Мезомасштабные вихри и межгодовые изменения содержания хлорофилла-а в водах Охотского моря

Экология и охрана природы

Вестник ДВО РАН. 2012. № 6

УДК 551.465

А.Г. АНДРЕЕВ, И.А. ЖАБИН

Мезомасштабные вихри и межгодовые изменения содержания хлорофилла-а в водах Охотского моря

Высокая концентрация хлорофилла-а в поверхностных водах Охотского моря в летний и осенний периоды обусловлена приливным перемешиванием и мезомасштабными (горизонтальный масштаб ~100 км) вихрями. Приливное перемешивание обеспечивает приток биогенных элементов (соединений азота, фосфора и кремния) в верхний фотический слой. Мезомасштабные вихри осуществляют перенос биогенных элементов из зоны интенсивного приливного перемешивания в глубоководную часть моря. Мезомасштабные вихри в Курильской котловине Охотского моря формируются под влиянием бароклинных волн, поступающих из Тихого океана через проливы Курильской гряды. Усиление вихря напряжения ветра в Тихом океане в зимний период приводит (со сдвигом во времени 1 год) к интенсификации антициклонических вихрей и росту концентрации хлорофилла в водах центральной части Охотского моря в августе—сентябре.

Ключевые слова: Охотское море, курильские проливы, волны России, мезомасштабные вихри, хлорофилл.

Mesoscale eddies and year-to-year changes of the chlorophyll-й concentration in the Okhotsk Sea waters.

A.G. ANDREEV, I.A. ZHABIN (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

In summer and autumn the high chlorophyll concentration in the Okhotsk Sea surface waters is due to tidal mixing and mesoscale (horizontal scale of ~100 km) eddies. Tidal mixing gives augment of nutrients (compounds of nitrogen, phosphorus and silicate) in the upper euphotic layer. Mesoscale eddies are transporting plant nutrients from intense tidal mixing zone to abyssal sea. The mesoscale eddies formation in the Kuril Basin of the Okhotsk Sea are produced under the influence of the baroclinic waves penetration from the Pacific Ocean through the straits of the Kuril Islands. Increased wind stress curl in the Pacific Ocean in winter results in enhanced mesoscale eddy dynamics (with 1-year lag) and high chlorophyll concentration in the central Okhotsk Sea waters in August and September.

Key words: Okhotsk Sea, Kuril Straits, Rossby waves, mesoscale eddies, chlorophyll.

Циркуляция вод Охотского моря состоит из двух основных круговоротов -циклонического и антициклонического [1]. Циклонический круговорот в центральной и северной частях моря имеет ветровое происхождение [15]. На восточной и западной границах этого круговорота выделяются два основных течения - Западно-Камчатское и Восточно-Сахалинское. В пределах глубоководной Курильской котловины наблюдается антициклоническая циркуляция вод. Здесь обычно отмечается несколько мезомасштаб-ных антициклонических вихрей диаметром 100-150 км [1, 16]. В работе [14] на основе результатов численного моделирования было высказано предположение, что основным механизмом формирования мезомасштабных антициклонических вихрей в Курильской котловине является бароклинная неустойчивость на приливном фронте в районе Курильских островов.

Антициклонические вихри существенно влияют на структуру и динамику вод глубоководной части Охотского моря. Данные спутникового мониторинга показывают, что в

*АНДРЕЕВ Андрей Григорьевич - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник, ЖАБИН Игорь Анатольевич - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-шаП: andreev@poi.dvo.ru

прикурильском районе на границах антициклонических вихрей наблюдаются аномально высокие концентрации хлорофилла-а в поверхностном слое вод. Как известно, величина первичной продукции в водах Мирового океана определяется сочетанием ряда факторов: концентрации биогенных элементов (P, N, Si), интенсивности фотосинтетически активной радиации, температуры, стратификации вод и т.д. В летний период после весенней вспышки цветения фитопланктона верхний слой вод Охотского моря обеднен биогенными элементами. Район Курильских островов - это зона с высокой биологической продуктивностью и область с интенсивным приливным перемешиванием вод, в результате которого происходит приток биогенных элементов в верхний фотический слой. Антициклонические вихри могут воздействовать на обмен свойствами между водами зон интенсивного приливного перемешивания и открытой части Охотского моря.

В настоящее время, несмотря на появление целого ряда работ по моделированию физических процессов в прикурильском районе Охотского моря [13, 14], на многие вопросы, связанные с динамикой вод и формированием мезомасштабных вихрей, нет точных и убедительных ответов. В частности, не оценен вклад вихрей в перенос биогенных элементов и поддержание высокой первичной продукции в Курильской котловине Охотского моря. Это и предопределило основную цель проводимых нами исследований - оценить влияние мезомасштабных вихрей на динамику химических параметров и концентрацию хлорофилла-а в водах прикурильского района Охотского моря. В работе использовались данные спутникового дистанционного зондирования (многоканальный спектрорадиометр MODIS, установленный на искусственных спутниках земли «Terra» и «Aqua», сканер цвета морской воды SeaWiFS спутника «SeaStart») и судовых наблюдений (материалы комплексных морских экспедиций ДВО РАН и СахНИРО). При анализе пространственно -временной изменчивости положения и интенсивности мезомасштабных вихрей учитывалась альтиметрическая информация (данные спутников «TOPEX/Poseidon», «Jason-1, -2») за период с 1993 по 2010 г. с временным разрешением 7 дней и пространственным разрешением ~0,2° по широте и ~0,3° по долготе (http://www.aviso.oceanobs.com). Данные по среднемесячным величинам напряжения ветра на поверхность океана были предоставлены Центром диагностики климата США.

Антициклонические вихри Курильской глубоководной котловины

Данные спутниковой альтиметрии и экспедиционные материалы показывают присутствие мезомасштабных антициклонических образований, характеризующихся положительными аномалиями уровня моря, в Курильской котловине Охотского моря и прикурильском районе Тихого океана (рис. 1а). Разница в динамических высотах (0/1000 дбар), рассчитанных по CTD-данным (август 1994 г. и февраль-март 2003 г.), между центрами (1,20-1,26 дин. м) и границами (1,02-1,08 дин. м) мезомасштабных антициклонов в Курильской котловине равна 0,12-0,24 дин. м. По данным спутниковой альтиметрии, разница в относительных уровнях моря (АНу) между центрами антициклонов и его периферией (L~75000 м) составляет 0,15-0,20 м (рис. 1б, в). Скорости геострофических течений (V) определялись по формуле:

V = АН • g • /-1 • L-1,

где / - параметр Кориолиса (10-4 с-1), g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Рассчитанные по разности уровней моря скорости геострофических течений на границах антициклонических вихрей равны 0,15-0,20 м/с. Антициклонические вихри обеспечивают поступление богатых биогенными элементами поверхностных прикурильских вод из зоны приливного фронта в центральную часть Курильской котловины в течение 5-8 дней.

По данным спутникового зондирования с использованием сканера цвета морской воды SeaWiFS в августе-сентябре 2010 г. наблюдались языки вод с высокими концентрациями

Рис. 1. а - распределение уровня моря

хлорофилла-а (1-4 мкг/л) вдоль приливного фронта Курильской гряды, на границах и внутри антициклонических вихрей (рис. 1а). В центральной и южных областях Охотского моря в тот же период концентрации хлорофилла-а не превышали 0,5 мкг/л. Содержание основных биогенных элементов в верхнем 1000-метровом слое вод западной части тихоокеанской субарктики значительно выше, чем в Охотском море. Согласно нашим оценкам [6], воды тихоокеанской Субарктики - главный источник биогенных элементов для Охотского моря. В августе-сентябре вертикальное распределение концентрации хлорофилла-а в центральной и западной областях Курильской котловины имеет максимум, совпадающий с глубиной залегания (горизонт 30 м) слоя с высоким содержанием биогенных элементов (рис. 2б, в). Приливное перемешивание на шельфе и в проливах Курильской гряды значительно снижает стратификацию (однородное распределение солености по глубине) и увеличивает концентрацию биогенных элементов в верхнем 30-метровом слое вод прику-рильского района (рис. 2а, б). В слое 0-30 м средние концентрации фосфатов, силикатов и нитратов в зоне приливного перемешивания (Р ~ 1,8-2,0, N ~ 20-30, 81 ~ 40-60 мкмоль/кг) в несколько раз превышают концентрации биогенных элементов в стратифицированной части Курильской котловины в летний период (Р ~ 0,2, N ~ 2, 81 ~ 4 мкмоль/кг). За счет интенсивного приливного перемешивания вод увеличивается концентрация биогенных элементов, но понижается концентрация хлорофилла-а за счет выноса клеток фитопланктона за пределы фотического слоя (0-50 м). Ослабление процесса перемешивания вод

Рис. 2. Распределение солености (а), концентрации фосфатов (б) и хлорофилла-а (в) по глубине в Охотском море в августе; г, д - межгодовые изменения концентрации хлорофилла-а в Охотском море и межгодовые изменения разности зональной компоненты напряжения ветра Ат в Тихом океане (ноябрь-март) со сдвигом по времени 1 год, соответственно; е - распределение коэффициента корреляции (0,55-0,85) между концентрацией хлорофилла-а в Охотском море в сентябре (1997-2010 гг.) и Ат в Тихом океане (ноябрь-март). Обозначения на графиках а-б: 1 - западная и центральная области Курильской котловины, 2 - прикурильский район Охотского моря, 3 - восточная область Курильской котловины

способствует значительному росту биомассы фитопланктона, повышению концентраций хлорофилла и снижению содержания биогенных элементов.

В сентябре на концентрацию хлорофилла-а в Охотском море оказывают влияние изменения фотосинтетически активной радиации (ФАР) [7]. Суммарное воздействие на биомассу фитопланктона и концентрацию хлорофилла-а обусловлено глубиной верхнего перемешанного слоя вод и величиной ФАР. Мезомасштабные вихри обеспечивают перенос вод с высоким содержанием биогенных элементов в поверхностном слое из зоны интенсивного приливного перемешивания в открытую часть Охотского моря (восточную область Курильской котловины). За счет этого в глубоководной его части в августе-сентябре наблюдаются повышенные концентрации хлорофилла-а.

Влияние волновых процессов на мезомасштабные вихри

в Курильской котловине

Распределение уровня моря на разрезах Тихий океан-Охотское море показывает наличие волновых систем с длинами волн 150-300 км (рис. 1б, в). Наблюдается распространение гребней волновых систем в западном направлении с фазовыми скоростями ~0,01 м/с в Курильской котловине Охотского моря (апрель-сентябрь) и северо-западной части Тихого океана и 0,03-0,05 м/с в зоне курильских проливов (Рикорда и Надежды). В Мировом океане подобные волновые системы [8] интерпретируются как баротропные и бароклинные волны Россби - градиентно-вихревые волны с динамикой, определяемой принципом сохранения потенциального вихря [11]. Согласно другой точке зрения, положительные аномалии уровня моря, распространяющиеся с западной составляющей фазовой скорости, и совпадение пространственно-временных масштабов колебаний с дисперсионными соотношениями для волн Россби - это нелинейные когерентные мезомасштабные структуры (вихри) [3, 9]. Вихри, в отличие от линейных волн Россби, переносят воду, поэтому могут быть источником биогенных элементов и клеток планктона.

Наши результаты указывают на то, что мезомасштабные антициклонические образования в Курильской котловине Охотского моря находятся под влиянием волн Россби, поступающих из Тихого океана. В открытом океане фазовая скорость волн Россби определяется широтным изменением параметра Кориолиса (в = Л//Лу) [5]. Фазовая скорость зональной баротропной волны Россби длиной 200-300 км равна 0,016-0,036 м/с (ф = 45° с.ш., в ~ 1,6 • 10-11 м/с). Для бароклинной волны Россби при относительной разности в плотности между верхним и нижним слоями вод ~ 0,001 и толщине верхнего слоя вод ~200-500 м фазовая скорость составляет 0,003-0,008 м/с. Курильские проливы характеризуются значительными уклонами дна. Градиенты глубин океана выступают в качестве волнообразу-ющего механизма при генерации топографических волн (градиентно-вихревых волн) [2]. Фазовая скорость таких волн определяется уклоном дна. При уклоне 2-5 • 10-5 м и длине волны 300 км фазовые скорости баротропной и бароклинной волн составляют 5-10 и 0,4-2,5 м/с, соответственно. Наблюдаемые скорости перемещения гребней волн в Курильской котловине (~ 0,01 м/с) и зоне курильских проливов (0,01-0,05 м/с) одного порядка с теоретическими фазовыми скоростями баротропных и бароклинных волн Россби и на два порядка меньше скоростей топографических волн.

Волны Россби в открытом океане могут генерироваться в результате гидродинамической неустойчивости океанических течений и атмосферных процессов. Согласно [10], их формирование в Тихом океане происходит в основном под воздействием отрицательного (антициклонического) вихря напряжения ветра (Лтх/Лу - Аху/Ах, где тх и ту - соответственно, зональная и меридиональная составляющие напряжения ветра). Динамика атмосферы и океана в северной части Тихого океана связана с положением и интенсивностью центра низкого атмосферного давления - Алеутской депрессии (30-65° с.ш., 160° в.д.-140° з.д.) -в период с ноября по март. Для западной части тихоокеанской Субарктики (44-50° с.ш.,

160° в.д.-180° з.д.) в зимний период характерна циклоническая атмосферная циркуляция (положительные величины вихря напряжения ветра). Изучение распределения уровня моря в северо-западной части Тихого океана показало, что положительные и отрицательные аномалии уровня моря, по абсолютной величине превышающие 10 см, формируются на восточной границе Западного субарктического циклонического круговорота (46-48° с.ш. ~170° в.д.). Межгодовые изменения уровня моря в Охотском море (со сдвигом в 1 год) и западной части тихоокеанской Субарктики (~170° в.д.) в летне-осенний период (июнь-сентябрь) демонстрируют зависимость от меридиональной разности зональной компоненты напряжения ветра (Ах ) в северной части Тихого океана в зимний период (коэффициент корреляции ~0,5-0,8) (рис. 1г-е). В северной части океана положительный (циклонический) вихрь напряжения ветра, определяемый величиной Ат , контролирует интенсивность субарктического циклонического круговорота вод и генерирует баротропные (волны Свер-друпа) и бароклинные волны. Период жизни волн Свердрупа амплитудой 1-3 см, длиной несколько тысяч километров и фазовой скоростью несколько метров в секунду ограничен временем воздействия ветра на поверхность океана. Формирующиеся в стратифицированном океане бароклинные волны амплитудой 5-20 см, длиной 100-400 км и фазовой скоростью порядка несколько сантиметров в секунду могут существовать в течение нескольких лет после прекращения воздействия ветра. Данные спутниковой альтиметрии указывают на область подводного Императорского хребта (46-50° с.ш., ~170° в.д.) как на район, где генерируются бароклинные волны Россби амплитудой 10-12 см в западной части тихоокеанской Субарктики. Эти волны поступают в Охотское море через Курильские проливы с запаздыванием на 1 год относительно западной части тихоокеанской Субарктики.

Оценить вклад меридионального сдвига зонального напряжения ветра (Атх = т46-48 сш-' 165°в.д.-17о°з.д. - т44-46°сш-,165°в.д.17о°з.д.) в изменение амплитуды бароклинной волны (АИ) можно, используя следующее выражение:

АИ ~ / / (р • в • g • И1) • Атх / Ау • Ах [10],

где / - параметр Кориолиса, р - плотность морской воды, в - изменение параметра Ко -риолиса с широтой, g - ускорение свободного падения, - толщина верхнего слоя воды, Ау = 2° = 220 км, Ах - расстояние, пройденное волной.

Увеличение (уменьшение) Ат на 0,04 Н/м2 при пройденном волной расстоянии ~3° (225 км) за период с ноября по март с фазовой скоростью ~1-2 см/с и толщине верхнего слоя ~200 м должно приводить к изменению амплитуды бароклинной волны приблизительно на 12 см. Наблюдаемые межгодовые вариации уровня моря на периферии (48,2° с.ш., 150,5° в.д.) и в центре (47,8-48,0° с.ш., 149,0-149,3° в.д.) антициклонического вихря в Охотском море и на восточной границе (~170° в.д.) западного субарктического круговорота вод в Тихом океане (рис. 1 д, е) хорошо согласуются с расчетным изменением амплитуды бароклинной волны, возникающей в результате воздействия вихря напряжения ветра.

Усиление антициклонического вихря в Курильской котловине должно увеличивать приток прикурильских вод, богатых биогенными элементами, из зоны приливного перемешивания и приводить к росту концентрации хлорофилла в поверхностном слое вод центральной части Охотского моря. Увеличение меридионального сдвига зонального напряжения ветра в северной части Тихого океана в зимний период сопровождается (со сдвигом в 1 год) увеличением уровня моря в центре (47,8-48,0° с.ш., 149,0-149,3° в.д.) и его понижением на периферии (48,2° с.ш., 150,5° в.д.; 47,0-47,2° с.ш., 147,5-147,7° в.д.; 48,5-49,2° с.ш., 146-150° в.д.) антициклонического вихря в Охотском море (рис. 1г) и значительным ростом концентрации хлорофилла-а в поверхностных водах Курильской котловины в сентябре (рис. 2г-е). Для зал. Терпения (47,8-48,2° с.ш., 143,6° в.д.) величина вихря напряжения ветра в Тихом океане в зимний период является определяющей для концентрации хлорофилла в поверхностном слое вод в июле-сентябре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Булатов Н.В., Куренная Л. А., Муктепавел Л.П. Вихревая структура вод южной части Охотского моря и ее сезонная изменчивость (результаты спутникового мониторинга) // Океанология. 1999. Т. 39. С. 36-45.

2. Ефимов В.В., Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. Волны в пограничных областях океана. Л.: Гидро-метеоиздат, 1985. 280 с.

3. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.

4. Морошкин К.В. Водные массы Охотского моря. М.: Наука, 1966. 67 с.

5. Фукс В.Р. Планетарные волны в океане. СПб.: Изд-во Санкт-Петербург. ун-та, 2004. 215 с.

6. Andreev A.G., Pavlova G.Yu. Okhotsk Sea // Carbon and Nutrient Fluxes in Continental Margins: A Global Synthesis. IGBP Book Series. Berlin: Springer, 2010. P. 394-406.

7. Andreev A.G. Present and future changes in the Okhotsk Sea waters // Toward a Sustainable Low Carbon Society-Green New Deal and Global Change. Sapporo, 2009. Р. 139-145.

8. Chelton D.B., Schlax M.G. Global observations of oceanic Rossby waves // Science. 1996. Vol. 272. P. 234-238.

9. Chelton D.B., Gaube P., Schlax M.G. The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll // Science. 2011. Vol. 334. P. 328-332.

10. Fu L.-L., Qiu B. Low-frequency variability of the North Pacific Ocean: The roles of boundary and wind-driven baroclinic Rossby waves // J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107. doi: 10.1029/2001JC001131.

11. Gill A.E. Atmospheric-Ocean Dynamics. Cambridge: Academic Press, 1982. 662 p.

12. Isoguchi O., Kawamura H., Oka E. Quasi-stationary jets transporting surface warm waters across the transition zone between the subtropical and the subarctic gyres in the North Pacific // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. doi:10.1029/ 2005JC003402.

13. Nakamura T., Awaji T. Tidally induced diapycnal mixing in the Kuril Straits and its role in water transformation and transport: A three-dimensional nonhydrostatic model experiment // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. doi:10.1029/ 2003JC001850.

14. Ohshima K.I., Fukamachi Y., Mutoh T., Wakatsuchi M. A Generation Mechanism for Mesoscale Eddies in the Kuril Basin of the Okhotsk Sea: Baroclinic Instability Caused by Enhanced Tidal Mixing // Oceanogr. Mag. 2005. Vol. 61. P. 247-260.

15. Ohshima K.I., Simizu D., Itoh M. et al. Sverdrup balance and the cyclonic gyre in the Sea of Okhotsk // J. Phys. Oceanogr. 2004. Vol. 34. P. 513-525.

16. Wakatsuchi M., Martin S. Water circulation in the Kuril Basin of the Okhotsk Sea and its relation to eddy formation // J. Oceanogr. Soc. Japan. 1991. Vol. 47. P. 152-168.