Сезонная изменчивость горизонтальных градиентов в крупномасштабных термохалинных фронтальных зонах в Северной Атлантике

Полный текст

Введение

Фронтальные зоны – области в океане, где вследствие переноса вод течениями, стока рек, апвеллингов и других динамических процессов встречаются водные массы с различными физико-химическими и биологическими свойствами [1, 2]. Границы между водными массами характеризуются высокими горизонтальными градиентами температуры, солености, плотности и других характеристик, что позволяет определять положение фронтов [1]. Фронтальные зоны являются районами высокого биоразнообразия, а океанические фронтальные разделы разделяют зоны с различными условиями обитания морских организмов, поэтому анализ изменения характеристик фронтов важен для морской биологии [2–4]. В этом направлении проводится наибольшее число исследований поверхностных фронтальных зон в настоящее время. Кроме того, многолетние изменения характеристик фронтальных зон могут служить индикаторами климатических изменений в океане, проявляющихся по-разному в разные сезоны, что обусловливает важность их изучения [1, 5, 6].

Исследование процессов во фронтальных зонах началось еще в середине XX в. [1, 7], однако появление в конце столетия спутниковых данных, данных дрейфующих буев и создание современных океанических реанализов расширило возможности исследования фронтов в океане [8]. Эти данные позволили изучать фронты на различных временных и пространственных масштабах [1, 6, 9]

В настоящее время характеристики фронтальных зон анализируются на основе спутниковых данных о температуре поверхности океана [10–12], солености [13, 14], уровне моря [15, 16]. Современные океанические реанализы с высоким пространственным разрешением позволяют в комплексе рассматривать пространственно-временные изменения температурных и соленостных фронтальных зон.

Особенности сезонного хода северной части Атлантического океана наиболее изучены для температурных фронтальных зон [17–22]. Поэтому представляет интерес рассмотреть сезонную изменчивость характеристик фронтальных зон в полях солености и плотности. В настоящей работе рассматривается сезонная изменчивость климатических фронтальных зон, связанных с крупномасштабными движениями в океане. Положение фронтов определяется на основе расчетов горизонтальных градиентов температуры, солености и плотности.

Целью работы является комплексное исследование сезонной изменчивости горизонтальных градиентов в полях температуры, солености и плотности в крупномасштабных фронтальных зонах в северной части Атлантического океана.

Данные и методы исследования

В работе использовались среднемесячные данные океанического реанализа ORAS5 за 1958–2021 гг. о потенциальной температуре  (°C) и солености  (ЕПС) на глубине 0.5 м на сетке с пространственным разрешением около 0.25° (до 9 км в полярных районах) [23]. Аномалия потенциальной плотности рассчитывалась на основе значений солености и потенциальной температуры согласно алгоритмам международного уравнения состояния морской воды (TEOS-10) ¹⁾.

Для определения положения и характеристик фронтальных зон рассчитывались горизонтальные градиенты потенциальной температуры q (°С/100 км), солености S (ЕПС/100 км) и аномалии потенциальной плотности s_q (кг·м^–3/100 км) для каждого месяца каждого года:

$\nabla \text{\hspace{0.17em}φ}=\left(\frac{\partial \text{φ}}{\partial x},\frac{\partial \text{φ}}{\partial y}\right)$, $\left|\nabla \text{\hspace{0.17em}φ}\right|=\sqrt{{\left(\frac{\partial \text{φ}}{\partial x}\right)}^2+{\left(\frac{\partial \text{φ}}{\partial y}\right)}^2}$

где $\phi$ – потенциальная температура q, соленость S или аномалия потенциальной плотности s_q. Компоненты вектора градиента вычислялись методом центральных конечных разностей. При расчете $\frac{\partial }{\partial x}$ учитывалась широта места.

Пространственное распределение термохалинных полей и их градиентов представлено для зимнего (декабрь – февраль) и летнего (июнь – август) сезонов. Количественные оценки сезонной изменчивости градиентов температуры, солености и плотности выполнялись для фронтальных зон с градиентами температуры, превышающими 2 °С/100 км, солености – 1 ЕПС/100 км, плотности – 1 кг·м^–3/100 км. Расчеты проводились для пяти отдельных районов, выделенных во фронтальных зонах вдоль крупномасштабных течений и на границе плюма Амазонки. Во фронтальной зоне Гольфстрима был выделен район 1 (41.5°–43° с. ш., 58°–64° з. д.), Североатлантического течения – район 2 (49°–53° с. ш., 28°–42° з. д.), Лабрадорского течения – район 3 (59°–63° с. ш., 60°–61° з. д.); прибрежного Восточно-Гренландского течения – район 4 (65.5°–67° с. ш., 29°–35° з. д.), плюма реки Амазонки – район 5 (8°–11° с. ш., 48°–52° з. д.). Термохалинные характеристики осреднялись в пределах границ районов.

Анализ сезонной изменчивости положения и размера фронтальной зоны проводился для районов 1, 3 и 4. На зонально ориентированных участках фронтальных зон Гольфстрима и Восточно-Гренландского течения были выделены меридиональные разрезы вдоль 61° и 34° з. д. соответственно. На меридионально ориентированном участке фронтальной зоны Лабрадорско-го течения – зональный разрез вдоль 59° с. ш. (рис. 1, d). При этом в районах с учащенной сеткой модели значения градиентов были предварительно осреднены с шагом 0.25° вдоль разреза.

Результаты и обсуждение

Температурные фронтальные зоны

В Северную Атлантику с океаническими течениями поступают воды с различными термохалинными характеристиками, что обусловливает наличие океанических фронтов на их границах [1]. Температурные фронтальные зоны на поверхности океана наблюдаются в окрестности всех крупномасштабных течений: Гольфстрима, Лабрадорского, Западно-Гренландского, Восточно-Гренландского, Норвежского, а также в районе прибрежного апвеллинга у западных берегов Африки и летом в восточной части экваториальной области вследствие экваториального апвеллинга (рис. 1). 

 

Рис. 1. Пространственное распределение потенциальной температуры q (a, c) и ее горизонтальных градиентов q (b, d) на глубине 0.5 м в зимний (a, b) и летний (c, d) сезоны; сезонная изменчивость средних значений q (e) и q (f) в районах 1–5. Обозначения: GSF – фронтальная зона Гольфстрима, NACF –Северо-Атлантического течения, LCF – Лабрадорского течения, EGCF –Восточно-Гренландского течения, AmPF – плюма реки Амазонки; PF – Восточно-Гренландский полярный фронт, AF –Арктический фронт

Fig. 1. Spatial distribution of potential temperature q (a, c) and its horizontal gradients q (b, d) at a depth of 0.5 m in winter (a, b) and summer (c, d); seasonal variability of mean values q (e) and q (f) in areas 1–5. Frontal zones: GSF – Gulf Stream, NACF – North Atlantic Current, LCF – Labrador Current, EGCF – East Greenland Current, AmPF – Amazon River plume, PF – East Greenland Polar Front, AF – Arctic Front

 

Температурная фронтальная зона вдоль течения Гольфстрим выделяется в течение всего года. Она разделяет теплые воды, переносимые Гольфстримом из южных широт, и холодные воды Лабрадорского течения, встречающиеся у берегов Новой Шотландии (рис. 1, a – d) [24, 25]. Градиенты температуры в этой фронтальной зоне достигают 13 °С/100 км. В районе 1 зимой градиенты температуры в среднем составляют 4 °С/100 км, максимальные – до 6.5 °С/100 км (рис. 1, b, f; таблица). К лету вследствие сезонного увеличения температуры воды в окружающих водах этот фронт ослабевает и градиенты уменьшаются, но остаются достаточно высокими, превышая 2 °С/100 км (рис. 1, c, d, f; таблица).

 

Статистические характеристики градиентов фронтальных зон в районах 1–5

Statistical characteristics of frontal zone gradients in areas 1–5

Значение / Value	Район 1 / Area 1	Район 2 / Area 2	Район 3 / Area 3	Район 4 / Area 4	Район 5 / Area 5
	q, °С/100 км / q, °С/100 km
Среднее / Mean	3.8	1.0	1.5	3.7	0.16
Максимум / Maximum	5.0	1.2	2.0	4.3	0.2
Минимум / Minimum	2.4	0.9	1.1	2.7	0.09
Размах / Range	2.6	0.3	0.9	1.6	0.11
	S, ЕПС/100 км / S, PSU/100 km
Среднее / Mean	1.8	0.22	1.0	1.3	0.8
Максимум / Maximum	2.0	0.24	1.6	2.3	1.7
Минимум / Minimum	1.6	0.19	0.7	0.9	0.2
Размах / Range	0.4	0.05	0.9	1.4	1.5
	sq, кг·м–3/100 км / sq, kg·m–3/100 km
Среднее / Mean	0.8	0.15	0.8	0.8	0.6
Максимум / Maximum	1.0	0.22	1.1	1.6	1.3
Минимум / Minimum	0.7	0.1	0.5	0.5	0.2
Размах / Range	0.3	0.12	0.6	1.1	1.1

 

В районе 2 фронтальной зоны Северо-Атлантического течения в среднем градиенты не превышают 1 °С/100 км. Их увеличение происходит зимой, а уменьшение летом. Низкие значения градиентов могут быть связаны с разветвлением течения и сезонным смещением ветвей [18].

Лабрадорское и Восточно-Гренландское течения переносят холодные воды в Северную Атлантику из Северного Ледовитого океана. Фронтальные зоны Лабрадорского течения и прибрежного Восточно-Гренландского течения присутствуют во все сезоны. Зимнее понижение температуры в этих районах продолжается до апреля, к лету температура повышается с максимумом в августе (рис. 1, e). Максимальные градиенты в районах 3 и 4 отмечаются в декабре – январе, затем уменьшаются от зимы к лету (рис. 1, f; таблица). Локальный минимум в апреле соответствует минимальной температуре воды в сезонном цикле. Локальный максимум в июне наблюдается в начале летнего прогрева, когда разница между температурой воды в прибрежной и мористой областях еще велика.

Отступление ледовой кромки летом в приатлантической части Арктики приводит к усилению Восточно-Гренландского Полярного температурного фронта [26]. Максимальные градиенты летом здесь достигают 7 °С/100 км. Арктический фронт (Ян-Майенский – Порога Мона [27]), простирающийся от Исландии до Шпицбергена, усиливается зимой и ослабевает летом. Максимальные градиенты температуры в районе фронта наблюдаются зимой и весной и достигают 3 °С/100 км (рис. 1, b, d). Летом градиенты уменьшаются и не превышают 2 °С/100 км. Такой же порядок величины градиентов приведен в работе [27].

Вдоль побережья Африки зимой и весной апвеллинговая фронтальная зона присутствует южнее 20° с. ш., а летом и осенью – севернее 20° с. ш., что связано с сезонными изменениями ветрового режима [21]. Градиенты во фронтальной зоне экваториального апвеллинга увеличиваются летом и осенью (рис. 1, b, d).

Полученное положение крупномасштабных температурных фронтальных зон и сезонная изменчивость градиентов хорошо соответствуют результатам предыдущих исследований, проведенных по разным видам данных: спутниковым данным о температуре поверхности всего Мирового океана [2, 19], субтропической зоны Северной Атлантики [28], фронта Гольфстрима [6, 20], по данным прямых измерений [17] и данным спутниковой альтиметрии для Северной Атлантики [22]. 

Соленостные фронтальные зоны

Соленостные фронтальные зоны с превышающими 1 ЕПС/100 км градиентами находятся в районах течений Гольфстрим, Лабрадорского, Восточно-Гренландского, а также Полярного фронта и границы плюма реки Амазонки (рис. 2).

Во фронтальной зоне Гольфстрима наибольшие градиенты солености в течение всего года находятся в районе «северной стены» Гольфстрима [29] (рис. 2, b, d). Их значения достигают 5 ЕПС/100 км зимой и 4 ЕПС/100 км летом. В районе 1 максимальная соленость наблюдается весной [30], градиенты в это время невелики (рис. 2, e, f). Высокие градиенты солености отмечаются осенью и зимой, что, вероятно, связано с сезонным усилением транспорта  Лабрадорского течения и его ветви, распространяющейся вдоль побережья Новой Шотландии [24, 31, 32], а также с влиянием стока пресных вод из залива Святого Лаврентия [33].

 

Рис. 2. Пространственное распределение солености S (a, c) и горизонтальных градиентов солености S  (b, d) на глубине 0.5 м в зимний (a, b) и летний (c, d) сезоны; сезонная изменчивость средних значений S  (e) и S  (f) в районах 1–5

Fig. 2. Spatial distribution of salinity S (a, c) and horizontal salinity gradients S  (b, d) at a depth of 0.5 m in winter (a, b) and summer (c, d); seasonal variability of mean values S  (e) and S  (f) in areas 1–5

 

Несмотря на то что Лабрадорское течение усиливается осенью – зимой [31], а Восточно-Гренландское зимой – весной [34], градиенты во фронтальных зонах этих течений (районы 3 и 4) увеличиваются летом, что связано с сезонным таянием арктических льдов и выносом распресненных вод из Северного Ледовитого океана, а также с таянием вдольбереговых и материковых льдов. Минимальные градиенты наблюдаются в марте – апреле при минимальной температуре, после чего значения градиентов растут и достигают максимума в начале лета (рис. 2, f; таблица).

В Приатлантической Арктике Восточно-Гренландский полярный соленостный фронт значительно усиливается летом. Это также связано с таянием льдов в Арктике и поступлением распресненных вод, соленость которых значительно ниже по сравнению с соленостью вод субполярных районов [26]. Максимальные значения горизонтальных градиентов солености в летний сезон составляют 3.5 ЕПС/100 км.

В тропической части Атлантического океана присутствует обширная соленостная фронтальная зона на границе плюма реки Амазонки [35]. Весной и летом распресненные воды распространяются Северным Бразильским течением к северу до 15° с. ш. Соленость в районе 5 уменьшается от марта (36 ЕПС) к августу (32 ЕПС), а градиенты увеличиваются от 0.2 до 1.7 ЕПС/100 км. Эти значения соответствуют значениям градиентов солености тропических зон океана, приведенным в [14].

Плотностные фронтальные зоны

Плотностные фронтальные зоны с превышающими 1 кг·м^–3/100 км градиентами присутствуют в районах течений Гольфстрим, Лабрадорского, Восточно-Гренландского (рис. 3, b, d). Летом обширная эстуарная фронтальная зона находится в районе плюма реки Амазонки (рис. 3, c, d). Летом вдоль экватора также располагается фронтальная зона, связанная с экваториальным апвеллингом.

В выделенных районах 1–4 плотность во фронтальных зонах уменьшается в летние месяцы, а градиенты плотности в это время увеличиваются (рис. 3, e, f). Градиенты, превышающие 4 кг×м^–3/100 км, отмечаются локально на отдельных участках фронтальных зон Лабрадорского течения в районе Девисова пролива, прибрежного Восточно-Гренландского течения, Полярного фронта и в эстуарной зоне Амазонки (рис. 3, b, d).

 

Рис. 3. Пространственное распределение аномалии потенциальной плотности s_q (a, c) и горизонтальных градиентов потенциальной плотности s_q (c, d) на глубине 0.5 м в зимний (a, b) и летний (c, d) сезоны; сезонная изменчивость средних значений s_q (e) и s_q (f) в районах 1–5

Fig. 3. Spatial distribution of potential density anomaly s_q (a, c) and horizontal potential density gradients s_q (b, d) at a depth of 0.5 m in winter (a, b) and summer (c, d) seasons; seasonal variability of mean values s_q (e) and s_q (f) in areas 1–5

 

Минимальные градиенты плотности в районах 1–4 фронтальных зон Северной Атлантики наблюдаются в марте. В тропическом районе во фронтальной зоне Амазонского плюма (район 5) минимальный градиент плотности отмечается в феврале.

В районах 1 (фронтальная зона Гольфстрима) и 2 (фронтальная зона Северо-Атлантического течения) минимальные и максимальные значения плотности в сезонном цикле отмечаются при максимальной и минимальной температуре соответственно (рис. 4, a, b). Здесь (в открытых частях океана) вклад температуры превышает вклад солености в сезонные изменения плотности.

В районах поступления менее соленых вод из Северного Ледовитого океана (Лабрадорское и Восточно-Гренландское течения) и в районе стока реки Амазонки возрастает вклад солености в сезонные изменения плотности. Это хорошо проявляется в изменениях плотности во фронтальной зоне прибрежного Восточно-Гренландского течения (район 4). Здесь наименьшая плотность достигается в июне при наименьшей солености, а не при максимальной температуре, которая наблюдается в августе (рис. 4, b). Наибольшая плотность отмечается в ноябре – декабре при высокой солености. При этом минимальная температура в этом районе наблюдается в апреле. Во фронтальной зоне Лабрадорского течения (район 3) максимальная плотность наблюдается в феврале – марте, в то время как минимальная температура – в апреле.

В районе 5 фронтальной зоны плюма Амазонки максимальная температура наблюдается в сентябре [36], в то время как минимальная плотность получена для августа, когда отмечается минимальная соленость (рис. 4, c).

 

Рис. 4. TS-диаграммы сезонной изменчивости температуры и солености на глубине 0.5 м в районах 1, 3 (a), 2, 4 (b), 5 (c)

Fig. 4. TS diagrams of seasonal variability of temperature and salinity at a depth of 0.5 m in areas 1, 3 (a), 2, 4 (b), 5 (c)

 

Сезонная изменчивость размера фронтальных зон

Сезонные изменения температуры и солености в течениях и окрестных водах, а также изменения величины речного стока могут приводить к смещениям границ или изменениям размера фронтальной зоны. Так, соленостная и плотностная фронтальные зоны плюма Амазонки (рис. 2, 3) наблюдаются только во время увеличения сезонного стока весной – летом и отсутствуют в зимние месяцы.

Хорошо выражена сезонная изменчивость положения и величины градиентов вдоль меридионального разреза, пересекающего фронтальную зону Гольфстрима по 61° з. д. (район 1). Здесь фронт с градиентами температуры, превышающими 2 °С/100 км, сужается в августе – сентябре, при этом градиенты уменьшаются (рис. 5, a). Зона высоких градиентов солености (более 2 ЕПС/100 км) смещается к югу от зимы к лету и обратно к северу осенью (рис. 5, b). Аналогично смещается зона высоких градиентов плотности (рис. 5, c). Отметим, что изменение ширины фронтальных зон, полученное по среднемноголетним данным для отдельных сезонов, может быть связано со смещениями этих зон в отдельные годы. 

В районе 4 фронтальной зоны прибрежного Восточно-Гренландского течения меридиональный разрез был выбран вдоль 34° з. д. Меридиональный размер температурной фронтальной зоны расширяется к югу в июле и августе и к северу в октябре – декабре (рис. 5, d). Ширина соленостной и плотностной фронтальных зон увеличивается летом вследствие повышения градиентов на северной границе (рис. 5, e, f).

 

Рис. 5. Сезонная изменчивость градиентов потенциальной температуры q (a, d, g), солености S (b, e, h) и аномалии потенциальной плотности s_q (c, f, i) на меридиональных разрезах вдоль 61° з. д. в районе 1 северного участка Гольфстрима (a, b, c), вдоль 34° з. д. в районе 4 прибрежного Восточно-Гренландского течения (d, e, f) и на зональном разрезе вдоль 59° с. ш. в районе 3 фронтальной зоны Лабрадорского течения (g, h, i)

Fig. 5. Seasonal variability of gradients of potential temperature q (a, d, g), salinity S (b, e, h) and potential density anomaly s_q (c, f, i) on meridional sections along 61° W in area 1 of the northern section of the Gulf Stream frontal zone (a, b, c), along 34° W in area 4 of the East Greenland Coastal Current (d, e, f) and on the zonal section along 59° N in area 3 of the Labrador Current frontal zone (g, h, i)

 

На меридионально направленном участке фронтальной зоны Лабрадорского течения (район 3) был рассмотрен зональный разрез вдоль 59° с. ш. В этом районе зона высоких градиентов (более 2 °С/100 км) смещается к востоку с января по апрель. В мае градиенты уменьшаются и зона смещается к западу (рис. 5, g). Градиенты в соленостной (рис. 5, f) и плотностной (рис. 5, i) фронтальных зонах увеличиваются летом и в начале осени. В это же время зоны смещаются к западу.

Заключение

В настоящей работе на основе использования данных океанического реанализа ORAS5 о температуре и солености на горизонте 0.5 м дано комплексное представление о положении крупномасштабных поверхностных термических, соленостных и плотностных фронтальных зон в северной части Атлантического океана и сезонной изменчивости их градиентов. Приведены количественные оценки сезонной изменчивости градиентов во фронтальных зонах в отдельных районах крупномасштабных течений и на границе плюма Амазонки.

Анализ сезонной изменчивости пространственного распределения и величин горизонтальных градиентов в термохалинных фронтальных зонах показал следующее. Фронтальные зоны на поверхности океана, расположенные вдоль крупномасштабных течений Гольфстрим, Северо-Атлантического, Лабрадорского и Восточно-Гренландского, переносящих воды, отличающиеся по температуре и солености от окружающих вод, присутствуют в течение всего года. Градиенты температуры в этих зонах уменьшаются от зимы к лету вследствие сезонного прогрева вод. Наибольший размах сезонных изменений градиентов температуры отмечается в районах Гольфстрима и Восточно-Гренландского течения.

Во фронтальных зонах Лабрадорского и Восточно-Гренландского течений наблюдается значительная сезонная изменчивость градиентов солености и плотности Минимальные градиенты отмечаются в конце зимы – начале весны при минимальной температуре. Градиенты увеличиваются летом вследствие таяния вдольбереговых, материковых и арктических льдов.

В Тропической Атлантике высокая внутригодовая изменчивость градиентов солености и плотности наблюдается во фронтальной зоне Амазонки. Здесь максимальные градиенты отмечаются летом на границе плюма, возникающего вследствие сезонного увеличения стока реки. Зимой фронтальная зона отсутствует.

Полученные оценки сезонных изменений градиентов во фронтальных зонах могут использоваться при изучении биологической продуктивности морских вод. Они также могут учитываться в климатических исследованиях, так как амплитуда сезонного цикла характеристик поверхностного слоя океана, как правило, превышает межгодовые изменения.

¹⁾ The international thermodynamic equation of seawater – 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. UNESCO, 2010. 196 p.

Об авторах

Ирина Геннадьевна Шокурова

Морской гидрофизический институт РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: igshokurova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3150-8603
SPIN-код: 7161-7467

старший научный сотрудник, кандидат географических наук

Россия, Севастополь

Николай Викторович Никольский

Морской гидрофизический институт РАН

Email: n.nikolsky@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-3368-6745

младший научный сотрудник

Россия, Севастополь

Елена Дмитриевна Чернышова

Морской гидрофизический институт РАН

Email: alenaksendzik@rambler.ru
ORCID iD: 0009-0005-4607-8190

инженер-исследователь

Россия, Севастополь

Список литературы

Дополнительные файлы