Изменение адвекции тепла в Баренцевом море

Адвекция океанического и атмосферного тепла является важнейшей составляющей термического баланса Арктического бассейна. Так, усиленное поступление атлантических вод в Баренцево море оставляет свободной ото льда акваторию моря в зимний период, что приводит к изменению циркуляции атмосферы и к аномально холодным периодам на европейской территории России и в Западной Европе[3 – 7]. Изменение адвекции тепла на западной границе Баренцева моря рассматривается в данной работе. 

Материалы и методы.В качестве основной базы исходных данных послужил океанский реанализ ORAS4, который является составной частью ECMWF (Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды) и охватывает период 1958 года по настоящее время (http://apdrc.soest.hawaii.edu/). Реанализ ORAS4 использует ассимиляцию профилей температуры и солености, полученных с датчиков XBT, CTD, ARGOи мареографов. Кроме того используются аномалии уровня моря по альтиметрическим данным AVISO. Температура поверхности океана (ТПО) и ледяной покров получаются из базы данных ERA–40 и NCEP OISSTv2. В качестве ассимиляционного метода используется метод NEMOVAR. Из этого архива данных выбирались среднемесячные значения широтной составляющей скорости течений (по нормали к разрезу), солености и температуры воды на 23 горизонтах от 0 до 540 метров с 1980 по 2015 гг. Данные рассматривались на разрезе по меридиану 16,5° в.д. (от 69° до 76° с.ш.) через 1° и, по сути, представляют средние значения в полосе 16–17 в.д. (рис. 1).

Тепловой поток рассчитывался для каждой ячейки вертикального разреза отдельно, по формуле [11]:       

Q = С_p ×(T–Θ)×U×ρ×V,                                                                      (1)

где Q – поток тепла, Вт×м^-2; T– температура воды, °С; С_p– удельная теплоемкость воды 4205  Дж×кг^-1×°С^-1для температуры 5 °С;Θ – температура замерзания, °С; U– скорость течения, м×с^-1; ρ – плотность воды, кг×м^-3;V – объем переносимой воды, м³.

Температура замерзания Θрассчитывалась по формуле Крюммеля [12] с учетом солености в конкретной ячейке S, ‰:

Θ= –10^-3×(3+52,7S+0,04S²+0,0004S³),                                               (2)

а плотность морской воды – по уравнению Линейкина [13]:

ρ= ρ₀+10^-3×(ε₁S+ ε₂T- ε₃ST- ε₄T²),                                                    (3)

где ε₁, ε₂, ε₃, ε₄– некоторые постоянные коэффициенты, найденные П.С. Линейкиным  эмпирическим путем.

Рисунок 1– Схема основных потоков воды в Северо-Европейском бассейне [2].

Черной линией выделен меридиональный разрез по 16.5^ов.д.

Результаты и обсуждение.Из рис.1 видно, что потоки водных масс, проходящие через меридиональный разрез, представляют собой струи, имеющие восточное направление. О существовании струй на этом участке упоминается разными исследователями [3, 7, 8]. Преобладающим горизонтальным потоком здесь является Нордкапское течение. Этонаиболее мощный и устойчивый поток, обусловливающий гидрологический режим моря. Он входит в море с запада и по мере продвижения на восток разделяется на несколько ветвей.

Оценки изменчивости горизонтальных потоков тепла в океане и атмосфере в регионе Баренцева моря рассматриваются в многочисленных научных исследованиях, например[3 – 10], некоторые из них приведены в табл. 1. Как отмечено в [8 – 10] и видно из табл.1, оценки суммарного переноса массы и тепла через открытую часть Баренцева моря разных исследователей довольно близки. 

Таблица 1–Средние многолетние оценки потоков массы и тепла на меридиональном разрезе Баренцева моря 

Для каждой вертикальной ячейки сетки меридионального разреза были рассчитаны среднемноголетние значения потоков тепла, скоростей течения и температуры воды (рис.2). 

Рисунок 2– Распределение среднемноголетних гидрофизических характеристик на меридиональном разрезе 16.5° в.д. за период с 1980 по 2015 год. (a– тепловой поток,Вт/м², б – скорости течений, см/с, в – температура воды, °С)

Как видно из рис.2, поток тепла в Баренцево море определяется несколькими основными струями. Южная струя теплового потока находится у побережья Норвегии, в устье Нордкапского желоба, на широте 69.5-71.5° с.ш. и распространяется до горизонта 300 метров. Максимальное значение потока достигает 3.6*10⁶Вт/м²на горизонте 0–50 метров. Второй, центральный, поток расположен в широтной зоне 72-74° с.ш., распространяется вдоль Медвежинского желоба и достигает глубины 450 метров с максимальной интенсивностью 1.8*10⁶Вт/м²у поверхности. Самая северная струя располагается на широте 74.5-76° с.ш. в Зюйдкапском желобе. Глубина ее распространения достигает 30 метров с максимумом 0.6*10⁶ Вт/м²также у поверхности. Все три струи имеют восточное направление. В придонной части разреза, в широтной зоне 70-71° с.ш. глубже 300 м и в Зюйдкапском желобе отмечается слабое противотечение западного направления. В южной части разреза тепловой поток определяется как вертикальным распределением температуры воды, так и течениями, а центральный и северный поток тепла – в основном, распределением скоростей течения (рис. 2 (б, в)).

Чтобы проследить временную изменчивость каждой характеристики для каждой вертикальной ячейки разреза были сделаны оценки тренда по среднемесячным данным за период с 1980 по 2015 год (рис.3). На меридиональном разрезе значимые тренды присутствуют во всех трех струях теплового потока, выявленных в среднемноголетнем состоянии, и показывают, что значительное усиление потока со временем происходит в центральной и северной струе. Максимальный тренд отмечается в подповерхностном слое центральной струи потока и составляет 950 Вт/м²в месяц. Основную роль в формировании трендов центральной и северной струй потока тепла играют тренды в скорости течений и в температуре воды. В южном потоке у поверхности отмечается отрицательный тренд в скорости течения в широтной зоне 69.5–72^ос.ш., что свидетельствует об ослабевании течения, а в более глубоких горизонтах (100–300 м) – его усиление, что отражается и в распределении величины тренда потока тепла (рис. 3 б). 

Рисунок 3– Распределение величины тренда на меридиональном разрезе 16.5° в.д. за период с 1980 по 2015 год. (a– величина тренда теплового потока Вт/м²в год, б– величина тренда скоростей течений м/с в год, в– величина тренда температуры воды °С в год).

Все характеристики потоков были проинтегрированы от поверхности до горизонта 540 м в пределах следующих широтных зон: южный поток – 69–72° с.ш., центральный – 72–74° с.ш., северный – 74–76° с.ш. В таблице 2 представлены статистические параметры интегральных для каждой струи характеристик потоков и средние взвешенные оценки температуры и солености воды.

Таблица 2– Статистические характеристики интегральных потоков массы и тепла, а также средневзвешенных значений температуры и солености воды в южной, центральной и северной широтных зонах меридионального разреза по 16.5 в.д. (69-76° с.ш.), среднемесячных за период 1980–2015 гг.

Как видно из таблицы 2, преобладающим потоком воды, проходящим через меридиональный разрез в Баренцево море, является струя в центральной части разреза, поток воды в которой достигает величины 2.1 Св, в южной части разреза немного меньше (1.7 Св), а самый слабый поток – в северной части разреза (0.5 Св). В целом средний многолетний перенос воды через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря за период 1980-2015 гг составляет 4.3 Св. 

Значимый положительный тренд в среднемесячной изменчивости потока воды (при уровне значимости 5%) отмечается только в центральной и северной струях разреза, что обуславливает значимость тренда в целом по разрезу. В южной части разреза, наоборот, отмечается ослабление потока. По оценкам тренда оказалось, что за 36 лет общий поток воды, проходящий через южную часть разреза, ослабел на 5% (от среднего значения), центральный усилился на 15%, наиболее интенсивное усиление выявлено для северного потока воды – 20 %. В целом по всему разрезу поток усилился на 7%.

Нордкапское течение, идущее с запада на восток вдоль северной части Скандинавского полуострова, влияет на распределение температуры и солености воды на исследуемом разрезе. Из таблицы 2 видно, что средняя по площади широтных зон разреза температура воды закономерно уменьшается к северу от 6.2 °С до 3.0 °С и имеет значимый, практически одинаковый по всему разрезу тренд 0.03 ^оС/год. Соленость также испытывает положительный тренд 0.002 ^о/_оо  в год.

Из таблицы 2 видно, что, несмотря на относительно небольшой поток воды в южной струе разреза, в этой широтной зоне отмечается мощный поток тепла, сравнимый с центральной струёй. Очевидно, это обусловлено повышенными значениями температуры воды в прибрежной зоне Норвегии. За период 1980 по 2015 год среднемноголетний южный поток тепла составил в среднем 62 ТВт, центральный поток – 65 ТВт, северный поток тепла наиболее слабый – 11 ТВт. Тренд в потоках тепла определяется соответствующими трендами во временной изменчивости температуры воды и скорости течений, а также, опосредованно, трендом в солености воды, положительная величина которого уменьшает температуру замерзания и увеличивает плотность морской воды в соответствии с формулами (1) –(3). По оценкам тренда оказалось, что за 36 лет поток тепла, проходящий через южную часть разреза, увеличился на 6%, центральный на 31%, наиболее значительно усилился северный поток тепла – почти в полтора раза (на 42%). 

Средний многолетний поток тепла через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря составляет 139 ТВт и имеет значимый положительный тренд с величиной 0.80 ТВт/год.

Полученные в данной работе распределения потоков воды и тепла через меридиональный разрез в целом для бассейна Баренцева моря также представлены в табл.1. Для сравнения, оценки рассчитаны для того же периода времени и для той же широтной зоны: BarentsSeaOpeningи соответствует центральной струе рассматриваемого меридионального разреза. Из табл. 1 видно, что оценки потоков воды совпадают, а оценки потока тепла выше, это может быть связано с недооценкой авторами [8–10] разницы между температурой замерзания и нулем. 

Также нужно отметить, что неучет тепла, переносимого в прибрежной части Норвегии, а также в усиливающейся северной струе теплового потока, как делают авторы [8 –10],приводит к значительной недооценке общего потепления Баренцева моря.

Характеристики внутригодовой изменчивости составляющих потока тепла на меридиональном разрезе по 16.5^ов.д. представлены в табл. 3. Дисперсия годового хода температуры воды на разрезе достаточно велика: перепад значений от максимума в сентябре до минимума в феврале составляет 1 ^оС для центральной и южной широтной зоны, и 2 ^оС – для северной. Однако, несмотря на малые скорости течений, степень их внутригодовой изменчивости, определяемая коэффициентом вариации, в 3 – 6 раз выше, чем у температуры воды. Кроме того, оценка вклада в дисперсию внутригодовой изменчивости потока тепла, определённая последовательным учетом переменных в пошаговой множественной линейной регрессии [14] показывает, что внутригодовой ход интегральных по вертикали горизонтальных потоков тепла через меридиональный разрез 16.5^ов.д. (рис. 3) практически полностью определяется годовым ходом скоростей течений. 

Таблица 3– Характеристики внутригодовой изменчивости составляющих потоков тепла в южной, центральной и северной широтных зонах меридионального разреза по 16.5 в.д. (69-76° с.ш.)

Как видно из рис.3, во внутригодовой изменчивости центральный и северный потоки находятся в противофазе: наибольшая интенсивность центрального потока в феврале сопровождается ослаблением северной струи; в августе – наоборот. Годовой ход южного потока испытывает значительные колебания и сдвинут относительно центрального на 1 месяц: сначала в январе наступает максимум интенсивности прибрежного течения, и только через месяц, в феврале, усиливается центральный поток. 

Нужно отметить, что зимой южный прибрежный поток тепла является преобладающим среди трёх струй на меридиональном разрезе, а летом прибрежный поток настолько ослабевает, что приближается по величине к усилившемуся в это время северному потоку. Это еще раз подтверждает тезис о необходимости учета потоков тепла в южной и северной широтных зонах на входе в Баренцево море для правильной оценки его теплового баланса.

Рисунок 4 – Внутригодовой ход интегральных по вертикали южного (1), центрального (2), северного (3) горизонтальных потоков тепла через меридиональный разрез 16.5 в.д. в широтной зоне 69-76° с.ш. за период 1980–2015 гг. 

Заключение. 

При оценке адвективного потока тепла, поступающего через меридиональный разрез по 16.5^ов.д. в бассейн Баренцева моря, выявлено, что он распространяется тремя основными струями (южной, центральной и северной), располагающимися в углублениях рельефа дна на входе в Баренцево море. Преобладающим потоком воды, проходящим через меридиональный разрез в Баренцево море, является струя в центральной части разреза, поток воды в которой в среднем составляет 2.1 Св. Тем не менее, за счет повышенных значений температуры воды в прибрежной зоне Норвегии мощным потоком тепла является южный поток (62 ТВт). Средний многолетний поток тепла через меридиональный разрез в бассейн Баренцева моря составляет 139 ТВт. и имеет значимый положительный тренд с величиной 0.80 ТВт/год. 

Тепловые потоки в северной и южной частях разреза испытывают значительную внутригодовую изменчивость, практически полностью определяемую скоростями течений, и летом становятся сравнимы. Всё это свидетельствует о том, что для правильной оценки теплового баланса Баренцева моря необходимо принимать во внимание динамику вод как в южной, прилегающей к Норвегии, так и в северной, прилегающей к Шпицбергену, границам моря. 

В межгодовой изменчивости потоков тепла центральной и северной струй выявляются значительные положительные тренды, обусловленные как усилением течений, так и потеплением воды. По оценкам тренда оказалось, что за исследуемый период центральный поток тепла увеличился на 31%. а северный – на 42%. Таким образом, акцент в переносе тепла в Баренцево море значительно смещается к северу, с чем может быть связано уменьшение площади ледяного покрова в Баренцевом море.  

Список литературы:

1. Semenov V.A. Vliyanie okeanologicheskogo pritoka v Barencevo more na izmenchivost' klimata v Arktike // Doklady akademii nauk. 2008. Tom 418. № 1. S. 106 – 109.
2. McBride M.M., Fauchald P., Filin A., Høines A., Johannesen E., Korneev O., Makarevich P., Mauritzen M., Stiansen J.E., Storeng  A.B. Okeanograficheskiye usloviya [Электронный ресурс]. URL: http://www.barentsportal.com (08.01.2019).
3. Ivanov V.V., Alekseev V.A., Alekseeva T.A., Koldunov N.V., Repina I.A., Smirnov A.V. Arkticheskij ledyanoj pokrov stanovitsya sezonnym? // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2013. №4. S. 50 – 65.
4. Smirnov A.V. Evolyuciya verhnego sloya okeana v Severo – Evrazijskom bassejne: dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata geograficheskih nauk. special’nost’ 25.0.0.28 – okeanologiya. Sankt-Peterburg. 2011.
5. Balkin A.A., Alekseev G.V., Bogorodskij P.V., Haritonov V.V., Sokolov V.T. Vertikal'nye potoki tepla v verhnem 400 – metrovom slove Arkticheskogo bassejna po dannym nablyudenij na drejfuyushchej stancii «SEVERNYJ POLYUS-38» // Problema Arktiki i Antarktiki. 2014. №2. S. 41 – 56.
6. Trenberth K.E., Сarton J. M. Estimates of Meridional Atmosphere and Ocean Heat Transports // J. Clim. 2001. V. 14. № 16. P. 3433 – 3443.
7. Farneti R., Vallis G.K. Meridional Energy Transport in the Coupled Atmosphere – Ocean System: Compensation and Partitioning // J. Clim. 2013. V. 26,№ 18. P. 7151 – 7166.
8. Skagseth O., Furevik T., Ingvaldsen R. et al Volume and Heat Transport to the Arctic Ocean Via the Norwegian and Barents Seas // Arctic-Subarctic Ocean Fluxes. Dordrechit: Springer Netherlands. 2008. P. 45- 64.
9. Amedsrud L.H., Esau I., Ingvaldsen R.B. et. Al. The role of the Barents Sea in the Arctic climate system // Rev. Geophys. 2013. V. 51. №3. P. 515 – 449.
10. Smedsrud L.H., Ingvaldsen R., J.E.O Nilson and Skagseth O. et al Heat in the Barents Sea: transport, storage, and surface fluxes // Ocean Sci. 2010. №6. P.219-234.
11. Bashmachnikov I.L., Yurova A.Yu., Bobyleva L.P., Vesman A.V. Sezonnaya i mezhgodovaya izmenchivost' potokov tepla v rajone Barenceva morya // Izvestiya RAN fizika atmosfery i okeana. 2018. V 54. №2. P. 239 – 249.
12. Rozhkov V.A. Statisticheskaya gidrometeorologiya. Chast' 1. Termodinamika: uchebnoye posobie. SPb.: Izd–vo S. – Peterb. un–ta. 2013. – 188 s.
13. Issledovanie po probleme Okeana – Atmosfera/ pod red. V.V. Timonova – L.:Gidrometeoizdat, 1969. – 86 s.
14. Malinin V.N. Statisticheskiye metody analiza gidrometeorologicheskoy informacii.– SPb, Izd. RSHU, 2008.