Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Циркуляция и термохалинные характеристики вод субарктической Атлантики

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Циркуляция и термохалинные характеристики вод субарктической Атлантики"

На правах рукописи

САРАФАНОВ Артем Андреевич

ЦИРКУЛЯЦИЯ И ТЕРМОХАЛИНИЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОД СУБАРКТИЧЕСКОЙ АТЛАНТИКИ: СРЕДНЕЕ СОСТОЯНИЕ И ИЗМЕНЕНИЯ В МАСШТАБЕ ДЕСЯТИЛЕТИЙ

Специальность 25.00.28 - Океанология

3 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва-2013

005533743

005533743

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

Официальные оппоненты:

Кошляков Михаил Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Чернышков Павел Петрович, доктор географических наук, профессор Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта»

Федоров Юрий Александрович, доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Защита состоится « » У*2013 г. в 12. ч. ОО 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, г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автореферат разослан « )-? » СаиТ2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических /у у Гинзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования крупномасштабных океанских процессов на севере Атлантического океана обусловлена их ролью в климатической системе Земли. В субарктической Атлантике и прилегающей к ней части Северного Ледовитого океана поверхностные атлантические воды, поступающие из субтропиков, отдают тепло атмосфере, охлаждаются, становятся плотнее и формируют направленный к экватору поток холодных глубинных вод (рис. 1) [Лаппо, 1984; Lumpkin and Speer, 2007]. С этой циркуляцией, известной как меридиональная термохалинная циркуляция (МТЦ) вод Северной Атлантики, связан перенос тепла на север (до -1.5-1015 Вт [Соков, 2012]), сопоставимый с меридиональным переносом тепла в атмосфере. Поэтому многолетние изменения динамики и термохалинных характеристик вод на севере Атлантического океана - один из главных факторов формирования климатических аномалий в умеренных и высоких широтах Северного полушария [Kushnir, 1994; Delworth and Mann, 2000; Sutton and Hodson, 2005].

Во множестве исследований, основанных на наблюдениях, было установлено, что температура, соленость и интенсивность циркуляции вод в субарктической Атлантике претерпевают выраженные изменения в масштабе десятилетий. Эти изменения затрагивают всю толщу вод: поверхностные [Häkkinen and Rhines, 2004; Reverdin, 2010], промежуточные [Yashayaev, 2007; Lozier and Stewart, 2008] и глубинные [Bacon, 1998; Dickson et al., 2002] воды. Результаты численного моделирования указывают на то, что многолетние изменения характеристик и динамики вод в регионе сопровождаются изменениями интенсивности МТЦ и меридионального переноса тепла [Gulev et al., 2003; Boning et al., 2006; Huck et al., 2008].

Исследование этих процессов осложняется нехваткой данных наблюдений. В наибольшей степени это относится к глубинным слоям океана, недоступным ни для спутниковых наблюдений, ни для автономных дрейфующих профилографов. Единственный источник данных о процессах во всей толще вод, включая глубинные слои, - судовые наблюдения на океанографических разрезах. Эти наблюдения трудоемки, затратны, и поэтому редки. Непрерывные спутниковые наблюдения над характеристиками

Рис. 1. Схема крупномасштабной циркуляции вод Северной Атлантики. СПК и СТК -соответственно Субполярный и Субтропический круговороты. МТЦ — меридиональная термохалинная циркуляция: интегральный перенос теплых поверхностных вод направлен на север, интегральный перенос холодных глубинных вод направлен на юг.

поверхностных вод ведутся на протяжении лишь двух-трех последних десятилетий, а автономные профилографы Аг§о, измеряющие температуру и соленость вод на глубинах до 2000 м, введены в эксплуатацию около 10 лет назад. Численное моделирование дает представление о циркуляции во всей толще вод, об изменчивости циркуляции в широком диапазоне масштабов времени и, таким образом, позволяет решать многие задачи, решение которых только на основе имеющихся данных наблюдений невозможно. Так, современные представления о характере и причинах многолетней изменчивости МТЦ в субарктической Атлантике основаны преимущественно на моделировании. Интерпретация результатов моделирования осложняется тем, что наблюдаемые в океане процессы в моделях представлены в той или иной

мере приближенно. Например, циркуляция промежуточных и глубинных вод Атлантики, включая вертикальную структуру их меридионального переноса, в моделях воспроизводится существенно менее реалистично, чем циркуляция поверхностных вод [Saunders et al., 2008; Bacon and Saunders, 2010].

В связи с этим многие фундаментальные аспекты крупномасштабной циркуляции и изменчивости термохалинных характеристик вод субарктической Атлантики исследованы не полно. Нет надежных, основанных на наблюдениях, количественных оценок характерных величин (средних многолетних значений) расходов течений во всей толще вод и интенсивности МТЦ в регионе. Остается открытым вопрос о главных механизмах, районах и объемах трансформации теплых вод верхнего звена МТЦ в холодные плотные воды нижнего звена МТЦ на севере Атлантики. Отсутствуют основанные на наблюдениях достоверные количественные оценки - временные ряды - изменений интенсивности МТЦ, необходимые, среди прочего, для валидации численных моделей. Представления о тенденциях и причинах многолетних изменений температуры, солености и циркуляции глубинных вод в регионе в основном носят характер гипотез, нуждающихся в проверке. Эти проблемы составляют предмет настоящей диссертационной работы.

Цель работы - дать комплексную количественную характеристику крупномасштабных океанских процессов в субарктической Атлантике и получить новые сведения о многолетних изменениях температуры, солености и интенсивности циркуляции вод в регионе на основе данных наблюдений. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

. с использованием данных ежегодных гидрографических съемок на разрезе по 59.5° с.ш. (рис. 2), данных спутниковой альтиметрии и сведений о водообмене между Атлантикой и приатлантической Арктикой количественно оценить среднее многолетнее состояние циркуляции в толще вод на севере Атлантического океана в 2000-х гг.;

• на основе данных наблюдений количественно оценить изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод в регионе в 1990-х - 2000-х гг. и выявить главные причины этих изменений;

• оценить тесноту связи между термохалинными характеристиками вод субарктической Атлантики и аномалиями регионального состояния атмосферы (Североатлантическим колебанием, САК) в 1950-х-2000-х гг. и выявить главные механизмы и районы передачи связанных с САК климатических сигналов в промежуточные и глубинные слои океана;

• на основе гидрографических и спутниковых данных количественно оценить многолетние изменения интенсивности переноса на юг глубинных вод в море Ирмингера и проверить выдвинутые ранее гипотезы о связи интенсивности переноса глубинных вод с суровостью зим в приатлантической Арктике и с интенсивностью глубокой конвекции в субарктической Атлантике;

• на основе гидрографических и спутниковых данных количественно оценить изменения интенсивности МТЦ в субарктической Атлантике в 1990-х — 2000-х гг. и проанализировать возможные причины выявленных многолетних изменений.

Предмет защиты - новое решение фундаментальной научной проблемы получения и систематизации основанных на наблюдениях сведений о динамических процессах и многолетних изменениях характеристик вод на севере Атлантического океана.

На защиту выносятся следующие положения. Установлено:

• в субарктической Атлантике трансформация теплых вод верхнего звена меридиональной термохалинной циркуляции в холодные плотные воды ее нижнего звена происходит преимущественно вследствие охлаждения поверхностных вод в восточной ветви Субполярного круговорота. Глубокая конвекция в субарктической Атлантике влияет на меридиональную циркуляцию вод в масштабе десятилетий, но не относится к главным движущим механизмам этой циркуляции;

• многолетние изменения термохалинных характеристик и интенсивности крупномасштабной циркуляции в толще вод субарктической Атлантики обусловлены, главным образом, аномалиями регионального состояния атмосферы - Североатлантическим колебанием. Изменения характе-

ристик арктических и субтропических вод и изменения интенсивности водообмена между Атлантикой и Северным Ледовитым океаном играют второстепенную роль;

• главные факторы, ответственные за связь между Североатлантическим колебанием и термохалинными характеристиками вод субарктической Атлантики, - интенсивность конвекции в Субполярном круговороте и зональная протяженность круговорота.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые - на основе данных наблюдений - количественно оценено среднее многолетнее состояние циркуляции в толще вод на севере Атлантики; впервые достоверно оценены многолетние изменения интенсивности МТЦ в регионе; получены новые сведения о механизмах и районах формирования нижнего звена МТЦ, о тенденциях и причинах региональных изменений термохалинных характеристик и динамики вод в масштабе десятилетий; разработаны и применены новые методы количественной оценки переноса вод и изменений интенсивности МТЦ по гидрографическим и спутниковым данным.

Достоверность представленных результатов определяется тем, что они получены на основе обширного массива данных наблюдений, прошедших строгий контроль качества, а также методов количественной оценки циркуляции, не требующих априорных ограничений и, таким образом, исключающих фактор субъективности.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в работе результаты могут быть востребованы для повышения эффективности мониторинга вод на севере Атлантического океана, а также для валидации и улучшения численных моделей совместной циркуляции океана и атмосферы, используемых для прогнозирования климатических изменений.

Апробация работы. Материалы и результаты работы докладывались на ежегодных ассамблеях Европейского геофизического союза (EGU, Вена, Австрия, 2005, 2007-2011), конгрессах Американского геофизического союза (AGU) "Ocean Science Meeting" (Гонолулу, США, 2006; Портленд, США, 2010; Солт-Лейк-Сити, США, 2012), конференции международной Программы по

изучению изменчивости и предсказуемости климата (CLIVAR) "North Atlantic Subpolar Gyre Workshop" (Киль, Германия, 2007), ассамблеях Международного союза геодезии и геофизики (IUGG, Перуджа, Италия, 2007; Гетеборг, Швеция, 2013), симпозиумах Международного совета по исследованию моря (ICES) "Effects of Climate Change on the World's Oceans" (Хихон, Испания, 2008; Йосу, Корея, 2012), симпозиуме Научного комитета по океаническим исследованиям (SCOR) "The Changing Ocean: from Past to Future" (Вудс Хол, США, 2008), конференции Федерального агентства по науке и инновациям "Global Climate Change and Mechanisms of Adaptation to It" (Москва, 2009), симпозиуме "0cean0bs'09" (Венеция, Италия, 2009), конференции AGU "Meeting of the Americas" (Фос-ду-Игуасу, Бразилия, 2010), конференции по Международному Полярному Году (IPY) "Polar Science - Global Impact" (Осло, Норвегия, 2010), конференции "Past Present and Future Change in the Atlantic MOC" (Бристоль, Великобритания, 2011), симпозиуме Европейского космического агентства (ESA) "20 Years of Progress in Radar Altimetry" (Венеция, Италия, 2012), а также на семинарах Лаборатории физики океана Института морских исследований Франции (Ifremer, Брест, 2008-2012). В общей сложности по теме диссертации сделано 30 докладов на конференциях и симпозиумах (2005-2013 гг.).

Публикации. Представленные в работе результаты и выводы в полном объеме опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых научных изданиях. По теме диссертации опубликовано 27 работ, включая 20 статей в журналах из перечня ВАК (см. стр. 48-50).

Значительная часть представленных в диссертации результатов получена автором совместно с российскими и зарубежными коллегами. В работах с соавторами личный вклад соискателя состоял в постановке задач, в разработке методов и выполнении большинства количественных оценок, включая оценки переноса вод и изменений их термохалинных характеристик, в интерпретации и систематизации полученных результатов, в подготовке публикаций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, первая из которых - обзорная, и заключения. Общий объем работы - 201 страница, включая 53 рисунка и 5 таблиц. Список литературы содержит 222 работы, из которых 189 - на английском языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены основные сведения о современном состоянии исследований термохалинных характеристик и динамики вод субарктической Атлантики, изложены главные проблемы и нуждающиеся в проверке гипотезы, определены цель и задачи работы, описана ее структура.

Первая глава представляет собой краткий обзор основанных на наблюдениях сведений о крупномасштабной циркуляции и водных массах субарктической Атлантики, а также об изменениях термохалинных характеристик и динамики вод в регионе в масштабе десятилетий.

Главный образующий элемент крупномасштабной циркуляции вод субарктической Атлантики - Субполярный круговорот (СПК, рис. 1), юго-восточное звено которого представлено Северо-Атлантическим течением (CAT) и его внутренней по отношению к круговороту ветвью - течением Ирмингера (ТИ) (рис. 2). С этими течениями связан перенос теплых соленых субтропических вод на север. Северо-западное звено круговорота - Западное пограничное течение (ЗПТ), берущее начало в море Ирмингера (рис. 2), -переносит арктические и рециркулирующие атлантические воды на юг.

Суммарный расход CAT и ТИ в верхнем звене МТЦ на -55-60° с.ш. составляет около 16-22 Св (1 Св = 106 м3 с"'). Указанный диапазон значений получен по данным нескольких синоптических съемок, свидетельствующих о значительной изменчивости расхода CAT, но не позволяющих с уверенностью судить ни о характерных временных масштабах этой изменчивости, ни об ее амплитуде, ни о средней величине переноса вод. Это замечание справедливо по отношению к большинству количественных оценок циркуляции вод в СПК.

Часть вод, переносимых CAT и ТИ, распространяясь на север, образует поток (8-9 Св) относительно теплых соленых вод из Атлантики в Арктику через проливы между Гренландией, Исландией и Великобританией (рис. 2). Остальная часть вод CAT и ТИ рециркулирует к югу от Исландии на запад. Достигнув западной части моря Ирмингера, эти воды распространяются в ЗПТ над континентальным склоном Гренландии на юго-запад - к южной оконечности Гренландии (мыс Фарвель), затем - в море Лабрадор, в западной части которого ЗПТ также известно как Лабрадорское течение.

сзгв

ПХР

Арктика

МФ - мыс Фарвель CAT

МИ - море Ирмингера ТИ

ИБ - Исландский бассейн

MJ1 - море Лабрадор

ДП - Датский пролив

ГШХ - Гренландско-Шотландский хр.

ПХР - Плато Хаттон-Роколл ЗГПТ

ПР - Проход Роколл СЗГВ

РЧГ - Разлом Чарли-Гиббс СВГВ

Северо-Атлантическое течение течение Ирмингера

Воет-Гренландское прибрежн теч Восточно-Гренландское течение Лабрадорская водная масса Западное глуб. погран. течение Северо-Западная глуб. вода Северо-Восточная глуб. вода

Рис. 2. Схема крупномасштабной циркуляции вод субарктической Атлантики [Worthington, 1976; Schmitz and McCartney, 1993; Schott and Brandt, 2007; Lherminier et al„ 2007; Sutherland and Pickart, 2008]. Показано номинальное положение разреза по 59.5° с.ш. (зеленая линия) [Добролюбов и Демидов, 2006] и станции, выполненные в 2002-2008 гг. (зеленые кружки).

Рециркулирующие атлантические воды - относительно теплый соленый компонент верхней части ЗПТ. По мере циркуляции в СПК эти воды постепенно охлаждаются и смешиваются с холодными и распресненными приповерхностными арктическими водами. Последние проникают в Атлантику через Датский пролив и Дэвисов пролив, расположенные, соответственно, к востоку и к западу от Гренландии. В Датском проливе приповерхностные арктические воды поступают в море Ирмингера с Восточно-Гренландским течением (ВГТ, 1-2 Св, рис. 2). В море Ирмингера выделяют прибрежную часть ВГТ - Восточно-Гренландское прибрежное течение (ВГПТ, рис. 2). Таким образом, верхняя часть ЗПТ в море Ирмингера представляет собой поток

арктических вод (ВГТ, включая ВГПТ) и рециркулирующих атлантических вод (ТИ). В связи с этим система течений, образующих верхнюю часть ЗПТ в море Ирмингера, получила название ВГТ / ТИ [Lherminier et al., 2007].

Циркуляция вод на промежуточных глубинах (-500 - 2000 м) в регионе в общих чертах близка к циркуляции поверхностных вод. В восточном бассейне CAT переносит на север относительно теплые соленые промежуточные воды из субтропиков на глубинах -500-1200 м. Эти воды вносят вклад в поток атлантических вод в Арктику, принимают участие в общей циркуляции вод СПК и вовлекаются в поток плотных вод арктического происхождения. В западной части субарктической Атлантики и Исландском бассейне с циклонической циркуляцией вод на глубинах до -2000 м связан перенос распресненных субарктических вод, поступающих на промежуточные глубины в результате глубокой зимней конвекции (Лабрадорская водная масса). Эти воды циркулируют в СПК (рис. 2), переносятся ЗПТ в низкие широты, а также участвуют в формировании глубинных вод.

Расход ЗПТ на промежуточных глубинах на юго-западе моря Лабрадор составляет, в среднем, 15-20 Св. Количественных оценок средних значений переноса промежуточных вод в других районах субарктической Атлантики нет. Интегральный перенос промежуточных вод в СПК направлен на юг; таким образом, этот перенос относится к нижнему звену МТЦ [Lherminier et al., 2007].

Циркуляция глубинных вод (глубины более -1500-2000 м) представлена, главным образом, двумя пограничными течениями: Западным глубинным пограничным течением (ЗГПТ - нижняя часть ЗПТ), зарождающимся в Датском проливе, и глубинным течением, берущим начало в разломах хребта между Исландией и Шотландией, следующим на юго-запад вдоль восточного склона хребта Рейкьянес и проникающим через разлом Чарли-Гиббс в западный бассейн, где это течение 'впадает' в ЗГПТ (рис. 2). В глубоком канале Датского пролива перенос плотных арктических вод, дающих начало ЗГПТ, составляет -3 Св. За счет вовлечения атлантических вод и притока глубинных вод из разлома Чарли-Гиббс (2-3 Св) расход ЗГПТ возрастает в направлении от Датского пролива к мысу Фарвель до 8-13 Св. Обогнув мыс Фарвель, ЗГПТ проникает в море Лабрадор (рис. 2) и далее следует в низкие широты (рис. 1).

Рис. 3. Водные массы субарктической Атлантики. Показаны средние летние распределения солености (епс) и концентраций кислорода (|дмоль кг~') на разрезе по 59.5° с.ш. (см. рис. 2) в 2002-2008 гг. СПМВ - Субполярная модальная вода; СТПВ — субтропические промежуточные воды; ЛВ - Лабрадорская водная масса; вЛВ - верхняя ЛВ; нЛВ - нижняя ЛВ; СВГВ - Северо-восточная глубинная вода; СЗГВ - Северо-западная глубинная вода.

МТЦ в субарктической Атлантике тесно связана с циклонической циркуляцией вод в СПК (рис. 1). Перенос теплых вод на север в верхнем звене МТЦ происходит в юго-восточной ветви СПК (CAT и ТИ), а перенос холодных вод в нижнем звене МТЦ на юг - главным образом, в северо-западной ветви круговорота (ЗПТ). Надежных количественных оценок средней многолетней интенсивности МТЦ в пределах СПК нет ввиду нехватки данных наблюдений над скоростями течений во всей толще вод. Оценки, основанные на синоптических съемках на разрезах, указывают на то, что интенсивность МТЦ в регионе изменяется в широком диапазоне: от II—12Св до 18-19 Св при интегрировании переноса вод в поле плотности [Gourcuff, 2008; Соков, 2012].

На северной границе Атлантического океана - над Гренландско-Шотландским хребтом (ГШХ, рис. 2) - интенсивность МТЦ, оцененная в поле плотности, в среднем составляет около 6 Св. Эта величина соответствует совокупному переносу плотных арктических вод через глубокие проходы в хребте: ~3 Св в Датском проливе и -3 Св к востоку от Исландии. На южной границе СПК (-48° с.ш.) интенсивность МТЦ в 1990-х гг. составляла -16 Св [Lumpkin et al., 2008]. Таким образом, в СПК большие объемы (-10 Св = 16 Св минус 6 Св) теплых вод верхнего звена МТЦ, охлаждаясь, трансформируются в плотные воды нижнего звена МТЦ. Долгое время считалось, что главный механизм формирования нижнего звена МТЦ в субарктической Атлантике -глубокая зимняя конвекция в море Лабрадор. Оценки интенсивности конвекции составляют 2-11 Св, и это, действительно, может означать, что трансформация вод в море Лабрадор - один из главных 'двигателей' МТЦ, см. [Rhein et al., 2002]. Однако недавно было установлено, что в 1990-х гг. (в период активной конвекции), непосредственный вклад трансформации вод в море Лабрадор в МТЦ составлял около 2 Св [Pickart and Spall, 2007]. Это значительно меньше суммарного вклада, который вносит в МТЦ трансформация вод в пределах СПК (-10 Св). Таким образом, один из фундаментальных вопросов о природе меридиональной циркуляции - вопрос о механизмах и районах формирования нижнего звена МТЦ в субарктической Атлантике - остается открытым.

Водные массы субарктической Атлантики представлены Субполярной модальной водой (СПМВ), субтропическими промежуточными водами в восточном бассейне (СТПВ), Лабрадорской водной массой (ЛВ), Северовосточной (СВГВ) и Северо-западной (СЗГВ) глубинными водами (рис. 3).

СПМВ - слабо стратифицированные воды на глубинах до 400-600 м (рис. 3), формирующиеся вследствие зимнего охлаждения и вызванного им конвективного перемешивания приповерхностных вод, приносимых в субарктическую Атлантику CAT. В восточном бассейне на глубинах до -1200 м под слоем СПМВ CAT переносит на север СТПВ - продукт трансформации Средиземноморской и Антарктической промежуточной водных масс. Основное отличительное свойство СТПВ - низкое содержание кислорода (рис. 3), свидетельствующее о том, что эти воды давно утратили контакт с атмосферой.

JIB формируется в результате глубокой зимней конвекции в море Лабрадор и, эпизодически, - в море Ирмингера. Отличительные свойства JIB (рис. 3) - низкая соленость, высокое содержание кислорода и слабая стратификация. Вследствие интенсивной конвекции (например, в первой половине 1990-х гг.) формируется холодная, плотная JIB («нижняя JIB» на рис. 3). Ослабленная конвекция (например, в 2000-х гг.) приводит к формированию менее плотной JIB («верхняя JIB» на рис. 3).

Глубинные воды - СВГВ и СЗГВ - продукт смешения холодных плотных арктических вод, перетекающих через ГШХ (рис. 2), с относительно теплыми атлантическими водами. СЗГВ формируется из арктических вод, поступающих в море Ирмингера через Датский пролив. От Датского пролива СЗГВ распространяется в придонной части ЗГПТ к мысу Фарвель (рис. 2), затем - в море Лабрадор, откуда следует с ЗГПТ на юг. Отличительные свойства СЗГВ (рис. 3) - низкая температура и соленость, высокое содержание кислорода. СВГВ формируется в Исландском бассейне из арктических вод, поступающих в Атлантику из Норвежского моря (рис. 2), и атлантических вод, включая СПМВ, СТПВ и JIB. Вследствие смешения с водами субтропического происхождения соленость СВГВ значительно превышает соленость СЗГВ и ЛВ, а содержание кислорода в СВГВ меньше, чем в СЗГВ и ЛВ (рис. 3). В западном бассейне, куда СВГВ проникает преимущественно через разлом Чарли-Гиббс, поток СВГВ присоединяется к потоку СЗГВ и следует с ЗГПТ в низкие широты.

Во второй половине XX века, вплоть до середины 1990-х гг., в СПК наблюдалось уменьшение температуры и солености поверхностных вод [Reverdin, 2010]. На фоне этой тенденции имели место эпизоды резких изменений солености (и температуры), известные как «великие соленостные аномалии» [Belkin, 2004]; эти эпизоды не рассматриваются в работе подробно ввиду их сравнительно малой длительности. В 1960-х - 1990-х гг. также уменьшались температура и соленость промежуточных (JIB и СТПВ) [Yashayaev, 2007; Lozier and Stewart, 2008] и глубинных [Read and Gould, 1992; Dickson et al., 2002] вод. Охлаждение и распреснение вод сопровождалось увеличением зональной протяженности СПК — смещением Субполярного фронта на восток в восточном бассейне [Lozier and Stewart, 2008]. С середины 1990-х гг. наблюдалось потепление и осолонение поверхностных вод [Reverdin,

ЖЩ

высокий индекс САК

3 -

1988-1995

* 2-

нейтральный

индекс САК

1950-1961 1971-1987 1996-2008

низкий индекс САК

1962-1970

-3-

семилетнее скользящее среднее

-4-

-5

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Годы

Рис. 4. Временной ряд зимнего индекса Североатлантического колебания (САК). Отмечены средние значения для условно выделенных последовательных интервалов времени, см. легенду. Вертикальной полосой отмечен интервал (2002-2008 гг.), для которого в настоящей работе количественно оценено среднее многолетнее состояние циркуляции вод.

2010], модальных вод (СПМВ) [Thierry et al., 2008] и ЛВ [Yashayaev, 2007], сопровождавшееся замедлением и уменьшением зональной протяженности СПК в верхних слоях океана [Häkkinen and Rhines, 2004; Bersch et al., 2007].

Многолетние изменения термохалинных характеристик и циркуляции поверхностных и промежуточных вод субарктической Атлантики связаны с Североатлантическим колебанием (САК), количественная мера которого -индекс САК [Hurrell, 1995] - нормированная разница атмосферного давления на поверхности океана между Азорскими островами и Исландией. Изменениям индекса САК соответствуют изменения интенсивности западного атмосферного переноса, влияющие на интенсивность конвекции и циркуляцию в верхних слоях океана на севере Атлантики, см. [Olsen and Buch, 2004]. С ростом индекса САК в 1960-х - 1990-х гг. (рис. 4) было связано усиление конвекции в море Лабрадор [Yashayaev, 2007] и увеличение зональной протяженности СПК [Lozier and Stewart, 2008]. Усиление конвекции вело к охлаждению и распреснению в слое ЛВ. Смещение Субполярного фронта на восток вело к уменьшению адвекции субтропических вод на север и, как следствие, - к охлаждению и распреснению поверхностных вод и СТПВ. С уменьшением индекса САК с середины 1990-х гг. (рис. 4) было связано замедление и

уменьшение зональной протяженности СПК, потепление и осолонение поверхностных вод, СПМВ и JIB [Bersch et al., 2007; Thierry et al., 2008].

Главная причина распреснения глубинных вод (СВГВ и СЗГВ) в 1960-х -1990-х гг. была найдена в распреснении вод в приатлантической Арктике — в районе формирования плотных арктических вод, поступающих в Атлантику над ГШХ [Dickson et al., 2002]. Распреснение этих вод объяснялось внешними по отношению к Атлантике факторами, предположительно связанными с глобальным потеплением: усилением таяния арктических льдов, ростом величин атмосферных осадков в высоких широтах и увеличением речного стока в Северный Ледовитый океан [Curry et al., 2003; Peterson et al., 2006].

Данные наблюдений над характеристиками вод на океанографических разрезах указывают на выраженные изменения циркуляции субарктических глубинных вод в масштабе десятилетий [Bacon, 1998; Соков, 2012]. Расход ЗГПТ у мыса Фарвель и интегральный перенос глубинных вод были максимальны в первой половине 1980-х гг. и минимальны в 1950-х - начале 1960 гг. и первой половине - середине 1990-х гг. Эта изменчивость предположительно связана с изменениями суровости зим в приатлантической Арктике: низкие зимние температуры способствуют формированию больших объемов плотных арктических вод, поступающих в Атлантику, что приводит к увеличению расхода ЗГПТ [Bacon, 1998]. Другое объяснение [Koltermann et al., 1999; Соков, 2012] предполагает связь между переносом глубинных вод и объемами формирования ЛВ в море Лабрадор: формирование меньших (больших) объемов ЛВ приводит к ослаблению (усилению) рециркуляции промежуточных и глубинных вод в СПК, что способствует увеличению (уменьшению) интенсивности меридионального переноса глубинных вод.

Надежных свидетельств многолетних изменений интенсивности МТЦ в субарктической Атлантике нет. Количественные оценки, основанные на данных пяти судовых съемок на -60° с.ш. (1962-1997 гг.), выявили изменения интенсивности МТЦ с амплитудой около 2-х Св [Соков, 2012]. Это не превосходит погрешности оценок и, как будет показано далее, существенно меньше характерных величин кратковременной изменчивости. Таким образом, вопрос о многолетних изменениях МТЦ в регионе остается открытым.

Во второй главе на основе совместного анализа данных судовых и спутниковых наблюдений и сведений о водообмене между Атлантикой и Северным Ледовитым океаном дана количественная оценка среднего многолетнего летнего состояния крупномасштабной циркуляции в толще вод на севере Атлантики в 2000-х гг. В исследовании использованы следующие данные: (1) вертикальные профили температуры, солености и концентраций растворенного кислорода, полученные в ходе семи ежегодных летних съемок на разрезе по 59.5° с.ш. (рис. 2, 2002-2008 гг.); (2) средняя динамическая топография поверхности океана (1/2°) [Rio and Hernandez, 2004] (далее СДТ-Rio05); (3) полученные по данным спутниковой альтиметрии аномалии уровня океана - массив еженедельных данных Aviso (1/3°); (4) данные о рельефе дна -массив Etopo2 (1/30°); (5) полученные по данным спутниковой скаттерометрии (QuikSCAT) среднемесячные значения касательного напряжения ветра (1/2°).

Методика исследования состояла в следующем.

На первом этапе была выполнена количественная оценка среднего многолетнего переноса вод через плоскость разреза по 59.5° с.ш. Для этого по данным о температуре и солености для каждой из семи съемок на разрезе были получены распределения ортогональной разрезу геострофической скорости, приведенной к нулю на поверхности океана. Семь распределений были усреднены, и в результате - получены средние относительные скорости в толще вод на 59.5° с.ш. По данным альтиметрии и СДТ-Яю05 были рассчитаны ортогональные разрезу средние многолетние (2002-2008 гг.) летние (май-сентябрь) абсолютные геострофические скорости на поверхности океана. Затем средние относительные скорости в толще вод были приведены к средним абсолютным скоростям на поверхности океана. В результате было получено распределение средних многолетних абсолютных геострофических скоростей во всей толще вод на 59.5° с.ш. (рис. 5). Средний летний 'экмановский' перенос (2002-2008 гг.) был оценен по данным QuikSCAT. Также были получены средние распределения солености, концентраций растворенного кислорода (рис. 3), потенциальной температуры и потенциальной плотности (ст0).

При расчете интегральных величин переноса вод (рис. 5) в качестве зональных и вертикальных пределов интегрирования были использованы, соответственно, нулевые изотахи и изопикнические поверхности (ст0). Толща

ВГТ/ ТИ

-21.8

±4.3

ЗПТ

-32.1 ±5.9

ЗГПТ

--10.3

±1.9

Рис. 5. Средний многолетний (2002-2008 гг.) летний перенос вод (Св) через плоскость разреза по 59.5° с.ш. в Северной Атлантике. Цветной заливкой показаны средние значения абсолютной геострофической скорости (м с-1). Значения переноса вод проинтегрированы в пределах областей (зеленые контуры), ограниченных нулевыми изотахами и изопикническими поверхностями (сто) 27.55, 27.80 и, в море Ирмингера, 27.88. Положительные значения и розовые шрифты / заливка соответствуют потокам на север.

САТ/ТИ +21.1 ±1.0

I

САТ +15.5 ±0.6

-0.9 ±0.6 +6.0±0.6

+ 10.4 ±1.0

Изопикны (ао): 27.55 - 'уровень' МТЦ 27.80 - верхняя граница

глубинных вод 27.88 - верхняя граница СЗГВ

-4.5 ±0.7

3.9 1000

X 1500

СВГВ I

с0 слой 2000

3000

СЗГВ

±0.6

-3.9-

СЗГВ

верхний слой

+ 16.6

±1.1

проме-жуточ -ный

— 3.2

±1.4

глубинные воды

-13.3

±1.3

±0.2 -0.3 СЗГВ

+ 1.0 0.0 ±1.0 ±1.0

I_I

+ 1.0 ±1.2 СВГВ Сто слой

14 12 10 8 6 4 Долгота (°з.д.)

Средние многолетние летние значения переноса вод через разрез по 5Э.5°с.ш., 2002-2008 гг. Границы интегрирования - изопикны и линии нулевой скорости

-3.7 ±0.8 СВГВ

0.15 0.10 0.05 -0.02 -0.02 -0.05 -0.10 -0.15 --0.20 -0.25 -0.30 м/с

вод была разделена на три основных слоя: (1) верхний слой (сто < 27.55), соответствующий верхнему звену МТЦ, оцененной с использованием а0 в качестве вертикальной координаты (МТЦа), (2) слой глубинных вод (сто > 27.80) и (3) промежуточный слой между ними (27.55 < Go < 27.80). В море Ирмингера перенос глубинных вод был дополнительно оценен для двух подслоев, 27.80 < ст0 < 27.88 и а0 > 27.88, соответствующих интервалам плотности СВГВ и СЗГВ. Погрешности оценки переноса вод (рис. 5) учитывают экстраполяцию скоростей в «придонных треугольниках» [Bacon, 1998] и стандартные ошибки определения средних скоростей на поверхности океана и в толще вод. Была протестирована чувствительность результатов к определению летнего сезона (май-сентябрь или, например, июнь-август) при осреднении данных альтиметрии и к исключению данных отдельных гидрографических съемок. Наконец, было проведено сравнение полученных оценок переноса вод с независимыми оценками, основанными на прямых измерениях скоростей течений. Тестирование чувствительности и сравнение с независимыми оценками дало благоприятные результаты.

На втором этапе с использованием трехслойной бокс-модели были количественно оценены средние величины переноса вод над хребтом Рейкъянес и диапикнические потоки между слоями в регионе между 59.5° с.ш. и ГШХ. Величины переноса вод над ГШХ были заданы, послойно, с привлечением оценок водообмена между Атлантикой и приатлантической частью Северного Ледовитого океана [Macrander et al., 2005; 0sterhus et al., 2005, 2008; Sutherland and Pickart, 2008]. В результате были составлены схемы циркуляции поверхностных, промежуточных и глубинных вод (рис. 6) и схема МТЦа к северу от 59.5° с.ш. (рис. 7). Эти схемы не имеют аналогов - они впервые содержат основанные на наблюдениях количественные сведения о средних многолетних расходах течений, диапикнических потоках, о средней многолетней интенсивности и вертикальной структуре МТЦа в регионе.

Полученные оценки (рис. 5-7) уточняют и расширяют представления о циркуляции вод на севере Атлантики. Например, ранее считалось, что ЗГПТ в море Ирмингера формируется вследствие конвергенции потоков СЗГВ и СВГВ у континентального склона Гренландии (рис. 2). Согласно оценкам переноса

Верхний слой, сто <27.55,

соответствующий верхнему звену МТЦа

50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 °з.д. 4

Арктика

Промежуточный слой 27.55 < (То <27.80, включая ЛВ

50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 °з.д. 4

Рис. 6. Схемы крупномасштабной циркуляции в толще вод на севере Атлантики в 2000-х гг. (а) в верхнем слое (сто < 27.55), соответствующем верхнему звену МТЦа, (б) в слое промежуточных вод (27.55 < сто < 27.80), включая ЛВ (27.70 < сто < 27.80), и (в) в слое глубинных вод (сто > 27.80), включая СЗГВ и СВГВ (см. стр. 21). Указаны расходы течений и отмеченные знаком ® диапикнические потоки между слоями (Св). Все диапикнические потоки направлены 'вниз'; положительные (отрицательные) значения соответствуют потокам 'в слой' ('из слоя'). Погрешности оценок переноса вод на разрезе по 59.5° с.ш. (серая линия) даны на рис. 5. Пунктиром обозначены предполагаемые пути распространения вод. КИ - круговорот Ирмингера; прочие аббревиатуры раскрыты на рис. 2.

64

62

60

58

56

о

54

Э

52

[

50 4а 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 2:0 18 16 14 12 10 8 "з.д. 4

вод в 2000-х гг. (рис. 6в), СВГВ, поступающая в море Ирмингера из Исландского бассейна, рециркулирует на юг преимущественно во внутренней части моря Ирмингера, а ЗГПТ у мыса Фарвель (-10 Св) переносит, главным образом, плотные арктические воды из Датского пролива (-3 Св) и вовлекаемые атлантические воды (6-7 Св). Для дополнительного обоснования этого вывода по данным о солености и концентрациях кислорода на 59.5° с.ш. был оценен вклад СВГВ в смесь вод, переносимых ЗГПТ в интервале плотности СВГВ. Показано, что в 2000-х гг. этот вклад не превышал -15%.

Полученные результаты дают следующую концептуальную картину крупномасштабной циркуляции вод на севере Атлантического океана в 2000-х гг. CAT и ТИ совместно переносят 21.1 ± 1.0 Св теплых вод в верхнем звене МТЦст (сто <27.55) на север через 59.5° с.ш. Около 40% этого потока поступает в Арктику, а 60% (12.7 ± 1.4 Св) рециркулирует в СПК на запад к югу от Исландии, и, вместе с потоком арктических вод из Датского пролива, образует ЗПТ в море Ирмингера. Плотность рециркулирующих атлантических вод увеличивается вследствие их охлаждения. В результате лишь малая часть потока этих вод (20%) покидает море Ирмингера в верхнем слое (ст0 < 27.55), а большая часть (80%, 10.2 ± 1.7 Св) обретает плотность ст0> 27.55 и, вместе с плотными арктическими водами, формирует нижнее звено МТЦст.

Структура МТЦ на 59.5°с.ш.

САТ: +15.5св ТИ: +5.6Св ВГТ/ТИ: -4.5Св

Схема МТЦ к северу от 59.5°с.ш.

Поток в

Арктику: +8.4Св ВГТ: -2.0 Св

верхним

слой А

'""ЯЯЯВ-

27.1 27.3 27.5

-2-10 1 Перенос (Св)

Аккумулированный от дна

глубинный

ВОДЫ

Перенос вод в интервалах плотности 0.01 кг/м3

27.6-

27.7-

27.8

море Ирмингера и северная часть Исландского бассейна

Пороги Арктика

ГШХ

-16 -12 -8 -4 0 Перенос (Св)

Разрез по 59.5°с.ш.

Рис. 7. Схема МТЦст вод Атлантики к северо-востоку от мыса Фарвель (Гренландия) в 2000-х гг. Слева показана вертикальная структура МТЦст на 59.5° с.ш.: меридиональный перенос вод, проинтегрированный в интервалах сто 0.01 кг м 3 (левый график) и аккумулированный в направлении от дна (правый график). Максимум интегрального переноса вод на юг достигается на уровне Сто = 27.55 - поверхности раздела между верхним и нижним звеньями МТЦст. Масштабы вертикальных осей выше и ниже значения Сто = 27.55 различны. Пунктирные линии соответствуют изопикническим поверхностям сто = 27.55 и сто = 27.80. Стрелки на схеме обозначают интегральные меридиональные и диапикнические потоки. Там, где указаны знаки величин, положительные (отрицательные) значения соответствуют переносу вод на север (на юг). Расходы САТ и ВГТ / ТИ - интегральные расходы течений в верхнем слое (сто < 27.55), учитывающие рециркуляцию (см. рис. 6а).

Интегральный перенос вод в нижнем звене МТЦст на 59.5° с.ш. составляет 16.5 ± 2.2 Св, из которых около 60% (-10 Св) - атлантические воды (ст0 < 27.55), трансформирующиеся в плотные воды (ст0 > 27.55) к югу от ГШХ (рис. 7).

На 26° с.ш. в Атлантике в 2000-х гг. перенос вод на север в верхнем звене МТЦ составлял -18 Св [Mielke et al., 2013], что, с учетом оценок водного баланса Северного Ледовитого океана [Woodgate and Aagaard, 2005; Serreze et al., 2006], соответствует величине переноса вод -19 Св на юг в нижнем звене МТЦ. Следовательно, в 2000-х гг. суммарный вклад трансформации вод в регионе между 26° с.ш. и 59.5° с.ш., включая море Лабрадор и Средиземное море, в МТЦст составлял 2-3 Св (19 Св минус 16.5 Св). Эта оценка согласуется с прямыми оценками объемов трансформации вод в море Лабрадор [Desbruyeres et al., 2013] и Средиземном море [Soto-Navarro et al., 2010] в 2000-хгг. Таким образом, в 2000-х гг. вклад трансформации поверхностных вод Северной Атлантики к югу от 59.5° с.ш. в интенсивность МТЦст (2-3 Св) был значительно меньше вклада трансформации вод в приатлантической Арктике (-6 Св) и в СПК к северо-востоку от мыса Фарвель (-10 Св).

В третьей главе на основе данных гидрографических (CTD) наблюдений на разрезах по 59.5° с.ш. (1997-2007 гг., рис. 2), -53° с.ш. (2001 и 2002 гг.) [Добролюбов и др., 2002] и на разрезе AR7E (мыс Фарвель-Ирландия, 1990— 2000 гг.) [Bersch et al., 2007] количественно оценены изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод субарктической Атлантики в 1990-х - 2000-х гг. Оценки выполнены для ядер и плотностных слоев водных масс, а также для всей толщи промежуточных и глубинных вод в координатах давление-долгота и потенциальная плотность-время. Выявленные изменения рассмотрены в контексте охлаждения и распреснения вод с 1960-х гг.

Установлено, что в период с середины 1990-х гг. по вторую половину 2000-х гг. произошло выраженное потепление и осолонение всей толщи промежуточных и глубинных вод в регионе (рис. 8). Максимальные приращения температуры и солености выявлены в слоях промежуточных вод: СТПВ в восточном бассейне (+0.4-0.7°С, +0.06-0.1 епс, рис. 8а) и нижней ЛВ море Ирмингера (нЛВ, +0.3-0.5°С, +0.03-0.06 епс, рис. 8в).

Рис. 8. Изменения солености (епс) вод субарктической Атлантики в 1990-х-2000-х гг. (а) Временные ряды солености СТПВ на 53° и 59.5° с.ш. (1990-2007 гг.). (б) Аномалии солености глубинных вод на изопикнах (сто) в море Ирмингера (59.5° с.ш., 36-39° з.д., 1991— 2007 гг.); на каждой изопикне аномалии нормированы на их стандартное отклонение; пунктиром даны интервалы плотности водных масс и их смесей; «S mínimum» - линия, отмечающая наименьшие значения солености, (в) Зонально-осредненные разности солености на изопикнах (сто) в море Ирмингера и Исландском бассейне на 59.5° с.ш. между съемками 2006 и 1997 гг. (г) Разности солености в толще вод на 59.5° с.ш. между 2006 и 1997 гг.

ЄПС ТЇ

34.95 -34.9434.93 -34.92 ■ 34.91 ■

море Ирмингера

• Dickson et al. [2002] ■ разрез по 59.5°с.ш.

(а)

1980 1985 1990 1995 2000 2005г.

35.00

34.99

34.98

34.97

34.96 епс

Исландский бассейн

Щ....Щ

".....-—л ..•••-••

(б)

1980 1985 1990 1995 2000 2005 г.

Рис. 9. Изменения солености (епс) в глубинном максимуме солености, соответствующем ядру СВГВ, (а) в море Ирмингера и (б) в Исландском бассейне в 1980-2006 гг. из работы [Dickson et al., 2002] (1980-2001 гг., синим) и по данным, полученным на разрезе по 59.5° с.ш. (1997-2006 гг., розовым).

Рост температуры и солености в толще глубинных вод был связан, главным образом, с потеплением и осолонением СВГВ, начавшимся в Исландском бассейне в 1996-1997 гг. (рис. 9). С 1997 по 2006 гг. соленость в ядре СВГВ на 59.5° с.ш. в Исландском бассейне выросла на -0.2 епс, что вдвое превосходит интенсивность предшествующего долговременного распреснения СВГВ в этом районе (-0.1 епс /10 лет). К 2004-2006 гг. соленость СВГВ в Исландском бассейне вернулась к значениям (-34.99 епс), характерным для 1970-х гг. В 2002 г., спустя -5 лет после начала роста температуры и солености СВГВ в Исландском бассейне, сигнал потепления и осолонения СВГВ достиг моря Ирмингера (рис. 9). Потепление и осолонение СВГВ, вместе с ростом температуры и солености СЗГВ (рис. 86, см. также [van Aken and de Jong, 2012]), привело к потеплению и осолонению во всей толще глубинных вод в море Ирмингера в 2000-х гг. (рис. 8б-8г).

Выявленные изменения термохалинных характеристик СТПВ, JTB и глубинных вод свидетельствуют о быстром - в масштабе десятилетий -переходе от характерного для первой половины - середины 1990-х гг. «холодного и пресного» состояния толщи вод в СПК к «теплому и соленому» состоянию в 2000-х гг. С 1997 г. по 2006 г. потепление и осолонение всей толщи промежуточных и глубинных вод на 59.5° с.ш., включая слои СТПВ, JIB, СВГВ и СЗГВ, составило ~0.3°С и 0.03-0.04 епс. Это наиболее выраженный эпизод потепления и осолонения промежуточных и глубинных вод в регионе за всю историю наблюдений. Темпы роста солености вод на 59.5° с.ш. с середины 1990-хгг. (0.03-0.04 епс/10 лет) значительно превосходят интенсивность предшествующего распреснения вод субарктической Атлантики, длившегося с 1960-х гг. (-0.03 епс за три десятилетия [Curry et al., 2003]).

В четвертой главе проанализированы причины изменений температуры и солености промежуточных и глубинных вод субарктической Атлантики в масштабе десятилетий. С использованием ранее опубликованных временных рядов солености вод (1950-е -1990-е гг.), дополненных новыми данными (2000-е гг.), показано, что изменения характеристик промежуточных и глубинных вод в регионе когерентны в масштабе десятилетий и тесно связаны с САК. Выявлены главные факторы, ответственные за эту связь, и районы быстрой, в рассматриваемом масштабе времени, передачи связанных с САК

климатических сигналов из верхних слоев океана в промежуточные и глубинные слои. Ранее известные и новые сведения систематизированы, и представлен общий механизм воздействия САК на температуру и соленость в толще вод субарктической Атлантики в масштабе десятилетий.

Индекс САК [Hurrell, 1995] (рис.4) используется в работе в качестве удобной меры аномалий крупномасштабного воздействия атмосферы на поверхность океана в регионе. Непосредственные характеристики этого воздействия, а именно, - потоки тепла и импульса на границе океан-атмосфера, при этом не рассматриваются. Этот подход правомерен, поскольку в масштабе десятилетий основные количественные характеристики взаимодействия океана и атмосферы на севере Атлантики тесно коррелируют с индексом САК: высоким (низким) значениям индекса САК соответствует интенсивный (ослабленный) западный атмосферный перенос и связанные с ним интенсивные (ослабленные) потоки тепловой и механической энергии на границе океан-атмосфера [Visbeck et al„ 2003; Gulev et al., 2003; Gulev et al., 2007].

Для выявления главных факторов и механизмов многолетних изменений температуры и солености вод субарктической Атлантики проанализированы причины прекращения долговременного охлаждения и распреснения и начала потепления и осолонения вод в регионе в середине 1990-х гг.

Установлено, что темпы роста (линейные тренды) температуры (0.5°С/10 лет) и солености (0.09 епс / 10 лет, рис. 8а) СТПВ в 1990-х-2000-х гг. значительно превышают интенсивность долговременного потепления (< 0.1 °С / 10 лет) и осолонения (< 0.03 епс / 10 лет) материнских, по отношению к СТПВ, субтропических промежуточных вод Северной Атлантики. Более того, в 1960-х- 1990-х гг. на фоне роста солености субтропических промежуточных вод соленость СТПВ уменьшалась [Lozier and Stewart, 2008]. Это означает, что многолетние изменения характеристик СТПВ обусловлены, главным образом, изменениями крупномасштабной циркуляции вод. Распреснение СТПВ с 1960-хгг. объяснялось увеличением зональной протяженности СПК - смещением Субполярного фронта на восток в восточном бассейне - и связанным с этим "блокированием" адвекции субтропических промежуточных вод на север [Lozier and Stewart, 2008]. Соответственно, наиболее вероятная причина потепления и осолонения СТПВ в 1990-х-2000-х гг. - продвижение

(а)

2007- •. 2007

2006- 2006}.

2005- 2005

2004- "-•».2004

2003- 2003

2002- 2002

2001 -

2000-

1999-

19981997- \ 1997 •

35.2035.1935.1835.1735.16 35.15 35.14 35.13 35.1235.11

• 2006 ^2004 2005 •

2007 2003 .2002

1997 • R = 0.80

39 38 37 36 35 34 33 32 31 Положение (долгота) Субполярного фронта на 59.5°с.ш., °з.д.

8°з.д.

(6)

31 32 33 34 35 36 37 38 39 Положение (долгота) Субполярного фронта на 59.5°с.ш., °з.д.

35.4 35.3 35.2 35.1 35.0 34.9 епс

Рис. 10. Связь солености СТПВ с положением Субполярного фронта, (а) Временной ряд положения (долготы, ° з.д.) Субполярного фронта на 59.5° с.ш. (б) Корреляция между соленостью СТПВ (епс) и положением фронта в 1997-2007 гг. (в) Пример определения положения фронта на 59.5° с.ш. по данным о распределении солености на разрезе в 2007 г. За положение фронта принята долгота положения изохалины 35.0 епс на уровне 250 дбар.

субтропических вод на север вследствие уменьшения зональной протяженности СПК. Действительно, рост солености и температуры СТПВ в 1997-2005 гг. на 59.5° с.ш. (рис. 8а) сопровождался смещением Субполярного фронта на запад (рис. 10). Менее выраженное уменьшение температуры и солености СТПВ в 2005-2007 гг. (рис. 8а) сопровождалось смещением фронта на восток (рис. 10а). Таким образом, в 1990-х - 2000-х гг. характеристики СТПВ были связаны с зональной протяженностью СПК (рис. 106). Также установлено, что и характеристики СТПВ, и положение Субполярного фронта на 59.5° с.ш. в 1990-х - 2000-х гг. были тесно связаны с индексом САК. Этот результат согласуется с основанным на наблюдениях и моделировании положением о том, что связанные с САК изменения атмосферного воздействия на поверхность океана - главный фактор многолетних изменений циркуляции вод в верхних слоях океана в СПК [Gulev et al„ 2003; Bersch et al., 2007; Boning et al., 2006].

R = -0.82

потепление охлаждение распреснение потепление осолонение А--:. осолонение

35.01

34.92

свгв

, 35.00-

34.99-

О 34.97-

-3-2-10123 Средний индекс САК для 5-ти предшествующих зим

Индекс САК

уменьшение индекса

уменьш. увеличение индекса индекса

Соленость

1970

1980

2000

34.94'

ш 34.92 О

34.90

! 34.88

® 34.86-

34.84-

34.82-

(а) в

1950

1980 Годы

-35.00 -34.99 -34.98 -34.97 -34.96 -34.95 -34.94 6

34.90-

ф 34.88

5 34.86-

U 34.84-

34.82

-4-3-2-101234 Средний индекс САК для 3-х предшествующих зим

35.01

Рис. П. Связь солености субарктических промежуточных (JIB) и глубинных (СВГВ) вод с САК в масштабе десятилетий, (а) Временные ряды солености (епс) ЛВ в море Лабрадор [Yashayaev, 2007] и СВГВ в Исландском бассейне [Boessenkool et al., 2007] и временной ряд зимнего индекса САК [Hurrell, 1995]. Временной ряд солености СВГВ дополнен данными наблюдений на 59.5° с.ш. в 2000-х гг. Долговременные изменения показаны с помощью полиномов третей степени и, для индекса САК, - семилетнего скользящего осреднения, (б) Корреляция между соленостью ЛВ и индексом САК, осредненным за 3 зимы, предшествующих гидрографическим наблюдениям, (в) Корреляция между соленостью СВГВ и индексом САК, осредненным за 5 предшествующих зим.

Потепление и осолонение ЛВ - результат связанного с уменьшением индекса САК с середины 1990-х гг. (рис. 4) уменьшения интенсивности зимней конвекции в море Лабрадор [Yashayaev, 2007]. В условиях ослабленного атмосферного переноса и относительно малой теплоотдачи с поверхности океана во второй половине 1990-х гг. и в 2000-х гг. формировалась относительно теплая модификация ЛВ (вЛВ). Аномально холодная, распресненная плотная ЛВ (нЛВ), сформированная в первой половине 1990-х гг., в отсутствие конвективного обновления утрачивала свои отличительные

свойства - низкую температуру и соленость, что привело к потеплению и осолоненню на промежуточных глубинах на севере Атлантики (рис. 8в и 8г).

На основе анализа временных рядов солености водных масс, участвующих в формировании СВГВ на севере Исландского бассейна, установлено, что осолонение СВГВ с середины 1990-х гг. было связано с ростом солености атлантических вод (СПМВ и СТГГВ), вовлекаемых в поток плотных арктических вод из Норвежского моря. Изменения солености арктических вод играли второстепенную роль. Потепление и осолонение СПМВ [Thierry et al., 2008] и СТПВ было результатом связанного с уменьшением индекса САК продвижения на север субтропических поверхностных и промежуточных вод. Таким образом, именно уменьшение индекса САК, точнее - ослабление атмосферного воздействия на поверхность океана и связанное с этим уменьшение зональной протяженности СПК (рис. 10), - было главной причиной потепления и осолонення в толще глубинных вод на севере Атлантики в 1990-х - 2000-х гг.

Выявленные причины роста температуры и солености в толще вод субарктической Атлантики в 1990-х - 2000-х гг. предполагают тесную связь между характеристиками вод и САК. Основанные на наблюдениях временные ряды солености ЛВ и СВГВ свидетельствуют о тесноте этой связи в более долгосрочной перспективе ( 1950-е - 2000-е гг., рис. 11). Высокая корреляция между соленостью водных масс в районах их формирования и индексом САК (R ~ - 0.8, рис. 116 и 11в) достигается при осреднении индекса САК за 3-5 зим, предшествующих измерениям солености вод, что эквивалентно корреляции со скользящим средним индексом, 'опережающим' изменения солености вод на 12 года. Это указывает на быстрый - в рассматриваемом масштабе времени — 'отклик' изменений характеристик вод на связанные с САК изменения интенсивности атмосферного воздействия на поверхность океана.

Объяснение связи температуры и солености в толще вод субарктической Атлантики с САК в масштабе десятилетий состоит в следующем (см. рис. 12). Многолетнее ослабление регионального атмосферного воздействия на поверхность океана, связанное с уменьшением индекса САК (1950-е — 1960-егг., 1990-е - 2000-е гг.), приводит к ослаблению зимней конвекции в море Лабрадор и замедлению СПК в верхних слоях океана. Ослабление конвекции

ш -8-

САК

разница атмосферного давления между Азорскими островами и Исландией

Интенсивность западного атмосферного переноса над Атлантикой

Высокий индекс САК (первая половина 1990-х гг.)

Зональная протяженность Субполярного круговорота

Интенсивность конвекции

в море Лабрадор

5 л

о а

о-о

¿5

5 т

ц л і- і

Т и Э вод на северо-востоке

Атлантики, верхние 1200 м

Ти Б

Лабрадорской водной массы (1000-2000м)

Температура (Т) и Соленость (Б)

глубинных вод (>2000 м)

Сильная конвекция. Расширенный круговорот. Рециркуляция субтропических вод

Слабая конвекция. Сжавшийся круговорот. Продвижение субтропических вод на север

Рис. 12. Механизм воздействия САК на термохалинные характеристики вод субарктической Атлантики в масштабе десятилетий. Слева: схема передачи связанных с САК климатических сигналов в промежуточные и глубинные слои океана. Черными (серыми) стрелками показаны положительные (отрицательные) связи, означающие, что изменения характеристик совпадают (противоположны) по знаку. Справа: схемы режимов циркуляции вод (см. также [В1ш(Шеш1 е1 а1., 2001]) и конвекции при интенсивном (высокий индекс САК) и ослабленном (низкий индекс САК) воздействии атмосферы на поверхность океана. Синими (красными) стрелками показаны пути распространения субарктических (субтропических) поверхностных вод. Серый пунктир - пути распространения глубинных вод. «К» - районы глубокой конвекции. «В» - район вовлечения атлантических вод потоком плотных арктических вод. СП К и СТК - соответственно Субполярный и Субтропический круговороты.

ведет к уменьшению поступления холодных распресненных поверхностных субарктических вод в слой промежуточных вод (ЛВ), и, как следствие, - к росту температуры и солености на глубинах -1000-2000 м. Замедление СПК сопровождается уменьшением его зональной протяженности, что приводит к продвижению теплых соленых субтропических вод на север в восточном бассейне. Вследствие этого увеличивается температура и соленость поверхностных, модальных (СПМВ) и промежуточных (СТПВ) вод на северо-

востоке Атлантики. Вовлечение этих вод потоком плотных арктических вод обуславливает передачу 'сигнала' потепления и осолонения субарктическим глубинным водам. Это ведет к росту температуры и солености на глубинах более 1500-2000 м. Усиление западного атмосферного переноса, связанное с ростом индекса САК (1960-е - 1990-е гг.), приводит к усилению конвекции, увеличению зональной протяженности СПК, уменьшению поступления субтропических вод на север и, как следствие, - к уменьшению температуры и солености в толще вод субарктической Атлантики.

Режимы крупномасштабной циркуляции вод, характерные для периодов преобладания интенсивного (высокий индекс САК, начало 1990-х гг.) и ослабленного (низкий индекс САК, 1960-е и 2000-е гг.) регионального воздействия атмосферы на поверхность океана представлены в виде схем на рис. 12. Высокому (низкому) индексу САК соответствуют: интенсивная (ослабленная) конвекция в регионе, усиленная (ослабленная) циклоническая циркуляция поверхностных вод в СПК, большая (меньшая) зональная протяженность СПК, усиленное (ослабленное) проникновение субтропических вод на север в восточном бассейне; «холодное и пресное» («теплое и соленое») состояние всей толщи вод субарктической Атлантики.

Ранее предполагалось, что соленость в глубинных слоях океана на севере Атлантики зависит, главным образом, от объемов экспорта 'пресной' воды из Северного Ледовитого океана [Peterson et al., 2006]. В настоящей работе показано, что смена знака тренда солености субарктических глубинных вод в середине 1990-х гг. не имела отношения к изменениям солености арктических вод. В более долгосрочной перспективе - например, в 1960-х - 1990-х гг. [Dickson et al., 2002] - изменения солености плотных вод, поступающих в Атлантику из Арктики, безусловно, оказывают влияние на соленость субарктических глубинных вод. Принципиально важно то, что термохалинные характеристики плотных арктических вод (также как и характеристики вод субарктической Атлантики) связаны с САК. Изменения температуры и солености плотных арктических вод, поступающих в Атлантику, представляют собой отсроченный результат изменений характеристик атлантических вод, поступающих в Арктику [Eldevik et al., 2009]. Температура и соленость потока атлантических вод в Арктику зависят от связанных с САК изменений

зональной протяженности СПК [Hatün et al., 2005] (см. рис. 12). Другими словами, изменения характеристик плотных арктических вод - отсроченное следствие (а не причина) изменений характеристик вод субарктической Атлантики. Воды приатлантической части Северного Ледовитого океана 'наследуют' связанные с САК сигналы изменений термохалинных характеристик вод в верхнем звене МТЦ на севере Атлантики и 'возвращают' эти же сигналы в Атлантику с потоком плотных вод в нижнем звене МТЦ.

В пятой главе количественно оценены многолетние изменения интенсивности крупномасштабной циркуляции вод на севере Атлантики: изменения расхода ЗГПТ на юго-западе моря Ирмингера у мыса Фарвель и изменения интенсивности МТЦа на разрезе между мысом Фарвель и побережьем Португалии. Оценки основаны на данных CTD-профилирования на океанографических разрезах, данных спутниковой альтиметрии и данных, полученных с помощью автономных дрейфующих профилографов Argo.

Ввиду отсутствия долговременных прямых (in situ) измерений скоростей течений в открытом океане исследование многолетних изменений крупномасштабной динамики вод предполагает применение косвенных методов [Bacon, 1998; Koltermann et al., 1999; Willis, 2010]. Для этого используются наблюдения над температурой и соленостью в толще вод (разрезы, буи Argo) и, с начала 1990-х гг., - спутниковая альтиметрия. Данные о термохалинной структуре вод дают информацию о 'бароклинной' составляющей изменений полного потока. Альтиметрия позволяет дополнять эту информацию оценками изменений абсолютных геострофических скоростей на поверхности океана и, таким образом, — оценивать абсолютные изменения переноса в толще вод. Изменения циркуляции, происходившие до начала спутниковых наблюдений, могут быть оценены лишь приближенно, поскольку данные о термохалинной структуре вод на разрезах не содержат информации о 'баротропной' составляющей переноса. Тем не менее, такие оценки могут быть корректными в тех случаях, когда неучтенная баротропная составляющая изменений переноса вод не играет решающей роли, - в конкретном районе океана в конкретном масштабе времени. В настоящей работе это показано на примере многолетних изменений расхода ЗГПТ в море Ирмингера.

тренд (1994-2007): +2.1 ±0.7 Св/10 лет i ,f \ ;

Ч| I , f

Y Ï

-Y VA /Ï

^ У 2000-е-1990-е гг.:

(б) ( +2.04 Св

1992

1997 ГОДЫ 2002

2007

(В) (мера интенсивности конвекции)

-г

1965 1975 1985 Годы

Увеличению (уменьшению) расхода ЗГПТ предшествует ослабление (усиление) конвекции в море Лабрадор

я.___

/ ---■ - -99.9% ••

(Г) Максимум корреляции: при сдвигах от 1 до 3 лет

0.5

0.2

1955

1995

2005

0 1 2 3 4 5 Сдвиг рядов (годы), конвекция опережает

Рис. 13. Изменения расхода ЗГПТ в море Ирмингера и их связь с интенсивностью конвекции в море Лабрадор, (а) Положение гидрологических разрезов (1991-2007 гг.). (б) Аномалии относительного геострофического расхода ЗГПТ (Св) в 1991—2007 гг. Показаны аномалии по данным каждой съемки, средние значения для 1994—1997 гг. и 2000-2007 гг. и линейный тренд (1994—2007 гг.). (в) Аномалии расхода ЗГПТ в море Ирмингера и толщины (103 м) слоя ЛВ в море Лабрадор в 1950-х-2000-х гг. (г) Зависимость коэффициента корреляции (R2) между расходом ЗГПТ и толщиной ЛВ от сдвига двух рядов относительно друг друга с шагом 1 год; толщина ЛВ - мера интенсивности конвекции - опережает. Максимальная (отрицательная) корреляция достигается при сдвиге на 1-3 года. Изменения интенсивности конвекции в море Лабрадор предшествуют изменениям расхода ЗГПТ в море Ирмингера.

Для оценки изменений расхода ЗГПТ на юго-западе моря Ирмингера были использованы CTD-данные, полученные в ходе 19 съемок на серии разрезов (рис. 13а), включая разрез по 59.5° с.ш. (1997-2007 гг.), разрезы Ovide (2002-2006 гг.) [Lherminier et al., 2007] и AR7E (1991-2005 гг.). Методика исследования, предложенная в работе [Bacon, 1998], состояла в оценке изменений геострофического расхода ЗГПТ (ст0 > 27.80), рассчитанного

относительно глубины 1000 м - глубины наименьших средних скоростей в ЗПТ у мыса Фарвель. При этом подходе глубина 1 ООО м рассматривается не как «нулевая поверхность» («level of no motion» - уровень нулевых скоростей, которого, очевидно, нет в ЗПТ, рис. 5), а как глубина, на которой многолетние изменения скорости, предположительно, малы и/или совпадают по знаку с изменениями рассчитанных относительно этой глубины скоростей в ЗГПТ.

Полученный временной ряд (рис. 136) свидетельствует о выраженном увеличении относительного геострофического расхода ЗГПТ с середины 1990-х гг. Величина линейного тренда с 1994 г. по середину — вторую половину 2000-х гг. (от +2.1 ±0.7 до +3.4 ±0.9 Св/10лет) существенно зависит от выбора конца (последнего года) тренда: 2004, 2005, 2006 или 2007 гг. Статистически более надежная оценка — разность между средними аномалиями расхода в 2000-х гг. (2000-2007 гг.) и в середине 1990-х гг. (1994-1997 гг.) -составляет +2.0 Св. Таким образом, установлено, что на -59.5° с.ш. в море Ирмингера расход ЗГПТ, рассчитанный относительно глубины 1000 м, увеличился с середины 1990-х гг. на не менее чем 2 Св, что составляет -20% от среднего абсолютного расхода течения в 2000-х гг. (-10 Св, рис.5). Этот результат согласуется с выявленным по данным судовых наблюдений увеличением абсолютного расхода ЗГПТ на -25% на юго-западе моря Лабрадор (-53° с.ш.) в 1996-2003 гг. [Dengler et al., 2006].

На следующем этапе исследования с целью оценить баротропную составляющую изменений расхода ЗГПТ в 1990-х - 2000-х гг. с привлечением данных спутниковой альтиметрии были оценены многолетние изменения скоростей в ЗПТ на -59.5° с.ш. на отсчетном уровне (1000 м), использованном при оценке изменений относительного расхода ЗГПТ. Ввиду того, что кратковременная изменчивость скоростей в ЗПТ ('шум') многократно превосходит по интенсивности долговременные изменения ('сигнал'), доступных гидрографических данных оказалось недостаточно для получения статистически надежного зонального распределения изменений скорости на отсчетном уровне. В связи с этим непосредственная достоверная оценка изменений абсолютного расхода ЗГПТ оказалась невозможна. Тем не менее, установлено, что приращение зонально-осредненной скорости на отсчетном уровне с середины 1990-х гг. имело тот же знак, что и приращение средней по ЗГПТ скорости, рассчитанной относительно этого уровня (оценка значима на

уровне 93%). Следовательно, с середины 1990-х гг. у мыса Фарвель увеличился не только относительный, но и абсолютный расход ЗГПТ, причем приращение абсолютного расхода составляло не менее 2 Св. Этот результат указывает на правомерность использования оценок многолетних изменений относительного расхода ЗГПТ у мыса Фарвель в качестве количественной меры (индекса) изменений абсолютного расхода течения. Ранее, в отсутствии данных спутниковой альтиметрии, аргументом в поддержку этого подхода выступали результаты сравнения величин абсолютного и относительного расходов ЗГПТ, полученных по данным (немногочисленных) синоптических съемок, в ходе которых измерения температуры и солености сопровождались измерениями скоростей течений в толще вод, см. [Bacon, 1998].

Новые сведения об изменениях расхода ЗГПТ у мыса Фарвель (рис. 136) вместе с оценками, полученными ранее тем же методом для того же района океана по данным измерений в 1955-1997 гг. [Bacon, 1998], позволили построить временной ряд аномалий расхода ЗГПТ в 1955-2007 гг. (рис. 13в). Полученный временной ряд свидетельствует о выраженной многолетней изменчивости расхода ЗГПТ. Характерные величины этой изменчивости составляют ±2-2.5 Св, т.е. ±20-25% от среднего расхода ЗГПТ в 2000-х гг.; линейный тренд с 1955 г. по 2007 г. близок к нулю (+0.02 ± 0.3 Св /10 лет).

Гипотеза о зависимости расхода ЗГПТ в море Ирмингера от суровости зим в приатлантической Арктике не нашла подтверждения. Эта гипотеза была основана на тесной связи (отрицательной корреляции) между расходом ЗГПТ и средними зимними температурами воздуха на о. Ян-Майен, осредненными за 3 зимы, предшествующих наблюдениям у мыса Фарвель, в 1955-1997 гг. [Bacon, 1998]. Увеличение расхода ЗГПТ в 1990-х - 2000-х гг. сопровождалось ростом (а не уменьшением) зимних температур в приатлантической Арктике, и теснота связи между расходом ЗГПТ и зимними температурами на о. Ян-Майен, оцененная для 1955-2007 гг., оказалась значительно меньше (Ra-0.4, 20 пар значений), чем для 1955-1997 гг. (R«-0.8, 13 пар значений). Более того, наблюдения над придонными течениями в проливах между Гренландией, Исландией и Великобританией свидетельствуют о стабильности объемов поступления плотных арктических вод в Атлантику в масштабе десятилетий [Hansen and 0sterhus, 2007; Olsen et al., 2008; Jochumsen et al., 2012].

Расход ЗГПТ у мыса Фарвель тесно связан с толщиной слоя JIB в море Лабрадор - мерой интенсивности глубокой зимней конвекции (рис. 13в). Максимальная корреляция (R » -0.8, значима на уровне 99.9%) достигается при сдвиге двух рядов на 1-3 года; изменения интенсивности конвекции опережают изменения расхода ЗГПТ (рис. 13г). Корреляция отрицательная: более интенсивной конвекции соответствует ослабленный перенос глубинных вод, см. также [Соков, 2012]. Выявленная задержка между изменениями интенсивности конвекции и изменениями расхода ЗГПТ (1-3 года) соответствует времени распространения JIB из моря Лабрадор в море Ирмингера [Yashayaev et al., 2007], а также - характерному времени реакции циркуляции вод в СПК на связанные с САК изменения интенсивности атмосферного воздействия на поверхность океана [Eden and Willebrand, 2001; Gulev et al., 2003]. Это указывает на причинно-следственный характер связи между конвекцией в море Лабрадор и расходом ЗГПТ в море Ирмингера, однако природа этой связи остается неизвестна. Исследование этой, по всей видимости, нетривиальной, природы вряд ли возможно только на основе наблюдений, а современные численные модели не воспроизводят наблюдаемые многолетние изменения циркуляции субарктических глубинных вод.

Количественная оценка изменений интенсивности МТЦст на севере Атлантики в координатах разреза Ovide (рис. 14а) выполнена с использованием (1) наблюдений над температурой, соленостью и скоростями течений на разрезе (6 судовых съемок, 1997-2010 гг.), (2) данных спутниковой альтиметрии (массив Aviso, еженедельные значения, 1993-2010 гг.), (3) полученных с помощью буев Argo данных о термохалинной структуре вод в верхнем 2000-метровом слое (массив ISAS - In Situ Analysis System, среднемесячные поля, 2002-2010 гг.), (4) данных о температуре и солености в толще вод из массива WOA (World Ocean Atlas, ежегодные поля, 1993-1996 гг.) и (5) основанных на данных спутниковой скаттерометрии среднемесячных полей касательного напряжения ветра (1993-2010 гг.). С использованием этих данных получен временной ряд ежемесячных значений интенсивности интегрального переноса вод в верхнем звене МТЦст через плоскость разреза в 1993-2010 гг. (рис. 146). Выбор разреза Ovide обусловлен тем, что судовые наблюдения на этом разрезе,

Интенсивность МТЦа по данным летних синоптических съемок на разрезе

по данным альтиметрии и средним многолетним (2000-е гг.) среднемесячным данным Агдо

двухлетнее скользящее среднее

по альтиметрии и ежемесячным данным Агдо (2002-2010 гг.) и

по данным альтиметрии и массива WOA (1993-1996 гг.)

2010 2012

Рис. 14. Изменения интенсивности МТЦа на севере Атлантики в координатах разреза Ovide в 1993-2010 гг. (а) Положение разреза Ovide, (б) Временной ряд интенсивности переноса вод (Св) на север в верхнем звене МТЦа. Оценки основаны на судовых съемках на разрезе (1997-2010 гг.), на данных спутниковой альтиметрии (1993-2010 гг.), данных наблюдений с помощью автономных дрейфующих буев Argo (2002-2010 гг.) и сведениях о термохалинной структуре вод из массива WOA (1993-1996 гг.), см. легенду.

включающие в себя прямые (in situ) измерения скоростей течений, дают количественную информацию об МТЦст, см. [Lherminier et al., 2007], необходимую для валидации оценок, полученных косвенными методами с использованием дистанционных наблюдений (рис. 146).

Методика исследования состояла в следующем. По данным спутниковой альтиметрии были получены среднемесячные распределения ортогональной

разрезу абсолютной геострофической скорости на поверхности океана (1993— 2010 гг.). По среднемесячным данным массива ISAS для верхнего 2000-метрового слоя были получены вертикальные профили рассчитанной относительно поверхности океана геострофической скорости, ортогональной разрезу. Затем относительные скорости в толще вод были приведены к абсолютным скоростям на поверхности океана. Таким образом были получены среднемесячные распределения абсолютной геострофической скорости на разрезе на глубинах до 2000 м. Среднемесячные значения 'экмановского' переноса были рассчитаны по данным о касательном напряжении ветра. Искомые среднемесячные значения интенсивности МТЦа были получены путем интегрирования переноса вод в поле потенциальной плотности в направлении от поверхности океана. Результат этого расчета - временной ряд интенсивности МТЦсг в 2002-2010 гг. (рис. 146).

В отсутствии данных Argo до 2002 г. оценки интенсивности МТЦа с 1993 г. были выполнены двумя способами: (1)с использованием средних многолетних среднемесячных полей температуры и солености, полученных путем осреднения данных ISAS (синяя линия на рис. 146, 1993-2010 гг.), и (2) с использованием полей температуры и солености из массива WOA (1993— 1996 гг.). Оценки, полученные по ежемесячным полям ISAS, по средним многолетним среднемесячным полям и полям из массива WOA близки друг к другу. Это означает, что изменчивость интенсивности МТЦа в регионе в значительной мере проявляет себя в аномалиях уровня поверхности океана, а сигналы, связанные с изменчивостью термохалинной структуры вод имеют меньшее значение. Оценки, основанные на судовых наблюдениях на разрезе, в пределах погрешностей согласуются с соответствующими среднемесячными значениями интенсивности МТЦа из полученного временного ряда (рис. 146). Средняя многолетняя летняя (май-сентябрь) интенсивность МТЦст в 20022008 гг. (16.9±1.5Св) практически совпадает с оценкой средней интенсивности МТЦа на 59.5° с.ш. (16.6 ± 1.1 Св для верхнего звена, рис. 7).

Полученный временной ряд (рис. 146) свидетельствует о выраженных внутригодовых, включая сезонные, межгодовых и многолетних изменениях интенсивности МТЦа в районе исследования. Так, амплитуда сезонного хода

составляет ~4 Св: интенсивность МТЦст максимальна зимой (февраль-март) и минимальна летом (май-август). Главный результат выполненной оценки -замедление МТЦст с середины 1990-х гг. Линейный тренд интенсивности МТЦст составляет -2.5±1.4Св (95% д. и., 1993-2010 гг.), что соответствует -15% от средней летней интенсивности МТЦст в регионе в 2000-х гг.

Замедление МТЦст на севере Атлантики в 1990-х - 2000-х гг. - результат, которого следовало ожидать, исходя из основанных на наблюдениях сведений об изменениях крупномасштабной циркуляции вод в регионе. Ослабление западного атмосферного переноса с середины 1990-х гг. (уменьшение индекса САК, рис. 4) привело к замедлению циклонической циркуляции поверхностных вод в СПК [Häkkinen and Rhines, 2004], с восточной ветвью которого связан перенос вод на север в верхнем звене МТЦст (см. рис. 1 и 7). В численных моделях замедление МТЦ с середины 1990-х гг. также было связано с замедлением СПК, произошедшим вследствие ослабления регионального атмосферного воздействия на поверхность океана и уменьшения объемов формирования промежуточных вод на севере Атлантики, главным образом, - в море Лабрадор и море Ирмингера [Marsh et al., 2005; Böning et al., 2006; Treguier et al., 2006; Balmaseda et al., 2007; Huang et al., 2012]. В целом результаты моделирования предполагают тесную связь (положительную корреляцию) между САК, интенсивностью конвекции в субарктической Атлантике, интенсивностью циклонической циркуляции вод в СПК и интенсивностью МТЦ в масштабе десятилетий.

Интенсивность МТЦст на трансатлантическом разрезе - мера интенсивности трансформации вод к северу от разреза. Поэтому замедление МТЦст на разрезе Ovide в 1993-2010 гг. - признак и следствие уменьшения объемов формирования плотных вод к северу от разреза Ovide в Атлантике и/или в приатлантической части Северного Ледовитого океана.

Изменения интенсивности трансформации вод в приатлантической Арктике можно исключить из возможных причин замедления МТЦст, поскольку данные наблюдений свидетельствуют о стабильности поступления плотных арктических вод в Атлантику в масштабе десятилетий, см. [Hansen and

0sterhus, 2007; Olsen et al., 2008]. Признаков уменьшения меридионального переноса глубинных вод (сто> 27.80) на севере Атлантики в 1990-х-2000-х гг. тоже нет. Напротив, с середины 1990-х гг. на широте разреза Ovide увеличился расход ЗГПТ (рис. 13), отвечающего за перенос большей части глубинных вод, формирующихся к северу от разреза, в низкие широты.

Таким образом, ни изменения объемов формирования плотных вод в приатлантической Арктике, ни изменения интенсивности циркуляции глубинных вод в субарктической Атлантике не объясняют выявленного замедления МТЦст. Следовательно, наиболее вероятная причина замедления МТЦст состоит в уменьшении объемов формирования промежуточных вод в субарктической Атлантике к северу от Ovide. На это указывают уменьшение интенсивности зимней конвекции в море Ирмингера с середины 1990-х гг. и малый интегральный перенос промежуточных вод на юг на 59.5° с.ш. в 2000-х гг. Так, вследствие связанного с САК уменьшения суровости зим, глубина конвекции в море Ирмингера уменьшилась с 1000-1500 м в первой половине 1990-х гг. до 300-500 м в первой половине - середине 2000-х гт. [Väge et al., 2011; de Jong et al., 2012]. Уменьшение глубины конвекции указывает на то, что в 2000-х гг. в море Ирмингера интенсивность трансформации поверхностных вод (верхнего звена МТЦст) в промежуточные воды (нижнего звена МТЦст) была меньше, чем в первой половине 1990-х гг. В 2000-х гг. на 59.5° с.ш. вклад переноса промежуточных вод в интенсивность МТЦст составлял лишь -20% (рис. 7), причем интегральный перенос вод на юг в слое JIB (27.70 < Сто < 27.80) был близок к нулю (0.5 ± 1.0 Св).

В целом основанные на наблюдениях сведения о (1) стабильности водообмена между Атлантикой и Северным Ледовитым океаном, (2) усилении циркуляции субарктических глубинных вод с середины 1990-х гг.,

(3) уменьшении интенсивности конвекции в СПК с середины 1990-х гг. и

(4) малом вкладе переноса промежуточных вод в интенсивность МТЦст в 2000-х гг., - также как и результаты численного моделирования, - указывают на то, что замедление МТЦст на севере Атлантики в 1990-х - 2000-х гг. было связано с уменьшением объемов формирования промежуточных вод в регионе.

В заключении изложены главные результаты работы и сделаны выводы из проведенного исследования.

На основе обширного массива данных гидрографических и спутниковых наблюдений проведено комплексное исследование крупномасштабной циркуляции и термохалинных характеристик вод на севере Атлантического океана. Получены количественные оценки расходов всей совокупности течений в регионе, интенсивности меридиональной термохалинной циркуляции и трансформации вод, оценки многолетних изменений термохалинных характеристик и динамики вод, а также - новые сведения о причинах (механизмах) этих изменений.

Данные ежегодных судовых съемок на трансатлантическом разрезе по 59.5° с.ш. в 2002-2008 гг., данные спутниковой альтиметрии и основанные на наблюдениях сведения о водообмене между Атлантикой и приатлантической частью Северного Ледовитого океана позволили количественно оценить -впервые в истории океанологии — среднее многолетнее состояние крупномасштабной циркуляции вод на севере Атлантики. Получены средние значения скоростей и расходов течений во всей толще вод на 59.5° с.ш. (рис. 5), снабженные количественными оценками переноса вод и диапикнических потоков схемы циркуляции поверхностных, промежуточных и глубинных вод (рис. 6) и меридиональной термохалинной циркуляции (МТЦст, рис. 7) в регионе между 59.5° с.ш. и Гренландско-Шотландским хребтом. Составлена концептуальная количественная картина 'трехмерной' (циклонической и меридиональной) циркуляции вод на севере Атлантики, связывающая воедино полученные новые оценки с результатами предыдущих исследований.

Наиболее важные выводы о крупномасштабной циркуляции вод на севере Атлантического океана в 2000-х гг. состоят в следующем:

• В восточной ветви Субполярного круговорота к северо-востоку от южной оконечности Гренландии (мыс Фарвель) более половины объема вод, переносимых на север в верхнем звене МТЦст, трансформируется в холодные плотные воды нижнего звена МТЦст.

• Вклад этой трансформации (-10 Св) в меридиональную циркуляцию вод Северной Атлантики значительно превышает вклад формирования плотных вод в приатлантической Арктике (-6 Св) и совокупный вклад (2-3 Св) трансформации вод в море Лабрадор, в умеренных широтах и субтропиках. Таким образом, в субарктической Атлантике трансформация вод верхнего звена МТЦст в воды нижнего звена МТЦст происходит, главным образом, вследствие охлаждения поверхностных вод в восточной ветви Субполярного круговорота, а не вследствие глубокой конвекции в море Лабрадор (как это считалось ранее).

• Большая часть (-80%) переноса вод на юг в нижнем звене МТЦст на широте мыса Фарвель (59.5° с.ш.) связана с интегральным переносом глубинных вод (-13 Св, Сто > 27.80). С учетом значительной изменчивости циркуляции глубинных вод в масштабе десятилетий этот вывод означает, что корректное численное моделирование МТЦ (необходимое, в частности, для достоверного прогнозирования изменений климата) возможно только в том случае, если модели корректно воспроизводят глубоководную циркуляцию. В настоящее время модели общей циркуляции вод океана существенно занижают (завышают) интегральный меридиональный перенос глубинных (промежуточных) вод и, таким образом, воспроизводят циркуляцию в нижнем звене МТЦ не вполне реалистично, см. [Saunders et al., 2008].

• Западное глубинное пограничное течение (ЗГПТ) у мыса Фарвель в море Ирмингера переносит на юг преимущественно плотные арктические воды из Датского пролива и вовлекаемые атлантические воды. Глубинные воды, поступающие в море Ирмингера из Исландского бассейна, рециркулируют на юг преимущественно во внутренней части моря Ирмингера и вносят малый вклад в расход ЗГПТ у мыса Фарвель.

Полученные результаты уточняют и расширяют современные представления о динамике вод на севере Атлантики и могут быть использованы для валидации численных моделей. С этой точки зрения, количественные оценки среднего многолетнего состояния циркуляции имеют очевидное

преимущество перед основанными на однократных измерениях 'синоптическими' оценками, несущими на себе отпечаток выраженной изменчивости во множестве пространственных и временных масштабов. При этом важно помнить, что представленные в настоящей работе оценки характеризуют циркуляцию вод, осредненную в конкретном временном интервале (2002-2008 гг.). Ввиду значительной изменчивости циркуляции вод в масштабе десятилетий эти оценки — например, соотношение объемов трансформации вод в различных регионах Северной Атлантики - не следует рассматривать как характеристику некого среднего долговременного 'климатического' состояния океана. Количественные оценки циркуляции вод Северной Атлантики, полученные по данным наблюдений, выполненных в разные десятилетия, могут существенно отличаться друг от друга - как количественно, так и качественно, см. [Соков, 2012].

С использованием высокоточных данных судовых наблюдений на трансатлантических разрезах в 1990-х - 2000-х гг. и сведений об изменениях солености вод с 1950-х гг. дана количественная оценка многолетних изменений термохалинных характеристик в толще вод субарктической Атлантики и исследованы причины этих изменений. Установлено, что в период с середины 1990-х гг. по вторую половину 2000-х гг. ослабление конвекции и изменения крупномасштабной циркуляции вод на севере Атлантики, связанные с ослаблением западного атмосферного переноса (уменьшением индекса САК), привели к потеплению и осолонению во всей толще вод в регионе, включая глубинные воды. Эта тенденция пришла на смену долговременному охлаждению и распреснению вод в 1960-х — 1990-х гг.

Анализ изменений солености водных масс, участвующих в формировании субарктических глубинных вод, показал, что резкое увеличение солености этих вод с середины 1990-х гг. было вызвано продвижением субтропических вод на север в восточном бассейне. Усиленная адвекция субтропических вод была связана с выявленным по смещению Субполярного фронта уменьшением зональной протяженности Субполярного круговорота. Вопреки выдвинутой ранее гипотезе [Peterson et al., 2006] о причинах многолетних изменений солености субарктических глубинных вод, изменения солености плотных вод,

поступающих в Атлантику из Северного Ледовитого океана, не имели определяющего влияния на соленость глубинных вод. Таким образом, многолетние изменения термохалинных характеристик глубинных вод на севере Атлантики в 1990-х-2000-х гг. определялись, главным образом, связанными с САК изменениями крупномасштабной циркуляции вод в регионе. Этот вывод важен для понимания причин изменений температуры и солености вод не только в субарктической Атлантике, но и в целом в Мирового океане, поскольку субарктические глубинные воды распространяются в нижнем звене глобальной межокеанской циркуляции в низкие широты, в Южную Атлантику, в Индийский и Тихий океаны.

Анализ основанных на наблюдениях сведений об изменениях температуры и солености, интенсивности конвекции и крупномасштабной циркуляции вод в субарктической Атлантике в более долгосрочной перспективе (с 1950-х гг.) позволил установить следующее:

• Изменения температуры и солености в толще вод субарктической Атлантики, включая промежуточные и глубинные воды, когерентны в масштабе десятилетий и тесно связаны с низкочастотным 'сигналом' САК - мерой многолетних изменений интенсивности регионального атмосферного воздействия на поверхность океана. Интенсификация атмосферного переноса на севере Атлантики (рост индекса САК, 1960-е -1990-е гг.) приводит к охлаждению и распреснению в толще вод, а ослабление атмосферного переноса (уменьшение индекса САК, 1950-е-1960-е гг. и 1990-е - 2000-е гг.) - к потеплению и осолонению вод.

• Главными факторами, ответственными за связь между региональными аномалиями состояния атмосферы (САК) и аномалиями термохалинных характеристик вод, выступают (1) глубокая зимняя конвекция в Субполярном круговороте, ответственная за поступление холодных распресненных субарктических поверхностных вод в промежуточные слои океана, и (2) зональная протяженность Субполярного круговорота, регулирующая поступление на север относительно теплых соленых поверхностных и промежуточных вод субтропического происхождения.

• Термохалинные характеристики субарктических промежуточных и глубинных водных масс реагируют на тенденции изменений индекса САК с задержкой до двух лет (в районах формирования водных масс). Это означает быструю - в рассматриваемом масштабе времени -передачу связанных с САК 'климатических сигналов' в промежуточные и глубинные слои океана.

• Главный механизм быстрой передачи связанных с САК аномалий температуры и солености глубинным водам — вовлечение атлантических модальных и промежуточных вод потоком плотных арктических вод на севере Исландского бассейна. Таким образом, северо-восточная Атлантика - один из немногих районов Мирового океана, где происходит быстрая передача климатических сигналов из верхних слоев океана непосредственно в глубинные слои.

Ранее распреснение глубинных вод на севере Атлантики в 1960-х- 1990-х гг. рассматривалось как возможный признак изменений в гидрологическом цикле Земли под действием глобального потепления [Curry et al., 2003; Peterson et al., 2006]. Результаты, представленные в настоящей работе, свидетельствуют о том, что это распреснение было одним из эпизодов связанной с САК изменчивости характеристик вод в масштабе десятилетий. Тем не менее, ошибочность интерпретации частного эпизода региональной изменчивости характеристик вод как признака глобальных долговременных изменений еще не означает, что эти изменения не происходят в более долгосрочной перспективе. Длина основанных на наблюдениях временных рядов (рис. И) в настоящее время недостаточна для того, чтобы с уверенностью выделить тенденции, потенциально связанные с глобальными факторами, на фоне естественной региональной изменчивости, превосходящей по величине возможные долговременные тренды.

Совместный анализ данных профилирования на океанографических разрезах, данных спутниковой альтиметрии и данных наблюдений с помощью автономных дрейфующих буев позволил количественно оценить многолетние изменения интенсивности крупномасштабной циркуляции вод на севере

Атлантики. Получены временные ряды аномалий расхода Западного глубинного пограничного течения (ЗГПТ) на юго-западе моря Ирмингер у мыса Фарвель (1950-х - 2000-х гг., рис. 13) и интенсивности МТЦст на линии разреза от мыса Фарвель до побережья Португалии (1990-е - 2000-е гг., рис.14). Основные выводы о многолетних изменениях циркуляции вод в регионе состоят в следующем:

• Расход ЗГПТ у мыса Фарвель подвержен выраженной изменчивости в масштабе десятилетий: ± 20—25% от среднего расхода в 2000-х гг. В 1990-х - 2000-х гг. расход ЗГПТ увеличился. Общий линейный тренд расхода ЗГПТ в 1950-х - 2000-х гг. близок к нулю; таким образом, какого-либо значимого долговременного изменения интенсивности циркуляции глубинных вод с середины XX века не выявлено.

• Гипотеза о связи расхода ЗГПТ с суровостью зим в приатлантической Арктике [Bacon, 1998] не нашла подтверждения. Установлено, что многолетние изменения расхода ЗГПТ тесно связаны с изменениями интенсивности конвекции в море Лабрадор. Изменения расхода ЗГПТ следуют за изменениями интенсивности конвекции с задержкой на 1-3 года, что соответствует характерному времени отклика крупномасштабной циркуляции вод в Субполярном круговороте на связанные с САК изменения интенсивности региональных потоков тепла / плотности на границе океан-атмосфера. Этот результат указывает на то, что связь между интенсивностью конвекции и расходом ЗГПТ -причинно-следственная, однако конкретные механизмы, ответственные за эту связь остаются невыясненными.

• Интенсивность МТЦст на севере Атлантики в 1990-х-2000-х гг. уменьшилась на 2-3 Св, что составляет 10-20% от средней интенсивности МТЦст в 2000-х гг. Замедление МТЦст сопровождалось уменьшением интенсивности конвекции в Субполярном круговороте и замедлением круговорота вследствие уменьшения интенсивности западного атмосферного переноса. Таким образом, основанные на

наблюдениях сведения о региональной циркуляции вод согласуются с результатами моделирования, предполагающими тесную связь (положительную корреляцию) между (1) интенсивностью МТЦ на севере Атлантики, (2) интенсивностью конвекции и циклонической циркуляции вод в Субполярном круговороте и (3) Североатлантическим колебанием.

• Замедление МТЦст в 1990-х —2000-х гг. сопровождалось усилением переноса глубинных вод в ЗГПТ - главном глубинном течении нижнего звена МТЦст. Это означает, что уменьшение переноса вод в нижнем звене МТЦст в 1990-х - 2000-х гг., скорее всего, было связано с уменьшением переноса на юг не глубинных, а промежуточных вод, формирующихся в регионе. Этот вывод согласуется (1)с уменьшением интенсивности конвекции в Субполярном круговороте с середины 1990-х гг., (2) с малым интегральным переносом на юг промежуточных вод на широте мыса Фарвель в 2000-х гг. и (3) с выявленной в численных экспериментах связью между объемами формирования промежуточных вод на севере Атлантики и интенсивностью МТЦ в масштабе десятилетий.

Главные выводы из проведенного исследования представлены в виде положений, выносимых на защиту (см. стр. 6). В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что региональное взаимодействие океана и атмосферы и связанная с ним динамика вод в Субполярном круговороте играют определяющую роль в меридиональной циркуляции и многолетних изменениях температуры и солености во всей толще вод на севере Атлантики.

Благодарности. Автор благодарит Анастасию Сергеевну Фалину, Алексея Валентиновича Сокова, Эрле Мерсье (Herlé Mercier), Паскаль Лерминье (Pascale Lherminier), Сергея Константиновича Гулева и Сергея Васильевича Гладышева за сотрудничество и поддержку, а также Российский фонд фундаментальных исследований и Совет по грантам Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ за финансирование.

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Сарафанов А.А. Определение географических границ водных масс методом «поверхностей нейтральной плавучести» // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 5. География. -2004,-№6.-С. 17-23.

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

3. Falina A., Sarafanov A., Sokov A. Correction to "Variability and renewal of Labrador Sea Water in the Irminger Basin in 1991-2004" // J. Geophys. Res. - 2007. - Vol. 112.— doi: 10.1029/2007JC004161.

4. Sarafanov A., Sokov A., Demidov A., Falina A. Warming and salification of intermediate and deep waters in the Irminger Sea and Iceland Basin in 1997-2006 // Geophys. Res. Lett. - 2007. - Vol. 34. - doi:10.1029/2007GL031074.

5. Sarafanov A., Sokov A., Demidov A. Water mass characteristics in the equatorial North Atlantic: a section nominally along 6.5°N, July 2000 // J. Geophys. Res. -2007. -Vol. 112. - doi: 10.1029/2007JC004222.

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

7. Sarafanov A., Falina A., Sokov A., Demidov A. Intense warming and salification of intermediate waters of southern origin in the eastern subpolar North Atlantic in the 1990s to mid-2000s // J. Geophys. Res. - 2008. - Vol.113. - doi:10.1029/ 2008JC004975.

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

9. Sarafanov A. On the effect of the North Atlantic Oscillation on temperature and salinity of the subpolar North Atlantic intermediate and deep waters // ICES J. Marine Science. -2009. - Vol. 66. - № 7. - P. 1448-1454. - doi:10.1093/icesjms/ fsp094.

10. Sarafanov A., Falina A., Mercier H„ Lherminier P., Sokov A. Recent changes in the Greenland-Scotland overflow-derived water transport inferred from hydrographic observations in the southern Irminger Sea // J. Geophys. Res. - 2009. - Vol. 36. -doi:10.1029/2009GL038385.

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

12.Сарафанов А.А. Связь термохалинных аномалий глубинных вод океана с аномалиями состояния атмосферы в Северной Атлантике // Докл. Акад. наук. -

2009. - Т. 427. - № 6. - С. 833-836.

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

14.Sarafanov A., Merrier Я, Falina A., Sokov A., Lherminier P. Cessation and partial reversal of deep water freshening in the northern North Atlantic: observation-based estimates and attribution // Tellus. - 2010. - Vol. 62A. - P. 80-90. - doi:10.1111/ j. 1600-0870.2009.00418.x.

15 .Lherminier P., Merrier H., Huck Т., Gourcuff C., Perez F.F., Morirt P., Sarafanov A., Falina A. The Atlantic Meridional Overturning Circulation and the subpolar gyre observed at the A25-Ovide section in June 2002 and 2004 // Deep-Sea Res. Part I. -

2010.-Vol. 57.-P. 1374-1391. - doi:10.1016/j.dsr.2010.07.009.

16. Sarafanov A., Falina A., Lherminier P., Merrier H„ Sokov A., Gourcuff C. Assessing decadal changes in the Deep Western Boundary Current absolute transport southeast of Cape Farewell (Greenland) from hydrography and altimetry // J. Geophys. Res. -2010. - Vol. 115. - doi: 10.1029/2009JC005811.

17. Váge K., Pickart R., Sarafanov A., Knutsen 0., Merrier II, Lherminier P., van Aken II., Meincke J., Quadfasel D„ Bacon S. The Irminger Gyre: circulation, convection, and interannual variability // Deep-Sea Res. Part I. - 2011. - Vol.58. - P. 590-614. -doi:10.1016/j.dsr.2011.03.001.

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

19. Falina A., Sarafanov A., Merrier H., Lherminier P., Sokov A., Daniault N. On the cascading of dense shelf waters in the Irminger Sea // J. Phys. Oceanogr. - 2012. -Vol. 42. - P. 2254-2267. - doi:http://dx.doi.org/10.1175/JPO-D-12-012.1

20. Сарафанов А.А., Фалина А. С., Соков А.В. Многолетние изменения характеристик н циркуляции глубинных вод на севере Атлантического океана: роль региональных и внешних факторов // Докл. Акад. наук. - 2013. - Т. 450. - № 4. -С. 470-473.

Публикации в других изданиях

21. Сарафанов А.А., Демидов А.Н., Соков А.В. Современные изменения температуры промежуточных и глубинных водных масс в восточном бассейне Экваториальной Атлантики // Водные массы океанов и морей. - М.: Изд. "МАКС-пресс", 2007. -С. 147-158.

22. Филюшкин Б.Н., Алейник Д.Л., Демидов А.Н., Сарафанов А.А., Кожелупова Н.Г. Особенности формирования и распространения Средиземноморской водной массы на промежуточных глубинах Атлантического океана // Водные массы океанов и морей. - М.: Изд. "МАКС-пресс", 2007. - С. 92-129.

23. Сарафанов А.А. Определение климатических пределов распространения и свойств промежуточных водных масс Северной Атлантики с применением новой интерпретации изопикнического анализа - метода «поверхностей нейтральной плавучести» // Комплексные исследования Мирового океана: Проект «Меридиан». Ч. 1 - Атлантический океан. - М.: Наука, 2008. - С. 98-149.

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

25. Сарафанов А.А., Фалина А.С., Соков А.В. Многолетние изменения температуры и солености промежуточных и глубинных вод субполярной Северной Атлантики: тенденции и причины // Морские испытания. -2008. -№ 1. — С. 12-28.

26. Sarafanov A., Falina A., Sokov A., Gladyshev S. Observing deep-water changes in the northern North Atlantic // Proceedings of 0cean0bs'09, Annex. - Venice: ESA Publication, 2010. -doi:10.5270/0cean0bs09.

21. Merrier H., Daniault N.. Lherminier P., Sarafanov A., Gaillard F, Gourcuff C„ Falina A. On the North Atlantic subpolar gyre variability as revealed by altimetry and the Ovide data set // 20 Years of Progress in Radar Altimetry. - Venice: ESA Publication, 2012. - P. 22-23.

Работы, принятые в печать

28. Merrier Н., Lherminier P., Sarafanov A., Gaillard F., Daniault N., Desbruyeres D., Falina A., Ferron В., Gourcuff C., Huck Т., Thierry V. Variability of the meridional overturning circulation at the Greenland-Portugal Ovide section from 1993 to 2010// Prog. Oceanogr. - 2013.

Подписано в печать: 02.08.2013 Объем: 2,0 п.л. Тираж: 200 экз. Заказ № 204 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Сарафанов, Артем Андреевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

05201351934 . п

Сарафанов Артем Андреевич

ЦИРКУЛЯЦИЯ И ТЕРМОХАЛИННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОД СУБАРКТИЧЕСКОЙ АТЛАНТИКИ: СРЕДНЕЕ СОСТОЯНИЕ И ИЗМЕНЕНИЯ В МАСШТАБЕ ДЕСЯТИЛЕТИЙ

25.00.28 - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................................................................................4

Глава 1. Крупномасштабная циркуляция вод и водные массы

субарктической Атлантики. Изменения в масштабе десятилетий.

Краткий обзор..........................................................................................................................................................12

1.1 Циркуляция вод................................................................................................................................13

1.2 Водные массы....................................................................................................................................18

1.3 Изменения в масштабе десятилетий................................................................................22

1.3.1 Поверхностные и промежуточные воды......................................................22

1.3.2 Глубинные воды и

меридиональная термохалинная циркуляция..........................................26

Рисунки к главе 1................................................................................................................................................30

Глава 2. Среднее многолетнее состояние крупномасштабной

циркуляции в толще вод на севере Атлантического океана в 2000-х гг..................43

2.1 Циркуляция вод в 2000-х гг. в контексте

изменчивости в масштабе десятилетий........................................................................47

2.2 Данные и метод................................................................................................................................50

2.3 Перенос вод через 59.5° с.ш....................................................................................................55

2.4 Сравнение с независимыми оценками............................................................................59

2.5 Диапикнические потоки и водообмен между бассейнами............................62

2.6 Систематизация результатов..................................................................................................66

Рисунки к главе 2................................................................................................................................................71

Глава 3. Потепление и осолонение промежуточных и глубинных

вод субарктической Атлантики в 1990-х - 2000-х гг..............................................................85

3.1 Промежуточные воды субтропического происхождения..............................86

3.2 Субарктические промежуточные и глубинные воды........................................87

Рисунки к главе 3................................................................................................................................................93

Глава 4. О причинах изменений термохалинных характеристик

промежуточных и глубинных вод субарктической Атлантики в

масштабе десятилетий. Связь с Североатлантическим колебанием............. 103

4.1 Причины потепления и осолонения

промежуточных и глубинных вод в 1990-х - 2000-х гг....................................104

4.1.1 Промежуточные воды субтропического происхождения................105

4.1.2 Субарктические промежуточные и глубинные воды........................108

4.2 Связь изменений характеристик вод с

Североатлантическим колебанием в 1950-х - 2000-х гг................. 111

4.3 Механизм воздействия Североатлантического колебания на температуру и соленость в толще

вод субарктической Атлантики.............................................. 113

Рисунки к главе 4........................................................................ 120

Глава 5. Изменения интенсивности крупномасштабной циркуляции вод субарктической Атлантики в масштабе десятилетий.

Связь с конвекцией в регионе.......................................................... 129

5.1 Изменения расхода Западного глубинного

пограничного течения в море Ирмингера................................. 131

5.2 Изменения интенсивности

меридиональной термохалинной циркуляции............................ 148

Рисунки к главе 5........................................................................ 159

Заключение............................................................................. 167

Список литературы.................................................................. 176

список символов и аббревиатур................................................ 199

ВВЕДЕНИЕ

Крупномасштабная циркуляция вод Северной Атлантики (рис. 1.1 к гл. 1) -один из важнейших элементов климатической системы Земли. В верхних слоях океана Северо-Атлантическое течение переносит на север теплые субтропические воды. В субарктической Атлантике (рис. 1.2 к гл. 1) и приатлантической части Северного Ледовитого океана эти воды, отдавая тепло атмосфере, охлаждаются, становятся плотнее и, смешиваясь с холодными арктическими водами, погружаются на глубины, формируя направленный в низкие широты поток более холодных и плотных глубинных вод [Лаппо, 1984; McCartney and Talley, 1984; Broecker, 1985; Lumpkin and Speer, 2007; van Aken, 2007; Кошляков и Тараканов, 2011]. С этой циркуляцией, известной как меридиональная термохалинная циркуляция (МТЦ) вод Северной Атлантики, связан перенос тепла на север (до -1-Ю15 Вт [Koltermann et al., 1999]), сопоставимый с меридиональным переносом тепла в атмосфере. Поэтому многолетние изменения крупномасштабной циркуляции и термохалинных характеристик вод на севере Атлантического океана играют одну из главных ролей в формировании климатических аномалий в умеренных и высоких широтах Северного полушария [Schlesinger and Ramankutty, 1994; Kushnir, 1994; Delworth and Mann, 2000; Лаппо и др., 2003; Бышев, 2003; Sutton and Hodson, 2005; Sutton and Dong, 2012].

Исследование многолетних изменений термохалинных характеристик и динамики вод субарктической Атлантики осложняется нехваткой данных наблюдений - относительно малой длиной временных рядов, а также несовершенством численных моделей, не воспроизводящих наблюдаемые изменения во всем их комплексе. Это относится в наибольшей степени к глубинным слоям океана, недоступным ни для спутниковых наблюдений, ни для автономных дрейфующих измерителей. Единственный источник данных о глубинных водах в масштабах всей субарктической Атлантики - судовые наблюдения на трансатлантических разрезах. Эти наблюдения трудоемки, затратны, и поэтому редки. Численные модели воспроизводят циркуляцию

глубинных вод менее реалистично, чем циркуляцию в верхних слоях океана, и это осложняет интерпретацию результатов моделирования изменений характеристик и динамики глубинных вод и, как следствие, - изменений интенсивности МТЦ на севере Атлантики [Saunders et al., 2008; Bacon and Saunders, 2010].

Тем не менее, благодаря имеющимся данным наблюдений, в ряде исследований, выполненных преимущественно в 1990-х и 2000-х гг., было установлено, что температура, соленость и интенсивность циркуляции во всей толще вод на севере Атлантики претерпевают выраженные изменения в масштабе десятилетий [Brewer et al., 1983; Read and Gould, 1992; Curry et al., 1998; Bacon, 1998; Koltermann et al., 1999; Bersch, 2002; Reverdin et al., 2002; Dickson et al., 2002; Curry et al., 2003; Häkkinen and Rhines, 2004; Hâtùn et al., 2005; Johnson et al., 2005; Peterson et al., 2006; Bersch et al., 2007; Johnson and Gruber, 2007; Yashayaev, 2007; Holliday et al, 2008; Thierry et al., 2008; Lozier and Stewart, 2008; Häkkinen and Rhines, 2009; Reverdin, 2010; Бышев и др., 2011; Соков, 2012; Mauritzen et al., 2012].

Данные спутниковой альтиметрии позволили выявить замедление крупномасштабной циркуляции поверхностных вод в Субполярном круговороте (рис. 1.1 к гл. 1) в период с первой половины 1990-х гг. по середину 2000-х гг. [Häkkinen and Rhines, 2004; Häkkinen and Rhines, 2009]. Было показано, что замедление круговорота сопровождалось уменьшением его зональной протяженности [Bersch et al., 2007] и увеличением солености вод, переносимых в восточной ветви круговорота на север [Hâtùn et al., 2005; Johnson and Gruber, 2007; Thierry et al., 2008; Holliday et al., 2008; Reverdin, 2010]. Данные глубоководных наблюдений свидетельствуют о значительном уменьшении температуры и солености промежуточных и глубинных вод субарктической Атлантики между серединой 1960-х гг. и второй половиной 1990-х гг. [Curry et al., 1998; Dickson et al., 2002; Curry et al., 2003; Johnson et al., 2005; Peterson et al., 2006; Yashayaev, 2007; Lozier and Stewart, 2008; Mauritzen et al., 2012]. Количественные оценки интенсивности циркуляции субарктических глубинных вод указывают на то, что перенос глубинных вод на юг был максимален в первой половине 1980-х гг. и минимален во второй половине 1950-х гг. и первой половине 1990-х гг. [Bacon, 1998; Koltermann et al., 1999].

Основная причина многолетних изменений термохалинных характеристик и циркуляции субарктических поверхностных и промежуточных вод (глубины < 1500-2000 м) - изменения интенсивности атмосферного воздействия на поверхность океана в умеренных и высоких широтах Северной Атлантики. Данные наблюдений [Curry et al., 1998; Bersch, 2002; Reverdin et al., 2002; Häkkinen and Rhines, 2004; Bersch et al., 2007; Johnson and Gruber, 2007; Yashayaev, 2007; Thierry et al., 2008; Lozier and Stewart, 2008; Häkkinen and Rhines, 2009; Reverdin, 2010] и модельные эксперименты [Eden and Willebrand, 2001; Gulev et al., 2003; Böning et al., 2006; Lozier et al., 2008] указывают на то, что изменения термохалинных характеристик и циркуляции поверхностных и промежуточных вод в регионе связаны с Североатлантическим колебанием (САК), количественно выражаемым с помощью индекса САК [Hurrell, 1995] - нормированной разницы атмосферного давления на поверхности океана между Азорскими островами и Исландией. Изменениям индекса САК соответствуют изменения интенсивности западного атмосферного переноса на севере Атлантики [Hurrell, 1995], влияющие на тепло- и влагообмен между океаном и атмосферой и циркуляцию в верхних слоях океана в регионе [Visbeck et al., 2003; Hurrell and Deser, 2009]. Усиление западного атмосферного переноса (рост индекса САК) приводит к усилению ветрового воздействия на поверхность океана, усилению зимнего охлаждения поверхностных вод и, как следствие, - к усилению зимней конвекции и к интенсификации циркуляции поверхностных вод в Субполярном круговороте, сопровождающейся увеличением его зональной протяженности [Bersch, 2002; Visbeck et al., 2003; Bersch et al., 2007; Yashayaev, 2007; Lozier and Stewart, 2008]. Это приводит к формированию отрицательных аномалий температуры и солености в верхних и промежуточных слоях океана в субарктической Атлантике [Curry et al., 1998; Koltermann et al., 1999; Bersch, 2002; Reverdin et al., 2002; Johnson et al., 2005; Johnson and Gruber, 2007; Lozier and Stewart, 2008; Reverdin, 2010].

В предлагаемой диссертационной работе автору предстоит ответить на вопрос о тесноте связи между термохалинными характеристиками промежуточных вод в регионе и САК в масштабе десятилетий (1950-е - 2000-е гг.), а также выяснить, насколько быстро характеристики промежуточных вод реагируют на изменения состояния атмосферы.

Причины многолетних изменений температуры, солености и циркуляции глубинных вод субарктической Атлантики (глубины > 1500-2000 м) изучены существенно менее полно.

По состоянию на начало 2000-х гг. основанные на наблюдениях временные ряды (1950-е - 1990-е гг.) позволили выявить единственный выраженный эпизод долговременного изменения солености глубинных вод - их распреснение с 1960-х гг. по 1990-е гг. [Dickson et al., 2002; Curry et al., 2003; Peterson et al., 2006]. Это распреснение объяснялось внешними по отношению к Атлантике факторами, предположительно связанными с глобальным потеплением [Curry et al., 2003]. Согласно этой гипотезе, соленость субарктических глубинных вод уменьшалась вследствие распреснения вод в приатлантической Арктике, где берет начало поток плотных вод, поступающих в Атлантику в придонных слоях проливов между Гренландией, Исландией и Великобританией (рис. 1.2 к гл. 1). Распреснение арктических вод, предположительно, было вызвано долговременным усилением таяния льдов, ростом величин эффективных осадков (осадки минус испарение) и увеличением речного стока в Северный Ледовитый океан [Curry et al., 2003; Peterson et al., 2006]. К середине 2000-х гг. эта - основная в то время - гипотеза стала одним из аргументов в поддержку предположения о том, что глобальное потепление уже приводит к выраженным изменениям в глобальном распределении пресной воды в системе океан-атмосфера, и, вероятно, - к изменениям МТЦ вод Атлантики [Hansen et al., 2004].

В предлагаемой работе на основе анализа временных рядов солености глубинных вод (1950-е - 1990-е гг.), дополненных данными наблюдений в 2000-х гг., будет показана несостоятельность изложенной выше гипотезы и будет дано иное объяснение изменениям термохалинных характеристик субарктических глубинных вод в масштабе десятилетий.

Основная гипотеза о причинах многолетних изменений циркуляции глубинных вод на севере Атлантики предполагает связь между интенсивностью переноса глубинных вод и суровостью зим в приатлантической Арктике [Bacon, 1998; Hansen et al., 2004]. Согласно этой гипотезе, более суровые зимы (низкие зимние температуры) способствуют формированию больших объемов плотных арктических вод, поступающих в Атлантику. Это, предположительно, приводит к

усилению переноса глубинных вод субарктической Атлантики в низкие широты в Западном глубинном пограничном течении (рис. 1.2 к гл. 1) [Bacon, 1998]. Альтернативная гипотеза предполагает связь в масштабе десятилетий между меридиональным переносом глубинных вод и интенсивностью глубокой конвекции в Субполярном круговороте [Koltermann et al., 1999; Соков, 2012].

В настоящей работе с привлечением данных высокоточных наблюдений, выполненных в 2000-х гг., будет показано, что в масштабе десятилетий (1950-е-2000-е гг.) интенсивность циркуляции глубинных вод, действительно, тесно связана с интенсивностью конвекции на севере Атлантики, но не с суровостью зим в районах формирования плотных арктических вод.

Данные судовых наблюдений на серии трансатлантических разрезов позволили количественно оценить изменения интенсивности МТЦ в Северной Атлантике (~24-60° с.ш.) в масштабе десятилетий (1950-е - 1990-е гг.) [Koltermann et al., 1999; Соков, 2012]. На -36° и 48° с.ш. интенсивность МТЦ была максимальна в первой половине 1980-х гг. и минимальна во второй половине 1950-х гг. и первой половине 1990-х гг.; значимого сигнала долговременных изменений интенсивности МТЦ в субтропиках (-24° с.ш.) и в субарктической Атлантике (60° с.ш.) не было выявлено [Koltermann et al., 1999; Соков, 2012]. Имеющиеся количественные оценки изменчивости МТЦ в субарктической Атлантике (к северу от 48° с.ш.) основаны на данных редких судовых съемок [Lherminier et al., 2007; Соков, 2012]. Более надежных оценок - 'непрерывных' временных рядов - изменений интенсивности МТЦ в регионе нет.

В настоящей работе на основе совместного анализа данных судовых наблюдений, данных спутниковой альтиметрии и данных, полученных с помощью автономных дрейфующих профилографов, будет дана количественная оценка многолетних изменений интенсивности МТЦ в субарктической Атлантике с начала 1990-х гг. Будет получен первый 'непрерывный' временной ряд интенсивности МТЦ в регионе (1993 -2010 гг.), свидетельствующий о выраженной изменчивости меридионального переноса вод в масштабах времени от месяца до десятилетия.

Наряду с неполнотой сведений об изменениях характеристик и динамики вод, одна из фундаментальных проблем в области исследований океанской циркуляции на севере Атлантики - отсутствие достоверных количественных

оценок средних многолетних величин переноса вод всем комплексом атлантических течений - 'от берега до берега', от поверхности океана до дна. Оценки средних 'фоновых' значений расходов течений остро необходимы для понимания пространственной структуры крупномасштабной циркуляции вод, для выявления районов трансформации относительно теплых поверхностных вод в холодные плотные воды, образующие нижнее звено МТЦ, а также для валидации численных моделей, используемых для исследования механизмов изменчивости в системе океан-атмосфера и прогнозирования изменений климата.

С использованием данных наблюдений на трансатлантическом разрезе по 59.5° с.ш. (рис. 1.2 к гл. 1), данных спутниковой альтиметрии и информации о водообмене между Атлантикой и Арктикой в настоящей работе будет дана количественная оценка среднего многолетнего состояния циркуляции в толще вод на севере Атлантического океана в 2000-х гг. Это позволит получить новые сведения о расходах всех течений, ответственных за межширотный перенос вод, уточнить схемы крупномасштабной циркуляции поверхностных, промежуточных и глубинных вод, количественно оценить МТЦ и объемы формирования промежуточных и глубинных вод в регионе.

Цель настоящей работы - дать комплексную количественную характеристику крупномасштабных океанских процессов в субарктической Атлантике и получить новые сведения о многолетних изменениях температуры, солености и интенсивности циркуляции вод в регионе на основе данных наблюдений. Главные результаты работы: первая 'трехмерная' количественная картина среднего состояния крупномасштабной циркуляции вод и МТЦ, количественные оценки изменений термохалинных характеристик и динамики вод в масштабе десятилетий и новые сведения о причинах (механизмах) этих изменений. Отличительная черта настоящей работы состоит в том, что в ней уделено большое внимание глубинным слоям океана, где наиболее ощутима нехватка данных наблюдений и, как следствие, - количественных сведений о циркуляции и изменениях термохалинных характеристик вод.

Работа основана на исследованиях, выполненных автором совместно с российскими и зарубежными коллегами в 2004-2013 гг. Представленные в работе материалы, результаты и выводы в полном объеме опубликованы в ведущих отечественных и международных рецензируемых научных изданиях.

Работа состоит из введения, пяти глав, первая из которых - обзорная, и заключения.

Первая глава представляет собой краткий обзор сведений о течениях, водных массах и мно�