Все научные статьи
Гриценко А.М., Панфилова С.Г., Галеркин Л.И. Климатическая внутригодовая изменчивость субтропического фронта на поверхности Южной Атлантики
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 931а Атлантики
Гриценко A.M. (50alex50@mail.ru), Панфилова С.Г., Галеркин Л.И.
Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН
На основе данных National Oceanographic Data Center [18] для средних многолетних месячных данных в одноградусных сферических трапециях исследуется климатическая внутригодовая изменчивость структуры Субтропического фронта (СТФ) в Южной Атлантике. В рассчитанном поле горизонтальных градиентов температуры воды выделено и закартировано пространственное положение СТФ для года, сезонов и каждого месяца. Получены климатолого-статистические характеристики фронта. Миграция фронта вдоль меридиана от месяца к месяцу может приводить к сильной изменчивости гидрофизических характеристик на фронте. Показано, что СТФ наиболее резко проявляется в своей западной и восточной частях во все сезоны за исключением зимнего периода. Тем не менее, климатические крупномасштабные черты в структуре Субтропического фронта сохраняются для разных временных масштабов (год, сезон, месяц).
Введение.
Представления о крупномасштабной структуре гидрологических фронтов Южной Атлантики сформулированы в работах [11, 5, 6, 2, 15]. По результатам конкретных экспедиций описаны фронтальные разделы, связанные с крупномасштабными течениями южной периферии Южного субтропического антициклонического круговорота и тремя ветвями Антарктического циркумполярного течения. К ним относятся - фронт Бразильского течения (ФБТ), Субтропический фронт (СТФ), Субантарктический фронт (САФ), Антарктический полярный фронт (АПФ), Антарктический континентальный фронт, а также фронт моря Уэдделла и фронт моря Скотия. В последние годы в поле Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) стало принято выделять еще один динамический циркумполярный фронт -Южный фронт АЦТ [15, 16, 19,20].
Разными исследователями эти фронты были выделены с различной степенью детализации. Несмотря на то, что использование современных гидрологических массивов позволило существенным образом расширить представления об изменчивости фронтов, ряд проблем остается нерешенным. Географическое положение, значения градиентов температуры и солености и временная изменчивость фронтов исследованы приближенно, вследствие недостаточной обеспеченности данными наблюдений в открытых районах
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 932а В целом, в Южной Атлантике исследования внутригодовой изменчивости гидрофизических параметров для климатических фронтов не проводились, а имеющиеся в литературе сведения носят региональный характер [13, 17]. Цель настоящей работы заключается в исследовании особенностей внутригодовой изменчивости (от месяца к месяцу) различных характеристик термических фронтов в Южной Атлантике на поверхности океана.
В данной работе мы будем руководствоваться определением, данным К.Н.Федоровым [ 10 ], согласно которому фронтальная зона в океане - это такая зона, "в которой пространственные градиенты основных термодинамических характеристик значительно обострены по сравнению со средним равномерным распределением между устойчиво существующими климатическими или иными экстремумами". Это определение не опирается на какие либо другие понятия "водные массы", "термоклин" и др., требующие сами по себе определения, а подразумевает применение некоторого численного критерия, выбираемого исследователем для каждой конкретной задачи.
Главная трудность заключалась в том, что обеспеченность данными в Южной Атлантике, в целом, явно недостаточна. Здесь сравнительно неплохо исследована небольшая часть Юго-западной Атлантики и лафриканский сектор (10-20 в.д.), а центральная же часть океана чрезвычайно бедна наблюдениями [2, 18].
Материалы и методика. Материалом для расчетов послужили массивы средних многолетних месячных данных в одноградусных сферических трапециях в Южной Атлантике [18]. По среднемесячным многолетним данным температуры воды в 12 месяцах рассчитаны горизонтальные градиенты на 19 горизонтах в слое 0-1000м. Расчеты горизонтальных градиентов температуры (ГГТ) проводились методом численного дифференцирования по пяти соседним значениям температуры (Т) вдоль меридиана и параллели с учетом косинуса широты. Затем по составляющим определялись модуль и направление вектора ГГТ. При данной методике расчета размерность модуля ГГТ - С на 1 вдоль меридиана, или С на 60 миль (111 км).
В ходе этой работы была значительно расширена и усовершенствована методика выделения фронтальных зон. Так, при выделении фронтов мы отказались от назначения граничных величин градиентов, а перешли к выделению всех локальных экстремумов в поле, какими бы малыми они ни казались.
На выделенные высокоградиентные зоны и линии локальных экстремумов накладывалось поле изотерм. При идентификации фронтов принадлежность того или иного экстремума к определенному фронту определялась по значениям температуры, т.е. в тем-
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 933а Очень часто фронты на поверхности океана замаскированы из-за воздействия процессов связанных с атмосферными явлениями. Чтобы избежать ошибки в этом случае, пространственное положение фронта на поверхности корректировалось вертикальными разрезами градиентов, так как большая часть фронтов на глубине более устойчива. При этом не исключались и такие параметры, как характерные для фронта значения температуры, солености, Т,8-кривые, угол наклона фронта с глубиной и другие традиционно применяемые критерии.
Сравнение климатических фронтов полученных по многолетним (судовым) среднемесячным градиентам температуры с фронтами по спутниковым данным (среднемесячными за 10 лет) показало, что фронты климатического масштаба близки как по величине, так и по пространственной структуре [21]. Сезонная изменчивость пространственного положения фронтов по спутникам и по судовым наблюдениям различалась в редких случаях не более чем на 2-3 градуса по меридиану, при чем это характерно для районов недостаточно обеспеченных судовыми данными, а также в районах с сильным влиянием рельефа дна на Антарктическое циркумполярное течение. Привлечение осредненных спутниковых данных по температуре поверхности океана позволило нам уточнить положение фронтов в районах фрагментарно обеспеченных данными.
Вертикальная структура вод океана в настоящее время изучена достаточно хорошо. Во всех диапазонах масштабов пространства и времени известны ее основные элементы -слои скачка, теплые и холодные, осолоненные и распресненные слои и их статистические и экстремальные характеристики [9]. Горизонтальная структура гидрофизических полей в океанах исследована значительно хуже. Исследования горизонтальной структуры гидрофизических полей в основном ограничивались построением карт температуры, солености, плотности и рассчитанных течений. По сгущениям изолиний визуально оценивалось местоположение фронтов, градиентов температуры, солености и их экстремумов. Количественные оценки элементов горизонтальной структуры проводились очень редко. Описание внутренней структуры климатически осредненных гидрофизических полей горизонтальных градиентов температуры и их климатолого-статистические характеристики были выполнены авторами данной статьи в работах [3,4], поэтому подробно останавливаться на описании поля градиентов температуры мы не будем.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 934а Субтропический фронт. В поле горизонтальных градиентов температуры воды было выделено пространственное положение СТФ для каждого месяца. Кроме того, были получены среднесезонные и среднегодовое положение СТФ.
Пространственное положение СТФ (рис. 1) представляет собой южную границу теплых и соленых субтропических вод и характеризуется в среднем перепадом температуры поверхности океана (ТПО) в 3,5 - 4С (с 11,5 до 15С зимой и с 14,5 до_18,5С летом), хотя в отдельные сезоны в некоторых районах экстремальные значения температуры могут отличаться от приведенных выше на 1-2С. Так, максимальные значения температуры на СТФ в районе Бразильского течения достигают 20С в летний период Южного полушария, а наименьшие значения встречаются зимой на 10в.д. и составляют 9.6 - 10С. В этих же районах интенсивность фронта СТФ наибольшая. Среднегодовые значения градиентов температуры на западе от 1.0 до 1.3С/60миль, а на востоке увеличиваются до 1.6 -1.8С/60миль; в средней же части СТФ преимущественные значения градиентов 0.9 -1.0С/60миль.
Отмечается размытость СТФ в поле градиентов температуры, что затрудняет его выделение в пространстве как единую неразрывную линию. Размытость СТФ в поле температуры отмечалась многими авторами [2,11]. Возможно, она вызвана сезонной миграцией термического фронта в меридиональном направлении, а возможно, эта кажущаяся размытость является следствием сложной поперечной структуры СТФ, которая не улавливается нашим подсеточным масштабом.
В юго-западной Атлантике СТФ представляет собой меридионально ориентированную антициклоническую петлю образованную теплыми водами Бразильского течения проникающими с севера и холодными водами Фолклендского течения поднимающимися с
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 935а
-34 -38 -42
-46
-55 -45 -35 -25 -15а -5аа 5аа 15а 25
-60аа -50аа -40аа -30аа -20аа -10а 0а 10 20
Рис. 1. а) Среднегодовое положение фронтов в поле горизонтальных градиентов температуры, б) 1- среднегодовое положение СТФ, 2 - среднеквадратичное отклонение, 3 - максимальные отклонения СТФ к югу и к северу. (ТФ -Тропический фронт, СТФ -Субтропический фронт, САФ - Субантарктический фронт и АПФ - Антарктический полярный фронт)
Экстремальные смещения СТФ к югу достигают 44.5ю.ш., а к северу 35.5ю.ш., совершая в течение года амплитуду по широте в 9. Такое значительное смещение и высо-
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 936а Привлечение спутниковых данных ТПО из архива AVHRR Ocean Pathfinder Data ( К востоку от 45з.д. до 4в.д. СТФ располагается почти зонально, образуя небольшой изгиб к северу в центральной части. Увеличение СКО до 2 в меридиональном направлении, и экстремальных смещений до 4 указывает, что линия фронта в центральной части подвержена значительному смещению вдоль меридиана в течение года, которое возможно связано с сезонной миграцией термического фронта. Однако не исключено так же, что увеличение СКО и большая амплитуда смещений объясняется плохой обеспеченностью данными наблюдений для центрального района Южной Атлантики, что приводит к размыванию фронта при использовании метода оптимальной интерполяции, которую применяли в работе [18] для построения одноградусного массива поля температуры. Кроме того, идентификацию СТФ усложняет его двойная структура, особенно заметная в центральной части океана. По-видимому, СТФ здесь представляет собой широкую (до 300-400 миль) фронтальную зону (СТФЗ), окаймленную с севера и юга термохалинными фронтами, соответственно Северным СТФ (ССТФ) и Южным СТФ (ЮСТФ) [2,6].
Приближаясь к Африке, СТФ испытывает заметное смещение к югу, плавно переходя с 38 ю.ш. на 42 ю.ш.; СКО по широте здесь относительно невелики от 0.6 до 1.1, однако в некоторые месяцы СТФ может опускаться до 43 - 44 ю.ш. на 15-25в.д., при среднем своем положении 40.1ю.ш. Характерной особенностью СТФ в этом восточном районе является максимальная интенсивность фронта с градиентами достигающими значений от 2.0 до 2.4С/60миль в отдельные месяцы.
Несмотря на недостаточную обеспеченность данными в Южной Атлантике, выявленное пространственное положение СТФ сохраняет свои основные черты в каждом сезоне и каждом месяце (рис. 2). Так, в западной части фронта постоянно наблюдается характерная антициклоническая петля Бразильского течения проникающая далеко на юг. В летние и осенние месяцы она достигает своего максимального южного положения - 44.5 ю.ш. При продвижении на восток Бразильское течение отклоняется к северу, а СТФ с 42 -43з.д. идентифицируется с Южно-Атлантическим течением (ЮАТ) [13], которое вначале Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 937а океанического хребта поднимается к северу до 35ю.ш. в центральной части.
широта
среднее подовое положение СТФ QQQQQOQQ
-38а -
долгота -42а Ч|
-46а -
1а -55аа 'а -45аа 'а -35аа 'а -25аа 'а -15аа 'аа -5 'аа 5а 'аа 15 'а 25
-60 -50 -40 -30 -20 -10аа 0аа 10а 20 т т wet yO^g
-38 Ч -11
-42 - 1=12.
-46 & Весна -60а -50а -40а -30а -20а -10 0 10аа 20 -34а Ч|
-38а Ч
-42а -
-46а - \~ш------------------------ - - >г >д* * V^ ~--------------
л^
Ч'--- 1-- '-- 1-- '-- 1-- '-- 1-- '-- 1-- '-- 1-- '-- 1- '-- 1-- '
60а -50а -40а -30а -20а -10 0 10аа 20 -34а -
-38а -
-42а Ч|
-46а - -60а -50а -40а -30а -20а -10 0 10аа 20 етоаа ^кЧи-
3 ж
долгота
-60а -50а -40а -30а -20а -10 0 10аа 20 Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 938а Пройдя срединно-океанический хребет, СТФ вновь отклоняется к югу, очевидно, под воздействием Бенгельского и встречного Агульясова течения, которое иногда проникает до 13 в.д. [14]. месяц Т
средн. ско1} т Тмакс Тмин GT
средн. СКО GT Широта сред.2) СКО
широты Макс, отклон. к северу Макс, отклон. к югу 1 15.0 1,90 18,79 11,62 1,346 0,330 -40,43 2,25 -35,5 -43,5 2 15,18 1,81 18,85 12,06 1,448 0,336 -41,05 1,94 -36,5 -43,5 3 15,44 1,75 20,08 12,16 1,341 0,314 -40,73 1,83 -37,5 -43,5 4 16,03 1,22 18,86 12,64 1,296 0,360 -40,09 2,52 -36,5 -44,5 5 14,63 1,57 18,31 11,91 1,275 0,349 -39,44 2,54 -34,5 -42,5 6 13,32 1,77 17,84 11,05 1,323 0,411 -40,05 2,65 -34,5 -43,5 7 12,87 0,79 14,25 10,4 1,067 0,295 -39,88 1,50 -36,5 -42,5 8 12,46 0,81 14,15 10,93 1,112 0,312 -39,27 2,14 -35,5 -42,5 9 12,25 1,02 14,08 9,6 1,138 0,211 -40,13 1,80 -36,5 -42,5 10 12,63 1,01 14,02 9,69 1,262 0,412 -39,93 1,59 -37,5 -43,5 11 13,42 1,01 15,59 10,87 1,157 0,40 -40,18 1,97 -36,5 -43,5 12 13,94 1,70 17,55 10,02 1,257 0,348 -40,42 2,01 -37,5 -44,5 Статистика температуры (Т), градиента температуры (GT) и пространственного
положения СТФ в Южной Атлантике.
ТАБЛИЦА
Х)СКО - средне квадратичное отклонение ' знак минус соответствует южной широте.
В период гидрологического лета (январь - март [18]) Южного полушария СТФ проникает далеко на юг, достигая местами 43-44ю.ш. В этот период наблюдаются наибольшие температуры, как средние (Тер) так и максимальные (Гтах). (Таблица). Интенсивность СТФ в летний сезон наибольшая (1.45С/60миль). Очень близкие характеристики Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 939а |п'ээкаа 'аа ' il 999 'а (2ОО0аа 'аа 'а [Z'OOI ' ^zdos1аа 'а собз 1 S Ч - 6 Ч 4 2 ж^ - 4.VG Tn l_Olisl=[ Ч 44.51 66,6.98730], LAT=[-'41 .5283,
.......................................................................... 'аа .аа .аа iа '...................................................................... Ч13У.002.0]а ! 1 2500 50Qаа 1 OOOа 1 500а 2000
DAYS STARTINGа 1997-01-01 1 S
1 4. 2 1 e OO
1 2 4VGаа Tn LON=[-44.51 65,6.93730], LAT^[-41 .5283,-i57.0020] 5QOа 1OOO
DAYS STARTING 2003- 01 1 5QO 01 20 00 Рис.3 Годовой ход ТПО во фронтальной зоне СТФ по спутниковым данным за пе- Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 940а Исследования спутниковых данных температуры поверхности океана (ТПО) показали, что на акватории занимаемой СТФ в центральной части океана (37,0ю.ш. -41,5ю.ш. и 44,5з.д. - 7,0в.д.) наблюдается хорошая качественная, а иногда и количественная сходимость результатов полученных по судовым наблюдениям и по спутникам. Так, на рис.3 наблюдается хорошо выраженный годовой ход ТПО во фронтальной зоне СТФ по спутниковым данным. Максимум Т наблюдается летом Южного полушария (февраль-март), а минимум - зимой (август-сентябрь). Кроме того, спутниковые данные выявили интересные особенности межгодовой изменчивости ТПО в зоне СТФ за период с января 1997 по июнь 2008 года. На фоне сравнительно однообразных гармоник годового хода, в некоторые годы наблюдается снижение температур в летний период совпадающее с периодами Эль-Ниньо в Тихом океане (1997-1998, 2002-2003, 2006-2007). При этом, за год до Эль-Ниньо средняя температура района СТФ в летний период поднимается до 17,5С и выше. Эта гипотеза позволяет осторожно предположить, что следующее явление Эль-Ниньо ожидается в 2009-2010гг. Изучение разных температурных рядов ( Заключение. На основе климатических данных в поле горизонтальных градиентов температуры воды было выделено и закартировано пространственное положение СТФ для года, сезонов и каждого месяца. Такая же работа была выполнена для ТФ, САФ аАПФ, но в данной статье представлено только их среднегодовое положение (рис. 1), а более подробное описание готовится к печати.
Получены статистические характеристики для года, сезонов и месяцев. Показано, что СТФ наиболее резко проявляется в своей западной и восточной частях во все сезоны за исключением зимнего периода. Миграция фронта вдоль меридиана от месяца к месяцу может приводить к сильной изменчивости гидрофизических характеристик.
Несмотря на недостаточную обеспеченность данными в Южной Атлантике, удалось установить, что выявленное пространственное положение СТФ сохраняет свои основные черты в каждом сезоне и каждом месяце. Это свидетельствует о том, что климатические крупномасштабные черты в структуре Субтропического фронта сохраняются для разных временных масштабов (год, сезон, месяц). Это подтверждают и работы по спутниковым данным [1, 21]. Непосредственные прямые синхронизированные во времени наблюдения уточнят количественные, а кое где возможно и качественные оценки, но климатические крупномасштабные характеристики фронтов сохраняют свою квазиконсерватив- Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 941а Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта 07-05-00868-а итература Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИаа 942а
-34а Ч,
-34а Ч,
Все научные статьи