Изменчивость температуры поверхности юго-восточной части Балтийского моря по спутниковым данным

УДК 551.463

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

М. А. Котлярова, Т. В. Буканова

VARIABILITY OF THE SEA SURFACE TEMPERATURE IN THE SOUTH-EASTERN BALTIC SEA FROM SATELLITE IMAGERY

M. A. Kotlyarova, T. V. Bukanova

Работа посвящена исследованию межгодовой, сезонной и пространственной изменчивости температуры поверхности юго-восточной части Балтийского моря, в том числе в Куршском и Калининградском заливах. Для анализа использованы спутниковые данные инфракрасного диапазона, полученные при помощи спектрорадиометра MODIS, установленного на спутниках Aqua и Terra, за период с 2003 по 2016 гг. Средняя температура поверхности моря (ТПМ) за время исследования для открытой части моря составляла 11,5, в Куршском заливе - 13,6, в Калининградском - 13,90С. На основе временных рядов данных для 77 произвольно выбранных экспериментальных точек рассчитаны линейные тренды сезонного и межгодового изменения температуры поверхности моря за рассматриваемый период. Установлено, что ТПМ юго-восточной части Балтийского моря ежегодно увеличивается. В открытой его части рост температуры происходит в два раза быстрее, чем в Куршском и Калининградском заливах. Темпы роста ТПМ в открытой части акватории составляют 0,020С/год (уровень значимости p > 0,05), а в Куршском и Калининградском заливах - 0,010С /год (уровень значимости p > 0,05). Максимальный рост температуры в открытой части моря отмечен в июне, в заливах - в мае; понижение ТПМ характерно в октябре для всей акватории исследования. Сезонные тенденции роста ТПМ в открытом море и заливах совпадают. За 14-летний период исследования в открытой части моря ТПМ выросла на 0,3 0С, а в Куршском и Калининградском заливах - на 0,1.

температура поверхности моря, MODIS, Балтийское море, сезонная изменчивость, линейный тренд

The work is devoted to the study of the interannual, seasonal, and spatial variability of sea surface temperature (SST) in the south-eastern part of the Baltic Sea, the Curonian and Vistula lagoons. Satellite infrared data derived from MODIS spectroradi-ometer, installed on Aqua and Terra satellites, for the period from 2003 to 2016 were used for the analysis. The average SST for the open part of the sea is 11.5 degrees C, in the Curonian Lagoon - 13.6°C, in the Vistula Lagoon - 13.9°C. The linear trends of seasonal and interannual SST change were calculated using the time series for 77 randomly selected experimental points. The annual increase of SST was revealed in the southeastern part of the Baltic Sea.SST rises 2 times faster in the open part of the sea than in

the lagoons. The rate of SST increase is 0.02°C per year (p-value > 0.05) in the open part of the sea and 0.01 °C per year in the Curonian and Vistula lagoons. The maximum rise of SST in the open part of the sea is observed in June, while in the lagoons - in May. The decrease of SST occurs in October for the whole study area. Seasonal trends of SST in the open part of the sea and in the lagoons correspond. During the 14-year study period SST increased by 0.3°C in the open part of the sea, and by 0.1°C in the Curonian and Vistula lagoons.

sea surface temperature, MODIS, Baltic Sea, seasonal variability, linear trend

ВВЕДЕНИЕ

Балтийское море является акваторией, чувствительной к изменчивости климата вследствие своих физико-географических особенностей (мелководность, широтная протяженность, глубокая врезанность в материк и слабый водообмен с Атлантическим океаном) [1-3]. В связи с этим важно исследовать изменчивость температуры поверхности моря - одного из ключевых параметров, который может быть использован для выявления климатических изменений, расчета потоков на границе вода-воздух и ассимиляции в моделях океана или атмосферы [4, 5]. Согласно исследованию [6] за 1982-2006 гг. ТПМ в Балтике увеличилась на 1,35 0С, а темпы роста согласно оценкам [7, 8] в южной части Балтийского моря составляют 0,6-0,8 0С /10 лет. За 1982-2012 гг. линейный тренд ТПМ в Балтийском море 0,0418 0С /год [9].

Юго-восточная часть Балтийского моря включает наиболее чувствительные к климатическим изменениям районы: прибрежную зону, мелководные заливы (Куршский и Калининградский), районы стока рек (вынос р. Вислы, сток из вышеперечисленных заливов через Балтийский и Клайпедский проливы). В этих районах особенно критично сказывается повышение температуры поверхности воды в зимний и весенний периоды: затрудняются процессы конвекции, что приводит к нарушению перераспределения питательных веществ и, следовательно, негативно влияет на структуру морских сообществ и их биопродуктивность.

Для исследования изменчивости температуры поверхности морей и океанов широко используется спутниковая информация: данные о радиояркостной температуре, измеряемой СВЧ-радиометрами, и данные сканеров видимого диапазона с дополнительным каналом в ИК-диапазоне, которые дают ежедневные карты ТПМ всего Мирового океана с достаточно высоким пространственным разрешением. Однако восстановление полей ТПМ на основе спутниковой информации осложняется рядом факторов: спутниковые измерения обладают более низкой точностью по сравнению с измерениями in situ, а облачность является помехой для ИК-радиометров, что значительно снижает количество и качество получаемых данных [10].

Цель данной работы - анализ пространственного распределения ТПМ в юго-восточной Балтике (ЮВБ), оценка ее сезонной и межгодовой изменчивости, выявление тенденций ее изменения на основе линейных трендов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для решения поставленной задачи использовались данные с изображений спутникового спектрорадиометра MODIS (на спутниках Aqua и Terra) в формате

NetCDF из архива OceanColor NASA (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov), полученные при обработке в программе SeaDAS (версия 7.4).

В связи с климатическими особенностями региона количество спутниковых изображений, которые удалось задействовать, ограничено - наличие облачного покрова во все сезоны, особенно в холодное время года, препятствует прохождению сигнала со спутников.

Массивы данных по температуре поверхности моря в ЮВБ были составлены для 77 произвольных экспериментальных точек (66 в открытой части моря, 6 -в Куршском заливе, 5 - в Калининградском) (рис. 1). Отобран и обработан 1561 спутниковый снимок (дневные изображения; пространственное разрешение 1 км; уровень обработки - 2; точность измерения ТПМ 0,5 0С; периодичность наблюдений 1-2 раза в сутки) за период с 2003 по 2016 гг. Выборка данных составила 83127 значений. Наибольшее количество значений получено для весенних и летних месяцев (май, июнь - более 10300), наименьшее - для осенних и зимних (ноябрь, январь - менее 3000).

г с

14.6

14.2

13.8

13.4

13

12.6

12.2

118

11.4

11

10.6

o^.z -1-1-1-1-

18 18.5 19 19.5 20 20.5 21

Рис. 1. Экспериментальные точки в юго-восточной части Балтийского моря. Средняя ТПМ за 2003-2016 гг.

Fig. 1. Experimental points in the south-eastern part of the Baltic Sea.

The average SST for 2003-2016

Для расчета трендов изменения ТПМ использовалась линейная аппроксимация временных рядов методом наименьших квадратов. Значимость коэффициентов линейной зависимости оценивалась по t-критерию Стьюдента. Общий тренд и статистики по сезонам неаддитивны.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Показано, что наиболее высокие значения ТПМ наблюдаются в прибрежной зоне и заливах (рис. 1). С удалением от берега температура равномерно падает, что является типичным явлением для большинства шельфовых морей и прибрежных районов океана. Прибрежные точки демонстрируют повышенные значения ТПМ (выше 12 0С), в открытом море ТПМ не превышает 11 0С. Средняя ТПМ за период исследования для открытой части моря составляет 11,5, в Куршском заливе - 13,6, в Калининградском - 13,9 0С (рис. 1). Повышенные значения ТПМ в заливах обусловлены их мелководностью и замкнутостью, а также тем, что для объектов малых пространственных масштабов определяющими являются локальные гидрометеорологические условия, поэтому тенденция изменения ТПМ в заливах отличается от средней ситуации в Юго-Восточной Балтике.

В течение рассматриваемого периода максимальная среднемесячная ТПМ отмечена в июле и августе, минимальная - в январе, феврале и марте (рис. 2, таблица). В открытой части акватории максимум ТПМ отмечен в августе (19 0С), в свою очередь, заливы прогреваются раньше, начиная с мая, и их ТПМ достигают пика, превышающего 20 0С, в июле. В самый холодный период (январь-март) температура поверхности моря варьирует в пределах 2,6-3,5 в открытой части моря и 1-2,1 0С в заливах (рис. 2, таблица). Пониженные значения ТПМ в заливах в зимний период обусловлены их мелководностью и регулярным образованием ледового покрова.

-- г

г

--1

Гк Пк ГГк Г Ii

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

Месяцы

Открытое море аКуршский залив  Калининградский залив

Рис. 2. Сезонная изменчивость ТПМ за 2003-2016 гг. Fig. 2. Seasonal variability of SST for 2003-2016

Выявлен рост ТПМ в теплый период года (лето и весна) и понижение температуры в холодный период (зима и осень) как в открытой части моря, так и в заливах. Наибольшее ее повышение в открытой части ЮВБ отмечено в июне (2,1 0С /14 лет), в свою очередь, максимум роста ТПМ в Калининградском и Куршском заливах зафиксирован ранее в мае (1,7 и 3,0 0С /14 лет соответственно). В холодный период года (зима и осень) наблюдается понижение ТПМ с мини-

мальными значениями в октябре: минус 1,6 0С /14 лет для открытого моря, минус 3,0 и минус 2,6 0С /14 лет для Калининградского и Куршского заливов соответственно. Указанные величины трендовых приращений в октябре показывают высокий уровень значимости (уровень значимости p<0,05). Соответствующие величины средних значений ТПМ и трендовых приращений приведены в таблице.

Таблица. Среднемесячные значения и скорость изменения ТПМ за 2003-2016 гг. в открытой части ЮВБ и заливах

Table. Monthly mean values of SST and the rate of SST change for 2003-2016 in the open part of the south-eastern Baltic Sea and lagoons

Месяцы Открытое море Калининградский залив Куршский залив

Средняя ТПМ, 0С Приращение, 0С /14 лет Средняя ТПМ, 0 С Приращение, 0С /14 лет Средняя ТПМ, 0С Приращение, 0С /14 лет

Январь 3,5 0,3 1,9 1,4

Февраль 2,7 0,9 1,3 1,1

Март 2,6 1,1 2,9 1,0 2,1 1,4

Апрель 4,8 0,8 8,0 0,8 7,4 1,2

Май 9,4 0,8 14,5 1,7* 13,9 3,0*

Июнь 14,4 2,1 18,4 1,3 17,8 1,2

Июль 18,4 1,0 20,5 1,2 20,5 1,0

Август 19,0 0,0 20,1 0,5 20,2 0,4

Сентябрь 16,8 1,4* 16,4 1,6 16,4 1,5

Октябрь 12,7 -1,6* 10,5 -3,0* 10,1 -2,6*

Ноябрь 9,0 -0,4 5,6 -1,6 4,9 0,2

Декабрь 6,1 0,5 2,8 -0,5 2,9 -0,4

Примечание. * уровень значимости p < 0,05

Установлена слабоположительная тенденция роста ТПМ в открытой части района исследования, составляющая 0,02 0С /год (уровень значимости р>0,05), и 0,01 0С /год в заливах (рис. 3-5). Линейные тренды статистически незначимы ввиду недостаточной длины временного ряда.

25

у =0,015х +9,076 R* =0,0115

ос О

Ь

о

X

X CL CU

>

I-

П5 CL CU

2003 2004 2005 2006 2007 2003 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Рис. 3. Межгодовая изменчивость среднемесячных значений ТПМ в юго-восточной части Балтийского моря за 2003-2016 гг. Линейный тренд показан

черной линией (уровень значимости p > 0,05) Fig. 3. Interannual variability of monthly mean values of SST in the south-eastern part of the Baltic Sea for 2003-2016. The linear trend is indicated by the black

line

и

ОС CL О

о

X

X CL CU

П5 CL

s~

I-

П5 CL CU

25

20

15

10

0,D07x

10,831

0,002

0

2003 2004 2005 2006 2007 2003 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Рис. 4. Межгодовая изменчивость среднемесячных значений ТПМ в Куршском заливе за 2003-2016 гг. Линейный тренд показан черной линией

и

ос о

13 о

X

X CL CU Ш

О С

со >

I-

П5 CL CU

15

10

у = 0,005х +11,221 =0,0014

2003 2004 2005 2006 2007 2003 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Рис. 5. Межгодовая изменчивость среднемесячных значений ТПМ В Калининградском заливе за 2003-2016 гг. Линейный тренд показан черной линией

Таким образом, рост ТПМ в открытой части моря происходит в два раза быстрее, чем в заливах. Пониженные темпы роста ТПМ в них обусловлены меньшим теплозапасом мелководных водоёмов по сравнению с глубокими частями моря и меньшей тепловой инерцией. В результате хорошо прогретые мелководные заливы испаряют больше влаги в атмосферу. Вероятно, высокие значения испарения с поверхности воды ведут к большей термической стабильности заливов.

В рамках проведенного исследования установлено, что положительный тренд ТПМ в юго-восточной части Балтийского моря обусловлен интенсивным ростом температуры поверхности воды в теплый период года (лето и весна). Одним из факторов изменения температуры поверхности моря в регионе является температура воздуха. Ранее было выявлено ежегодное увеличение температуры воздуха в районе исследования по среднесуточным данным, полученным с автономной гидрометеорологической станции, установленной в 27 м над поверхностью воды в открытой части Юго-Восточной Балтики [11]. Также наблюдается совпадение сезонных тенденций роста и снижения ТПМ и температуры воздуха [12]. Несмотря на указанные ранее трудности в получении данных со спутниковых изображений и недостаточно высокий уровень регистрируемого сигнала в холодное время года, проведенное ранее в работе [13] сопоставление спутниковых данных о ТПМ с данными измерений термокосы (на глубине 1 м), установленной на морской стационарной платформе Д-6, показывает, что средняя разность (систематическая ошибка) по ряду данных за 2015-2017 гг. составляет +0,25 0С, а после исключения случаев сильного дневного прогрева тонкого верхнего слоя эта разница уменьшается до +0,14 0С (среднеквадратическое отклонение 0,38 0С).

Тем не менее для достижения более точных результатов в будущем планируется дополнить проведенное исследование сопоставлением спутниковых дан-

ных с данными натурной съемки. Мы считаем нецелесообразным сравнивать спутниковые данные ТПМ со значениями температуры тонкого поверхностного слоя (скин-слоя), поскольку для Юго-Восточной Балтики характерны частые случаи сильного волнения (особенно в зимние месяцы), при котором датчик фактически измеряет среднюю температуру слоя, толщина которого зависит от силы волнения. Поэтому предлагается сравнивать спутниковые данные со средним значением температуры на некотором горизонте верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), оптимальную глубину которого необходимо определить при помощи статистического анализа.

Исследование выполнено при финансовой поддержке государственного задания № 0149-2019-0013.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования были сделаны следующие выводы:

1. Температура поверхности моря Юго-Восточной Балтики ежегодно увеличивается, причем в открытой части моря это увеличение происходит в два раза быстрее, чем в Куршском и Калининградском заливах. Тенденция потепления неоднородна в пространстве, главным образом, за счет влияния локальных орографических и гидрометеорологических факторов.

2. В увеличение среднегодовой ТПМ наиболее существенный вклад вносят максимумы трендовых приращений в летний период (май, июнь). Максимальное снижение отмечается осенью (в октябре). Сезонные тенденции изменения ТПМ в открытой части моря и заливах совпадают по знаку.

3. Слабый рост ТПМ в открытой части моря происходит на фоне одновременного роста температуры воздуха в регионе [14], что доказывает тенденцию потепления в ЮВБ.

4. Полученные результаты подтверждают и дополняют результаты предыдущих работ за счет увеличения временного ряда данных и количества экспериментальных точек в районе исследования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Backhaus, J.O. Climate-sensitivity of European marginal seas, derived from the interpretation of modelling studies / J.O. Backhaus // Journal of Marine Systems. -1996. - № 7. - P. 361-382.

2. Hordoir, R. Effect of climate change on the thermal stratification / R. Hordoir, Meier H E M. // Climate Dynamics. - 2011. - № 38. - P. 1-11.

3. Omstedt, A. Response of Baltic Sea ice to seasonal, interannual forcing and Climate change / A. Omstedt, L. Nyberg // Tellus. - 1996. - № 48A (5). - P. 644-662.

4. Donlon, C. Successes and challenges for the modern sea surface temperature observing system / C. J. Donlon, K. S Casey, C. Gentemann, P. LeBorgne, I. S. Robinson, R. W Reynolds, C. Merchant, D. Llewellyn-Jones, P. J. Minnett, J. F. Piolle, P. Cornillon, N. Rayner, T. Brandon, J. Vazquez, E. Armstrong, H. Beggs, I. Barton, G. Wick, S. Castro, J. Hoeyer, D. May, O. Arino, D. J. Poulter, R. Evans, C. T. Mutlow, A. W. Bingham, A. Harris // Community White Paper for OceanObs. - 2009. -V. 9.- P. 1-9.

5. Hollmann, R. The ESA climate change initiative: Satellite data records for essential climate variables / R. Hollmann, C. J. Merchant, R. Saunders, C. Downy, M. Buchwitz, A. Cazenave, E. Chuvieco, P. Defourny, G. De Leeuw, R. Forsberg et all // Bulletin of the American Meteorological Society, 2013.-V.94.- № 10. - P. 1541-1552.

6. Belkin, I.M. Rapid warming of Large Marine Ecosystems / I.M. Belkin // Progress in Oceanography. - 2009. - № 81. - P. 207-213.

7. Bradtke, K. Spatial and inter-annual variations of seasonal sea surface temperature patterns in the Baltic Sea / K. Bradtke, Herman A., Urbanski J. A. // Oceanologia. - 2010. - V. 3. - № 52. - P. 345-362.

8. Lehmann, A. Detailed assessment of climate variability in the Baltic Sea area for the period 1958 to 2009 / A. Lehmann, Getzlaff K., HarlaB. J. // Climate Research. -2011. - № 46. - P. 186-195.

9. H0yer, J.L. Sea Surface Temperature Climate Data Record for the North Sea and Baltic Sea / J.L. H0yer, Karagali I. // Journal of Climate. - 2016. - V. 29. - № 7. - P. 2529-2541.

10. Костяной, А. Г. Спутниковый мониторинг климатических параметров океана. Ч. 1 / А. Г. Костяной // Фундаментальная и прикладная климатология. -2017.- Т. 2. - С. 63-85.

11. Стонт, Ж. И. Современные тенденции изменчивости температуры воздуха над акваторией Юго-Восточной Балтики / Ж. И. Стонт, А. Н. Демидов // Вестник Московского университета. Серия 5. География. - 2015. - № 2. - С. 50-58.

12. Буканова, Т. В. Изменчивость температуры поверхности моря в Юго-Восточной Балтике по данным MODIS / Т. В. Буканова, Ж. И. Стонт, О. А. Гущин // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. -2015. - Т. 12. - №4. - С. 86-96.

13. Мысленков, С. А. Анализ температуры воды в прибрежной зоне Балтийского моря по спутниковым данным и измерениям / С. А. Мысленков, В. А. Кречик, Д. М. Соловьев // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. - 2017. - № 364. - С. 159-169.

REFERENCES

1. Backhaus J. O. Climate-sensitivity of European marginal seas, derived from the interpretation of modelling studies. Journal of Marine Systems, 1996, no. 7, pp. 361-382.

2. Hordoir R., Meier H. E. M. Effect of climate change on the thermal stratification. Climate Dynamics, 2011, no. 38, pp. 1-11.

3. Omstedt A., Nyberg L. Response of Baltic Sea ice to seasonal, interannual forcing and Climate change. Tellus, 1996, vol. 5, no. 48A, pp. 644-662.

4. Donlon C. et al. Successes and challenges for the modern sea surface temperature observing system. Community White Paper for OceanObs, 2009, vol. 9, pp. 1-9.

5. Hollmann R. et al. The ESA climate change initiative: Satellite data records for essential climate variables. Bulletin of the American Meteorological Society, 2013, vol. 94, no. 10, pp. 1541-1552.

6. Belkin I. M. Rapid warming of Large Marine Ecosystems. Progress in Oceanography, 2009, no. 81, pp. 207-213.

7. Bradtke K., Herman A., Urbanski J. A. Spatial and inter-annual variations of seasonal sea surface temperature patterns in the Baltic Sea. Oceanologia, 2010, vol. 3, no. 52, pp. 345-362.

8. Lehmann A., Getzlaff K., HarlaB. J. Detailed assessment of climate variability in the Baltic Sea area for the period 1958 to 2009. Climate Research, 2011, no. 46, pp. 186-195.

9. H0yer J. L., Karagali I. Sea Surface Temperature Climate Data Record for the North Sea and Baltic Sea. Journal of Climate, 2016, vol. 29, no. 7, pp. 2529-2541.

10. Kostyanoy A. G. Sputnikovyy monitoring klimaticheskikh parametrov okeana. Chast' 1 [Satellite monitoring of the ocean climate parameters. Part 1]. Funda-mental'naya iprikladnaya klimatologiya, 2017, vol. 2, pp. 63-85.

11. Stont Zh. I., Demidov A. N. Sovremennye tendentsii izmenchivosti tempera-tury vozdukha nad akvatoriey Yugo-Vostochnoy Baltiki [Current trends in air temperature variability over the aquatic area of the South-Eastern Baltic Sea]. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seriya 5. Geografiya, 2015, no. 2, pp. 50-58.

12. Bukanova T. V., Stont Zh. I., Gushchin O. A. Izmenchivost' temperatury pov-erkhnosti morya v Yugo-Vostochnoy Baltike po dannym MODIS [Variability of sea surface temperature in the South-Eastern Baltic Sea from MODIS data]. Sovremennye prob-lemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2015, vol. 12, no. 4, pp. 86-96.

13. Myslenkov S. A., Krechik V. A., Solov'ev D. M. Analiz temperatury vody v pribrezhnoy zone Baltiyskogo morya po sputnikovym dannym i izmereniyam termo-kosy [Water temperature analysis in the coastal zone of the Baltic Sea based on thermistor chain observations and satellite data]. Trudy Gidrometeorologicheskogo nauchno-issledovatel'skogo tsentra Rossiyskoy Federatsii, 2017, no. 364, pp. 159-169.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Котлярова Марина Андреевна - Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (г. Калининград); студент-магистрант кафедры географии океана; E-mail: magisna39@gmail.com

Kotlyarova Marina Andreevna - Immanuel Kant Baltic Federal University

(Kaliningrad); Graduate student; Institute of Environmental Management,

Urban Development and Spatial Planning; E-mail: magisna39@gmail.com

Буканова Татьяна Васильевна - Институт океанологии имени П. П. Ширшова РАН (г. Москва); кандидат географических наук, научный сотрудник лаборатории геоэкологии; E-mail: tatiana.bukanova@gmail.com

Bukanova Tatiana Vasilyevna - Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences (Moscow); Candidate of Geographic Sciences; researcher of the Laboratory of Geoecology; E-mail: tatiana.bukanova@gmail