Структура и изменчивость океанических фронтальных зон: анализ глобальной спутниковой информации

Казьмин, Александр Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Структура и изменчивость океанических фронтальных зон: анализ глобальной спутниковой информации
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Структура и изменчивость океанических фронтальных зон: анализ глобальной спутниковой информации"

На правах рукописи

Казьмин Александр Сергеевич

СТРУКТУРА И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОКЕАНИЧЕСКИХ ФРОНТАЛЬНЫХ ЗОН: АНАЛИЗ ГЛОБАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 25.00.28 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

г О МАР 2014

Москва-2014

005546159

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, доцент Костяной Андрей Геннадьевич Официальные оппоненты:

Грузииов Владимир Михайлович, доктор географических наук, профессор, заместитель Директора по научной работе Федерального государственного бюджетного учреждения "Государственный океанографический институт им. H.H. Зубова"

Хан Валентина Моисеевна, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения "Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации"

Шарков Евгений Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Отделом исследования Земли из космоса Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института космических исследований Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»", Географический факультет

Защита диссертации состоится « 20 » мая 2014 г. в 14 час. 00 мин. на заседании Диссертационного Совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997 Москва, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН и на сайте Института http://ocean.ru/disser/.

Автореферат разослан О 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических нау Цг^/Ту////У Шшзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Крупномасштабные океанические фронтальные зоны (ОФЗ) климатического происхождения и фронтальные зоны прибрежных климатических апвеллингов являются важнейшими элементами структуры и общей циркуляции Мирового океана, поддерживаемыми глобальным перераспределением потоков тепла и количества движения. Долгопериодная изменчивость ОФЗ интегрально отражает процессы взаимодействия океана и атмосферы и изменения климата. Сами ОФЗ служат важным звеном в механизмах формирования декадной климатической изменчивости океана и в цепи передачи энергии по каскаду масштабов от элементов глобальной океанической циркуляции до мелкомасштабных явлений. В связи с этим изучение долгопериодной (квазидекадной) изменчивости ОФЗ является актуальной океанологической задачей.

ОФЗ также являются областями высокой биопродуктивности и имеют важное рыбопромысловое значение. Фронтальные зоны климатических апвеллингов представляют естественные границы прибрежных экосистем и оказывают на них существенное влияние. Последнее крайне актуально для жизнедеятельности населения прибрежных регионов (промысел морепродуктов, поддержание биоразнообразия, сохранение окружающей среды).

Основная цель исследования - изучить долгопериодную (квазидекадную) изменчивость основных климатических ОФЗ Мирового океана (субполярных, субтропических, экваториальных), фронтальных зон прибрежных климатических апвеллингов, а также пространственно-устойчивых (в климатическом плане) фронтов и поля температуры поверхности ряда внутренних морей на основе анализа глобальных спутниковых измерений температуры поверхности океана (ТПО) и установить связь этой изменчивости с крупномасштабными атмосферными воздействиями. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

идентифицировать на них крупномасштабные ОФЗ и установить циклы их сезонной изменчивости.

2. Построить временные ряды основных характеристик ОФЗ (максимума меридионального градиента зонально осредненной ТПО и его широтного положения) в Мировом океане и провести сравнительный анализ их долгопериодной изменчивости.

3. Установить связь вариаций основных ОФЗ с долгопериодной изменчивостью крупномасштабного атмосферного воздействия,

4. Получить на основе простой одномерной модели однородного перемешанного слоя оценки меридионального фронтогенеза, обусловленного изменчивостью потоков тепла и количества движения на сезонном и межгодовом масштабах и сравнить их с реально наблюдавшимися скоростями фронтогенеза.

5. Изучить особенности структуры, изменчивости и фронтогенеза системы фронтальных зон Бенгельского апвеллинга в районе побережья Намибии.

6. Провести детальное исследование декадного сдвига режима интенсивности системы Канарского апвеллинга в начале 1990-х гг. по спутниковым данным о ТПО и оценить его влияние на биопродуктивность.

7. Описать систему фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей и исследовать межгодовую изменчивость участка фронта Куросио в Восточно-Китайском море и ее связь с изменчивостью системы Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК).

8. Исследовать сезонную и межгодовую изменчивость пространственно-устойчивых термических фронтов и поля температуры поверхности моря (ТПМ) в Черном и Эгейском морях и их связь с изменчивостью крупномасштабных атмосферных процессов (Северо-Атлантическое колебание - САК, Восточно-Атлантическое - Западно-Русское колебание - ВАЗР).

Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые

на защиту:

1. Показано, что сезонная изменчивость климатических ОФЗ проявляется в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Максимум интенсивности субполярных ОФЗ достигается летом соответствующего полушария, а субтропических - синхронно в обоих полушариях (зимой

Северного полушария). Ядра субтропических ОФЗ в обоих полушариях синхронно смещаются к югу/северу зимой/летом Северного полушария, что связано с сезонным меридиональным смещением области максимума конвергенции экмановского переноса.

2. Установлено, что все субполярные и субтропические ОФЗ в Мировом океане обнаруживают хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 7-10 лет) изменчивость, проявляющуюся в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Усиление градиента ТПО сопровождается смещением ядер зон к северу в обоих полушариях для субполярных и к полюсам для субтропических ОФЗ. Амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО в ОФЗ в Северном полушарии в 2-3 раза выше, чем в Южном.

3. Обнаружено, что долгопериодная изменчивость интенсивности субполярных и субтропических ОФЗ с высокой достоверностью положительно коррелирована с долгопериодными вариациями аномалий меридионального сдвига зональной компоненты ветра. Интенсивность субполярной ОФЗ в Северной Атлантике также положительно коррелирована с изменчивостью САК.

4. Подтверждено, что сезонная и межгодовая изменчивость фронтогенеза в климатических ОФЗ средних широт в первом приближении определяется меридиональной изменчивостью экмановского воздействия и суммарного теплового потока на поверхности и может быть рассчитана в рамках простой одномерной модели однородного перемешанного слоя.

5. Показано, что период изменчивости северной экваториальной ОФЗ Тихого океана составляет 4-5 лет и определяется изменчивостью системы ЭНЮК. Во время событий Эль-Ниньо происходит резкое уменьшение интенсивности экваториальной ОФЗ.

6. Установлено, что долгопериодная изменчивость системы Канарского апвеллинга проявляется как декадный сдвиг режима интенсивности апвеллинга от ослабленного в 1980-х гт. к очень интенсивному в 1990-х гг., который связан с долгопериодной изменчивостью меридиональной компоненты ветра, обусловленной вариациями САК, и может влиять на биопродкутивность системы.

7. Показано, что участок фронтальной зоны Куросио на границе Восточно-Китайского моря испытывает межгодовую изменчивость с периодами, соответствующими периоду колебаний системы ЭНЮК (4-5 лет).

8. Обнаружено, что изменчивость интенсивности фронта в северо-западной части Черного моря отрицательно коррелирована с изменчивостью осредненной по акватории среднезимней ТПМ, которая контролируется изменчивостью САК.

Практическое значение. Полученные фактические результаты относительно долгопериодной изменчивости океанических фронтальных зон и ее связи с атмосферным воздействием могут быть использованы для верификации и совершенствования моделей климатических изменений общей циркуляции океана и взаимодействия в системе океан-атмосфера в целях улучшения долгосрочных прогнозов. Поскольку ОФЗ и климатические апвеллинги являются областями высокой биопродуктивности и естественными границами морских экосистем, данные об их долгопериодной изменчивости могут использоваться при решении практических вопросов, связанных с промыслом морепродуктов, сохранением биоразнообразия, охраной окружающей среды.

Достоверность результатов проведенных исследований определяется использованием регулярных исходных спутниковых данных высокого разрешения о ТПО, рассчитанных по единым для всего Мирового океана и временного интервала современным алгоритмам; применением адекватных методов обработки исходных данных; корректной оценкой статистической значимости полученных корреляций в условиях коротких рядов; хорошей сопоставимостью модельных оценок фронтогенеза с наблюдениями; соответствием полученных результатов имеющимся литературным данным.

Личный вклад автора. Соискателем лично:

- собраны многолетние массивы глобальных спутниковых измерений ТПО и метеоданных, послужившие фактической основой выполненного исследования;

- выполнена обработка первичных данных, получены и проанализированы среднемноголетние и среднемесячные карты распределения локального градиента ТПО в Мировом океане и многолетние ряды характеристик изменчивости основных ОФЗ и атмосферного воздействия;

- проведен корреляционный анализ связей между интенсивностью и меридиональным положением ядер фронтальных зон и меридиональным сдвигом зональной компоненты ветра, на основании которого получены выводы о роли атмосферного воздействия в формировании долгопериодной изменчивости ОФЗ;

- получено фронтогенетическое уравнение для оценки скоростей продукции меридионального градиента ТПО, обусловленных различными факторами и проведено сравнение модельных и наблюдавшихся скоростей фронтогенеза;

- принималось непосредственное участие в получении всех использованных в работе натурных судовых данных;

- написана основа большинства статей, опубликованных в соавторстве; представлены на конференциях и научных семинарах результаты выполненных по теме диссертации исследований.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации докладывались на семинарах Лаборатории экспериментальной физики океана и заседаниях Ученого совета Физического направления ИО РАН; на семинарах в Морском университете Циндао (КНР, 1989-90); в Центре космических полетов им. Годдарда/NASA (США, 1993-94); в Институте исследования глобальных изменений/FRONTIER Research System for Global Change (Япония, 1998-99); в Португальском институте рыболовства и океанографии (IPIMAR, Лиссабон, 2003); в Греческом институте океанографии (Афины, 2005, 2006, 2007); в университете Жироны (Испания, 2010, 2012); на заседании кафедры океанологии Географического факультета МГУ (2013); совместном заседании семинара и научно-технического совета Отдела исследования Земли из космоса ИКИ РАН (2013); семинаре Отдела долгосрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России (2013).

Материалы представлялись также на следующих российских и международных конференциях: международный Льежский коллоквиум по гидродинамике океана (Бельгия, 1992); PORSEC-92 (Япония, 1992), PORSEC-98 (КНР, 1998), PORSEC-2002 (Индонезия, 2002); симпозиум Океанографического общества США по тихоокеанскому бассейну (Гонолулу, 1994); международный симпозиум TRIANGLE-98 (Япония, 1998); рабочая группа/симпозиум ЕС-Япония по изменениям климата (Япония, 1999); 24-я Генеральная ассамблея EGS

(Нидерланды, 1999); PACON99 (Москва, 1999); Генеральная ассамблея IUGG (Великобритания, 1999); 4-я португальско-испанская ассамблея по геодезии и геофизике (Португалия, 2004); международные конференции Комиссии по защите Черного моря от загрязнения (Стамбул, 2006; София, 2008); Генеральная ассамблея EGU (Австрия, 2006, 2012); международная конференция «Проблемы биологической океанографии XXI века» (ИНБЮМ, Севастополь, 2006); международный симпозиум по влиянию изменений климата на Мировой океан (Испания, 2008); 39-й Конгресс SIESM (Венеция, 2010); Открытая всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" ИКИ РАН (Москва, 2008, 2009, 2011, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 23 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертаций, 11 статей в изданиях, не упомянутых в списке ВАК, 19 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка использованных источников. Объем тома 310 страниц, включая 101 рисунок и 9 таблиц. Список литературы включает 231 наименование, в том числе 165 на иностранных языках.

Благодарности. Автор, в первую очередь, искренне признателен академику РАН Р.И. Нигматулину за его мягкое, но настойчивое предложение оформить результаты многолетних исследований автора в виде докторской диссертации, что дало уверенность в осуществимости проекта. Автор глубоко благодарен д.ф.-м.н. А.Г. Зацепину и д.ф.-м.н. А.Г. Костяному за ценные советы и консультации и моральную поддержку на протяжении всего времени работы над диссертацией. Автор также благодарен член-корреспонденту РАН В.Г. Нейману, член-корреспонденту РАН С.К. Гулеву, член-корреспонденту РАН С.А. Добролюбову, д.г.н. П.О. Завьялову, д.ф.-м.н. К.А. Коротенко, д.ф.-м.н. Г.И.Баренблатту, д.ф.-м.н. О.В. Копелевичу, д.ф.-м.н. В.И. Бышеву, д.г.н. А.Н. Косареву, д.б.н. Т.А. Шигановой, д.ф.-м.н. Г.М. Резнику, д.г.н. Ю.А. Романову, д.ф.-м.н. Н.П. Кузьминой, д.ф.-м.н. М.Н. Кошлякову и другим коллегам за конструктивные замечания. Особая благодарность к.ф.-м.н. А.Н. Гинзбург за помощь в оформлении диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении представлена общая характеристика работы, включающая обоснование актуальности темы, основную цель исследования, поставленные задачи, научную новизну работы, основные положения, выносимые на защиту, достоверность полученных результатов, практическую значимость, личный вклад автора, апробацию результатов исследований.

В Главе I на основании существующих литературных источников рассматриваются различные концепции определений фронтов и фронтальных зон, представлен обзор состояния исследований крупномасштабных климатических ОФЗ, описаны использованные данные и методические подходы к их обработке и анализу.

Океанические фронты представляют собой неотъемлемый элемент динамики вод океана, встречаются во всем спектре пространственных масштабов от метров до размеров самого океана и рассматриваются как важное звено в цепи передачи энергии по каскаду масштабов от элементов глобальной океанической циркуляции до мелкомасштабных явлений (Федоров, 1983). Фронтальные зоны являются также областями повышенной биологической продуктивности и имеют большое рыбопромысловое значение (Грузинов, 1986).

Определения. В публикациях используются различные определения терминов «фронтальная зона» и «фронт» в зависимости от концепций, принятых авторами (В.Н. Степанов, 1960; Е.И. Баранов, 1972; В.М. Грузинов, 1975, 1986; Ю.А. Иванов и В.Г. Нейман, 1964; К.Н. Федоров, 1983 и др.). В работе рассматриваются, в первую очередь, крупномасштабные ОФЗ климатического происхождения. В контексте данной работы определение ОФЗ наиболее близко к концепции В.М. Грузинова (1975, 1986), который определял климатические («главные») фронтальные зоны как квазистационарные зоны взаимодействия вод с различными гидрологическими характеристиками, обладающие индивидуальными биологическими комплексами и проявляющиеся во всей толще термоклина по максимальным горизонтальным градиентам свойств. В то же время с климатологической точки зрения ОФЗ может рассматриваться и как район океана, в пределах которого происходят сезонные и межгодовые перемещения фронта.

География климатических ОФЗ тесно связана с зональностью Мирового океана и этим вопросам было посвящено большое количество исследований на протяжении XX века, включая пионерские работы Шотта (Schott, 1912, 1935, 1942), а также труды Муромцева (1951), Степанова (1960), Богданова (1961), Грузинова (1975, 1986) и др. Ввиду важности вопроса об изменчивости ОФЗ для понимания общей термо-гидродинамики и климата океана, с середины 1970-х годов они стали объектом ряда исследований, основанных на судовых гидрологических измерениях (напр., Roden, 1972, 1975; Lynn, 1986; Белкин, 1993; Belkin and Gordon, 1996; Belkin and Levitus, 1996; Belkin et al., 2002; и др.). Признавая важность проведенных исследований, следует отметить, что специфика судовых данных не позволяет получить единую обобщенную картину пространственно-временной изменчивости фронтов в Мировом океане.

Появление в начале 1980-х гг. спутниковых измерений ТПО создало новую основу для изучения фронтов. Был представлен ряд региональных исследований (напр., Roden, 1980; Казьмин и др., 1984; Böhm, 1988; Halliwell and Cornillon, 1990a,b; Halliwell et al., 1991a,b; Belkin and Cornillon, 2003, 2004, 2005; и др.), выявивших ряд важных особенностей изменчивости и фронтогенеза в ОФЗ. Однако, несмотря на высокую информативность, предыдущие исследования были, в основном, локальными и не использовали одно из основных преимуществ спутниковых данных, т.е. глобальное покрытие при высоком пространственно-временном разрешении. Первая попытка исследования климатологии и сезонной изменчивости климатических ОФЗ Мирового океана по спутниковым данным была предпринята в работе Kazmin and Rienecker (1996), где анализировались глобальные месячные климатологические карты распределения локального градиента ТПО. Позднее Belkin and Cornillon (2003) представили карты фронтов на отдельных участках акватории Тихого океана, полученные методом анализа гистограмм ТПО. Однако они имели иллюстративное назначение и анализа изменчивости ОФЗ в работе не содержалось.

За последние три десятилетия был накоплен массив регулярных глобальных спутниковых измерений ТПО. Анализ этих данных позволяет получить обновленную картину глобального географического распределения всех основных климатических ОФЗ Мирового океана и исследовать их характеристики и

изменчивость на масштабах от сезонного до квазидекадного, что и составляет основную задачу работы.

Наряду с крупномасштабными ОФЗ, большой интерес представляют также фронтальные системы прибрежных климатических апвеллингов и фронты в морях, особенно в связи с возможным влиянием их долгопериодной изменчивости на экосистему и биопродуктивность. Эти вопросы также рассматриваются в работе на основе анализа многолетних спутниковых данных о ТПО.

В этой главе рассматривается также вопрос об адекватности отражения изменчивость реальных фронтальных зон в поле ТПО.

Использованные данные и методические подходы. В работе использованы следующие основные массивы данных:

• глобальные среднемесячные спутниковые измерения ТПО, выполненные радиометром AVHRR с ИСЗ серии NOAA с пространственным разрешением 18 км х 18 км (массив MCSST) и 4 км х 4 км (массив PATHFINDER) за период 1982-2009 гг.

• глобальные среднемесячные значения ТПО, температуры приповерхностного воздуха (ТПВ), зональной (U) и меридиональной (V) компонент ветра из архива NCEP/NCAR Reanalysis Project за период 1950-2009 гг.

• индексы атмосферной циркуляции САК, ВАЗР, ЭНЮК и др.

• судовые гидрологические измерения, выполненные в рейсах НИС «Академик Курчатов» и «Профессор Штокман» в 1982-88 гг.

• космические изображения в видимом диапазоне, полученные с ИСЗ «Метеор» и орбитальной станции «Салют-6» в 1980-82 гг.

Для исследования глобального распределения и сезонной изменчивости ОФЗ использовались среднемесячные климатологические карты величины локального градиента ТПО, определяемой как где Г=ТПО, х и у -

зональное и меридиональное направления соответственно.

Для получения количественных характеристик сезонной и межгодовой изменчивости интенсивности и широтного положения ОФЗ использовалась величина меридионального градиента зонально осредненной ТПО (<Т>), определяемая как G(y,t)=\{d<T>l8y)\. Зональное осреднение фильтрует мезомасштабную пространственную изменчивость поля ТПО (Halliwell and

Cornillon, 1990; Kazmin and Rienecker, 1996) и позволяет выделить основные крупномасштабные особенности изменчивости ОФЗ (применимо в районах с преимущественно зональной ориентацией ОФЗ). Полученные многолетние ряды в некоторых случаях сглаживались методом скользящего осреднения (размер окна фильтра указан в соответствующих разделах).

Оценки меридионального фронтогенеза выполнены на основе одномерной модели однородного перемешанного слоя (напр., de Ruijter, 1983), описанной в разделе 2.3.

Оценки статистической значимости результатов корреляционного анализа. Для оценки статистической значимости результатов корреляционного анализа проверялась нулевая гипотеза методом г-теста Стьюдента. В связи с малой выборкой (N=28) и примененным в некоторых случаях сглаживанием был проведен дополнительный анализ достоверности корреляций. Были рассчитаны корреляции для сглаженных рядов с сокращенным количеством степеней свободы, для не сглаженных рядов, а также ранговые корреляции Спирмана. Положительный результат дополнительного анализа позволяет с доверием относиться к выводам, основанным на статистическом анализе. В работе приводятся только статистически значимые коэффициенты корреляции с указанием соответствующих уровней вероятности р (не более 0.05).

Глава 2 посвящена исследованию крупномасштабных ОФЗ климатического происхождения.

В разделе 2.1 на основе спутниковых данных о ТПО представлена обновленная картина глобального географического распределения ОФЗ, описаны их климатологические характеристики и сезонная изменчивость. Для этого построены среднемесячные климатологические карты локального градиента ТПО (g), примеры которых для февраля и августа представлены на рис. 1 (Kazmin and Rienecker, 1996; модифицировано - период осреднения расширен до 1982-2009 гг.).

Поле градиента ТПО обнаруживает три основных крупномасштабных, зонально ориентированных области с градиентами, превышающими фоновые значения: полярные, среднеширотные (включая субполярные и субтропические фронтальные зоны - СПФЗ и СТФЗ соответственно) и экваториальные. Наиболее сложная ситуация наблюдается в средних широтах, где сосуществуют субполярные

град. С/100 км 0.0 0.2 0.4 0Г6 0.8 1.0 1.2 1.4

ЗОЕ 60Е 90Е 120Е 150Е 180 150W 120W 90W 60W 30W 0 ЗОЕ

Рис. 1. Среднее многолетнее распределение величины локального градиента ТПО в Мировом океане в феврале (вверху) и в августе (внизу). Белые прямоугольники -области зонального осреднения ТПО в районах основных ОФЗ (Kazmin and Rienecker, 1996; модифицировано - период осреднения расширен до 1982-2009 гг.).

и субтропические фронтальные зоны. СПФЗ идентифицируются в поле градиента ТПО в течение всего года, тогда как СТФЗ (в Северном полушарии) проявляются как сезонное явление. СПФЗ достигают максимальной интенсивности в летний сезон соответствующего полушария. Пространственное положение ядер СПФЗ достаточно стабильно и сезонное смещение широтного положения Gmax невелико.

Сезонность СТФЗ отмечалась ранее в ряде региональных исследований для Северного полушария (Roden, 1980; Böhm, 1988; Halliwell et al., 1991). Однако нам удалось обнаружить существенные различия ее проявлений между двумя полушариями (Kazmin and Rienecker, 1996). Интенсивность и широтное положение СТФЗ изменяются синхронно в обоих полушариях, с максимумом интенсивности

в ноябре-марте. При этом СТФЗ в Северном полушарии смещаются к югу и становятся отдельными (от СПФЗ) структурами, четко идентифицируемыми на фоне окружающих областей с нулевыми градиентами. В то же время, в Южном полушарии их южные границы проявляют тенденцию к слиянию с СПФЗ (за исключением центральной области южной части Тихого океана, где меридиональное разделение двух зон слишком велико для их слияния). В Северном полушарии смещение СТФЗ к северу в течение весны-лета приводит к слиянию субполярных и субтропических зон и исчезновению последних в пределах их климатологических границ. В Южном полушарии в этот период СТФЗ отделяются от СПФЗ и становятся самостоятельными (хотя и менее интенсивными) структурами.

Рис. 2.. Сезонная изменчивость величины С, (°С/100км) в субполярных (слева) и субтропических (справа) ОФЗ северного (вверху) и южного (внизу) полушарий. СТ и ЮТ — северная и южная части Тихого океана соответственно; СА и ЮА — северная и южная Атлантика соответственно; ИНД - Индийский океан. Для СПФЗ южной части Тихого океана ось ординат справа. Период осреднения -1982-2009 гг.

Количественные характеристики сезонной изменчивости интенсивности СПФЗ и СТФЗ в Северном и Южном полушариях, подтверждающие представленное выше качественное описание показаны на рис. 2 в виде временных рядов вшах.

Сезонная изменчивость меридионального положения ядер СТФЗ представлена на рис. 3.

СУБТРОПИЧЕСКИЕ ОФЗ

Рис. 3. Сезонная изменчивость широтного положения ядер субтропических ОФЗ в Северном (вверху) и Южном (внизу) полушариях. СТ и ЮТ — северная и южная части Тихого океана соответственно; СА и ЮА — северная и южная Атлантика соответственно; ИНД — Индийский океан. Период осреднения - 1982-2009 гг.

Разрывы линий для СТФЗ северного полушария соответствуют периодам слияния этих зон с СПФЗ. В целом, широтное положение СТФЗ совпадает с областью смены направления и (переход от западного переноса к северо-восточным пассатам), расположенной в центральной части субтропических круговоротов и являющейся зоной максимума конвергенции экмановского переноса.

Рис. 4. Сезонная изменчивость зональной компоненты

приповерхностного ветра (Ц м/с) вдоль 165° з.д. Центральная часть Тихого океана). Период осреднения -1980-2009 гг. (по данным реанализа НСЕР). Белые полосы маркируют области смены направления зонального ветра.

Таким образом, сезонная меридиональная миграция положения СТФЗ объясняется синхронным в обоих полушариях сезонным сдвигом к северу области изменения направления и в мае-сентябре, связанным со смещением

и нта [т/э] 1980-2009 с^то^ю^у

крупномасштабных барических систем (рис. 4). Существенно более высокий меридиональный сдвиг II в ноябре-марте объясняет интенсификацию субтропических ОФЗ в этот период.

В разделе 2.2 рассматривается универсальная особенность структуры ОФЗ, т.е. ее многофронтальность, заключающаяся в том, что на синоптическом масштабе обнаруживаетя несколько (до 10) резких фронтальных разделов с экстремальными температурными градиентами, на один-два порядка превышающими среднезональный градиент. Иллюстрацией служит распределение локальных градиентов ТПО (рис. 5), подтверждающее, что ОФЗ не являются однородными структурами, а распадаются на отдельные фронты (темные полосы на рисунке), разделенные областями со слабыми градиентами (светлый тон).

Рис. 5. Распределение локальных градиентов ТПО °С/100 км) в Тихом и Атлантическом океанах в феврале 1982 г. по спутниковым данным. Темная и светлая заливка соответствует фронтальным зонам с g>l.2 и 1.2>£>0.5, соответственно. СПФЗ - субполярные фронтальные зоны, СТФЗ -субтропические фронтальные зоны, ЭФ — экваториальный фронт. Сплошные линии - положение судовых разрезов, выполненных в 34-м рейсе НИС «Академик Курчатов» в декабре 1981-апреле 1982 гг.

В этом разделе на основе непрерывных измерений ТПО, выполненных в 34-м рейсе НИС «Академик Курчатов» (Казьмин и Федоров, 1984), представлены одни из первых инструментальных подтверждений реального существования

многофронтальной структуры и исследованы характеристики фронтов, входящих в

состав различных ОФЗ (Табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики термической структуры климатических фронтальных зон

Фронтальная зона Тип Число фронтов L, км <дТ/дх>, °С/км дТ/дх, °С/км СдТ/дх)/ (<дТ/дх>) Сн, км

Куросио -Ойясио Ступенчатый, 4 300 0,035 0.03-15 5,5 9-429 160 27

Северная СТФЗ Тихого океана Перемежающийся

участок I 10 200 0,015 0.08-1.4 0,4 5-50 27 26

участок II 8 220 0,016 0.07-2.3 0,8 5-140 50 28

Экваториальный фронт Тихого океана Ступенчатый 200 0,015 0.05-1.9 0,7 3-125 46 31

Южная СТФЗ Тихого океана Ступенчатый, 4 400 0,008 0.15-0.44 0,3 19-55 38 35

Южная СПФЗ Атлантики Смешанный, 2 250 0,03 0.42-0.95 0,67 14-32 22 32

Примечания: Ь - ширина зоны, <дТ/8х> - среднезональный градиент, дТ/дх -фронтальный градиент. В числителе - минимальное и максимальное значения, в знаменателе - среднее значение. Си=сг^<дТ/бх>

Выделены два основных типа термической структуры: ступенчатая, состоящая из однородных участков, разделенных фронтами одного знака, и перемежающаяся, в которой чередуются теплые и холодные участки, разделенные фронтами разных знаков. Установлено, что западная интенсификация океанической циркуляции способствует резкому обострению фронтов внутри ОФЗ. Показано, что среднеквадратические амплитуды перепадов температуры на фронтах внутри ОФЗ пропорциональны среднезональному градиенту температуры (Ch=ajJ<8T/dx>~const), что свидетельствует о наличии некоторого типичного горизонтального масштаба (~30 км) преобладающего локального фронтогенетического механизма.

В разделе 2.3 рассмотрены особенности меридионального фронтогенеза в среднеширотной области северной части Тихого океана на основе простой одномерной модели и представлено объяснение наблюдавшейся сезонной изменчивости расположенных здесь ОФЗ изменчивостью фронтогенетических факторов (Kazmin and Rienecker, 1996).

Модель перемешанного слоя. В модели (напр., с!е Лифег, 1983) рассматривается зонально однородный верхний перемешанный слой (ВПС) постоянной толщины И, отделенный от толщи океана слоем ДА«/г. Предполагается, что внутри ВПС скорость и температура (7) однородны зонально и по глубине (Г=ТПО). Зонально осредненный тепловой баланс ВПС может быть представлен как

(2.3.1)

где УЕ - меридиональная компонента вертикально осредненной экмановской скорости; и'Е - скорость вовлечения на нижней границе ВПС; АТ - разность температур между ВПС и водой непосредственно под ним; Q - суммарный поток тепла на поверхности; р - плотность воды; с - удельная теплоемкость воды; Я представляет процессы, которые не могут быть смоделированы на основании имеющихся данных или являются незначимыми. С рядом допущений, подробно описанных в работе, в уравнении (2.3.1) может быть заменена скоростью экмановской накачки н'£=-5(тх/р/)/бу (вклад этого члена в суммарный фронтогенез невелик). Поскольку предполагается, что Г=ТПО, то дТ/ду=Сз. С учетом сделанных предположений и пренебрегая К, фронтогенетическое уравнение получается путем взятия меридиональной производной уравнения (2.3.1)

дО ^ д{УЕ-С) 0(ууе&Т/Н) дЩ/рсН) Ы ду ду ду

(2.3.2)

Локальная временная изменчивость меридионального градиента ТПО определяется меридиональной изменчивостью: (1) экмановского воздействия, включающего конвергенцию экмановского потока (дУв/дуУО, и экмановскую адвекцию УЕ-(дС/ду), (2) вертикальной экмановской накачки и (3) суммарного теплового потока на поверхности.

Оценки меридионального фронтогенеза. Зонально осредненные (170° в.д,-150° з.д.) среднемесячные скорости фронтогенеза, обусловленные отдельными фронтогенетическми процессами показаны на рис. 6 (а-в). Ведущая роль в сезонном фронтогенезе/фронтолизе принадлежит тепловому воздействию. Максимальная скорость фронтогенеза (до 6х10~5 °С/км/день), обусловленная этим

фактором, концентрируется в относительно узкой (2° широты) полосе, положение которой сезонно смещается от максимально северного (38°-41° с.ш.) в июле-сентябре до максимально южного (28°-29° с.ш.) в декабре-феврале (рис. 6а). В субтропической области (25°-30° с.ш.) интенсивный фронтолиз (до -10x10'5 °С/км/день) происходит в период с апреля по октябрь.

1987 нр.... 19»

||>*л.с ML >1043 ■S - 0 S

Рис. 6. Среднемесячные значения скорости фронтогенеза, обусловленной (а) суммарным тепловым потоком на поверхности, (б) экмановской конвергенцией и адвекцией, (в) вертикальной экмановской накачкой, (г) сумма фронтогенетических воздействий и (д) наблюдавшаяся скорость фронтогенеза в северной

среднеширотной части Тихого океана по данным COADS (Kazmin and Rienecker, 1996).

Фронтогенез, обусловленный поверхностным экмановским воздействием, показан на рис. 66 как сумма конвергентной и адвективной составляющих. Основной вклад, однако, вносит конвергенция. Суммарное экмановское воздействие преимущественно фронтогенетическое, с максимумом (свыше 10x10"5 °С/км/день) в районе 39° с.ш. в течение июля. Эффект экмановской накачки в целом противоположен по знаку эффекту конвергенции (рис. 6в).

Меридиональный градиент суммарного потока тепла на поверхности является основным источником сезонной изменчивости фронтогенеза в рассматриваемом районе. Однако вклады членов, связанных с ветровым воздействием, добавляют важные детали пространственно-временного распределения и влияют на интенсивность фронтогенезаУфронтолиза. В частности, суммарная картина обнаруживает более выраженный и продолжительный летний период активного фронтогенеза в субполярной области (рис. 6г).

В целом, распределение рассмотренных фронтогенетических факторов согласуется с основными наблюдаемыми особенностями изменчивости градиента

ТПО, такими как сильно выраженная сезонность и более слабые градиенты ТПО в субтропической области (раздел 2.1). Реально наблюдавшаяся сезонная изменчивость скорости фронтогенеза (dG/dt; рис. 6д) удовлетворительно согласуется по величине и пространственно-временному распределению с суммарным фронтогенетическим воздействием, предсказанным моделью.

В разделе 2.4 исследуется реакция СПФЗ и СТФЗ северной части Тихого океана на декадный климатический сдвиг в конце 1980-х гг. и приводятся оценки крупномасштабного меридионального фронтогенеза на основе линеаризованной модели верхнего перемешанного слоя (Nakamura and Kazmin, 2003). Несмотря на отмеченную в ряде работ потенциально важную роль внетропических ОФЗ в декадной климатической изменчивости, их собственным декадным изменениям (в частности, вариациям интенсивности и положения ядер ОФЗ) уделялось мало внимания.

Декадные изменения ТПО в 1980-х и 1990-х гг. по спутниковым данным.

На рис. 7 представлены среднезимние аномалии зонально осредненной ТПО в северо-западной части Тихого океана.

Рис. 7. Пространственно-временная изменчивость аномалий зонально осредненной зимней ТПО (°С) в северо-западной части Тихого океана (150° в.ш.-175° з.ш.) по данным (A) MCSST и (Б) COADS (Nakamura and Kazmin, 2003).

Очевидно доминирование квазидекадной изменчивости над межгодовой. В средних широтах отрицательные аномалии наблюдались на протяжении 1980-х гг. и концентрировались в зоне СПФЗ, между 38°с.ш. и 44°с.ш. Далее, после быстрого перехода в 1988 г., последовал теплый период с максимумом положительных аномалий (также в области СПФЗ) в 1990-91 гг. Противоположная картина наблюдалась в субтропической зоне к югу от 27°с.ш., где в начале 1980-х и 1990-х

гг. обнаруживались отрицательные аномалии ТПО, а в промежутке -положительные.

Декадная изменчивость градиента ТПО в 1980-х и 1990-х гг. по спутниковым данным. Среднезимние значения меридионального градиента зонально осредненной ТПО (в) представлены на рис 8. Выделяются две основные постоянные зоны высоких значений в, соответствующие СПФЗ и СТФЗ,

Рис. 8. Пространственно-временная изменчивость G (°С/100 км) в северо-западной части Тихого океана (150° в.ш,-175° з.ш.) по данным MCSST (А) и COADS (Б). Точечные линии соответствуют оси СПФЗ, белые контуры G=1.0 маркируют северную и южную граниг{ы фронтальной зоны (Nakamura and Kazmin, 2003).

В рассматриваемый период СПФЗ сохранялась как четко выраженная, когерентная структура с высокими значениями G, идентифицируемая как по спутниковым (рис. 8а), так и по судовым (рис. 86) данным. СТФЗ характеризуется меньшими (примерно на 40%) значениями G и на квазидекадном масштабе демонстрирует тенденцию к ослаблению (рис. 9), что подтверждается также спутниковыми картами средне-зимней величины g за 1984-85 гг. и 1992-93 гг. (рис. 10). Эти иллюстрации показывают, что СТФЗ, однозначно идентифицируемая как организованная фронтальная зона в середине 1980-х гг., существенно ослабевает и теряет когерентность в начале 1990-х гг.

Декадные изменения меридиональной ширины, положения ядра и интенсивности СПФЗ отчетливо проявляются на рис. 8. СПФЗ в целом была смещена к югу в холодный период, а затем сместилась к северу на 3°-4° широты при переходе к теплому периоду. На рис. 8а видно, что градиент ТПО на оси СПФЗ усиливается при смещении фронта к северу в теплый период. Эта тенденция более наглядно представлена на рис. 9, который показывает величину G, осредненную в пределах климатических границ СПФЗ.

разделенные областью слабых градиентов.

Рис. 9. Меридиональный градиент ТПО (G, °С/100 км) в пределах основных частей СПФЗ (40°-45°с.ш.) зимой (сплошная линия) и летом (пунктир) и СТФЗ (25°-30°с.ш.) зимой (точечная линия). Тонкие горизонтальные линии показывают

соответствующие среднеклиматические значения (Nakamura and Kazmin, 2003).

Ядро СПФЗ, определяемое как область, ограниченная значениями 0=1.0 °С/100 км, было несколько шире в холодный период. Во время холодного события в середине 1980-х гг. ширина фронтального ядра составляла 6° широты. К концу анализируемого периода она сократилась до 3°-4° широты, при этом максимальные градиенты (>1.2 °С/100 км) сосредотачивались в полосе всего 100-150 км. Такая декадная модуляция, обнаруженная по зонально осредненным данным, подтверждается также картами распределения величины g (рис. 10).

Рис. 10. Локальные градиенты ТПО (g=((dT/dx)2+(dT/dy)2)f5; °С/100 км) в северной части Тихого океана зимой 198485 гг. (А) и 1992-93 гг. (Б) по интерполированным данным MCSST с удаленным линейным трендом. Темная и светлая заливка соответствует фронтальным зонам с g>1.2 и 1.2>g>0.5, соответственно (Nakamura and Kazmin, 2003).

Оценки меридионального фронтогенеза в 1980-х и 1990-х гг. получены на основе использовавшейся выше (раздел 2.3) модели. На рис. 11 в виде аномалий представлены скорости фронтогенеза, обусловленные фронтогенетическими членами уравнения (2.3.2), их сумма и наблюдавшаяся скорость фронтогенеза по спутниковым данным.

Рис. 11. Зимние аномалии скоростей фронтогенеза (10'3 °С/1 ООкм/денъ) в СПФЗ, рассчитанные по модели и связанные с изменчивостью теплового потока (тонкая сплошная линия), экмановской адвекции и конвергенции (пунктир) и экмановской накачки (точечная линия). Жирная сплошная линия -суммарная скорость фронтогенеза. Жирная линия точки-пунктир - наблюдавшиеся аномалии скорости фронтогенеза. Осреднено в пределах меридиональных климатических границ СПФЗ (Nakamura and Kazmin, 2003).

Зимние аномалии суммарной скорости фронтогенеза обнаруживают квазидекадную изменчивость как в субполярном, так и в субтропическом районах. В районе СПФЗ в 1982-86 гг. наблюдалась отрицательная аномалия скорости фронтогенеза, сменившаяся далее положительной аномалией. Модельные оценки суммарного фронтогенеза достаточно хорошо согласуются с наблюдавшейся скоростью фронтогенеза, рассчитанной по спутниковым данным (рис. 11).

Все фронтогенетические компоненты проявляют изменчивость декадного масштаба. Вклады членов, связанных с изменчивостью ветра и теплового потока в суммарный фронтогенез сопоставимы по величине и совпадают по знаку. В конце 1980-х гг. структура поля ветра в области СПФЗ была такова, что выполнялось соотношение dxjdy>0, т.е. экмановский поток на поверхности был конвергентным и в соответствии с уравнением (2.3.2) обеспечивал положительную аномалию скорости фронтогенеза. В начале 1980-х гг. наблюдалась противоположная ситуация (дТх/ду<0).

В целом, диагноз, основанный на простой линеаризованной модели перемешанного слоя показал, что квазидекадные флуктуации интенсивности и положения СПФЗ наблюдавшиеся в 1982-97 гг. могут быть объяснены соответствующими изменениями завихренности напряжения трения ветра и аномалиями теплообмена в районе фронтальной зоны.

В разделе 2.5 представлены данные о долгопериодной изменчивости основных климатических ОФЗ Мирового океана и ее связи с крупномасштабным атмосферным воздействием, полученные на основе анализа спутниковых

измерений ТПО высокого разрешения (PATHFINDER) и данных о поле ветра (реанализ NCEP) за 1982-2009 гг. Для получения количественных характеристик межгодовой изменчивости интенсивности и широтного положения ОФЗ использовалась величина меридионального градиента зонально осредненной (в пределах областей, показанных на рис. 1) ТПО (G). Предварительно проводилось осреднение ТПО для сезонов максимальной интенсивности ОФЗ, различных для субполярных и субтропических зон и для полушарий. Далее были рассчитаны величины G и определены их максимальные значения (Gmax) для каждой ОФЗ и широтное положение Gmax (ядро ОФЗ). В итоге получены 28-летние ряды средне-сезонных значений указанных характеристик для всех СПФЗ и СТФЗ Мирового океана, а также для северного экваториального фронта в восточной части Тихого океана (Казьмин, 2012).

Субполярные ОФЗ. Все СПФЗ (за исключением южной части Тихого океана) проявляют хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 8-10 лет) изменчивость величины Gmax (рис.12). В южной части Тихого океана период изменчивости корче и составляет 6-7 лет.

Субполярная ОФЗ в С. Пасифике

Субполярная ОФЗ а Ю. Пасифике

Годы

Рис. 12. Долгопериодная изменчивость йтах, ("С/100 км, черная линия) и его широтного положения (серая линия) в СПФЗ Атлантического (слева) и Тихого (справа) океанов (вверху Северное, внизу - Южное полушария) (Казьмин, 2012).

Обнаружены статистически значимые (/?<0.01) корреляции между интенсивностью СПФЗ (вшах) и широтным положением ядра ОФЗ (за

исключением южной Атлантики, где статистически достоверной связи не выявлено). В обоих полушариях усиление градиента ТПО сопровождается сдвигом ядра СПФЗ к северу. Выше (раздел 2.4) также было детально задокументировано смещение ядра СПФЗ в северной части Тихого океана к северу в период ее интенсификации.

В южной части Тихого и в Индийском океанах наблюдается статистически значимый положительный линейный тренд в интенсивности субполярных ОФЗ, составляющий 0.0021 °С/100км/год (рис. 12) и 0.0026 °С/100км/год соответственно. При этом общая интенсификация СПФЗ в этих районах в течение периода наблюдений сопровождается также общим смещением ядер зон к северу. Максимальная амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО СПФЗ в Северном полушарии (0.48-0.51 °С/100 км) более чем в два раза превышает соответствующую величину для Южного полушария (0.18-0.27 °С/100 км).

Субтропические ОФЗ. Субтропические ОФЗ также проявляют квазидекадную изменчивость с периодами 7-10лет, хотя и менее регулярную по сравнению с субполярными зонами (рис. 13).

Субтропическая ОФЗ в С. Атлантике

Е , О

А 7 \

VI/ V

а; 84 86 88 90 92 94 96 98 ОС 02 04 00 08 >0

Годы

Субтропическая ОФЗ в Ю. Атлантике

1__ -АЛ/---^

4 86 88 90 92 94 98 98 09 02 04 06 08 10

Годы

Субтропическая ОФЗ в Ю. Пасифике

л _

\ А, 1

1 \пл,

5 90 92 94 96 98 00 02 04 О

Годы

Рис. 13. Долгопериодная изменчивость Стах,(°С/100 км, черная линия) и его широтного положения (серая линия) в субтропических ОФЗ Атлантического (слева) и Тихого (справа) океанов (вверху Северное, внизу - Южное полушария) (Казьмин, 2012).

Обнаружены статистически значимые (р<0.01) корреляции между интенсивностью СТФЗ и меридиональным положением их ядер. При этом

наблюдается тенденция меридионального смещения ядер зон к полюсам при интенсификации градиента ТПО. Как и в случае СПФЗ, максимальная амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО в СТФЗ в северном полушарии существенно (в 2-3 раза) превышает эту величину в южном полушарии.

Экваториальные ОФЗ. Период изменчивости северной экваториальной ОФЗ в восточной части Тихого океана составляет около 4-6 лет (рис. 14, слева) и хорошо совпадает с изменчивостью Эль-Ниньо - Южного колебания (ЭНЮК). Одним из наиболее представительных индикаторов ЭНЮК служит индекс MEI (Multivariate ENSO Index). Во время событий Эль-Ниньо (положительная фаза MEI) наблюдается резкое уменьшение интенсивности экваториальной ОФЗ, что связано с ослаблением экваториального апвеллинга и соответствующим уменьшением контрастов ТПО. Наблюдается высокая отрицательная корреляция (Я—О.78, р<0.01) между Gmax и индексом MEI (рис. 14, справа).

Индекс MEI

Рис. 14. Долгопериодная изменчивость Gmax, (°С/100 км, черная линия) и индекса МЕ1 (красная линия) в северной экваториальной ОФЗ Тихого океана (слева) и корреляция между Gmax и индексом MEJ (справа) (Казьмин, 2012).

Связь долгопериодной изменчивости ОФЗ с крупномасштабным атмосферным воздействием. Одним из основных первичных крупномасштабных фронтогенетических механизмов образования среднеширотных ОФЗ является конвергенция экмановского переноса в поверхностном слое, связанная с антициклоническим характером меридионального сдвига зональной компоненты напряжения трения ветра (напр., Roden, 1970; Roden, 1972; Roden, 1975). Как было показано в разделе 2.3, фронтогенетический эффект конвергенции экмановского переноса оценивается как (dVE/dy)-G, где VE =-ixlpfli - меридиональная компонента экмановской скорости, а хх - зональная компонента напряжения трения ветра. Поскольку тг=Сц»и2, где U - зональная компонента скорости ветра,

меридиональный сдвиг последней может быть использован в качестве оценки интенсивности конвергенции экмановского переноса. СПФЗ в центральных областях среднеширотных зон Мирового океана располагаются южнее (в Северном полушарии) и севернее (в Южном полушарии) максимума интенсивности западных ветров, в зоне конвергенции южного (северного) экмановского переноса. СТФЗ образуются в зоне конвергенции экмановского переноса на границе между областями западных ветров и восточных пассатов (см. рис. 4). Таким образом, долгопериодная изменчивость интенсивности среднеширотных ОФЗ может быть связана с вариациями меридионального сдвига и (сЮ/с1у), обусловленными изменчивостью крупномасштабных атмосферных циркуляционных систем. Для расчета <№/с1у среднемесячные значения и осреднялись зонально и для соответствующих сезонов, аналогично осреднению ТПО для расчетов в (Казьмин, 2013а). Долгопериодная изменчивость величины Отах и аномалий (Ю/йу для СПФЗ и СТФЗ Тихого и Атлантического океанов представлена на рис. 15 и рис. 16.

Рис. 15. Долгопериодная изменчивость Отах, ("С/100 км, черная линия) и аномалии меридионального сдвига зональной компоненты скорости ветра (сЦ]/с!у, с'хЮ5, красная линия) в СПФЗ Атлантического (слева) и Тихого (справа) океанов (вверху Северное полушарие, внизу - Южное).

Для всех десяти рассмотренных ОФЗ обнаружена достаточно высокая, статистически значимая положительная корреляция между величинами вшах и аномалиями сЮ/с!у (Табл. 2).

Субполярная ОФЗ в с. Пасифике

■» « 5

82 64 86 8В 90 9? 94 96 98 60 02 04 06 0В 10

Годы

Субполярная ОФЗ в Ю.

Годы

Пасифике

0.4 0.2

Субтропическая ОФЗ в С. Атлантике

о 1-2 X

Е 1 о

82 84 86 88 90 9 2 «4 96 вв 00 02 04 06 Ов 10

Годы

Субтропическая ОФЗ в Ю. Атлантике

-0.3 5

« 5

8 90 92 94 96 98 00 02 0

Годы

Субтропическая ОФЗ в С. Пасифике

• £ 3

405 « 1

82 84 86 ве 90 92 94 96 9в 00 02 М 06 08 11

Годы

Субтропическая ОФЗ в Ю. Пасифике

4 86 88 90 92 94 96 98 00 02 0-

Годы

« 5

Рис. 16. Долгопериодная изменчивость величины йтах, (°С/100 км, черная линия) и аномалии меридионального сдвига зональной компоненты скорости ветра (сШ/ф, с'хЮ5, красная линия) в СПФЗ Атлантического (слева) и Тихого (справа) океанов (вверху Северное полушарие, внизу — Южное).

Таблица 2. Значения коэффициеь <3и/(1у и у пгов корреляции (Я) между От ах и аномалией ровни вероятности (р).

Район СПФЗ СТФЗ

северная часть Тихого океана 0.59 (р<0.01) 0.57 (р<0.01)

южная часть Тихого океана 0.59 (р<0.01) 0.67 (р<0.01)

северная Атлантика 0.63 (р<0.01) 0.5 (р<0.01)

южная Атлантика 0.46 (р<0.05) 0.54 (р<0.01)

Индийский океан 0.47 (р<0.05) 0.42 (р<0.05)

Ветровое воздействие, помимо конвергенции экмановского переноса, включает также и адвективную составляющую, пропорциональную величине и (см. раздел 2.3). Долгопериодная изменчивость и и связанные с ней вариации меридиональной экмановской адвекции могут быть причиной изменчивости широтного положения ядер ОФЗ. На рис. 17 представлена долгопериодная изменчивость зональной компоненты ветра и широтного положения вшах для субполярных ОФЗ Тихого океана. Наблюдается достаточно высокая, статистически значимая (р<0.01) корреляции между этими величинами. Как и следовало ожидать, усиление зональной компоненты ветра приводит к смещению ядра СПФЗ к югу в Северном полушарии и к северу в Южном полушарии.

СПФЗ в С. Пасифике

СПФЗ в Ю. Пасифике

54.9 3 553 - ? 5" 56.1 5&5 К = 0.48 , . ............... у. • •

. •• •

6 11

и, м/с

Рис. 17. Долгопериодная изменчивость широтного положения Стах (черная линия) и зональной компоненты ветра (\], м/с; красная линия) в СПФЗ северной (вверху) и южной (внизу) частях Тихого океана (слева) и корреляция между этими величинами (справа).

На примере Северной Атлантики продемонстрирована высокая положительная корреляция между интенсивностью СПФЗ и индексом САК, связанная с увеличением сЮМу при интенсификации западного переноса (усилении САК), что подтверждает важную роль крупномасштабных атмосферных систем в долгопериодной изменчивости ОФЗ.

В разделе 2.6 обобщены одни из первых в отечественной литературе результаты океанографического дешифрирования космической информации в видимом диапазоне (Казьмин и Скляров, 1981; Казьмин и Скляров, 1982; Казьмин и Кузьмина, 1986; Казьмин, 1986а,б). В контексте темы диссертации рассматриваются только мезомасштабные процессы, непосредственно ассоциированные с крупномасштабными ОФЗ (вихри на границах струйных течений, поверхностные проявления внутренних волн в районах ОФЗ).

В Главе 3 рассматриваются фронтальные зоны прибрежных климатических апвеллингов.

Раздел 3.1. посвящен исследованию двух фронтальной структуры, синоптической изменчивости и фронтогенеза в системе Бенгельского апвеллинга. Фронтальные разделы между прибрежными и океаническими водами являются наиболее примечательными элементами структуры прибрежных климатических апвеллингов, создающими гидрофизический фон для процессов биопрдуктивности.

В этом разделе на основе оригинальных исследований автора с использованием синхронных судовых и спутниковых данных (Казьмин, 19926) впервые представлено комплексное описание структуры, синоптической изменчивости, характеристик и особенностей фронтогенеза системы фронтов Бенгельского апвеллинга в наименее изученном районе побережья Намибии (17°-27° ю.ш.).

Структура системы апвеллинга. Структура системы Бенгельского апвеллинга зависит от фоновых гидрологических условий, в частности, от наличия или отсутствия сезонного термоклина. В работе рассмотрена наиболее сложная ситуация, наблюдающаяся в период существования сезонного термоклина, т.е. летом-осенью Южного полушария, одновременно совпадающего и с сезонной активизацией апвеллинга. Внешней границей области апвеллинга является океаническая апвеллинговая фронтальная зона (ОАФЗ), отделяющая океанические воды (Т>19°С, S>35.4°/00) от прибрежных трансформированных вод апвеллингового происхождения (Т=14-18°С, S=34.7-35.4°/00). Генетически ОАФЗ является выходящим на поверхность сезонным термоклином и образует единую, квазинепрерывную структуру, приуроченную к материковому склону и постоянно существующую в период наличия сезонного термоклина. Непосредственный подъем на поверхность свежих апвеллинговых вод (Т=10-12°С, S<34.7°/00) происходит в узкой прибрежной полосе в периоды усиления ветра соответствующего направления. При событиях апвеллинга между вновь поднявшимися глубинными водами и трансформированной водой формируется прибрежный апвеллинговый фронт (ПАФ), который не является постоянным элементом системы, а образуется эпизодически, следуя цикличности изменчивости силы ветра. Таким образом, в наиболее развитом состоянии система апвеллинга включает два фронтальных раздела, существенно различающихся по условиям фронтогенеза и пространственно-временным характеристикам.

В работе впервые инструментально подтверждено реальное существование такой двухфронтальной структуры в Бенгельском апвеллинге. На рис. 18 представлено пространственное положение ОАФЗ и ПАФ по спутниковым данным, а также профиль ТПО и вертикальная гидрологическая структура на судовом разрезе, пересекающем оба фронта. Характеристики термохалинной

структуры, условия и особенности фронтогенеза и синоптическая изменчивость ОАФЗ и ГТАФ подробно рассмотрены в тексте диссертации.

Рис. 18. а - интерпретационная схема ИК изображения, полученного 19.02.1988 г.: 1 -океаническая вода, Т>20 °С; 2 трансформированная вода, Т= 16-20 °С; 3 - свежая апвеллинговая вода, Т<15 °С; сплошная двойная линия - ОАФЗ; точечная линия — ПАФ; прямая линия - положение гидрологического разреза; б -профиль ТПО и вертикальная термическая структура на разрезе 20-21.02.1988 г. по измерениям НИС "Профессор Штокман" (Казьмин, 19926).

Эволюция термической структуры системы апвеллинга. Основным внешним фактором эволюции системы Бенгельского апвеллинга являются вариации скорости преобладающего юго-восточного пассата, формирующего экмановский перенос, направленный от берега. Циклический характер изменчивости силы ветра (ветровые импульсы длительностью от 1 до 3-4 суток, чередующиеся с более длительными периодами затишья) определяет цикличность миграций ОАФЗ в поперечном берегу направлении и возникновения событий прибрежного апвеллинга (Казьмин, Легекис и Федоров, 1987).

В работе исследована эволюция структуры поля ТПО и прослежен полный цикл развития гидрологической ситуации, включающий: (1) глубоко трансформированное состояние системы в условиях длительного отсутствия подъема свежих глубинных вод с меридионально непрерывной, расположенной близко к берегу ОАФЗ (рис. 19а); (2) кратковременную фазу активного апвеллинга, связанную с усилением ветра и сопровождающуюся смещением ОАФЗ от берега, потерей ее меридиональной непрерывности и формированием ПАФ (рис. 196); (3) последующую релаксацию с восстановлением меридиональной непрерывности ОАФЗ, ее обострением и смещением к берегу и диссипацией ПАФ (рис. 19в, г).

Рассмотренная двухфронтальная система представляет один из типов структурной организации прибрежных апвеллингов. Типичность ситуации при наличии соответствующих условий подтверждается существованием двухфронтальной структуры и в других районах апвеллинга.

Рис. 19. Спутниковые композитные карты ТПО за пероиды 19-23 апреля (а), 29 апреля-1 мая (б), 6-10 мая (в) и 11-18 мая (г) 1985г. отражающие эволюцию термической структуры апвеллинга. ОАФЗ маркируется узкой полосой 18-градусной воды, ПАФ - 14-градусной воды (Казьмин, Легекис и Федоров, 1987).

В разделе 3.2 исследованы декадные изменения в системе прибрежного климатического Канарского апвеллинга, характеризующейся высокопродуктивной экосистемой и активным рыболовством и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием. Изменчивость системы на масштабах от синоптического до сезонного относительно хорошо изучена. Однако информация о долгопериодной изменчивости ограничена. В этом разделе на основе спутниковых данных о ТПО впервые представлены документальные подтверждения декадных изменений состояния системы Канарского апвеллинга в период 1982-2001 гг. (Santos, Kazmin and Peliz, 2005).

Подтверждено, что спутниковые измерения ТПО адекватно воспроизводят известные по судовым данным особенности районирования, климатологии и сезонной изменчивости системы Канарского апвеллинга и могут быть использованы для исследования долгопериодной изменчивости. Имеющийся ряд достаточно продолжителен для того, чтобы выявить декадные изменения, происходившие в течение двух последних десятилетий 20 века. В качестве индикатора интенсивности апвеллинга использовался как традиционный индекс апвеллинга (рис. 20), так и практически не применявшийся ранее прибрежный зональный градиент ТПО (рис. 21). Последний может быть рассчитан только при наличии регулярных данных высокого разрешения о ТПО и позволяет получить точную оценку долгопериодной изменчивости апвеллинга, более эффективную, чем индекс апвеллинга. Несмотря на пространственно-временное сглаживание, спутниковые данные о зональном градиенте ТПО позволяют идентифицировать также и признаки существования ОАФЗ, описанной в разделе 3.1, проявляющейся

в виде широкой (хотя и не непрерывной во времени) полосы повышенных градиентов ТПО с ядром, расположенном на расстоянии 100-200 км от берега (рис. 21). ОАФЗ была лучше выражена во время фазы слабого апвеллинга и имела тенденцию к слиянию с ПАФ в период интенсификации апвеллинга.

АНОМАЛИЯ ИНД АПВЕЛЛИНГА ПЕТО АНОМАЛИЯ ИНД АПВЕЛПИНГА ЗИМА

.....^ ---------

- ? 3 <ш

- il

Рис. 20. Пространственно-временная изменчивость аномалии индекса апвеллинга (°С) летом (слева) и зимой (справа) в системе Канарского апвеллинга (Santos, Kazmin and Peliz, 2005).

Рис. 21. Пространственно-временная изменчивость величины зонального градиента меридионально осредненной ТПО (°С/100 км) летом в районе 37-42° с.ги. (вверху) и 22-30° с.ш. (в центре) и зимой в районе 12-20° с.ш. (Santos, Kazmin and Peliz, 2005).

Основной приоритетный результат заключается в том, что в отличие от квазирегулярных декадных осцилляций аномалий ТПО в открытом океане, характер долгопериодной изменчивости апвеллинга описывается как декадный сдвиг режима интенсивности от ослабленного в 1980-х гг. к очень интенсивному в 1990-х гг., который произошел в начале 1990-х гг.

В терминах как индекса аивеллинга, так и градиента ТПО (рис. 20, 21), наш анализ выявил примечательный факт существования 3-4-летнего временного сдвига между началом интенсификации режима апвеллинга вдоль иберийского побережья (1992-93 гт.) и у побережья Африки (1995-96 гг.).

Другой важный результат заключается в том, что зимняя аномалия индекса апвеллинга у иберийского побережья оставалась отрицательной с момента начала сдвига в 1992-93 гг. несмотря на то, что климатологически зима здесь не является сезоном апвеллинга. Таким образом, иберийское побережье испытывало слабый, но постоянный апвеллинг также и в зимний сезон во время интенсивной фазы 1992-2001 гг. Поскольку зима является сезоном размножения для мелких пелагических видов рыб, это могло оказать негативное воздействие на пополнение их запасов (Santos et al., 2001). Наши исследования (на примере сардины и сардинеллы) показали, что морская экосистема реагирует на резкие изменения интенсивности апвеллинга.

Показано, что долгопериодная изменчивость благоприятной для апвеллинга меридиональной компоненты ветра (V) в исследуемый период объясняет наблюдавшийся сдвиг интенсивности апвеллинга и время его наступления для всей системы (рис. 22). Период ослабленного апвеллинга совпадает с положительной аномалией V, а установление интенсивного апвеллинга началось почти немедленно после начала развития сильной отрицательной аномалии V. Примечательно, что отрицательная аномалия вначале проявилась на иберийском побережье в 1992 г. и продолжалась до 1998 г., тогда как у африканского побережья она началась только в 1996 г. и длилась до 2001 г. (т.е. с той же временной задержкой, что и сдвиг интенсивности апвеллинга). В обоих подрайонах максимум интенсивности апвеллинга соответствовал периодам максимальной отрицательной аномалии V. Долгопериодная изменчивость локального ветра может быть связана с крупномасштабными атмосферными процессами над Северной Атлантикой, в частности с САК. В периоды высоких значений индекса САК имеет место интенсификация антициклонической атмосферной циркуляции, связанной с Азорским максимумом, в том числе и на его восточной периферии, где происходит северный перенос, продуцирующий апвеллинг. Подтверждением связи долгопериодной изменчивости ветра с САК служит высокая корреляция (R=0.74,

р<0.01) между аномалией V у Иберийского побережья и индексом САК. В контексте нашего исследования следует отметить, что в рассматриваемый период индекс САК достиг экстремального для второй половины 20-го века положительного значения в 1991-94 гг. Интенсификация САК и связанная с ней трансформация крупномасштабного поля ветра по времени согласуются с описанным сдвигом режима интенсивности апвеллинга.

Рис. 22. Долгопериодная изменчивость меридионально осредненной аномалии индекса апвеллинга (°С, вверху), величины зонального градиента ТПО ("С/100 км, в центре) и аномалии меридиональной компоненты ветра V (м/с, внизу). Сплошные линии представляют значения для иберийского побережья (37-42° с.ш.) летом (жирная) и зимой (тонкая). Пунктир - летние значения для северо-западного побережья Африки (22-30° с.ш.) (Santos, Kazmin andPeliz, 2005).

В Главе 4 рассматриваются фронтальные зоны в морях. Моря представляют неотъемлемую часть Мирового океана и также характеризуются существованием в них устойчивых (в климатологическом смысле) фронтальных зон (хотя и меньшего пространственного масштаба), проявляющих долгопериодную изменчивость, связанную с изменчивостью крупномасштабных атмосферных воздействий. Исследование изменчивости фронтов в морях представляет особый интерес в связи с их важной ролью в функционировании морских экосистем. В этом разделе исследована сезонная и межгодовая изменчивость фронтальных зон на примере морей двух различных типов: окраинных Желтого и Восточно-Китайского и закрытого, изолированного от непосредственного влияния океана Черного моря.

В разделе 4.1 исследуется система фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей, на акватории которых сосуществуют фронтальные разделы различной природы и масштаба (от типично океанической фронтальной зоны Куросио до

локальных мелкомасштабных фронтов приливного происхождения). На основании обобщения литературных данных, анализа спутниковых изображений в ИК и видимом диапазонах и спутниковых данных высокого разрешения за 1982-2009 гг. представлены комплексное описание условий формирования фронтов в Желтом и Восточно-Китайском морях применительно к задаче интерпретации спутниковой информации, схема расположения (рис. 23) и характеристики основных пространственно устойчивых фронтов (Казьмин, 1992а), а также результаты исследования сезонной и долгопериодной изменчивости фронта Куросио в Восточно-Китайском море.

Рис. 23. Распределение ТПМ на акватории Желтого и Восточно-Китайского морей 10 декабря 1986 г. Красные стрелки - теплое Тайваньское течение (ТТТ) и теплое течение Желтого моря (ТТЖМ), синяя стрелка - холодное прибрежное течение Желтого моря. Цифры соответствуют обозначениям фронтов в тексте (Казьмин, 1992а).

Наиболее специфической особенностью гидрологического режима региона является взаимодействие теплых и соленых вод океанического происхождения, поступающих из юго-восточной части в результате адвекции ветвями Куросио, с холодными и распресненными водами, локально формирующимися в условиях мелкого окраинного моря. Адвекция теплых соленых вод осуществляется тремя основными ответвлениями Куросио: Тайваньским теплым течением (ТТТ), теплым течением Желтого моря (ТТЖМ) и Цусимским течением (ЦТ). Компенсационная циркуляция холодных распресненных вод происходит в виде прибрежных течений, направленных в целом с севера на юг. Выделены основные фронты: (1) фронтальная зона Куросио, приуроченная к области континентального склона Восточно-Китайского моря; (2) фронт между ТТТ и холодным прибрежным течением, вытянутый вдоль побережья материка от о. Тайвань до устья р. Янцзы (Тайваньский фронт); (3) фронт между юго-западной границей ТТЖМ и

пяпщ

прибрежным течением Желтого моря; (4) фронт на северо-восточной границе ТТЖМ, образующийся в результате конвергенции ТТЖМ и юго-западного ответвления течения холодных прибрежных вод вдоль западного побережья п-ова Корея; (5) фронт в Цусимском проливе между Цусимским течением и холодным прибрежным течением вдоль южной оконечности п-ова Корея (южно-корейский прибрежный фронт); (6) Шандунский прибрежный фронт; (7) стоковый фронт р. Янцзы, разделяющий распресненные речным стоком прибрежные воды и соленые воды открытого моря; (8) прибрежные фронты приливного происхождения.

Рис. 24. Климатологическое среднезимнее положение

фронтальной системы Тайваньский фронт — фронт Куросио - южнокорейский прибрежный фронт в поле ТПМ (PATHFINDER; слева) и распределение концентрации

хлорофилла зимой 2004 г. (SeaWiFS; справа).

Установлено, что при климатологическом осреднении Тайваньский фронт, фронтальная зона Куросио и южно-корейский прибрежный фронт интегрируются в единую доминирующую фронтальную структуру протяженностью свыше 1200 км, прослеживающуюся над областью континентального шельфа от о. Тайвань до о. Цусима и отделяющая высокопродуктивные воды морей от олиготрофных вод

Рис. 25. Долгопериодная изменчивость меридионального градиента ТПМ вдоль 125° в.д. в районе фронта Куросио в Восточно-Китайском море в феврале (G, °С/100 км; синяя линия) и индекса MEI (красная линия).

Фронтальная зона Куросио, входящая в эту структуру, испытывает межгодовую изменчивость с периодами, соответствующими периоду колебаний

открытого океана (рис. 24).

■ л MEI A G

1" ^ I / \ \ 1 \ \ \ 2

° / 11 \ \ /ill / V \ /1°

Б4 / V J \ \ 1 11 /л —\ / в

О э ' V ' / \ \ II 1\ / А /л\ / ч X f / V_1 /111 / I \ / */\/ X ¡4 / tk // 1 / / \ / 1/7 s

2 \ Is* \г \ / 0

0 -1 Я? (ß (М ЯГ. 80 Я7 Яв Я$> 90 91 9? 93 94 9Г. ЯГ. 97 98 99 00 01 0? (И (М 0Г. Of, 07 0Я 09

Годы

системы ЭНЮК (4-5 лет; рис. 25). Между меридиональным градиентом ТПО и индексом MEI наблюдается статистически значимая корреляция (R=0.57,/><0.01).

В разделе 4.2 рассмотрена сезонная и долгопериодная изменчивость устойчивых термических фронтальных зон в Черном море (Казьмин, 20136), а также изменчивость поля ТПМ в Черном и Эгейским морях и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием (Kazmin and Zatsepin, 2007; Kazmin, Zatsepin and Kontoyiannis, 2010). Этот вопрос особенно актуален для фронта в северо-западной части Черного моря, так как он отделяет высокопродуктивную мелководную часть от олиготрофных вод открытого моря и его изменчивость может влиять на экосистему (рис. 26).

Log of Chlorophyll.monthly (log. mg :и -3)

Рис. 26. Слева: климатологическое положение фронта в северо-западной части Черного моря в январе (PATHFINDER). Узкая белая полоса - область сгущения изотерм, маркирующая положение фронта. Справа: концентрация хлорофилла в январе 2007 г. (SeaWiFS).

Установлено наличие как межгодовой, так и квазидекадной изменчивости интенсивности фронта в северо-западной части Черного моря в зимний период (рис. 27).

Рис. 27. Изменчивость

максимального градиента ТПМ вдоль 31° в.д. в районе фронта в северо-западной части Черного моря в январе (G, °С/100 км; красная линия) и осредненной по акватории среднезимней ТПМ (°С; синяя линия).

При этом максимальная интенсивность фронта наблюдалась в период экстремально высоких значений индекса САК в 1992-93 гг. Обнаружена высокая отрицательная корреляция (Я=-0.74, р<0.01) между интенсивностью фронта и

осредненной по акватории зимней ТПМ. Свидетельством того, что источником изменчивости является атмосферное воздействие, служит высокая отрицательная корреляция интенсивности фронта также и с ТПВ (R=-0.63, р<0.01). Таким образом, ТПМ и ТПВ могут служить интегральными индикаторами долгопериодной изменчивости устойчивых фронтальных зон в Черном море. Поскольку ТПМ и ТПВ связаны с изменчивостью САК (Kazmin and Zatsepin, 2007; Kazmin, Zatsepin and Kontoyiannis, 2010), наличие такой корреляции указывает на важную роль крупномасштабного атмосферного воздействия также и в изменчивости фронтальной зоны. В связи с этим проведен детальный анализ механизмов связи долгопериодной изменчивости ТПМ и ТПВ с крупномасштабными атмосферными воздействиями (САК, ВАЗР). Наряду с Черным, рассматривалось также Эгейское море, так как, несмотря на географическую близость, механизмы связи ТПМ и ТПВ с атмосферным воздействием в них различаются.

ЭГЕЙСКОЕ МОРЕ

Рис. 28. Изменчивость зимних аномалий ТПМ (АТПМ, °С; жирная сплошная линия), ТПВ (АТПВ, °С; тонкая сплошная линия) и меридиональной компоненты ветра (А V, м/с; пунктир) в Черном (вверху) и Эгейском (внизу) морях (Kazmin, Zatsepin and Kontoyianis, 2010).

На рис. 28 представлены сглаженные 3-летним скользящим осреднением зимние аномалии ТПМ, ТПВ и V для Черного и Эгейского морей в 1982-2005 гг. Несмотря на некоторые расхождения в начале и конце периода наблюдений, основное климатическое событие (т.е. резкий переход от отрицательной АТПМ к положительной, имевший место в 1986-1999 гг. в обоих морях) и его связь с атмосферным воздействием (АУ и АТПВ) очевидны в обоих морях.

Подтвержден известный факт существования двух основных ветровых режимов над Черным морем (юго-западного - ЮЗ и северо-восточного - СВ) и преобладание северных ветров над Эгейским морем и получены новые данные о корреляции и и V для каждого режима. В Черном море доминирующей модой (в зимний период) является ЮЗ режим (повторяемость 61%), характеризующийся отрицательной корреляцией между и и V. В СВ режиме компоненты коррелированы положительно. Новым результатом является то, что переход между двумя режимами происходит скачкообразно, при близких к нулю отрицательных значениях индекса САК. В Эгейском море в условиях преобладающего СВ режима наблюдается положительная корреляция между и и V.

В Черном море атмосферным процессом, ответственным за ЮЗ режим, является западный перенос над северной Атлантикой. При этом индекс САК служит предиктором изменчивости поля ветра. В условиях интенсификации САК (индекс САК>0) преобладает ЮЗ режим и компоненты ветра хорошо коррелируют с индексом. При этом и коррелирована положительно, а V - отрицательно (т.е., южный ветер ослабевает с усилением САК).

В Эгейском море ведущую роль играет ВАЗР-колебание. В условиях интенсификации ВАЗР (индекс ВАЗР>0) и САК (индекс САК>0.8) преобладает V, положительно коррелированная с ВАЗР и с САК. Это означает, что интенсификация/ослабление ВАЗР (САК) приводит к усилению/ослаблению северного ветра.

Крупномасштабные атмосферные процессы (САК и ВАЗР) влияют на изменчивость меридиональной компоненты ветра, которая обеспечивает основной поток атмосферного тепла в акватории (поскольку меридиональный градиент ТПВ значительно превышает зональный). Однако, несмотря на географическую близость, основное различие состоит в том, что в Черном море интенсификация/ослабление САК приводит к ослаблению/усилению южного ветра, тогда как в Эгейском море интенсификация ВАЗР (САК) вызывает усиление/ослабление северного ветра.

Долгопериодная изменчивость зимней ТПМ в обоих морях имеет высокую положительную корреляцию с изменчивостью ТПВ, которая служит индикатором адвективного потока тепла в акватории. В свою очередь, изменчивость ТПВ высоко

коррелирована с меридиональной компонентой ветра. Принципиальным различием является то, что в Черном море повышение/понижение ТПВ связано с усилением/ослаблением южного ветра. Напротив, в Эгейском море повышение/понижение ТПВ вызывается ослаблением/усилением северного ветра.

Простая базовая схема влияния крупномасштабных атмосферных процессов на долгопериодную изменчивость ТПМ во время положительной фазы САК и ВАЗР выглядит следующим образом. В Черном море интенсификация/ослабление САК приводит к ослаблению/усилению южного ветра. В свою очередь, это приводит к уменьшению/повышению ТПВ за счет изменения поступления тепла и, соответственно, уменьшению/увеличению ТПМ. В Эгейском море ситуация с изменчивостью ветра противоположна, но приводит к сходным результатам. Интенсификация/ослабление ВАЗР (САК) приводит к усилению/ослаблению северного ветра, что обеспечивает уменьшение/увеличение ТПВ и ТПМ.

Рассмотрена также долгопериодная изменчивость ТПМ в Черном море за более продолжительный период (1950-2005), включавший как положительную, так

Рис. 29. Изменчивость зимней ТПМ в Черном море по данным GISST (жирная линия), MCSST (тонкая линия) и NCEP (точки), горизонтальная линия

климатическое среднее. Красные и синие линии маркируют периоды потепления и похолодания соответственно (Kazmin and Zatsepin, 2007).

В отличие от квазирегулярных декадных осцилляций ТПО в Северной Атлантике, характер изменчивости ТПМ в Черном море характеризуется резким чередованием перемежающихся периодов потеплений и похолоданий длительностью 6-10 лет с короткими (1-2 года) переходными периодами между ними. С учетом предыдущего анализа предложена концептуальная схема влияния САК на V, ТПВ и ТПМ (рис. 30). В ситуации, когда индекс САК>0: (1) интенсификация САК приводит к ослаблению меридиональной (южной) компоненты ветра; (2) это, в свою очередь, уменьшает ТПВ и, соответственно, атмосферный перенос тепла в район Черного моря; (3) в результате происходит

и отрицательную фазы САК (рис. 29).

понижение ТПМ (фаза 0-1). После того как САК достигает максимума (а ТПМ минимума), процесс сменяется на противоположный: уменьшение индекса ведет к усилению южной компоненты ветра и соответствующему повышению ТПВ и ТПМ (фаза 1-2). Когда индекс САК опускается до значений несколько меньших нуля (южный ветер максимален), система скачкообразно переходит в СВ режим (фаза 23). Во время СВ режима (САК<0) САК больше не является предиктором ТПМ. В этом режиме усиление/ослабление северной компоненты ветра приводит к уменьшению/увеличению ТПВ и ТПМ (фазы 3-4 и 4-5, соответственно). Когда фаза отрицательных значений САК заканчивается и индекс повышается до значений, близких к нулю, полный цикл трансформации ТПМ завершается и система возвращается назад в ЮЗ режим (фаза 5-0).

Рис. 30. Концептуальная диаграмма влияния САК на меридиональную компоненту ветра, ТПВ и ТПМ в Черном море. Пояснения в тексте (Kazmin andZatsepin, 2007).

ВЫВОДЫ

1. Сезонная изменчивость крупномасштабных ОФЗ проявляется в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Максимум интенсивности субполярных ОФЗ достигается летом соответствующего полушария, а субтропических - синхронно в обоих полушариях (зимой Северного полушария). Ядра субтропических ОФЗ в обоих полушариях синхронно смещаются к югу/северу зимой/летом Северного полушария, что связано с сезонным меридиональным смещением области максимума конвергенции экмановского переноса. Существенно более высокий меридиональный сдвиг U в ноябре-марте объясняет интенсификацию субтропических ОФЗ в этот период.

2. Летом Северного полушария интенсивность СТФЗ в Северном полушарии уменьшается до нуля и их поверхностные проявления в пределах климатических границ исчезают; в южном полушарии интенсивность

отрицательная фаза САК положительная фаза САК

положительная фаза ВАЗР |

тах О

max 0 max

СЕВЕРНЫЙ ВЕТЕР <- V -> ЮЖНЫЙ ВЕТЕР

уменьшается незначительно, ОФЗ смещаются к северу и продолжают существовать как отдельные самостоятельные структуры.

3. Прямыми судовыми измерениями подтверждено существование многофронтальной структуры ОФЗ. Установлено, что интенсивность фронтов внутри ОФЗ пропорциональна среднезональному градиенту ТПО, что свидетельствует о наличии типичного горизонтального масштаба (~30 км) преобладающего локального фронтогенетического механизма.

4. Все субполярные и субтропические ОФЗ в Мировом океане обнаруживают хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 7-10 лет) изменчивость, проявляющуюся в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Усиление градиента ТПО сопровождается смещением ядер зон к северу в обоих полушариях для субполярных и к полюсам для субтропических ОФЗ. Амплитуда долгопериодной изменчивости градиента ТПО в ОФЗ в Северном полушарии в 2-3 раза выше, чем в Южном.

5. Долгопериодная изменчивость субполярных и субтропических ОФЗ с высокой достоверностью положительно коррелирована с долгопериодными вариациями аномалий меридионального сдвига зональной компоненты ветра (оценкой интенсивности конвергенции экмановского переноса). Обнаружена высокая положительная корреляция между изменчивостью САК и интенсивностью субполярной ОФЗ в Северной Атлантике.

6. Сезонная и межгодовая изменчивость фронтогенеза в климатических ОФЗ средних широт в первом приближении определяется меридиональной изменчивостью поверхностного экмановского воздействия, экмановской накачки и суммарного теплового потока на поверхности, рассчитанных по простой одномерной модели однородного перемешанного слоя.

7. Период изменчивости северной экваториальной ОФЗ Тихого океана составляет 4-5 лет и определяется изменчивостью системы ЭНЮК.

8. В отличие от квазирегулярных декадных осцилляций ТПО в открытом океане, изменчивость системы Канарского апвеллинга проявляется как декадный сдвиг режима интенсивности апвеллинга от ослабленного в 1980-х гг. к очень интенсивному в 1990-х гг. Сдвиг интенсивности связан с долгопериодной

локальной изменчивостью благоприятной для апвеллинга меридиональной компоненты ветра, которая в свою очередь обусловлена вариациями САК.

9. Показано, что участок фронтальной зоны Куросио на границе Восточно-Китайского моря испытывает межгодовую изменчивость с периодами, соответствующими периоду колебаний системы ЭНЮК (4-5 лет).

10. Долгопериодная изменчивость интенсивности фронта в северо-западной части Черного моря отрицательно коррелирована с изменчивостью осредненной по акватории среднезимней ТПМ, которая обусловлена вариациями атмосферной адвекции тепла в акваторию, связанными с изменчивостью меридиональной компоненты ветра. Последняя, в свою очередь, контролируется изменчивостью крупномасштабных атмосферных процессов (САК, ВАЗР).

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Казьмин A.C., Скляров В.Е. Опыт использования видеоинформации с ИСЗ "Метеор" для исследования явлений в океане // Исслед. Земли из космоса. -1981,-№6.-С. 48-57.

2. Казьмин A.C., Скляров В.Е. Некоторые особенности циркуляции вод Черного моря по данным ИСЗ "Метеор" // Исслед. Земли из космоса. - 1982. -№ 6. - С. 42-49.

3. Казьмин A.C., Федоров КН. О структуре климатических фронтальных зон океана // Океанология. - 1984. - Т. 24. - № 3. - С. 398-404.

4. Казьмин A.C., Легекис Р., Федоров КН. Экваториальные волны в поле температуры поверхности океана по данным судовых и спутниковых измерений // Исслед. Земли из космоса. - 1984. - № 5. - С. 3-7.

5. Зацепин А.Г., Казьмин A.C., Федоров К.Н. Термические и видимые проявления крупных внутренних волн на поверхности океана // Океанология. -1984. - Т. 24. - № 4. - С. 586-593.

6. Казьмин A.C., Кузьмина Н.П. О некоторых особенностях мелкомасштабных океанских вихрей (по данным анализа спутниковых изображений) // Исслед. Земли из космоса. - 1986. - № 1. - С. 14-19.

7. Казьмин A.C. Поверхностные проявления внутренних волн в океане по наблюдениям с орбитальной станции «Салют-6» и с корабля // Исслед. Земли из космоса. - 1986а. -№ 2. - С. 7-15.

8. Казьмин A.C. Поверхностные проявления гидрофизических процессов в районе Гибралтарского пролива по материалам фотосъемки с орбитальной станции "Салют-6" // Исслед. Земли из космоса. - 19866. - № 6. - С. 18-23.

9. Казьмин A.C., Легекис Р., Федоров К.Н. Эволюция термической структуры системы Бенгельского апвеллинга по спутниковым и судовым данным // Исслед. Земли из космоса. - 1987. -№ 3. - С. 26-37.

10. Казьмин A.C., Сутырин Г.Г. Блокирование Бенгельского течения одиночным антициклоном: анализ судовой и спутниковой информации // Исслед. Земли из космоса. - 1987. -№ 6. - С. 9-14.

11. Гордейчев Д.О., Казьмин А.С., Легекис Р., Федоров К.Н. Наклон фронтальной поверхности в циклоническом меандре Гольфстрима: анализ судовой и спутниковой информации // Исслед. Земли из космоса. - 1990. - № 2. -С. 3-10.

12. Казьмин А.С. Исследование фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей по спутниковым данным // Исслед. Земли из космоса. - 1992а. - № 3. - С. 81-87.

13. Казьмин А.С. Фронты Бенгельского апвеллинга: анализ судовой и спутниковой информации // Исслед. Земли из космоса. - 19926. - № 5. - С. 4455.

14. Kazmin A.S., Rienecker М.М. Variability and frontogenesis in the large-scale oceanic frontal zones//J. Geophys. Res. - 1996.-V. 101.-Ж Cl.-P. 907-921.

15. Nakamura //., Kazmin A.S. Decadal changes in the North Pacific oceanic frontal zones as revealed in ship and satellite observations // J. Geophys. Res. - 2003. - V. 108. -№C3.- P. 3078-3094.

16. Santos, A. M. P., A. S. Kazmin and A. Peliz. Decadal changes in the Canary upwelling system as revealed by satellite observations: Their impact on productivity // J. Mar. Res. - 2005. - V. 63. - P. 359-379.

17. Kazmin A.S., Zatsepin A.G. Long-term variability of surface temperature in the Black Sea, and its connection with the large-scale atmospheric forcing // J. Mar. Syst. -2007.-V. 68.-P. 293-301.

18. Пиотух В.Б., Заг/епин А.Г., Казьмин A.C., Станичный С.В., Якубенко В.Г., Ратнер Ю.Б., 2009. Оценка влияния зимнего атмосферного форсинга на изменчивость термохалинных характеристик деятельного слоя Черного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. -2009. - Т. 6. - № 1. - С. 442-450.

19. Kazmin A.S., Zatsepin A.G., Kontoyianis Н. Comparative analysis of the long-term variability of winter surface temperature in the Black and Aegean Seas during 1982-2004 associated with large scale atmospheric forcing // Int. Journal of Climatology. - 2010. - V. 30. - P. 1349-1359.

20. Казьмин A.C., Зацепин А.Г. Влияние крупномасштабных атмосферных процессов на долгопериодную изменчивость температуры поверхности Черного и Эгейского морей // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2010. - Т. 7. - № 3. - С. 145-151.

21. Пиотух В.Б., Зацепин А.Г., Казьмин А.С., Якубенко В.Г. Влияние зимнего выхолаживания на изменчивость термохалинных характеристик деятельного слоя Черного моря // Океанология. - 2011. Т. 51. -№ 2. - С.232-241.

22. Казьмин А.С. Изменчивость крупномасштабных океанических фронтальных зон: анализ глобальной спутниковой информации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2012. - Т. 9. - № 1. -С.213-218.

23. Kontoyiannis П., Papadopulos V., Kazmin A., Zatsepin A., Georgopulos D. Climatic variability of the sub-surface sea temperatures in the Aegean-Black Sea system and relation to meteorological forcing // Clim. Dyn. — 2012. - V. 39. — № 6. — P. 1507-1525.

Заказ № 31-а/02/2014 Подписано в печать 10.02.2014 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 2,2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:гак@с/г.ги

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Казьмин, Александр Сергеевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

- ^ На правах рукописи

<Ь201450535

Казьмин Александр Сергеевич

СТРУКТУРА И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОКЕАНИЧЕСКИХ ФРОНТАЛЬНЫХ ЗОН: АНАЛИЗ ГЛОБАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Специальность 25.00.28 - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, доцент Костяной Андрей Геннадьевич

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................4

Глава 1. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ................................................14

Рисунки к Главе 1..................................................................31

Глава 2. КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ОКЕАНИЧЕСКИЕ ФРОНТАЛЬНЫЕ ЗОНЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ...................................................38

2.1. Глобальная география, климатология и сезонная изменчивость океанических фронтальных зон.........................38

Рисунки к разделу 2.1.............................................................46

2.2. Многофронтальная структура океанических фронтальных зон.....52

Рисунки к разделу 2.2.............................................................62

2.3. Сезонный меридиональный фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана..................65

Рисунки к разделу 2.3............................................................73

2.4. Квазидекадная изменчивость и фронтогенез в среднеширотных фронтальных зонах северной части Тихого океана.....................76

Рисунки к разделу 2.4.............................................................96

2.5. Сравнительный анализ долгопериодной изменчивости основных фронтальных зон Мирового океана и ее связь

с крупномасштабным атмосферным воздействием.................107

Рисунки к разделу 2.5...........................................................115

2.6. Поверхностные проявления крупномасштабных фронтальных зон и сопутствующих мезомасштабных явлений на спутниковых изображениях видимого диапазона....................................128

Рисунки к разделу 2.6.............................................................144

Глава 3. ФРОНТАЛЬНЫЕ ЗОНЫ ПРИБРЕЖНЫХ

КЛИМАТИЧЕСКИХ АПВЕЛЛИНГОВ...........................153

3.1. Двухфронтальная структура, синоптическая изменчивость

и фронтогенез в системе Бенгельского апвеллинга...................153

Рисунки к разделу 3.1.............................................................175

3.2. Декадные изменения в системе Канарского апвеллинга

и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием.......186

Рисунки к разделу 3.2..............................................................203

Глава 4. ФРОНТАЛЬНЫЕ ЗОНЫ В МОРЯХ.................................212

4.1. Система фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей...........213

Рисунки к разделу 4.1..............................................................224

4.2. Долгопериодная изменчивость фронтов и поля температуры поверхности в Черном и Эгейском морях и их связь с крупномасштабным атмосферным воздействием......................231

Рисунки к разделу 4.2.............................................................257

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................272

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................290

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Крупномасштабные океанические фронтальные зоны (ОФЗ) климатического происхождения и фронтальные зоны прибрежных климатических апвеллингов являются важнейшими элементами структуры и общей циркуляции Мирового океана, поддерживаемыми глобальным перераспределением потоков тепла и количества движения. Долгопериодная изменчивость ОФЗ интегрально отражает процессы взаимодействия океана и атмосферы и изменения климата. Сами ОФЗ служат важным звеном в механизмах формирования декадной климатической изменчивости океана и в цепи передачи энергии по каскаду масштабов от элементов глобальной океанической циркуляции до мелкомасштабных явлений. В связи с этим, изучение долгопериодной (квазидекадной) изменчивости ОФЗ является актуальной океанологической задачей.

Актуальность исследования изменчивости ОФЗ связана также с тем, что они являются областями высокой биологической продуктивности и, соответственно, имеют важное рыбопромысловое значение. Фронтальные зоны климатических апвеллингов представляют естественные границы прибрежных экосистем и оказывают на них существенное влияние. Последнее крайне актуально для жизнедеятельности населения прибрежных регионов (промысел морепродуктов, поддержание биоразнообразия, сохранение окружающей среды, рекреационная активность).

Основная цель исследования. Изучить долгопериодную (квазидекадную) изменчивость основных климатических ОФЗ Мирового океана (субполярных, субтропических, экваториальных), фронтальных зон прибрежных климатических апвеллингов, а также пространственно-устойчивых (в климатическом плане) фронтов и поля температуры поверхности ряда внутренних морей на основе анализа глобальных спутниковых измерений температуры поверхности океана (ТПО) и

установить связь этой изменчивости с крупномасштабными атмосферными

воздействиями.

Задачи исследования.

1. Построить глобальные среднемесячные климатологические карты распределения величины локального градиента ТПО (как индикатора интенсивности фронтов) в Мировом океане по спутниковым измерениям, идентифицировать на них крупномасштабные ОФЗ и установить циклы их сезонной изменчивости.

__г

2. Построить временные ряды (1982-2009 гг.) основных характеристик ОФЗ (максимум меридионального градиента зонально осредненной ТПО и его широтное положение) в Мировом океане и провести сравнительный анализ их долгопериодной изменчивости.

3. Установить связь вариаций основных ОФЗ с долгопериодной изменчивостью крупномасштабного атмосферного воздействия (меридионального сдвига зональной компоненты поля ветра).

4. Получить на основе простой одномерной модели однородного перемешанного слоя оценки меридионального фронтогенеза (скорости продукции градиента ТПО), обусловленного изменчивостью потоков тепла и количества движения на сезонном и межгодовом масштабах и сравнить их с реально наблюдавшимися скоростями фронтогенеза.

5. Изучить особенности структуры фронтальной зоны, изменчивости и фронтогенеза в системе Бенгельского апвеллинга.

6. Провести детальное исследование декадного сдвига режима

интенсивности системы Канарского апвеллинга в начале 1990-х гг. на

основе анализа временных рядов характеристик апвеллинга, полученных по спутниковым данным о ТПО (индекс апвеллинга, нормальный к береговой черте градиент ТПО) и оценить его влияние на биопродуктивность.

7. Описать систему фронтов Желтого и Восточно-Китайского морей и исследовать межгодовую изменчивость фронта Куросио в Восточно-

Китайском море и ее связь с изменчивостью системы Эль-Ниньо -Южное колебание (ЭНЮК). 8. Исследовать сезонную и межгодовую изменчивость пространственно-устойчивых термических фронтов и поля температуры поверхности моря (ТПМ) в Черном и Эгейском морях и их связь с изменчивостью крупномасштабных атмосферных процессов (Северо-Атлантическое колебание - САК, Восточно-Атлантическое — Западно-Русское колебание - ВАЗР).

Научная новизна исследования. Впервые представлены география, климатология и сезонная изменчивость поверхностных проявлений основных климатических ОФЗ в Мировом океане на основе анализа регулярных глобальных спутниковых измерений ТПО за три последних десятилетия.

Прямыми судовыми измерениями подтверждено существование многофронтальной структуры крупномасштабных ОФЗ. Выделены типы многофронтальности и показано, что интенсивность фронтов внутри ОФЗ пропорциональна среднезональному градиенту ТПО, что свидетельствует о наличии типичного горизонтального масштаба (-30 км) преобладающего локального фронтогенетического механизма.

Показано, что в первом приближении сезонная и межгодовая изменчивость фронтогенеза в климатических ОФЗ средних широт может быть объяснена в рамках простой одномерной модели однородного перемешанного слоя.

Впервые документально подтверждено существование долгопериодной (квазидекадной) изменчивости всех основных климатических ОФЗ Мирового океана (субполярных, субтропических, экваториальных), проявляющейся в вариациях их интенсивности (градиента ТПО) и широтного положения ядра зон и получены количественные оценки этой изменчивости.

Впервые обнаружены статистически значимые корреляции между долгопериодной изменчивостью атмосферного воздействия (изменчивость меридионального сдвига зональной компоненты ветра) и вариациями

основных климатических ОФЗ. Установлено наличие положительной корреляции между изменчивостью САК и интенсивностью субполярной зоны в Северной Атлантике.

Впервые документально подтвержден и детально исследован декадный сдвиг режима интенсивности системы Канарского апвеллинга в начале 1990-х гг. и показано влияние этого сдвига на биопродуктивность системы.

Показано, что участок фронтальной зоны Куросио на границе Восточно-Китайского моря испытывает межгодовую изменчивость с периодами, соответствующими периоду колебаний системы ЭНЮК (4-5 лет).

Впервые обнаружена связь долгопериодной изменчивости фронта в северо-западной части Черного моря с изменчивостью средней по акватории ТПМ и предложена концептуальная схема влияния крупномасштабных атмосферных процессов (САК и ВАЗР) на долгопериодную изменчивость поля ТПМ в Черном и Эгейском морях через вариации потока тепла в акваторию, связанные с изменением поля ветра.

Основные защищаемые положения.

1. Сезонная изменчивость климатических ОФЗ проявляется в вариациях их интенсивности и широтного положения ядра зон. Максимум интенсивности субполярных ОФЗ достигается летом соответствующего полушария, а субтропических — синхронно в обоих полушариях (зимой северного полушария). Ядра субтропических ОФЗ в обоих полушариях синхронно смещаются к югу/северу зимой/летом северного полушария, что связано с сезонным меридиональным смещением области максимума конвергенции экмановского переноса.

2. Все субполярные и субтропические ОФЗ в Мировом океане обнаруживают хорошо выраженную квазидекадную (с периодом 7-10 лет) изменчивость, проявляющуюся в вариациях их интенсивности и широтного положения ядер зон. Усиление градиента ТПО сопровождается смещением ядер зон к северу в обоих полушариях для субполярных и к полюсам для субтропических ОФЗ. Амплитуда

долгопериодной изменчивости градиента ТПО в ОФЗ в северном полушарии в 2-3 раза выше, чем в южном.

3. Долгопериодная изменчивость интенсивности субполярных и субтропических ОФЗ с высокой достоверностью положительно коррелирована с долгопериодными вариациями аномалий меридионального сдвига зональной компоненты ветра (оценка интенсивности конвергенции экмановского переноса).

4. Сезонная и межгодовая изменчивость фронтогенеза в климатических ОФЗ средних широт в первом приближении определяется меридиональной изменчивостью экмановского воздействия, экмановской накачки и суммарного теплового потока на поверхности, рассчитанных в рамках простой одномерной модели однородного перемешанного слоя.

5. Период изменчивости северной экваториальной ОФЗ Тихого океана составляет 4-5 лет и определяется изменчивостью системы Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК). Во время событий Эль-Ниньо происходит резкое уменьшение интенсивности экваториальной ОФЗ.

6. В отличие от квазирегулярных декадных осцилляций ТПО в открытом океане, изменчивость системы Канарского апвеллинга проявляется как декадный сдвиг режима интенсивности апвеллинга от ослабленного в 1980-х гг. к очень интенсивному в 1990-х гг. Сдвиг интенсивности связан с долгопериодной локальной изменчивостью благоприятной для апвеллинга меридиональной компоненты ветра, которая в свою очередь обусловлена вариациями САК.

7. Долгопериодная изменчивость интенсивности фронта в северо-западной части Черного моря отрицательно коррелирована с изменчивостью осредненной по акватории среднезимней ТПМ, которая обусловлена вариациями атмосферной адвекции тепла в акваторию, связанными с изменчивостью меридиональной компоненты ветра. Последняя, в свою очередь, контролируется изменчивостью крупномасштабных атмосферных процессов (САК, ВАЗР).

Достоверность результатов проведенных исследований

определяется использованием регулярных исходных спутниковых данных высокого разрешения о ТПО, рассчитанных по единым для всего Мирового океана и временного интервала, современным алгоритмам; применением адекватных методов обработки исходных данных; корректной оценкой статистической значимости полученных корреляций в условиях коротких рядов; хорошей сопоставимостью модельных оценок фронтогенеза с наблюдениями; соответствием полученных результатов имеющимся литературным данным.

Практическая значимость работы. Полученные фактические результаты относительно долгопериодной изменчивости океанических фронтальных зон и ее связи с атмосферным воздействием могут быть использованы для верификации и совершенствования моделей климатических изменений общей циркуляции океана и взаимодействия в системе океан-атмосфера в целях улучшения долгосрочных прогнозов. Поскольку ОФЗ и климатические апвеллинги являются областями высокой биологической продуктивности и естественными границами морских экосистем, данные об их долгопериодной изменчивости могут использоваться при решении практических вопросов, связанных с промыслом морепродуктов, сохранением биоразнообразия, охраной окружающей среды.

Личный вклад автора. Соискателем лично:

- собраны многолетние массивы глобальных спутниковых измерений ТПО и метеорологических данных, послужившие фактической основой выполненного исследования;

- выполнена обработка первичных данных, в результате чего получены и проанализированы среднемноголетние и среднемесячные глобальные карты распределения локального градиента ТПО в Мировом океане и многолетние (три десятилетия) ряды характеристик основных океанических фронтальных зон (величины меридионального градиента зонально осредненной ТПО,

меридионального положения максимума градиента) и характеристик атмосферного воздействия (меридионального сдвига зональной компоненты ветра, индексов атмосферной циркуляции);

- проведен корреляционный анализ связей между интенсивностью и меридиональным положением ядра фронтальных зон и между интенсивностью и меридиональным сдвигом зональной компоненты ветра, на основании которого получены выводы о роли атмосферного воздействия в формировании долгопериодной изменчивости фронтальных зон;

- на основе одномерной модели теплового баланса верхнего однородного слоя получено фронтогенетическое уравнение для оценки скоростей продукции меридионального градиента ТПО, обусловленных различными фронтогенетическими факторами и выполнено сравнение модельных и наблюдавшихся скоростей фронтогенеза для фронтальных зон северной части Тихого океана;

принималось непосредственное участие в получении всех использованных в работе натурных судовых данных;

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации в качестве апробации заслушивались на: семинарах Лаборатории экспериментальной физики океана ИОРАН; заседаниях Ученого совета физического направления ИОРАН; семинарах в Морском университете Циндао (КНР, 1989-90); семинарах в Центре космических полетов им. Годдарда/NASA (США, 1993-94); семинарах в Институте исследования глобальных изменений/FRONTIER Research System for Global Change (Япония, 1998-99); семинарах в Португальском институте рыболовства и океанографии (IPIMAR, Лиссабон, 2003); семинарах в Греческом институте океанографии (Афины, 2005, 2006, 2007); семинарах в университете Жироны (Испания, 2010, 2012); заседании кафедры океанологии Географического

факультета МГУ (2013); совместном заседании семинара и научно-технического совета Отдела исследования Земли из космоса ИКИ РАН (2013); семинаре Отдела долгосрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России (2013).

Материалы представлялись также на следующих российских и международных конференциях: международный Льежский коллоквиум по гидродинамике океана (Бельгия, 1992); РОЯ8ЕС-92 (Япония, 1992), РОЯ8ЕС-98 (КНР, 1998), РОЯ8ЕС-2002 (Индонезия, 2002); симпозиум Океанографического общества США по тихоокеанскому бассейну (Гонолулу, 1994); международный симпозиум ТШАМСЬЕ-98 (Япония, 1998); рабочая группа/симпозиум ЕС-Япония по изменениям климата (Япония, 1999); 24-я Генеральная ассамблея ЕвБ (Нидерланды, 1999); РАСОИ99 (Москва, 1999); Генеральная ассамблея Швв (Великобритания, 1999); 4-я португальско-испанская ассамблея по геодезии и геофизике (Португалия, 2004); международные конференции Комиссии по защите Черного моря от загрязнения (Стамбул, 2006; София, 2008); Генеральная ассамблея Еви (Австрия, 2006, 2012); ме�

Информация о работе

Казьмин, Александр Сергеевич
доктора географических наук
Москва, 2014
ВАК 25.00.28

Диссертация

Структура и изменчивость океанических фронтальных зон: анализ глобальной спутниковой информации - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы