вод в регионе ;

• для усовершенствования методов мониторинга долговременной изменчивости структуры и циркуляции вод в климатообразующих районах Мирового океана;

• для улучшения численных моделей циркуляции океанских вод и моделей взаимодействия океана и атмосферы;

• для построения прогностических оценок антропогенного влияния на климатическую изменчивость.

Выводы, сделанные в диссертационной работе, уже оказали влияние на процесс изучения гидрологических процессов в Северной Атлантике. В частности, результаты работы заставили пересмотреть подход к анализу океанографических данных при получении средних многолетних оценок циркуляции и характеристик водных масс Северной Атлантики. Раньше для получения средних оценок состояния толщи вод в Северной Атлантики пользовались данные, полученные в разные десятилетия (или произвольно выбранные периоды времени), без учета естественной цикличности в крупномасштабной динамической системе [см., напр., Ьог^ег е! а1., 1995]. После опубликования полученных в настоящей работе доказательств существования устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики, сменяющих друг друга в масштабе десятилетий [Koltermann et al., 1999], внимание ученых направлено на сравнительный анализ циркуляции вод Атлантики в периоды стабильного функционирования динамической системы [см. напр., Curry and McCartney, 2001; Häkkinen and Rhines, 2004] и получение средних оценок циркуляции вод в пределах одного десятилетия [Sarafanov et al. 2012]. Пришло понимание того, что осреднение данных о состоянии крупномасштабной динамической системы имеет смысл проводить только для тех периодов времени, в течение которых система не подвергалась радикальным изменениям, ведущим к смене многолетних трендов.

Все основные положения и результаты настоящей работы были подтверждены более поздними исследованиями на основе новых, более полных и совершенных массивов данных наблюдений. В частности, вывод о том, что изменчивость интенсивности конвекционных процессов в море Лабрадор играет важную роль в формировании мод термохалинной циркуляции Северной Атлантики и отрицательно коррелирует с интенсивностью МТЦ, нашел подтверждение в работах [Kieke and Rhein, 2006; Sarafanov et al., 2009]. Авторами этих публикаций было показано, что долговременные изменения переносов воды и тепла в системе Западного глубинного пограничного течения - важнейшего звена меридиональной циркуляции вод Атлантического океана - в 1950-х-2000-х годах происходили в противофазе с многолетними изменениями интенсивности глубокой зимней конвекции в море Лабрадор, которые, в свою очередь, связаны с Североатлантическим колебанием.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Соков, Алексей Валентинович

Общий вывод

Впервые получены количественные карты-схемы потоков североатлантических вод для трёх отдельных периодов: конца 1950-х - начала 1960-х гг., начала 1980-х гг. и первой половины 1990-х годов. Все предыдущие попытки сводились к построению одной схемы, в которой сводились все имеющиеся оценки расходов и балансов за разное время. Т.е. строилась средняя за все время измерений схема потоков.

В результате анализа количественных карт-схем потоков североатлантических вод для трёх десятилетий были выявлены следующие закономерности:

1) долговременная изменчивость циркуляции вод Северной Атлантики во всех слоях настолько велика (вплоть до резкого изменения траекторий и даже направлений основных потоков), что нельзя говорить о средней схеме циркуляции, построенной на основе сведения воедино всех имеющихся данных, полученных в разные периоды наблюдений;

2) зафиксированы не только изменения термохалинных характеристик основных водных масс Северной Атлантики, но и значительные изменения особенностей их циркуляции в масштабе десятилетий. Полученные результаты опровергают вывод комиссии экспертов ЮНЕСКО о том, что «существуют изменения свойств ключевых водных масс, однако доказательств изменения циркуляции вод океана нет» [1РСС, 2007, раздел 5, стр. 387];

3) существует тесная связь между долговременной изменчивостью пространственной картины распределения потоков североатлантических вод и сменой выявленных ранее режимов меридиональной термохалинной циркуляции;

4) наибольшая изменчивость циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий наблюдается между 36° и 48° с.ш., т. е. в области взаимодействия субполярного и субтропического круговоротов;

5) важную роль в формировании изменений интенсивности МТЦ играют колебания интенсивности поступления в субарктическую Атлантику вод арктического происхождения.

1980-е годы характеризуются выраженной двухслойной вертикальной структурой потоков. Преобладают вертикальные переносы, их величина превосходит переносы в горизонтальной плоскости. Наблюдается классическая ячейка меридиональной циркуляции: конвергенция потоков происходит в полосе широт между 48° и 60° с.ш. и дивергенция потоков в полосе широт между 24° и 36° с.ш. Во всех слоях особенно в глубинном и придонном преобладают меридиональные переносы. Фактически нет классической циркуляционной системы в слое ЛВМ, а в ЗГПТ поток направлен на север.

Для 1950-х и 1990-х годов во всех слоях характерно преобладание рециркуляций в горизонтальной плоскости. Это сопровождается максимальной интенсификацией потоков в слое ЛВМ (особенно в 1990-е годы) и преобладающей дивергенцией потоков на севере и конвергенции на юге (особенно в 1950-е годы). В 1990-х годах в слое ЛВМ наблюдается мощная струя вдоль западного слоя САХ, никогда ранее не указывавшаяся ни на одной из схем циркуляции.

Одним из основных результатов настоящей работы является установление существования значительной долговременной изменчивости циркуляции Северной Атлантики во второй половине XX века. Полученные результаты говорят о том, что по крайней мере часть выявленной изменчивости в динамической системе генерируется в пределах Северной Атлантики, в том числе в результате изменений интенсивности зимней конвекции в море Лабрадор. Впервые предложен сценарий регулирования интенсивности глобальной меридиональной термохалинной циркуляции в результате ее взаимодействия с промежуточными водами Северной Атлантики, имеющими локальное происхождение.

Дальнейшие исследования, основанные на более совершенных массивах гидрологических данных, возможно, помогут прояснить вопрос о других природных механизмах, формирующих изменчивость динамики вод в пределах Северной Атлантики. Пока остается неясным вопрос о соотношении внешнего воздействия на циркуляцию Северной Атлантики путем изменения притока вод из арктического бассейна и интенсивности взаимодействия субполярного или субтропического круговоротов.

4.6. Построение общей картины изменчивости циркуляции вод Северной Атлантики в масштабах десятилетий в соответствии с концепцией существования двух режимов меридиональной термохалинной циркуляции

Общая теория долговременной изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики в контексте концепции «глобального конвейера» была разработана автором на основе следующих результатов:

1) на полученных количественных оценках пространственной и временной изменчивости термохалинных характеристик промежуточных вод в Северной Атлантике и результатах их сравнения с изменениями свойства ядра ЛВМ в море Лабрадор;

2) на основе схем распространения лабрадорских вод в Северной Атлантике, разработанных автором, и оценках времени распространения ЛВМ до различных бассейнов региона в периоды охлаждения и потепления данной водной массы;

3) на основе полученных в работе количественных оценок пространственно-временной изменчивости переносов воды и тепла через трансатлантичские разрезы, оценок вертикального водообмена между слоями в толще вод Северной Атлантики;

4) на основе полученных автором концептуальных схем функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики;

5) с помощью количественных оценок интенсивности рециркуляционных круговоротов в пределах Северной Атлантики;

6) на основе разработанных карт пространственного распределения потоков североатлантических вод для четырёх слоев и трёх десятилетий.

Все полученные результаты можно обобщить следующим образом:

1. На внешних границах исследуемого региона Северной Атлантики (на разрезах по 24° и 60° с.ш.) существует долгопериодная изменчивость интенсивности МТЦ, обусловленная колебаниями интенсивности переноса донных вод арктического происхождения на севере и ААДВ на юге. Эта изменчивость в сочетании с процессами внутри Северной Атлантики приводит к формированию, по крайней мере, двух устойчивых режимов функционирования меридиональной термохалинной циркуляции.

2. Во второй половине XX века меридиональная термохалинная циркуляция Северной Атлантики дважды сменила режим своего функционирования. В 1950-е и 1990-е годы наблюдался трёхслойный режим циркуляции, характеризующийся замедлением МТЦ. В 1980-х годах наблюдался двухслойный режим циркуляции с максимальной интенсификацией МТЦ. Зафиксированные во всех слоях изменения крупномасштабной циркуляции вод в пределах Северной Атлантики в масштабе десятилетий настолько велики, что говорить о средней схеме циркуляции вод в данном регионе нецелесообразно.

3. Смена режимов функционирования МТЦ Северной Атлантики тесно связана с многолетней изменчивостью интенсивности конвекции в субарктическом регионе и изменениями локальной циркуляции промежуточных вод. Установлено, что интенсивное образование ЛВМ (в 1990-е и 1950-е годы) способствовало интенсификации потоков в промежуточном слое и рециркуляционной активности, в которую вовлекались воды из выше- и нижележащих слоев. Это в свою очередь приводило к изолированности субполярного и субтропического круговоротов, увеличению градиентов динамических высот между ними и, в результате, к ослаблению меридиональных переносов вод (снижению интенсивности МТЦ). В 1980-х годах наблюдалась обратная ситуация: ослабление образования ЛВМ, снижение рециркуляционной активности и увеличение переносов вод в меридиональном направлении в верхнем и глубинном слоя Северной Атлантики. Выявленный механизм регулирования интенсивности МТЦ позволил выдвинуть предположение о возможности существования третьего режима меридиональной циркуляции Северной Атлантики. Данный сценарий заключается в следующем. В условиях суровой зимы в море Лабрадор развивается аномально глубокая конвекции (до глубин более 2000 м) и формируются ЛВМ, плотность которой достигает значений, характерных для глубинных североатлантических вод арктического происхождения (оо>27.80 кг/м). В этом случае вновь образованные плотные лабрадорские воды проникнут в нижней лимб глобального конвейера, что приведет к ослаблению динамических процессов в промежуточном слое и будет способствовать увеличению переноса вод в нижнем звене МТЦ. Это в свою очередь, приведет к усилению компенсационного потока тёплых вод в верхнем слое Северной Атлантики. Данный сценарий интенсификации МТЦ пока не наблюдался и остается гипотетическим.

4. Одним из локальных механизмов воздействия на МТЦ является взаимодействие между океаном и атмосферой внутри Северной Атлантики. Проведенные оценки МПТ и дивергенции потоков тепла показывают, что при интенсификации МТЦ в 1980-е годы в

165 период преобладания меридиональных движений взаимодействие океана и атмосферы в Северной Атлантике происходит севернее 36° с.ш. Максимально интенсивное взаимодействие наблюдается в полосе широт между 36° и 48° с.ш., между 48° и 60° с.ш оно также достаточно велико. В периоды же ослабленной МТЦ (1950-е и 1990-е годы) и резкого преобладания рециркуляций и усиления круговоротов, при ослабленном меридиональном переносе вод наибольшее взаимодействие наблюдается в субтропиках между 24° и 36° с.ш. Этот результат принципиально важен для оценки роли переноса тепла, связанного с субтропическим круговоротом [Talley, 2003] и его соотношения с МПТ, связанного с МТЦ, т.е. образованием САГВ. Это связано и с полученным нами несоответствием классическому представлению о МТЦ расположением апвелингов и даунвелингов воды в Северной Атлантике в 1950-х и 1990-х годах. Обычно считается, что МПТ, связанный с термохалинной циркуляцией, существенно преобладает в Северной Атлантике [Bryden and Imawaki, 2001; Talley, 2003], а перенос тепла, связанный с субтропическим круговоротом, преимущественное значение имеет в Тихом океане, где образование собственных глубинных вод не происходит. Результаты настоящей работы показывают, что вклад этих составляющих в общий МПТ в Северной Атлантике меняется от десятилетия к десятилетию. В 1980-х годах резко преобладает, МПТ, связанный с образованием САГВ, а роль субтропического круговорота в МПТ очень мала. В 1950-х и 1990-х годах значительно (в несколько раз) возрастает роль переноса тепла, связанного с субтропическим круговоротом.

Механизм взаимодействия океана и атмосферы в Северной Атлантике очень важен, т.к. Северная Атлантика является глобальной энергоактивной зоной Мирового океана [Лаппо и др., 2003]. Расчеты показывают, что изменчивость потоков воды на границе исследуемой области больше изменчивости МПТ. Основная изменчивость МПТ наблюдается внутри Северной Атлантики, и реализоваться эта внутренняя изменчивость может только при взаимодействии с атмосферой.

В целом же локальные процессы в Северной Атлантике не могут остановить работу глобального конвейера. Образуется ЛВМ или не образуется, МТЦ продолжает функционировать с собственной изменчивостью. Образование или не образование ЛВМ приводит только к возникновению дополнительной изменчивости, обусловленной уже взаимодействием глобального океанского конвейера с локальной многослойной циркуляцией Северной Атлантики.

В завершении главы приведу подробное описание характерных черт двух режимов циркуляции вод в Северной Атлантике, выявленных с помощью разработанных карт-схем потоков и концептуальной схемы функционирования североатлантической ветви МТЦ.

Двухслойный режим МТЦ начала 1980-х годов

В начале 1980-х гг. в Северной Атлантике наблюдался двухслойный режим меридиональной циркуляции вод. Данный тип циркуляции был зафиксирован в период ослабленной зимней конвекции в море Лабрадор. Для данного типа МТЦ характерны: (1) наиболее интенсивные меридиональные потоки вод в глубинном и поверхностном слоях и ослабленный перенос вод в промежуточном слое, (2) сниженная рециркуляционная активность во всех плотностных слоях без исключения.

На северной границе региона, на разрезе по 60° с.ш., поток глубинных вод арктического происхождения достигал наибольшей за весь период наблюдений величины - 8,9 Св. Южнее, между 60° и 36° с.ш., данный поток усиливался за счет вовлечения холодных вод промежуточного слоя и на 24° с.ш. достиг 23,8 Св.

В начале 1980-х гг. на южной границе региона наблюдался наиболее интенсивный приток ААДВ (6,5 Св) в придонном слое. Однако, вследствие апвеллинга в полосе широт между 24° и 36° с.ш., большая часть этого потока не достигла разреза по 36° с.ш. В верхнем слое на южной границе региона отмечался наименее интенсивный приток тёплых вод с Гольфстримом (37 Св). Однако перенос вод с данным течением усиливался по мере движения на север за счет мощного притока вод из рециркуляционного круговорота и апвеллинга вод из нижележащих горизонтов между 24° и 36° с.ш. На 60° с.ш. мощность Северо-Атлантического течения достигала величины 18,3 Св.

Для данного состояния МТЦ характерны высокие значения полного потока вод через разрезы (17 - 20 Св) и усиленный перенос тепла на разрезах по 36° с.ш. (1,3 ПВт) и 48° с.ш. (0,62 ПВт). При этом наибольшее взаимодействие между океаном и атмосферой также наблюдается именно между этими широтами. Величина дивергенции МПТ составляет 0,67 ПВт, что в три раза больше аналогичной величины в полосе широт между 24° и 36° с.ш. В то же время потоки тепла на границе океан-атмосфера в субтропическом круговороте минимальны (0,19 ПВт). В полном соответствии с дивергенциями МПТ наблюдается апвеллинг вод в субтропической зоне (3,7 Св) и мощный даунвеллинг вод в умеренных (7,1 Св) и субполярных областях (7,8 Св), т.е. классический вариант МТЦ при образовании САГВ. Тёплые поверхностные воды отдают тепло на севере, опускаются, вовлекая с собой воды промежуточного слоя, и уже между 48° и 36° с.ш. формируется единый и мощный поток САГВ.

Процессы внутри области взаимодействия двух круговоротов приводят к усилению внешнего сигнала на границе и интенсификации МТЦ. Циркуляция вод во всех слоях явно несёт отпечаток преобладания меридиональных потоков над рециркуляциями и вертикальных потоков над горизонтальными.

В верхнем слое входящие с севера холодные воды не циркулируют внутри субполярного круговорота, а в основном вовлекаются в нижележащие горизонты и усиливают нижний лимб МТЦ. Минимальный входящий поток тёплых вод с юга максимально уходит на север. Рециркуляции минимальны везде в Северной Атлантике. Полярный фронт смещен на запад. Вследствие сжатия субполярного круговорота отсутствует меандр Северо-Атлантического течения на 48° с.ш. и тёплые воды напрямую проникают в северные широты.

В промежуточном слое фактически нет циркуляционной системы. Циркуляция в Северной Атлантике в слое ЛВМ в это десятилетие разбивается на ряд фрагментов. Имеет место классический путь распространения ЛВМ на восток из моря Лабрадор со струями на север и на юг. Однако, уже практически на 48° с.ш. все эти струи заканчиваются дивергенцией, весь слой ЛВМ к 36° с.ш. вовлекается в нижележащий горизонт. На 36° с.ш. фактически уже сформирована САГВ. Яркой и очень важной чертой является небольшой (1-3 Св), но устойчивых поток в слое ЛВМ в системе ЗГПТ направленный на север, т.е. противоположно классической схеме циркуляции.

Циркуляция в глубинном и придонном слоях в 1980-е годы характеризуется ярко выраженными потоками в меридиональном направлении без рециркуляций.

Трёхслойный режим МТЦ конца 1950-х - начала 1960-х и 1990-х гг.

В конце 1950-х - начале 1960 гг. и в первой половине 1990-х годов в Северной Атлантике наблюдался трёхслойный режим меридиональной циркуляции вод, обусловленный интенсивной глубокой конвекцией в море Лабрадор и ослабленным поступлением глубинных вод арктического происхождения на северной границе региона. Для данного режима циркуляции североатлантических вод характерны: (1) ослабленные переносы вод в глубинном и поверхностном слоях и наибольший по величине перенос вод в промежуточном слое, (2) повышенная рециркуляционная активность во всех плотностных слоях.

Самым важным элементом трёхслойной ячейки циркуляции является мощный слой промежуточных вод, сформированный за счет инъекций больших объёмов ЛВМ из моря Лабрадор. ЛВМ распространяется несколькими струями в южном направлении вплоть до

24° с.ш. Расходы воды в слое ЛВМ максимальны на всех широтах: 8,1 Св на 60° с.ш., 7,4 Св на 48° с.ш. и 6,4 Св на 36° с.ш. Эти оценки сопоставимы с оценками переносов вод в глубинном слое: 5,3 Св, 8,1 Св и 8,3 Св, соответственно.

Интенсификации потоков в слое ЛВМ в 1990-е и в конце 1950-х гг. соответствует наибольшая по величине рециркуляционная активность. Прежде всего, это характерно для первой половины 1990-х годов в районе 36° и 48° с.ш., т.е. в районах наибольшего распространения ЛВМ. В глубинном и верхнем слоях, где наблюдаются наименее интенсивные потоки, рециркуляционная активность также повышена по сравнению с началом 1980-х годов. Таким образом, интенсивное образование ЛВМ ведет не только к интенсификации меридиональных переносов в промежуточном слое, но и к повышению рециркуляционной активности практически во всей толще североатлантических вод. Развитие рециркуляционных круговоротов приводит к сохранению объёмов воды в пределах локальных горизонтальных ячеек циркуляции, гомогенизации водных масс внутри них, увеличению горизонтальных градиентов между круговоротами и ослаблению МТЦ.

Меридиональные потоки в верхнем и глубинном слоях ослаблены, их величины были наименьшими за весь период наблюдений. Хотя перенос вод с Гольфстримом на южной границе исследуемого региона составлял около 50 Св, при движении на север интенсивность данного течения уменьшалась и вследствие этого мощность СевероАтлантического течения не превышала 13-14 Св. Уменьшение переноса при движении на север происходило за счет мощного даунвеллинга между 24° и 36° с.ш. (7,8 Св и 4,1 Св для конца 1950-х и 1990-х годов, соответственно) и оттока вод в рециркуляционные круговороты (около 30 Св). В районе 48° с.ш. наблюдался большой меандр СевероАтлантического течения вследствие расширения субполярного круговорота и смещения Полярного фронта на восток.

В конце 1950-х - начале 1960 гг. и в первой половине 1990-х годов вертикальный водообмен в динамической системе Северной Атлантики сильно ослаблен по сравнению с началом 1980-х гг. Характер вертикального водообмена отличается от устоявшихся представлений о МТЦ. Между 24° и 36° с.ш. наблюдается мощный даунвеллинг вод, между 48° и 36° с.ш. - слабый апвеллинг вод (~1 Св)., а между 48° и 60° с.ш - слабый даунвеллинг между промежуточными и глубинными слоями (~1 Св).

В целом можно сказать, что циркуляция североатлантических вод в 1950-е и 1990-е гг. во всех слоях несёт отпечаток преобладания горизонтальных (рециркуляционных) потоков над вертикальными.

Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой в данные периоды происходило в полосе широт между 24° и 36° с.ш. Дивергенция МПТ здесь составляет 0,91 ПВт и 0.84 ПВт, соответственно, что в четыре раза больше, чем поток тепла из океана в атмосферу между 36° и 48° с.ш. Процессы внутри области взаимодействия двух круговоротов приводят к ослаблению внешнего сигнала на границе и ослаблению МТЦ.

Заключение

Ниже сформулированы основные результаты диссертационной работы и полученные выводы. Они состоят в следующем:

1. Выявлены тенденции и причины долговременных изменений свойств Лабрадорской водной массы в пределах Северной Атлантики, произведены оценки времени распространения данной водной массы до различных бассейнов региона для периодов многолетнего охлаждения и потепления.

Установлено, что долговременные изменения температуры и солёности в промежуточном слое практически на всей акватории Северной Атлантики были согласованы и обусловлены изменениями гидрологических условий и процессами взаимодействия океана и атмосферы в море Лабрадор. Выявлены две общие противоположные тенденции изменчивости термохалинных характеристик ЛВМ в1950-х-1990-х гг.: (1) потепление лабрадорских вод, сопровождавшееся осолонением в западной части Северной Атлантики в период между концом 1950-х и началом 1980-х гг. и (2) охлаждение и опреснение ЛВМ между началом 1980-х и серединой 1990-х гг.

Установлено, что климатические сигналы охлаждения или потепления, обусловленные изменениями в море Лабрадор, распространяются по акватории Северной Атлантики неравномерно (вдоль определенных траекторий и с разной задержкой во времени). Выявленные различия интенсивности изменений термохалинных характеристик промежуточных вод на различных участках трансатлантических разрезов позволили восстановить пространственную картину путей распространения ЛВМ и оценить скорости распространения данной водной массы для периодов многолетнего охлаждения и потепления. Установлено, что время распространения ЛВМ во время её охлаждения примерно на 2—3 года меньше времени её распространения во время периода потепления. Разработка схем циркуляции ЛВМ по данным разных десятилетий позволила выявить существование в 1990-х гг. ранее неизвестного пути распространения данной водной массы в южном направлении вдоль западного склона САХ. Это говорит о значительных изменениях крупномасштабной циркуляции промежуточных вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий.

2. Даны количественные оценки долговременных колебаний интенсивности меридионального переноса воды и тепла через трансатлантические разрезы по 24.5°, 36°, -48° с.ш. и 60° с.ш. в период между концом 1950-х и серединой 1990-х гг.

Создание уникального массива высокоточных данных наблюдений на трансатлантических разрезах в Северной Атлантике, охватывающего 1950-е - 1990-е гг., и применение новых методов расчетов полных потоков воды и тепла через плоскость разреза позволило создать непротиворечивую количественную картину изменений интенсивности меридиональных потоков вод в Северной Атлантике в разные десятилетия. Были выявлены значительные вариации интенсивности переносов вод во всех плотностных слоях на разрезах по 36° и -48° с.ш., что позволило впервые обосновать положение о периодических изменениях состояния меридиональной термохалинной циркуляции вод в регионе.

3. Разработаны не имеющие аналогов концептуальные схемы устойчивых режимов меридиональной термохалинной циркуляции вод Северной Атлантики для разных десятилетий.

На основании совместного анализа оценок переносов воды и тепла через трансатлантические разрезы и особенностей динамики лабрадорских вод в разные десятилетия установлено, что с конца 1950-х по середину 1990-х гг. в Северной Атлантике произошла смена двух устойчивых режимов функционирования МТЦ.

Двухслойный режим МТЦ был выявлен по данным 1980-х годов. Для этого состояния меридиональной циркуляции характерны: (1) интенсивный перенос вод на север в верхнем слое, (2) интенсификация поступления глубинных вод арктического происхождения через пороги Датского пролива и (3) ослабленное формирование ЛВМ в море Лабрадор. Данный режим циркуляции характеризуется высокими значениями полного потока вод через разрезы (17 - 20 Св) и усиленным переносом тепла через разрезы по 36° с.ш. (1,3 ПВт) и 48° с.ш. (0,62 ПВт). Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой при двухслойном режиме МТЦ наблюдается в зоне между 36° с.ш. и 48° с.ш.

Трёхслойный режим МТЦ Северной Атлантики имел место в конце 1950-х и в первой половине 1990-х гг. Для данного режима МТЦ характерны: (1) ослабленный перенос вод на север в верхнем слое, (2) уменьшение вклада СЗГВ в образование комплекса глубинных североатлантических вод, (3) интенсификация образования ЛВМ в море Лабрадор, (4) усиленное проникновение ААДВ в умеренные широты. Для данного состояния динамической системы Северной Атлантики характерны низкие значения полных потоков воды через зональные разрезы (8-16 Св) и ослабленный перенос тепла через разрезы по 36° с.ш. (0,47- 0,70 ПВт ) и 48° с.ш. (0,27-0,53 ПВт). Наиболее интенсивное взаимодействие между океаном и атмосферой при трёхслойном режиме МТЦ наблюдается в зоне между 24° с.ш. и 36° с.ш.

Установлено, что интенсивность формирования ЛВМ в море Лабрадор - ключевое звено в механизме внутренней изменчивости циркуляции Северной Атлантики. Проведенные оценки меридиональных переносов воды и рециркуляционной активности в регионе по данным трёх десятилетий указывают на то, что изменчивость интенсивности конвекционных процессов в море Лабрадор не только играет важную роль в формировании режимов термохалинной циркуляции Северной Атлантики, но и отрицательно коррелирует с изменениями МТЦ.

Механизм влияния ЛВМ на МТЦ заключается в следующем. Уменьшение интенсивности формирования ЛВМ в море Лабрадор приводит к ослаблению рециркуляционной активности в промежуточном и глубинном слоях Северной Атлантики, что, в свою очередь способствует увеличению меридионального переноса вод в этих слоях. Таким образом, ослабление конвекции в море Лабрадор в большой степени способствует установлению двухслойной моды термохалинной циркуляции и интенсификации МТЦ. Увеличение переноса вод в меридиональном направлении приводит к усиленному проникновению на север солёных вод в высокие широты в верхнем звене МТЦ, способствуя созданию благоприятных условий для развития глубокой конвекции в субарктическом регионе. Развитие глубокой конвекции в море Лабрадор приводит к увеличению объёмов, резкому опреснению и охлаждению ЛВМ. Данный процесс способствует интенсификации горизонтальной рециркуляции на промежуточных и глубинных горизонтах, формированию трёхслойной моды меридиональной циркуляции и ослаблению меридионального переноса вод Северной Атлантики. Это, в свою очередь, препятствует поступлению из низких широт солёных вод, необходимых для поддержания процессов глубокой конвекции, провоцируя последующее ослабление образования ЛВМ.

5. Созданы карты-схемы потоков воды Северной Атлантики для 1950-х, 1980-х и 1990-х годов.

Карты потоков североатлантических вод для трёх десятилетий в верхнем, промежуточном, глубинном и придонном слоях разработаны на основе количественных оценок меридионального переноса воды через разрезы, оценок интенсивности рециркуляции, а также оценок вертикального водообмена между слоями. Построенные карты-схемы выявили значительные изменения динамики вод (изменения траекторий, направлений и интенсивности основных потоков) в Северной Атлантике между 1950-ми, 1980-ми и 1990-ми годами, а также на количественном уровне подтвердили достоверность концептуальных схем функционирования режимов меридиональной термохалинной циркуляции. Таким образом, показано, что динамические процессы в толще вод Северной Атлантики невозможно описать с помощью осредненных во времени количественных параметров и «статичных» схем меридиональной циркуляции. При проведении дальнейших исследований динамики атлантических вод необходимо учитывать такие факторы как значительная изменчивость условий формирования водных масс в районах глубокой конвекции и колебания интенсивности поступления арктических вод в субполярный регион.

6. Построена общая картина изменчивости крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине XX века в соответствии с концепцией существования двух режимов меридиональной термохалинной циркуляции.

На внешних границах исследуемого региона Северной Атлантики (на разрезах по 24° и 60° с.ш.) существует долгопериодная изменчивость интенсивности МТЦ, обусловленная колебаниями интенсивности переноса донных вод арктического происхождения на севере и ААДВ на юге. Эта изменчивость в сочетании с процессами внутри Северной Атлантики приводит к формированию, по крайней мере, двух устойчивых режимов функционирования меридиональной термохалинной циркуляции.

Во второй половине XX века меридиональная термохалинная циркуляция Северной Атлантики дважды сменила режим своего функционирования. В 1950-е и 1990-е годы наблюдалась трёхслойная мода циркуляции, характеризующаяся замедлением МТЦ. В 1980-х годах наблюдалась двухслойная мода циркуляции и максимальная интенсификация МТЦ. Зафиксированные во всех слоях изменения крупномасштабной циркуляции вод в пределах Северной Атлантики в масштабе десятилетий настолько велики, что говорить о средней схеме циркуляции вод в данном регионе нецелесообразно.

Смена режимов функционирования МТЦ Северной Атлантики тесно связана с многолетней изменчивостью интенсивности конвекции в субарктическом регионе и изменениями локальной циркуляции промежуточных вод. Установлено, что интенсивное образование ЛВМ (в 1990-е и 1950-е годы) способствовало интенсификации потоков в промежуточном слое и рециркуляционной активности, в которую вовлекались воды из выше- и нижележащих слоев. Это в свою очередь приводило к изолированности субполярного и субтропического круговоротов, увеличению градиентов динамических высот между ними и, в результате, к ослаблению меридиональных переносов вод (снижению интенсивности МТЦ). В 1980-х годах наблюдалась обратная ситуация: ослабление образования ЛВМ, снижение рециркуляционной активности и увеличение переносов вод в меридиональном направлении в верхнем и глубинном слоя Северной Атлантики. Выявленный механизм регулирования интенсивности МТЦ позволил выдвинуть предположение о возможности существования третьего режима меридиональной циркуляции Северной Атлантики. Данный сценарий заключается в следующем. В условиях суровой зимы в море Лабрадор развивается аномально глубокая конвекции (до глубин более 2000 м) и формируются ЛВМ, плотность которой достигает значений, характерных для глубинных североатлантических вод арктического происхождения (со>27.80 кг/м3). В этом случае вновь образованные плотные лабрадорские воды проникнут в нижней лимб глобального конвейера, что приведет к ослаблению динамических процессов в промежуточном слое и будет способствовать увеличению переноса вод в нижнем звене МТЦ. Это в свою очередь, приведет к усилению компенсационного потока тёплых вод в верхнем слое Северной Атлантики. Данный сценарий интенсификации МТЦ пока не наблюдался и остается гипотетическим.

Одним из локальных механизмов воздействия на МТЦ является взаимодействие между океаном и атмосферой внутри Северной Атлантики. Проведенные оценки МПТ и дивергенции потоков тепла показывают, что при интенсификации МТЦ в 1980-е годы в период преобладания меридиональных движений взаимодействие океана и атмосферы в

Северной Атлантике происходит севернее 36° с.ш. Максимально интенсивное взаимодействие наблюдается в полосе широт между 36° и 48° с.ш., между 48° и 60° с.ш оно также достаточно велико. В периоды же ослабленной МТЦ (1950-е и 1990-е годы) и резкого преобладания рециркуляций и усиления круговоротов, при ослабленном меридиональном переносе вод наибольшее взаимодействие наблюдается в субтропиках между 24° и 36° с.ш. Этот результат принципиально важен для оценки роли переноса тепла, связанного с субтропическим круговоротом [Talley, 2003] и его соотношения с

175

МПТ, связанного с МТЦ, т.е. образованием САГВ. Это связано и с полученным нами несоответствием классическому представлению о МТЦ расположением апвелингов и даунвелингов воды в Северной Атлантике в 1950-х и 1990-х годах. Обычно считается, что МПТ, связанный с термохалинной циркуляцией, существенно преобладает в Северной Атлантике [Bryden and Imawaki, 2001; Talley, 2003], а перенос тепла, связанный с субтропическим круговоротом, преимущественное значение имеет в Тихом океане, где образование собственных глубинных вод не происходит. Результаты настоящей работы показывают, что вклад этих составляющих в общий МПТ в Северной Атлантике меняется от десятилетия к десятилетию. В 1980-х годах резко преобладает, МПТ, связанный с образованием САГВ, а роль субтропического круговорота в МПТ очень мала. В 1950-х и 1990-х годах значительно (в несколько раз) возрастает роль переноса тепла, связанного с субтропическим круговоротом.

В целом полученные в диссертации результаты представляют собой существенный вклад в развитие теории меридиональной термохалинной циркуляции вод Атлантического океана. В рамках работы качественно и количественно описано функционирование североатлантической ветви глобального конвейера в контексте современных представлений об изменениях в климатической системе. Впервые на основе данных наблюдений получены доказательства существования изменчивости всей системы циркуляции вод Северной Атлантики в масштабе десятилетий.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Добролюбов С. А., Терещенков В.П., Соков А.В. Сравнительный анализ характеристик водных масс на трансатлантическом разрезе по 36° с.ш. // Океанология. 1995. Т. 35. № 6. С. 811-823.

2. Jlanno С.С., Соков А.В., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. Охлаждение и распреснение промежуточных и глубинных вод в северо-западной части Северной Атлантики в начале 90-х годов // Докл. Акад. наук. 1996. Т. 347. № 4. С. 548-551.

3. Соков А.В., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. 36 рейс НИС «Профессор Штокман» по международной программе WOCE в Северную Атлантику // Океанология. 1998. Т. 38. № 4. С. 629-632.

4. Koltermann К.Р., Sokov A.V., Tereschenkov V.P., Dobroliubov S.A., Lorbacher K., Sy F. Decadal changes in the thermohaline circulation of the North Atlantic // Deep-Sea Research II. 1999. V. 46. P. 109-138.

5. Соков A.B., Шаповалов C.M., Добролюбов С.А. 15-й рейс НИС «Академик Сергей Вавилов» по международной программе WOCE в Северную Атлантику // Океанология. 2000. Т. 40. № 5. С. 791-793.

6. Соков А.В., Шаповалов С.М., Морозов Е.Г. 8-й рейс НИС «Академик Иоффе» по международной программе WOCE/CLIVAR в Атлантический океан // Океанология. 2001. Т. 41. №3. С. 477-480.

7. Лаппо С.С., Лозовацкий И.Д., Морозов Е.Г., Соков А.В., Шаповалов С.М. Изменчивость структуры вод экваториальной Атлантики // Докл. Акад. наук. 2001. Т. 379. № 5. С. 686-690.

8. Соков А.В., Морозов Е.Г., Шаповалов С.М., Бородкин С.О., Демидова Т.А. Структура вод в экваториальной Атлантике по данным трансатлантического разреза 2000 г. // Океанология. 2002. Т. 42. № 1. С. 5-10.

9. Добролюбов С.А., Лаппо С.С., Морозов Е.Г., Соков А.В., Терещенков В.П., Шаповалов С.М. Структура вод в Северной Атлантике в 2001 ' г. по данным трансатлантического разреза по 53° с.ш. // Докл. Акад. наук. 2002. Т. 382. №4. С. 543-546.

10. Добролюбов С.А., Соков А.В. Роль глубинных вод Северной Атлантики в изменчивости теплообмена океана и атмосферы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2002. № 6. С. 42-48.

11. Добролюбов С.А., JIanno С.С., Морозов Е.Г., Писарев С.В., Соков А.В. Изменчивость водных масс в Северной Атлантике по данным гидрологических разрезов вдоль 60° с.ш. // Докл. Акад. наук. 2003. Т. 390. № 2. С. 255-259.

12. Добролюбов С.А., Лаппо С.С., Морозов Е.Г., Соков А.В. Перенос вод через разлом Чарли-Гиббс//Докл. Акад. наук. 2003. Т. 391. № 5. С. 689-691.

13. Фалина А.С., Сарафанов А.А., Соков А.В. К вопросу об обновлении Лабрадорской водной массы в бассейне Ирмингера // Океанология. 2007. Т. 47. № 4. С. 533-538.

14. Falina A., Sarafanov A., Sokov A. Variability and renewal of Labrador Sea water in the Irminger Basin in 1991-2004 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. C01006, doi: 10.1029/2005JC003348.

15. Sarafanov A., Sokov A., Demidov A. Water mass characteristics in the equatorial North Atlantic: A section nominally 6.5° N, July 2000 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. C12023, doi: 10.1029/2007JC004222.

16. Sarafanov A., Sokov A., Demidov A., Falina A. Warming and saliniflcation of intermediate and deep waters in the Irminger Sea and Iceland Basin in 1997-2006 // Geophys. Res. Letters. 2007. V. 34. L23609, doi: 10.1029/2007GL031074.

17. Сарафанов А.А., Демидов A.H., Соков A.B. О потеплении промежуточных и глубинных вод в экваториальной части Северной Атлантики // Метеорология и гидрология. 2008. № 3. С. 60-67.

19. Sarafanov A., Falina A., Sokov A., Demidov A. Intense warming and salinification of intermediate waters of southern origin in the eastern subpolar North Atlantic in the 1990s to mid-2000s // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. C12022, doi:10.1029/2008Jc004975.

20. Сарафанов A.A., Соков A.B., Фалина A.C. Потепление и осолонение Лабрадорской водной массы и глубинных вод в субполярной Северной Атлантике на 60° с.ш. в 1997-2006 гг. // Океанология. 2009. Т. 49. № 2. С. 209-221.

21. Sarafanov A., Falina A., Mercier Н., Lherminier P., Sokov A. Recent changes in the Greenland-Scotland overflow-derived water transport inferred from hydrographic observations in the southern Irminger Sea // Geophys. Res. Letters. 2009. V. 36. LI3606, doi: 10.1029/2009GL03 83 85.

23. Sarafanov A., Falina A., Lherminier P., Mercier H., Sokov A., Gourcuff C. Assessing decadal changes in the Deep Western Boundary Current transport of Cape Farewell (Greenland) from altimetry and hydrography // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. CI 1003, doi: 10.1029/2009JC005811.

24. Sarafanov A., Falina A., Sokov A., Lherminier P., Mercier H., Gourcuff C., Gladyshev S., Gaillard F., Daniault N. Mean full-depth summer circulation and transports at the northern periphery of the Atlantic Ocean in the 2000s // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. C01014, doi: 10.1029/2011JC007572.

Публикации в других журналах и сборниках:

25. Lappo S.S., Dobroliubov S.A., Sokov A.V., Tereschenkov V.P. Long-period changes in the intermediate and deep water circulation in the North Atlantic // ICES, C.M. 1994/C:10, 12 pp.

26. Tereschenkov V.P., Sokov А.У., Dobroliubov S.A. WHP section A3 across 36° N abord RV Professor Multanovskiy //1. WOCE Newsletter. 1995. V. 19. P. 25-27.

27. Dobroliubov S.A., Tereschenkov V.P., Sokov A.V. Water mass transport and heat flux Changes at 36° N in the Atlantic ocean // ICES, C.M. 1996a/0:l, 12 pp.

28. Dobroliubov S.A., Tereschenkov V.P., Sokov A.V. Mass and heat fluxes at 36° N in the Atlantic: Comparison of 1993, 1981, and 1959 hydrographic surveys // I. WOCE Newsletter. 19966. V. 22. P. 34-37.

29. JIanno C.C., Соков A.B., Терещенков В.П., Добролюбов С.А. Океан и колебания климата // Российская наука: Выстоять и возродиться. М.: Наука, Физматлит, 1997. С. 245-251.

30. Sokov А.V., Tereschenkov V.P., Dobroliubov S.A. Cruise 36 of RV Professor Shtokman to the North Atlantic //1. WOCE Newsletter. 1998. V. 31. P. 39-40.

31. Лаппо С.С., Гулев С.К., Добролюбов С.А., Морозов Е.Г., Соков А.В., Терещенков В.П., Шаповалов С.М. Северная Атлантика и ее влияние на климат Европы // Актуальные проблемы океанологии. М.: Наука, 2003. С. 8-59.

32. Лаппо С.С., Добролюбов С.А., Лозовацкий И.Д., Морозов Е.Г., Соков A.B., Шаповалов С.М. Трансформация вод антарктического происхождения и меридиональный перенос в Атлантике к северу от экватора по данным квазизонального разреза 2000 года // Фундаментальные исследования океанов и морей. Кн. 1. М.: Наука, 2006. С. 15-33.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Соков, Алексей Валентинович, Москва

1. Добровольский А.Д., 1947: Водные массы северной части Тихого океана // Дисс. МГУ.

2. Добровольский А.Д., 1961: Об определении водных масс // Океанология. Том. 1. вып. 1. с. 12-24.

3. Добролюбов С.А., 1987: К вопросу о водообмене Тихого и Индийского океанов через моря Индонезии // В сб.: Структура вод и водные массы, М., с. 90 98.

4. Добролюбов С.А., Терещенков В.П., Соков А.В., 1995: Сравнительный анализ характеристик водных масс на трансатлантическом разрезе по 36° с.ш. // Океанология. Том 35. №6. с. 817-823.

5. Добролюбов, Соков, 2002: Роль глубинных вод Северной Атлантики в изменчивости теплообмена океана и атмосферы // Вестник МГУ, сер. география, 2002. № 6, с.42-48.

6. Добролюбов С.А., 2007: Меридиональная и межокеанская циркуляция вод океанов // в сбор.: Водные массы океанов и морей (к 100-летию А.Д. Добровольского), Макс-пресс, с.34-54

7. JIanno С.С., 1984: К вопросу о причинах адвекции тепла на север через экватор в Атлантическом океане // Исследование процессов взаимодействия океана и атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, с. 125-129.

8. Лаппо С.С., Гулев С.К., Добролюбов С.А., Морозов Е.Г., Соков А.В., Терещенков В.П., Шаповалов С.М., 2003: Северная Атлантика и ее влияние на климат Европы // Актуальные проблемы океанологии. М.: Наука, под ред., Лаверова Н.П., с. 8-59

9. Мамаев О.И., 1962: Т,8-анализ движущихся водных масс океана, ограниченных по вертикали // Океанология. Том II, вып. 2. с. 193-204.

10. Мамаев О.И., 1963: Океанографический анализ в системе a-S-T-p // Изд. МГУ, М., 228 с.

11. Мамаев О.И., 1966: Широтная трансформация водных масс океана в свете теории T,S-кривых // Океанология. Том VI. Вып. 3. с. 399-407

12. Мамаев О.И., 1969: Обобщенные Т,8-диаграммы водных масс Мирового океана // Океанология. Том IX. Вып. 1. с. 63-70.

13. Мамаев О.И., 1970: Т,8-анализ вод Мирового океана // Гидрометеоиздат, Ленинград, 364 с.

14. Мамаев О.И. Физическая океанография. Избранные труды. Изд. ВНИРО, 2000, 364 с.

15. Полонский А.Б. Роль океана в современных колебаниях климата // Мор. Гидрофиз. Журн., 2001, №6, с. 32-58.

16. Сарафанов А.А., 2009: Механизм воздействия Североатлантического колебания на температуру и соленость промежуточных и глубинных вод субполярной Северной Атлантики // Метеорология и гидрология, №3, с. 65-73.

17. Соков А.В., Гладышев С.В., 2008: 23-й научный рейс научно-исследовательского судна «Академик Иоффе» // Океанология, т. 48, № 5, с. 804-806.

18. Терещенков В.П., Андреев А.О., 1993: Меридиональный перенос тепла через 36°с.ш. в Атлантике // Метеорология и гидрология, 1993, N8,c.63-73.

19. Штокман В.Б., 1943: Основы теории 0,8-кривых как метода изучения перемешивания и трансформации водных масс // Проблемы Арктики, №1.

20. Штокман В.Б., 1944: Геометрические свойства 0,8-кривых при смешении трех водных масс в неограниченном море // ДАН СССР, т. XIII, №8.

21. AchutaRao, К.М. et al., 2006: Variability of ocean heat uptake: Reconciling observations and models//J. Geophys. Res., Ill, C05019, doi:10.1029/2005JC003136.

22. Antonov, J. I., 1993: Linear trends of temperature at intermediate and deep layers of the North Atlantic and the North Pacific Oceans: 1957-1981 // J. Climate, 6, 1928-1942

23. Appenzeller C., Stocker T.F. and Schmittner A., 2000: Natural climate change in the North-Atlantic European region: chance for surprise? // Integrated Assessment, V.I., pp. 301-306

24. Arhan, M., H. Mercier, B. Bourles, and Y. Gouriou, 1998: Hydrographic sections across the Atlantic at 7°30TSi and 4°30'S // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, V. 45 (6), pp. 829-872.

25. Baggesgaard-Rasmussen and Jacobsen J.P., 1930: Contribution to the hydrography of the waters around Greenland in the year 1925 // Meddelelser fra Kommissionen for Haverundersoglser. Serie Hydrografi. Band II. No 10. Copenhagen.

26. Bacon S., W. J. Gould, and Y. Jia, 2003: Open-ocean convection in the Irminger Sea // Geophys. Res. Lett., 30(C5), 1246, doi: 10.1029/2002GL016271

27. Bacon, S., 1998: Decadal variability in the outflow from the Nordic seas to the deep Atlantic Ocean //Nature, V. 394, pp. 871-874.

28. Bacon S. and Saunders P.M., 2010: The Deep Western Boundary Current at Cape Farewell: results from a moored current meter array // J. Phys. Oceanogr., V. 40, pp. 815-829.

29. Bailey H.S., 1953: The voyage of the Challenger // Scientific American, reprinted in J. Robert Moore, Editor, 1971, Oceanography Some Perspectives, W.H. Freeman and Company, San Francisco, CA, p. 20-24.

30. Bennett A.F., 1978: Poleward heat fluxes in Southern hemisphere oceans // J.Phys. Ocean, 1978, v.8, N5, p. 785-798.

31. Bentsen M, Drange H., Furevik T., Zhou T., 2004: Simulated variability of the Atlantic meridional overturning circulation // Climate Dynamics, V. 22, pp. 701-720.

32. Bersch, M., 2002: North Atlantic Oscillation induced changes of the upper layer circulation in the northern North Atlantic Ocean // J. Geophys. Res., V. 107, 3156, doi:10.1029/ 2001JC000901.

33. Bersch, M., Yashayaev, I. and Koltermann, K. P., 2007: Recent changes of the thermohaline circulation in the subpolar North Atlantic // Ocean Dynamics, V. 57, pp. 223-235.

34. Bingham, F.M. and L.D. Talley, 1991: Estimates of Kuroshio transport using an inverse technique // Deep-Sea Res., V. 38, pp. 21-45.

35. Boning, C.W.; Bryan, F.O.; Holland, W.R. and Doscher, R„ 1996: Deep-water formation and meridional overturning in a high-resolution model of the North Atlantic // Journal of Physical Oceanography, 26,1142-1164,

36. Boning C.W. and Semtner A. J., 2001: High-Resolution Modelling of the Thermohaline and Wind-Driven Circulation // International Geophysics, V. 77, pp. 59-77.

37. Boning, C. W., M. Scheinert, J. Dengg, A. Biastoch, and A. Funk, 2006: Decadal variability of subpolar gyre transport and its reverberation in the North Atlantic overturning // Geophys. Res. Lett., 33, L21S01, doi:10.1029/2006GL026906.

38. Brennecke,W., 1921: Die ozeanographischen Arbeiten der Deutschen Antarktischen Expedition 1911-1912 ("Deutschland") // Deutsche Seewarte, Archiv, Hamburg, 1921, Bd.39, Nr.l, 216 pp.

39. Broecker, W.S. Peng, T.-H., 1982: Tracers in the Sea // Eldigio Press, Palisades, New York, 690 pp.

40. Broecker W.S., Peng T.H., Ostlund G., Stuiver M., 1985: The distribution of bomb radiocarbon in the ocean // J.Geophys. Res., V. 90, N C4, pp.6953-6970.

41. Broecker, W.S., 1987. The biggest chill // Natural History Magazine. 97, 74-82.

42. Broecker W.S., 1991: The great ocean conveyor // Oceanography, V. 4, N2, p.79-89.

43. Bruce, J.G. ,1995: Eddies southwest of the Denmark Strait // Deep-Sea Res., Part I, 42, №1,13-29.

44. Bryden H.L., Roemmich D.H., Church J.A., 1991: Ocean heat transport across 24°N in the Pacific // Deep-Sea Res., V.38, N3, p.297-324.

45. Bryden, H. L., M. J. Griffiths, A. M. Lavin, R. C. Millard, G. Parrilla and W. Smethie, 1996: Decadal changes in water mass characteristics at 24°N in the subtropical North Atlantic Ocean // Journal of Climate, 9,3162-3186.

46. Bryden, H. L., and S. Imawaki, 2001: Ocean heat transport // In: Ocean Circulation and Climate, edited by G. Siedler, J. Church and J. Gould, Academic Press, 455-474.

47. Bryan K., 1962: Measurements of meridional heat transport by ocean currents // Jour. Geoph. Res.,V. 67, №9, pp.3403-3414.

48. Buch E., 1990: A monograph on the physical environment of Greenland waters // Greenland Fisheries Research Institute Report, 405 pp.

49. Carpenter W.B., 1877: Report on the Physical Investigations carried out by P.H. Carpenter in H.M.S. Valorous during her return voyage from Disco Island in August 1875 // Proceedings Royal Society. Vol. 25, pp 230-237.

50. Clarke R.A., Gascard J.C., 1983: The formation of Labrador Sea water. Part I: Large-scale processes // J.Phys.Ocean., v.13, N10, pp.1764-1778.

51. Cunningham S.A., Haine T.W.N., 1995: Labrador Sea Water in the Eastern North Atlantic. Part I: a synoptic circulation inferred from a minimum in potential vorticity // Jour. Phys. Ocean., V. 25, №4, pp. 649-665.

52. Curry, R.G., M.S. McCartney, and T.M. Joyce, 1998: Linking subtropical deep water climate signals to North Atlantic subpolar convection variability // Nature, 391, 575 -577.

53. Curry, R. G., and M. S. McCartney, 1996: Labrador Sea water carries northern climate signal south // Oceanus, 39(2), 24 28.

54. Curry R. G. and McCartney M. S., 2001: Ocean Gyre circulation changes associated with the North Atlantic Oscillation // Jour. Phys. Oceanogr., Vol. 31., pp. 3374-3400.

55. Curry, R., R. R. Dickson and I. Yashayaev, 2003: A change in the fresh water balance of the Atlantic over the past four decades // Nature, 426(6968), 826-829.

56. Defant A., 1929: Dynamische Ozeanographie, Berlin.

57. Dengler, M., J. Fischer, F. A. Schott, and R. Zantopp, 2006: Deep Labrador Current and its variability in 1996-2005 // Geophys. Res. Lett., 33, L21S06, doi: 10.1029/2006GL026702.

58. Deser C., and Blackmon M.L., 1993: Surface climate variations over the North Atlantic during winter: 1900-1989 // Jour. Clim., V. 6, pp. 1743-1753.

59. Dickson R.R., and Brown J., 1994: The production of North Atlantic Deep Water: Sources, rates and pathways // Journal of Geophysical Research, 99, C6, pp. 231912341.

60. Dickson R.R., Lazier, J., Meincke, J., Rhines, P. and Swift, J., 1996: Long-term coordinated changes in the convective activity of the North Atlantic // Prog. Oceanogr. 38, 241-295.

61. Dickson R., Yashayaev I., Meincke J., Turrell B., Dye S. and Holfort J., 2002: Rapid freshening of the deep North Atlantic Ocean over the past four decades // Nature, Vol. 416, pp.832-837.

62. Dietrich, G., 1969: Atlas of the Hydrography of the Northern North Atlantic Ocean, Based on the Polar Front Survey of the International Geophysical Year, Winter and Summer 1958 // Conseil International pour 1'ExpIoration de la Mer, 140 pp.

63. Dietrich G., K. Kalle, W. Krauss, and G. Siedler, 1980: General Oceanography: An Introduction. 2d ed. John Wiley and Sons, 626 pp.

64. Dobroliubov S.A., Tereschenkov V.P.,Sokov A.V., 1996: Mass and heat fluxes at 36° N in the Atlantic: comparison of 1993, 1981 and 1959 hydrographic surveys // Int. WOCE Newslett., N 22. pp. 34-37.

65. Doney S.C. and Jenkins W.J., 1994: Ventilation of the Deep Western Boundary Current and abyssal western North Atlantic: estimates from tritium and 3He distributions // Jour. Phys. Oceanogr. Vol. 24, pp. 638-659.

66. Ellis, H., 1751: A letter to the Rev. Dr. Hales, F.R.S. from Captain Henry Ellis, F.R.S. dated Jan. 7, 1750-51, at Cape Monte Africa, Ship Earl of Halifax // Philosophical Transactions of the Royal Society of London 47, pp. 211-214.

67. Falina A., Sarafanov A., Sokov A., 2007: Variability and renewal of Labrador Sea Water in the Irminger basin in 1991-2004 // Jour, of Geophys. Res., 112, C01006, doi: 10.1029/2005JC003348.

68. Fogelqvist E., Blindheim J., Tanhua T., Osterhus S., Buch E., Rey F., 2003: Greenland-Scotland overflow studied by hydro-chemical multivariate analysis // Deep-Sea Res. I., 2003, V.50, pp. 73-102.

69. Folland, C. K., et al., 2001: Global temperature change and its uncertainties since 1861 // Geophys. Res. Lett., 28,2621- 2624.

70. Foster T.D. and Carmack E.C., 1976: Frontal zone mixing and Antarctic Bottom Water formation in the southern Weddell Sea // Deep-Sea Research, V. 23, pp. 301-317.

71. Ganachaud A. and Wunsch C, 2000: Improved estimates of global ocean circulation, heat transport and mixing from hydrographic data // Nature, Vol. 408, pp. 453-456.

72. Gascard J.C., Clarke R.A., 1983: The formation of Labrador Sea water. Part II: Mesoscale and smaller-scale processes // Jour. Phys. Oceanogr., 1983, V.13, pp. 17791797.

73. Girton J.B. and Sanford T.B., 2003: Descent and Modification of the Overflow Plume in the Denmark Strait // J. Phys. Oceanogr., 33,1351-1364.

74. Gordon, A.L., 1986: Interocean exchange of thermocline water // Journal of Geophysical Research 91(C4), 5037-5046.

75. Gouretski, V. V., and K. Jancke, 2001: Systematic errors as the cause for an apparent deep water property variability: Global analysis of the WOCE and historical hydrographic data // Prog. Oceanogr., 48,337- 402.

76. Gouretski V.V. and Koltermann K.P., 2007: How much is the ocean really warming? // Geophys. Res. Lett., 34, L01610, doi:10.1029/2006GL027834.82.

Информация о работе

Соков, Алексей Валентинович
доктора географических наук
Москва, 2012
ВАК 25.00.28

Диссертация

Долгопериодная изменчивость крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики во второй половине 20-го века - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы