Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Океанологические и гидрометеорологические условия в антарктической части атлантики 10
1.1 Рельеф дна 10
1.2 Водные массы 12
1.3 Океанические фронты 24
1.4 Горизонтальная циркуляция 32
1.5 Ледовый режим 36
1.6 Атмосферная циркуляция и скорость приземного ветра 41
ГЛАВА 2. Материалы и методы анализа
2.1 Используемые данные 48
2.2 Методы анализа натурных данных 50
ГЛАВА 3. Промысловые ресурсы антарктического криля
3.1 Биологические характеристики криля 53
3.2 Пространственное распределение криля 56
ГЛАВА 4. Районирование акватории моря скотия и мезомасштабная динамика вод 67
4.1 Районирование акватории Антарктической части Атлантики на основе особенностей динамики вод по данным спутниковой альтиметрии 67
4.2 Мезомасштабные вихри 73
4.3 Скорости поверхностных течений 99
ГЛАВА 5. Влияние мезомасштабной динамики вод на распределение антарктического криля 110
Заключение 123
Сокращения и условные обозначения 125
Список используемых источников 126
- Океанические фронты
- Методы анализа натурных данных
- Пространственное распределение криля
- Мезомасштабные вихри
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно современным оценкам
Международной комиссии по сохранению морских живых ресурсов Антарктики (АНТКОМ), допустимый вылов антарктического криля (Euphausia superba Dana, 1852) только в районе Антарктической части Атлантики (АчА) может составлять не менее 5,6 млн. т. в год. По данным АНТКОМ в промысловый сезон 2014-2015 гг. вылов криля составил 221 тыс. т. Это говорит о том, что сырьевая база антарктического криля в значительной степени недоиспользуется.
Криль – ключевой элемент экосистемы Антарктики,
жизнедеятельность которого как представителя антарктического
планктона, связана с мезомасштабной динамикой (Масленников, 2003). Геострофический перенос криля вдоль «дуги Скотия» является неотъемлемой частью распределения в АчА, где сосредоточен весь современный промысел. Поэтому для выработки мер по управлению ресурсами криля, разрабатываемых АНТКОМ на основе экосистемного подхода, необходимо исследование закономерностей формирования промысловых участков как в традиционных приостровных районах, так и в океанических частях моря Скотия.
Процессы транспорта скоплений криля течениями постоянны, однако их интенсивность и направления существенно зависят от изменчивости динамики вод: мезомасштабных вихрей, локальных фронтальных зон (Шульговский, 2005; Полищук, 2008) и положения струй течений, в которых формируются скопления криля, определяющие его биомассу в традиционных районах промысла и открытых частях моря Скотия.
Исследования мезомасштабной динамики вод в последние десятилетия приобретают все большую актуальность (Корчагин, Монин, 2004). С появлением высокоточных спутниковых измерений высоты уровенной поверхности океана появились новые возможности для изучения этих процессов (Лебедев, 2005, 2011; Chelton и др., 2011). Характеристики поверхностных течений, положения фронтальных зон и мезомасштабных вихрей, полученные по альтиметрическим данным, соответствуют результатам прямых измерений акустическим доплеровским профилографом течений (ADCP), спутниковым данным по температуре поверхности океана, CTD-измерениям (Кошляков и др., 2012; Тараканов и др., 2010; Sokolov и др., 2009; Vasquez и др., 2013).
В связи с этим, анализ мезомасштабной динамики вод в АчА на основе современных средств сбора и обработки информации позволят получить новый фактический материал для научного обеспечения ресурсных исследований и промысла криля.
Степень разработанности проблемы. Для исследования
мезомасштабной динамики вод в Антарктической части Атлантики применялись различные подходы – от использования данных о дрейфе льдов, распределении температуры поверхности океана, интенсивности атмосферных переносов (Федулов и др., 1990) до инструментальных измерений и математического моделирования (Гурецкий, 1987; Зырянов и др., 1976; Саруханян, 1980).
Первые оценки переносов антарктического криля были сделаны в
экспедициях Атлантического научно-исследовательского института
рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО) на полигонах в
промысловых подрайонах моря Скотия: о. Южная Георгия в мае-июне
1991 г., Южных Оркнейских островов в апреле 1992 г. и феврале 1996 г.
Было показано, что в течение промыслового сезона могут иметь место
процессы многократного вноса-выноса криля через участки промысла, в
отдельных случаях распределение криля может изменяться в течение
нескольких суток (Касаткина, Шнар, 2006; Касаткина, 2014).
Подтверждено, что мезомасштабные вихри влияют на перемещение скоплений криля. Однако из-за недостаточного количества натурных данных, т.к. эксперименты были выполнены на локальных акваториях не было выявлено, к вихрям какого знака чаще всего приурочены скопления, а также в каких частях вихрей они располагаются. Поэтому изучение влияния мезомасштабной динамики вод на переносы скоплений криля продолжает оставаться актуальным.
Цель работы: исследовать динамику мезомасштабных вихрей и течений в Антарктической части Атлантики по альтиметрическим измерениям уровня океана и определить их влияние на распределение антарктического криля.
Задачи исследования:
-
Исследовать структуру мезомасштабной динамики вод в Антарктической части Атлантики.
-
Верифицировать скорости течения, вычисленные по альтиметрическим измерения, сопоставив их с результатами прямых инструментальных наблюдений.
-
Дать характеристику пространственно-временной изменчивости мезомасштабных вихрей и полей течений.
-
Оценить приуроченность скоплений криля к определенной области и типу вихрей.
-
Создать проблемно-ориентированную базу океанологических данных и разработать программную среду для анализа данных и визуализации результатов.
Объект исследования – мезомасштабная динамика вод в районе Антарктической части Атлантики.
Предмет исследования – особенности поверхностных течений в районах фронтальных зон и приуроченных к ним мезомасштабных вихрей и их влияние на распределение криля.
Научная новизна результатов, полученных в работе. Впервые разработана пространственная классификация поверхностной структуры вод района АчА с использованием данных спутниковой альтиметрии.
Впервые на основе альтиметрических измерений описаны
мезомасштабные вихри, приуроченные к конкретным фронтальным зонам и
водным массам моря Скотия. Определены акватории с наибольшей
повторяемостью циклонических и антициклонических вихрей, получены
новые представления о сезонной и межгодовой изменчивости
поверхностных течений на акватории АчА.
На основе сопоставления данных международной комплексной съемки криля (KSS-2000) и аномалий уровня океана в период выполнения съемки впервые установлено, что наиболее плотные скопления криля приурочены к перифериям мезомасшабных вихрей и чаще всего отсутствовали в их центрах.
Теоретическая значимость результатов состоит в получении
новых представлений о мезомасштабной динамике вод в АчА: акваториях
стационирования вихрей, траекториях перемещения, характерных
горизонтальных масштабах и времени жизни, особенностях полей течений.
Практическая значимость результатов состоит в том, что они могут использоваться для прогнозирования формирования промысловых участков в приостровных и океанических районах моря Скотия. Установлено, что наиболее плотные скопления криля приурочены к областям со значениями аномалий уровня от -5 до +5 см.
Результаты сопоставления прямых (ADCP) измерений скоростей течений с альтиметрическими данными, показали, что альтиметрия достоверно отражает пространственные особенности поля течений, зоны интенсификации и ослабления, а также мезомасштабные вихри и фронтальные зоны. Полученные результаты важны для прогнозирования перемещений криля.
Теоретической основой исследования послужили монографии Н.Н. Корчагина и А.С. Монина «Мезоокеанология» (2004), В.В. Масленникова «Климатические колебания и морская экосистема Антарктики» (2003), а также опубликованные результаты сотрудников АтлантНИРО (1971-2014). Кроме того, использованы работы Р.Ю. Тараканова (ИО РАН им. П.П. Ширшова) по анализу прямых измерений скоростей течений в Южном океане, а также статьи зарубежных коллег (Siegel V., Orsi A.H., Murphy E.J., Gordon A.L.) и др.
Для анализа данных применялись методы многомерного
статистического анализа (Малинин и др., 2009; Чернышков и др., 2003) с
использованием стандартных пакетов компьютерных программ,
геоинформационные технологии, а также система управления базами данных Microsoft Visual FoxPro.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Мезомасшабные вихри различного знака вращения наблюдаются
во всех фронтальных зонах АчА; район максимальной интенсивности
вихреобразования – Южная полярная фронтальная зона, минимальной –
зона северной периферии моря Уэдделла. Течения моря Скотия имеют
различные пространственно-временные масштабы, которые находятся в
диапазоне масштабов синоптических процессов в океане.
2. Расчеты параметров течений, проведенные по спутниковым
данным, усредненным в узлы регулярной сетки координат, достоверно
характеризуют пространственные особенности поля течений, области их
интенсификации и ослабления, мезомасштабные вихри и локальные
фронтальные зоны, однако могут занижать значения скорости течения.
3. Особенности динамики мезомасштабных вихрей, выявляемых
по альтиметрическим измерениям, определяют особенности перемещений
скоплений криля различной плотности, наиболее плотные скопления
приурочены к периферии мезомасштабных вихрей и иногда к их
центральной части.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Выполненные исследования соответствуют паспорту специальности 25.00.28 - океанология, п. 3: динамические процессы (волны, вихри, течения, пограничные слои) в океане.
Апробация результатов. Работа выполнялась в рамках плановой тематики Атлантического научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО) Федерального агентства по рыболовству. Результаты обсуждались на годовых отчетных сессиях Ученого совета АтлантНИРО в 2012–2015 гг. Отдельные части работы и работа в целом представлялись и обсуждались на Международной конференции по промысловой океанологии (Калининград, 2014, 2011 г.), ежегодной конференции Международного совета по изучению морей (ICES, 2013 г.), конференциях БФУ имени И. Канта (2010 - 2012 гг.), Калининградского государственного технического университета (2013 г.), Калининградского отделения Русского географического общества (2011, 2012 г.), на коллоквиуме отдела экосистем Антарктики Института морского рыболовства (Гамбург, ФРГ, 2014 г.).
Личный вклад автора состоит в сборе и обработке данных, создании архивов за период с 1983 по 2015 гг. с разработкой функционального программного обеспечения, анализе результатов, написании текстовой части работы.
Структура диссертации. Работа изложена на 143 страницах текста, состоит из 5 глав, содержит 60 рисунков, 9 таблиц, в списке используемой литературы 160 источников, в том числе 62 на иностранном языке.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи - в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ.
Благодарности. Выражаю признательность научному руководителю д.г.н., проф. П.П. Чернышкову, сотрудникам ФГБНУ АтлантНИРО: к.г.н. И.А. Полищуку, к.г.н. В.Н. Шнару, к.т.н. С.М. Касаткиной, к.г.н. Е.Н. Тимохину, О.Ю. Краснобородько, С.Е. Алексееву, к.г.н. С.Н. Бурыкину, В.И. Архипову, к.г.н. А.В. Ремесло, к.б.н. С.Ю. Гулюгину; д.ф-м.н., зав. кафедрой географии океана проф. В.А. Гриценко; к.г.н. М.О. Ульяновой и д.ф.-м. Р.Ю. Тараканову (ИО РАН им. П.П. Ширшова) - за внимание к работе и полезные советы при ее выполнении.
Океанические фронты
По сравнению с АПВ, САПВ более теплая (3,8–5,4С) и более соленая (34,11–34,26) содержит меньше растворенного кислорода (5,6–7,9%) и существенно меньше биогенов (данные приведены для 75в.д.) (Саруханян, Смирнов, 1986). По своим характеристикам САПВ наиболее близка к подстилающей ее антарктической промежуточной воде. По мнению Саруханяна и Смирнова (1986) в области субантарктической дивергенции (САД) происходит подъем этих вод и в результате смешения происходит пополнение САПВ. Возможно также, что в пополнении САПВ играет роль перенос водных масс фронтальными вихрями в районах конвергенций.
Антарктическая поверхностная водная масса (АПВ) простирается от материкового шельфа до зоны АК и на 45з.д. характеризуется следующими параметрами: температура 0,7–4,4С; соленость 33,81–34,21; кислород 7,2– 7,9% (по объему); фосфаты 1,2–2,0 мкмоль/л; кремний 14–100 мкмоль/л (Саруханян, Смирнов, 1986).
Таким образом, АПВ представляет собой холодную, распресненную водную массу, богатую кислородом и средними показателями кремния. В зимний сезон в результате льдообразования и конвекции происходит формирование гомотермического и гомохалинного ее слоя. В летний период по мере прогревания на поверхности образуется вертикально устойчивый слой теплой, распресненной из-за таяния льда воды с температурой 1–3С на поверхности (Масленников, 2003). Под ним находится остаточный слой зимней модификации, или антарктической зимней воды (АЗВ). Этот слой более холодный и соленый, с повышенным содержанием биогенов и пониженным кислорода. Высокая соленость в нем приводит к формированию сезонного пикноклина. Именно в этих водах летом наблюдаются максимальные величины вертикальной устойчивости в Антарктике, до 100–120 ед. частоты Вяйсяля– Брента (на шельфе иногда до 140–200) (Масленников, 2003). Для АЗВ характерны следующие оценки (для 45з.д.): температура от –1,0 до –1,3С; соленость 33,99–34,59; кислород 5,6–7,9% (по объему); фосфаты 1,6–2,2 мкмоль/л; кремний 20–121 мкмоль/л (Саруханян, Смирнов, 1986). По другим источникам, характеристики этих водных масс следующие: антарктическая поверхностная летняя, верхний слой: температура от –1,5 до –4,0С, соленость 33,8–34,0; антарктическая поверхностная летняя, нижний слой: температура от –1,8 до –2,0С, соленость 34,0–34,4; антарктическая поверхностная зимняя: температура от –1,9 до –1,0С, соленость 33,8–34,6 (Промысловое описание, 1986).
В атлантическом секторе АПВ имеет различные локальные модификации, связанные с наличием крупномасштабных динамических систем. Поверхностные воды Южной полярной фронтальной зоны (ЮПФЗ), разделяющей субантарктическую и антарктическую зоны, характеризуются широким диапазоном температуры воды – от 2,5–4,0С на южной границе до 5,0–9,0С на северной (Масленников, 1979). Соленость в ЮПФЗ изменяется в пределах 33,9–34,2. Слой температурного минимума не отмечается, сохраняются лишь его следы, связанные с развитием холодных вихрей Полярного фронта (Масленников, 2003). Характерной чертой этих вод являются очень низкие величины содержания кремния – большей частью 1–10 М (Аржанова, 1982).
Вода АЦТ занимает наибольшую часть моря Скотия, температура ее на поверхности достигает 0,9–2,5С, соленость 33,8–34,0, минимум температуры в верхнем слое находится как правило на глубинах 70–120 м. Западнее меридиана 50з.д. отмечается температура –0,7С, восточнее +0,6– 0,0С (Промысловое описание, 1986). Масленников (2003) приводит несколько другие значения: температура 2,5–5,0С, кремний 10–20 мкг–ат/л вблизи северной границы и 0,9–3,0С и 20–40 мкг–ат/л у южной границы соответственно. Некоторые исследователи подразделяют эту водную массу на низкоширотную и высокоширотную модификации (температура 2,2 и 0,2С, соленость 33,93 и 33,84 соответственно) (Шнар, 1998).
Второй по значимости модификацией АПВ является вода моря Уэдделла, для которой характерна достаточно низкая температура. В зимний сезон из-за интенсивной конвекции температура всей водной массы близка к температуре замерзания. Температура на поверхности изменяется в пределах от –0,6 до 0,9С, соленость на поверхности 34,2–34,5, а температурный минимум (от – 1,8 до –0,2С) находится на глубинах на 100–250 м (Промысловое описание, 1986). Температура в зимнем остаточном слое остается близкой к точке замерзания (от –1,3 до –1,8С), содержание кремния составляет 100–120 мкг– ат/л, соленость весьма изменчива и определяется в большей степени дрейфом айсбергов и морского льда (Масленников, 2003).
Богданов и др. (1980) выделяют такую модификацию АПВ, как смешанные воды Вторичной фронтальной зоны (ВФЗ), которые отличаются значительной изменчивостью характеристик из-за большого контраста взаимодействующих вод. Температура изменяется в пределах от –0,5 до 2,5С, кремний от 40 до 90 мкг–ат/л (Афанасьев, Масленников, 1983), соленость от 33,9 на севере до 34,2 на юге (Масленников, 2003). Минимум температуры для этой модификации вод находится на 50–250 м.
Кроме того, выделяется еще антарктическая шельфовая вода (АШВ), она же шельфовая поверхностная водная масса (Shelf Surface Water, SSW), которая формируется на антарктическом шельфе в результате зимней конвекции, с температурой от –0,9 до 1,9С и соленостью 34,4–34,7 (Артамонов и др., 1997). Масленников (2003) отмечает, что те участки шельфа, где не наблюдается проникновение и распространение теплых глубинных океанических вод, заняты одной водной массой, однослойной зимой, двухслойной летом, которую можно назвать АШВ. Она формируется, прежде всего, в результате мощной осенне-зимней конвекции, достигающей дна даже при довольно больших глубинах, что приводит к гомотермии по всей толще с температурой, близкой к точке замерзания морской воды. Летом с началом таяния льда поверхностный распресняющийся слой прогревается до 1–2С, способствуя устойчивой его стратификации. Этот слой весьма тонок в отличие от океанических районов.
Методы анализа натурных данных
Методологическая идея заключается в совместном использовании разнообразных современных данных - спутниковых альтиметрических данных и данных прямых измерений в толще океана. Анализ выполнен с помощью статистических методов, в частности: кластерного анализа - для выделения пространственных районов с когерентными изменениями уровня абсолютной динамической топографии и скоростей течений, гармонического анализа (разложение в ряд Фурье) для исследования цикличности колебаний.
Спутники-альтиметры измеряют расстояние от спутника до поверхности океана, которое пересчитывается в аномалию уровня относительно некоторой средней (по времени) геострофической уровенной поверхности (средней абсолютной динамической топографии - средней АДТ) океана. Данные по аномалии уровня океана находятся в открытом доступе на сайте французского агентства CLS (http://www.aviso.altimetry.fr).
На основе этих данных разработана методика выделения вихрей (Chelton, et al., 2011), с помощью которой создана база данных по вихрям (http://cioss.coas.oregonstate.edu/eddies/), в которой каждому вихрю присвоен идентификационный номер и прослежена история его перемещения. Рассматриваемый период 1993-2011 гг. БД содержит сведенья о положении вихря (географические координаты), уникальном номере, времени “жизни”, амплитуде (см), диаметре (км), и скорости вращения (см/с).
Базы данных по спутниковой альтиметрии (абсолютная динамическая топография, составляющие скорости течения) представляют собой набор средненедельных данных (осредненных за 6 дней) в узлах регулярной сетки координат (Чурин и др., 2013). Шаг между узлами сетки составляет 0,25 гр. Базы данных выполнены с использованием системы управления базами данных (СУБД) Microsoft Visual FoxPro Professional, при помощи которой произведен расчет среднемесячных значений в конкретном узле географической сетки координат, расчет среднемноголетней нормы и другие вычисления. Для географического районирования моря Скотия используются среднегодовые значения абсолютной динамической топографии в узлах одноградусных квадратов. Эти данные получены путем усреднения 7-дневных данных в среднемесячные значения и далее в среднегодовые. Затем применялся метод кластерного анализа данных.
Измерения течений, выполненные при помощи акустического доплеровского профилографа течений LADCP RDI-300WH дают достаточно высокое разрешение мезомасштабных динамических структур (Морозов, и др., 2013). Для сопоставления данных спутниковой альтиметрии с прямыми ADCP измерениями использовалась информация, полученная в результате проекта Clivar/CO2 Repeat Hydrography (http://currents.soest.hawaii.edu/drvar_co2/). А именно экспедиционные данные гидрофизического разреза A16S 2005a (WOCE), выполненные судном «Ronald H/Brown» с 11.01.2005 по 24.02.2005. Для анализа из общей базы данных выбран горизонт 50 м.
Работы по изучению биологии и распределения криля выполнялись во время съемки KSS-2000 в соответствии с методическими требованиями АНТКОМа. Суда, участвующие в синоптической съемке криля использовали одинаковую модель эхолота Simrad EK500, дальнейшая обработка данных была проведена также по единой методике. Первичные данные были пересчитаны в граммы биомассы под квадратным метром воды (г/м2).
Для оценки влияния мезомасштабной динамики вод на распределение антарктического криля были использованы точечные альтиметрические данные за те же сутки. Исходные данные о скоростях и АУО содержатся в узлах регулярной сетки координат с шагом 0,25 по широте и долготе. Данные были проинтерполированы с шагом через 1 морскую милю по широте и долготе геостатическим методом интерполяции Кригинг.
Для изучения цикличностей используемых данных применялся спектральный анализ Фурье, который заключается в разложении исходного ряда на различные частотные составляющие. Спектр показывает вклад колебаний с разными частотами в общую энергию процесса (Белоцерковский, 1993). Формула преобразования дискретного ряда в ряд гармоник выглядит как: Л -1 2л S(k)= X s(n) exp(-j—nk),k = 0..N-1 п=0 N (1) где S(k) - отчет соответствующего спектра. С целью разделения рассматриваемой акватории на отдельные регионы с когерентным характером колебаний АДТ использовался кластерный анализ по методу Уорда с расчетом евклидовых расстояний в качестве меры близости. При классификации использовались расчетные среднегодовые значения абсолютной динамической топографии (АДТ) в узлах регулярной сетки. Шаг между узлами сетки составляет 1 по широте и долготе. Затем, исходя из формальных (пороговое расстояние) и физических соображений, определялось оптимальное количество классов. Подобная классификация часто применяется для анализа океанологических данных и подробно описана во многих работах (Чернышков и др., 2003; Малинин и др., 2009).
На первом шаге вычисляется матрица расстояний для n объектов и выбирается та пара, которая имеет наименьшую меру различия. После этого пересчитывается расстояние от центра тяжести этой пары до остальных точек и вставляется в матрицу расстояний. Затем определяется минимальное расстояние и если оно стягивает пару точек, не связанную с первой парой, то формируется новая группа. На следующем шаге производится пересчет расстояния от новой группы до оставшихся точек. Указанная процедура повторяется до тех пор, пока все точки не объединятся в одну группу. Последовательность объединения может быть представлена в виде древовидной схемы - дендрограммы.
Пространственное распределение криля
Для определения динамических и геометрических характеристик наблюдаемых вихрей были использованы суточные данные аномалии уровня океана (АУО) за 13 месяцев (с 12.1999 по 12.2000).
Генеральное направление движение вихрей – восточное. Однако наблюдаются некоторые особенности. Проходя через пр. Дрейка, вихри приобретают значительную энергию и двигаются далее на восток. В районе 50 з.д. 56 ю.ш. часть вихрей движется, по направлению Фолклендского течения и поворачивает на север, другая часть продолжает движение на восток между Ю. Оркнейскими островами и островом Ю. Георгия. В районе 42 з.д. 57 ю.ш. вихри начинают диссипировать, в результате чего часть из них полностью затухает, но некоторые стационируются в районе Ю. Оркнейских островов и острова Ю. Георгия, создавая замкнутую циркуляцию.
В течение года большая площадь акватории была занята положительной аномалией уровня (68%).
Анализируя усредненное поле аномалии уровня океана (АУО) можно говорить о том, что область с повышенной вихревой активностью (значения АУО –10 см. и 10 см) наблюдалась лишь на 10% от общей площади исследуемой акватории. В целом, 90% значений АУО лежат в диапазоне от –10 см. до 10 см. Средняя площадь циклонического вихря приблизительно совпадает с площадью антициклонического. Наиболее часто встречаются вихри с диаметром окружности от 50 до 120 км, что согласуется со средними характеристиками вихрей в районе моря Скотия. Следует учитывать, что вихри, в основном, вытянуты в меридиональном или зональном направлении и не имеют форму идеальной окружности.
Скорости перемещения наблюдаются в пределах от 2 до 7 км в сутки. Особенностью является то, что вихри могут стационироваться около островов или в открытой части моря.
Время жизни вихрей достигает 4 месяцев. Однако многие вихри пересекают исследуемый район не разрушаясь. Стоит отметить, что зачастую происходит процесс объединения вихрей одного знака, что увеличивает продолжительность их жизни и мощность. При ситуациях, когда два вихря разного знака соприкасаются перифериями, в этой области возникает мощное течение, которое может превосходить орбитальную скорость вращения отдельного круговорота в 2 и более раз.
Для описания, сезонного и межгодового хода, а так же для оценки статистических характеристик аномалий уровня в разных частях моря Скотия были выбраны 5 точек. Использовались суточные данные с шагом в 7 дней за 18 лет с 1993 по 2010 год.
Точка №1 расположена в центральной части пролива Дрейка, точка №2 восточнее острова Эстадос, точка №3 в центральной части моря Скотия, точка №4 располагается северо-восточнее острова Южная Георгия и точка №5 севернее Ю. Сандвичевых островов (Рисунок 30). Рисунок 30 – Усредненное поле аномалии уровня океана за период 01.12.1999 по 01.12.2000 и положение анализируемых точек
Изучение изменчивости аномалии уровня океана (АУО) в данных точках позволяет судить о повторяемости, силе и характере (циклоническом, антициклоническом) вихрей проходящих через данные районы.
На рисунке 31 приведены значения АУО, разбитые по диапазонам. Из диаграммы видно, что вихри с наибольшими амплитудами чаще всего наблюдаются в районе пр. Дрейка (точка №1) где отмечаются наибольшее количество наблюдений с максимальными ( 15) и минимальными значениями ( –15) АУО – 111 и 47 наблюдений соответственно (Таблица 4). Преобладание положительных аномалий над отрицательными может говорить о том, что антициклонические вихри проходят через эту область гораздо чаще.
Точку, расположенную на востоке от острова Эстадос (№2), можно назвать северной периферией на пути движения вихрей. Здесь, в основном, наблюдаются значения АУО в диапазоне от –7 до 7 см. Центральная часть моря Скотия (точка №3) отличается большим количеством значений аномалий уровня океана в пределах от –15 до –7 см и от 7 до 15 см, что говорит о прохождении вихрей средней мощности. Однако вихри со значительными аномалиями проходят очень редко.
Район, расположенный на востоке от острова Ю. Георгия (точка №4), напротив, характеризуется наименьшим количеством наблюдений со значительными аномалиями уровня океана. Максимально наблюдаемое значение аномалии уровня океана (АУО) составило 14 см, минимальное минус 9 см. Среднеквадратичное отклонение значения АУО в р–не острова Ю.Георгия соответствует 3 см, что свидетельствует о достаточно слабой динамической активности в данном районе. Акватория севернее Ю. Сандвичевых островов (точка №5) также характеризуется преобладанием положительных аномалий над отрицательными. Однако в данном районе наблюдается более высокая динамическая активность, чем район на востоке от Ю. Георгии. В межгодовом ходе АУО отмечаются периоды с преобладанием положительных и отрицательных аномалий. На рисунке 32 приведены графики межгодового хода аномалий уровня за весь период наблюдений. График отображает набор семидневных значений АУО, данные в точках были усреднены методом скользящего среднего по 52 точкам, для исключения высокочастотной составляющей спектра.
Мезомасштабные вихри
На приводимых выше рисунках видно, что наибольшее количество биомассы криля (97 %) сконцентрировано в областях с аномалиями уровня от -5 см до 5 см. Большая часть скоплений, наблюдавшихся во время съемки KSS-2000, приурочены к положительным аномалиям уровня и, в частности, к антициклоническим вихрям. Значительная часть скоплений как и в прошлые годы, находились в традиционных районах промысла – вблизи и на шельфах островов.
Особый интерес представляет распределение скоплений криля в мористой части. Перенос промысла в океаническую часть мог бы уменьшить антропогенную нагрузку в районах наибольшего скопления млекопитающих и птиц, однако ввиду не достаточной изученности механизмов формирования промысловых скоплений в океанических частях это могло бы повлиять на увеличения экономических рисков для компаний-судовладельцев.
В предыдущих главах были подробно рассмотрены мезомасштабные вихри и аномалии уровня в районах Вторичной фронтальной зоны (ВФЗ) и Антарктической поверхностной водной массы (АПВ). Высота в центре антициклонических вихрей для ВФЗ может достигать 25 см, в районе АПВ более 40 см. Высота большей части вихрей превышает 12 см.
В связи с этим, полученные пики по биомассе криля в диапазоне 0 ± 5 см говорят о том, что наиболее плотные скопления наблюдались вне центров циклонических или антициклонических вихрей. Наиболее вероятной областью обнаружения промыслового скопления может являться периферия вихря – участок с наибольшими скоростями течений.
Для более подробного обсуждения данной гипотезы рассмотрим ряд разрезов пересекающих вихри. 8 февраля 2000 г. одно из судов участвующих в съемке пересекло антициклонический и циклонический вихрь на северо-западе от Антарктического полуострова (Рисунок 55). Разрез по данным плотности биомассы криля, аномалии уровня океана и скорости течения представлен на рисунке 56.
Рассмотрим гидробиологические характеристики в районе разреза с севера на юг. В северной части галса отмечаются повышенные скорости течения (30 см/с), аномалия уровня близка к нулевым значениям. Эта область расположена между циклоническим вихрем с востока и мощным антициклоном на западе. Их взаимодействие создает струю течения направленную на север. Далее на юго-восток скорости начинают убывать, а уровень постепенно повышаться. У самой границы антициклонического вихря в районе 61,7 ю.ш., 69,1 з.д. в области наименьших скоростей отмечаются разреженные скопления (менее 5 г/м2) антарктического криля. Высока вероятность того, что криль был вынесен в эту область с южной части антициклона (против часовой стрелки). Продвигаясь далее на юго-восток вдоль разреза в глубину антициклона, АУО продолжает расти, в поле скорости также отмечается промежуточный пик (15 см/с), приуроченный к северной периферии антициклонического вихря. Далее приближаясь к центру вихря скорости, начинают падать. В центре скоплений криля не наблюдалось. Пересекая южную часть антициклона, поток воды движется в северо-восточном направлении. В районе южной периферии антициклона, к месту пика скоростей приурочены скопления антарктического криля близкие к промысловым (28 г/м2). Как и на северной части разреза, существенное повышение скорости связано с взаимодействием вихрей разного знака вращения. Анализируя поле течений, можно предположить, что скопление криля было принесено с юга по периферии циклонического вихря (горизонтальное движение вод почасовой стрелки) от Ю. Шетландских островов.
Еще один пример повышенной концентрации криля, приуроченной к периферии антициклона, наблюдался 24 января 2000 г. Разрез начинался от южного шельфа острова Ю. Георгия до 57 ю.ш. и пересекал антициклонический круговорот (Рисунок 57, 58).