Исследование Земли из Космоса, 2022, № 2, стр. 28-37

ВВЕДЕНИЕ

Море Лаптевых (МЛ) и Восточно-Сибирское море (ВСМ) находятся под влиянием стока рек Лены (~500 км³/год), Колымы (~100 км³/год) и Индигирки (~50 км³/год) (http://rims.unh.edu/) (рис. 1, а). Приблизительно 90% от годового стока рек приходится на теплый период года (июнь − сентябрь). Зоны смешения речных и морских вод играют ключевую роль в физических и биогеохимических процессах и во многом определяют функционирование прибрежных экосистем в данных морях (Anderson et al., 2011). Речной сток приводит к значительному снижению концентрации растворенного кислорода и рН в водах МЛ и ВСМ и, как следствие, сопровождается растворением карбонатов (Semiletov et al., 2016).

Рис. 1.

а – карта исследуемого района и положение гидрологических станций (+ – 24–26 сентября 2011 г., ◇ – 28–30 сентября и 13–14 октября 2016 г., ⬜ – 26 сентября– октября 2019 г.). I−IV – зоны, где исследовалась связь между изменением аномалии уровня моря (SLA) и стоком реки Лены; б – межгодовая изменчивость расхода реки Лены (осредненного с июля по сентябрь) и SLA в МЛ (зона I); в – межгодовая изменчивость расхода реки Лены (осредненного с июля по октябрь) и SLA в ВСМ (зоны II–III): 1 − расход реки Лены; 2, 3 и 4 − SLA в зонах I, II и III.

Воды реки Лены поступают в МЛ, где формируется стоковая линза (сравнительно тонкий слой распресненных вод на поверхности моря). По краям стоковой линзы формируются стоковые фронты и струйные геострофические течения, а под ней – резкие слои скачка солености, температуры и плотности (Pavlov et al., 1996). Ветра западных румбов благоприятствуют проникновению распресненных вод из МЛ в ВСМ (через проливы Д. Лаптева и Санникова) и их переносу в восточном направлении вдоль побережья ВСМ (Pavlov et al., 1996; Weingartner et al., 1999; Dmitrienko et al., 2008; Osadchiev et al., 2020а).

Ранее было проведено исследование структурных особенностей зоны смешения речных и морских вод в ВСМ и МЛ с использованием спутниковых изображений в видимом и инфракрасном диапазонах спектра и экспедиционных данных (Dmitrienko et al., 2005, 2008; Osadchiev et al., 2020а, 2020б). В работе (Dmitrienko at al., 2005) было показано, что циклональная (антициклональная) атмосферная циркуляция над восточной Арктикой и ветра западных (восточных) румбов вдоль побережья приводят к понижению (повышению) солености в ВСМ и повышению (понижению) солености в МЛ севернее дельты реки Лена. При антициклональной (циклональной) атмосферной циркуляции значительная часть вод, подверженных влиянию реки Лена, переносится на северо-восток в район глубоководной котловины (на восток в зону ВСМ) (Dmitrienko et al., 2008). Ветра западных румбов (прижимные) ветра увеличивают соленость в прибрежной части МЛ. Ветра восточных румбов (благоприятные для прибрежного апвеллинга) повышают соленость поверхностных вод в прибрежной части и снижают соленость мористее. Результаты исследования ветрового апвеллинга в прибрежных зонах ВСМ и МЛ с использованием спутниковых снимков в видимом и инфракрасном диапазонах спектра (температура и мутность вод) представлены в работе (Osadchiev et al., 2020б). Авторами отмечено, что прибрежный апвеллинг способствует смешению вод рек Лены (МЛ), Колымы и Индигирки (ВСМ) с морскими водами шельфа восточной Арктики, что приводит к снижению стратификации вод.

Идентификация распресненных вод в зоне восточной Арктики, используя данные дистанционных измерений в видимом и инфракрасном диапазоне спектра (концентрация взвеси и температура поверхностных вод) ограничена в связи наличием облачности и эрозии береговой линии (Osadchiev et al., 2020а). Согласно результатам исследований, представленных в работах (Semiletov et al., 2011, Чаркин и др., 2015), вклад эрозии берегов в содержание взвешенного вещества в прибрежной зоне ВСМ и МЛ может превышать вклад от речного стока. Температура поверхностных вод в летний период не превышает 10°С, что ограничивает использование спутниковых данных по солености вод (Meissner et al., 2016).

В данной работе показано, что для идентификации распресненных вод в ВСМ и МЛ может быть использована спутниковая информация по уровню моря. Ранее данных подход использовался при исследовании пространственной изменчивости распределения вод реки Амур в Сахалинском заливе и прилегающих районах Охотского моря (Андреев, 2020). Показано влияние ветра и стока реки Лена на пространственно- временную изменчивость уровня моря и геострофических течений в ВСМ и МЛ в период наименьшей ледовитости вод (август–октябрь).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Наши исследования основываются на спутниковой информации по уровню моря (SSH), аномалии уровня моря (SLA) и скорости геострофических течений с пространственным разрешением 0.25 на 0.25 град (для исследуемого района: ~30 км по долготе и ~12 км по широте) и временным разрешением 1 день (база данных “Коперникус”, http://marine.copernicus.eu) с 1993 по 2019 г. Объединенный массив “Коперникус” включает в себя корректированные альтиметрические данные, полученные со спутников Cryosat-2, Jason-1, Jason-2, Envisat, TOPEX/Poseidon, GFO-1, ERS-1 и ERS-2. Для коррекции альтиметрических данных применяется глобальная приливная модель. Поправки на изменения уровня моря, вызванные изменением атмосферного давления, рассчитываются по уравнению обратного барометра. При расчете геострофических течений используется средняя динамическая топография океана MDT CNES-CLS-09. Величина ошибки спутниковых данных по уровню моря (SSH) составляет 1–2 см на расстоянии, превышающем 20 км от берега (Ablain et al., 2015). При анализе пространственно – временной изменчивости температуры поверхностных вод (SST) использованы спутниковые снимки с пространственным разрешением 1 км, полученные с сайта GHRSST (Group for High Resolution Sea Surface Temperature) (PO.DAAC – GHRSST Level 4 MUR Global Foundation Sea Surface Temperature Analysis). Данные GHRSST основываются на спутниковых данных, полученных с микроволнового сканирующего радиометра EOS (AMSR-E), микроволнового радиометра WindSat и спектрорадиометра MODIS Aqua/Terra.

В работе использовались CTD данные экспедиций НИС “Академик Лаврентьев” (сентябрь 2011 г. и сентябрь–октябрь 2016 г.) и НИС “Профессор Мультановский” (сентябрь–октябрь 2019 г.) Для анализа фоновых гидрометеорологических условий привлекались данные о стоке р. Лены (Arctic GRO Discharge Dataset) (Shiklomanov et al., 2021) и скоростям и направлению ветра (среднесуточные данные) (Центр диагностики климата, http://www.esrl.noaa.gov).

СВЯЗЬ УРОВНЯ МОРЯ С СОЛЕНОСТЬЮ/ПЛОТНОСТЬЮ ВОД

Наши результаты указывают на влияние водности реки Лены в период летнего половодья на временную изменчивость уровня моря в МЛ и ВСМ. Повышение (понижение) водности реки Лены сопровождалось увеличением (снижением) уровня моря (r = 0.52−0.59, 1993−2019 гг.) в восточной части МЛ в сентябре и западной и юго-западной частях ВСМ в октябре (рис. 1, в, 1, г), что являлось следствием увеличения (уменьшения) притока вод с пониженной соленостью и повышенными величинами уровня моря. Увеличение расхода вод реки Лены в два раза с 22 000 до 44 000 м³/с (среднее с июля по сентябрь) вызывало увеличение уровня моря в восточной части МЛ в сентябре приблизительно на 25 см. Для западной части ВСМ повышение расхода реки Лены с 20 000 до 38 000 м³/с (среднее с июля по октябрь) приводило к увеличению уровня моря приблизительно на 15 см в октябре.

На рис. 2, а–2, д представлено распределение SSH, солености и плотности вод (осредненной для слоя 0−20 м) на разрезах в МЛ и ВСМ (рис. 1, а). Исключая зоны вблизи берега, наблюдалось хорошее согласие между распределением SSH и солености/плотности вод. В зонах с пониженной (повышенной) соленостью/плотностью в верхнем 20 м слое вод наблюдались низкие (высокие) величины SSH. Для прибрежных вод расхождение между распределением SSH и соленостью/плотностью вод может быть обусловлено вызываемыми ветром сгонно – нагонными явлениями и ошибкой спутниковых данных вблизи берега.

Рис. 2.

Распределение уровня моря (SSH), плотности (осредненной в слое 0–20 м) и солености вод на разрезах в МЛ и ВСМ: а – МЛ (129° E), 24–26 сентября 2011 г.; б – МЛ (74° N, 137° E–76.4° N, 130° E), 28–30 сентября 2016 г.; в – ВСМ (71° N, 168° E–75° N, 159° E), 13–14 октября 2016 г.; г – ВСМ (155° E), 25–28 сентября 2019 г.; д – ВСМ (165° E), 29 сентября–1 октября 2019 г. 1 − SSH, 2 − плотность вод.

Летом 2011 г. расход реки Лены был незначителен (32 000 м³/c, среднее с июня по сентябрь). В августе и в первой декаде сентября над южной и центральной областями МЛ преобладали ветра восточных румбов, которые вызвали смешение вод с пониженной соленостью и SSH от устья реки Лены в открытую часть МЛ (75–77° с.ш., рис. 2, а).

В конце сентября мезомасштабный антициклональный круговорот вод с центром расположенным вблизи точки с координатами 75.5° с.ш., 129° в.д. обеспечивал приток вод (с повышенной соленостью и плотностью) из зоны материкового склона в прибрежную часть МЛ вдоль 131° в.д. Различие в плотности вод (Δρ = 4 кг/м³) в слое 0–20 м (z) привело к различию в SSH между прибрежной и открытой частями МЛ (ΔSSH = Δρ/ρz = 8 см) в период с 24 по 26 сентября 2011 г. (рис. 2, а).

Летом 2016 г. расход реки Лены был повышен (47 000 м³/c, среднее с июня по сентябрь). В августе и сентябре над МЛ и ВСМ преобладали северо-западные и западные ветра (“прижимные” ветра) с зональными скоростями 5–14 м/с. Это увеличило объем распресненных вод и привело к концентрированию вод с пониженной соленостью и плотностью в прибрежных зонах МЛ и ВСМ (рис. 2, б, 2, в). Перепады в SSH между прибрежной и открытой частями морей достигали 16–24 см. Распределение солености и SSH на разрезах показывает, что северо-западные и западные ветра вызвали заток вод с повышенной соленостью (≥29 е. п. с.) и SSH из зоны материкового склона на шельф МЛ и ВСМ (73–75° с.ш., рис. 2, б, 2, в). Появление ветров восточных румбов, благоприятных для прибрежного апвеллинга, в первой половине октября привело к подъему изогалин в придонном слое вод вблизи побережья в ВСМ (13–14 октября 2016 г., рис. 2, в) и снижению разности в SSH между прибрежной и открытой частями моря.

В 2019 г. расход реки Лены был минимальным за период с 1993 по 2019 г. (31 000 м³/c, среднее с июня по сентябрь). Западные ветра во 2-ой и 3-eй декадах сентября вызвали прибрежный апвеллинг и смещение вод с пониженной соленостью и плотностью из прибрежной в открытую часть ВСМ (рис. 2, д, 2, е). Перепад в SSH между данными областями ВСМ превышал 20 см. Ветровой апвеллинг вызвал подъем вод с повышенной соленостью и сгущение изогалин над подводной возвышенностью в западной части ВСМ (74–75° с.ш., рис. 2, д), что понизило SSH на 10–15 см в зоне подводной возвыщенности.

ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА УРОВЕНЬ МОРЯ И ГЕОСТРОФИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ

В период с начала августа по конец октября значительное влияние на пространственно-временную изменчивость уровня моря в исследуемом регионе оказывал ветровой режим. На рис. 3, а показано распределение коэффициента корреляции между SSH (среднесуточные данные, 1 августа–20 октября) и зональной скоростью ветра (72.5–75° N, 130–170° E; сглаженной 7-дневным скользящим средним, со сдвигом 3.5 дня) для августа–октября 2015 г. Смена направления ветра с восточного на западное с периодичностью приблизительно 15 дней повышало SSH в восточной части МЛ и западной и юго-западной областях ВСМ. Амплитуда изменений SSH в юго-западной части ВСМ достигала 75 см (рис. 3, г). Коэффициент корреляции между зональной скоростью ветра и SSH для августа–октября 2013 г., августа–октября 2015 г. и августа–октября 2019 г. был равен 0.80–0.86 (рис. 3, б, 3, г, 3, д). Для августа–октября 2016 г. ветра восточных/западных румбов (отрицательные/положительные величины зонального ветра) приводили к повышению/снижению SSH на приблизительно 6 см (рис. 3, в) на границе шельфа и материкового склона в ВСМ (рис. 3, а) (r = –0.82, 1 августа–20 октября). Это было связано с поступлением в данную зону вод шельфа/материкового склона с пониженной/повышенной соленостью и плотностью вод (рис. 2, б, 2, в).

Рис. 3.

а – распределение коэффициента корреляции между скоростью зонального ветра (72.5–75° N, 130–170° E; сглаженной 7-дневным скользящим средним, со сдвигом 3.5 дня) и SSH (среднесуточные данные, 1 августа–20 октября 2015 г.); б–д – временная изменчивость SSH в областях 1 (б, г, д) и 2 (в) ВСМ (рис. 3, а) и скорости зонального ветра: 1 – скорость ветра, 2 – SSH. Сплошной и пунктирной линиями на рис. 3, а выделены области, где исследовалась временная изменчивость SSH (1, 2) и скорости геострофических течений (3, 4).

Изменение уровня моря оказывало влияние на направление и скорости геострофических течений (определяемые горизонтальными градиентами SSH) в исследуемом регионе. Смена направления ветра с восточного на западное сопровождалось сменной направления геострофических течений в ВСМ. Наибольшие временные изменения скорости геострофических течений наблюдались в областях со значительными перепадами уровня моря (юго-западная и западная части ВСМ, зона пролива Санникова). Для данных областей коэффициент корреляции между зональной скоростью ветра (сглаженной 7-дневным скользящим средним, со сдвигом 3.5 дня) и зональной скоростью геострофических течений (среднесуточные данные, 1 августа–20 октября) был равен 0.81–0.94 (рис. 4).

Рис. 4.

а–г – временная изменчивость зональной скорости геострофических течений в областях 3 и 4 (рис. 3, а) и скорости зонального ветра: 1 – скорость ветра, 2 – скорость течений в юго-восточной части ВСМ (область 3), 3 – скорость течений в зоне пролива Санникова (область 4).

В августе и сентябре 2013 г. (рис. 4, а) и в августе и сентябре 2019 г. (рис. 4, г) в юго-западной части ВСМ и в зоне пролива Санникова преобладал западный перенос вод (скорости геострофических течений – 5–20 см/с). Воды из ВСМ поступали в МЛ. Смена направления ветра с восточного на западное в начале октября (2013.78–2013.84, 2019.78–2019.84) изменило направление переноса вод с западного на восточное (рис. 4, а, 4, г). В августе и сентябре 2016 г. (рис. 4, в) ветра западных румбов способствовали переносу вод (скорости геострофических течений – 5–25 см/с) в восточном направлении в зоне пролива Санникова и юго-западной части ВСМ. Воды из МЛ поступали в ВСМ.

В августе–октябре 2015 г. наблюдалось изменение направления ветра и геострофических течений в юго-западной части ВСМ и в зоне пролива Санникова с периодичностью приблизительно 15 дней (рис. 4, б). За данный период зональная скорость геострофических течений в юго-западной части ВСМ изменялась на 50 см/с (от –25 до 25 см/с).

На рис. 5 показано распределение SSH, SST и поля геострофических течений в МЛ и ВСМ для 28 сентября 2015 г. и 24 сентября 2019 г. В период с 16 по 28 сентября 2015 г. (с 4 по 24 сентября 2019 г.) над МЛ и ВСМ преобладали западные (восточные) ветра с зональными скоростями 3–12 м/с (4–8 м/с). Осредненный за период с июня по сентябрь расход реки Лены в 2015 г. (41 000 м³/с) был выше приблизительно на 30%, чем в 2019 г. (31 000 м³/с). В конце сентября 2015 г. зоны с высокими величинами SSH (50–60 см) наблюдались вблизи побережья материка (рис. 5, а). Западнее и севернее Новосибирских островов выделялись мезомасштабные антициклональные круговороты вод (горизонтальный размер 50 км) с повышенными величинами SSH (40–45 см) в центре круговоротов. Основной поток вод в южных областях МЛ и ВСМ был направлен на запад. На западной границе ВСМ выделялся, направленный на юг, поток вод со скоростями геострофических течений 40–60 см/с. Для августа–октября 2015 г. западные ветра приводили к повышенным величинам SSH в зоне между Новосибирскими островами и материком (положительные величины коэффициента корреляции между зональным ветром и SSH) (рис. 3, а). Это сопровождалось зональным градиентом SSH и направленным на юг потоком вод в западной части ВСМ (рис. 5, а). В сентябре 2015 г. поступление вод из МЛ в ВСМ происходило не только через проливы Д. Лаптева и Санникова, но и вдоль северного побережья Новосибирских островов. Распределение SSH и поле геострофических течений для сентября 2015 г. (рис. 5, а) указывает на влияние мезомасштабных антициклонических круговоротов вод (западнее и севернее Новосибирских островов) на водообмен между МЛ и ВСМ.

Рис. 5.

а–б – распределения уровня моря и поля поверхностных геострофических течений; в –г– распределение SST (<0°–5°С) в МЛ и ВСМ 28 сентября 2015 г. и 24 сентября 2019 г. Холодным водам соответствует синий цвет, теплым водам – красный.

В 2-ой половине сентября 2019 г. благоприятные для прибрежного апвеллинга восточные ветра вызвали значительно понижение SSH до – (45–60) см в южной части МЛ и ВСМ (рис. 5, б). Из-за значительной разности в SSH между прибрежными водами и водами открытой части моря, основной поток вод был направлен из ВСМ в МЛ через пролив Санникова. Скорости геострофических течений в южной части ВСМ достигали 30 см/с.

Речные воды, поступающие в сектор восточной Арктики в теплое время годы, характеризуются повышенными температурами по сравнению с водами Арктики. Контрасты температуры на границах стоковой линзы реки Лены позволяют использовать спутниковые наблюдения SST для исследования закономерностей распространения вод, подверженных речному стоку, в МЛ и ВСМ. Для сентября 2015 г. наблюдалось согласие между распределением SSH и SST в МЛ и ВСМ. Воды, подверженные влиянию речного стока, характеризовались повышенными величинами SSH и SST равными 2–5°С (южная и восточные части МЛ и южная часть ВСМ) (рис. 5, а, 5, в). Западнее и севернее Новосибирских островов температурные контрасты на границах вод стоковой линзы значительно уменьшались, что могло быть следствием вертикального и горизонтального перемешивания с водами внешнего шельфа, характеризующимися отрицательными температурами. В сентябре 2019 г. прибрежный апвеллинг вызвал снижение SSH и SST в южной части ВСМ. Воды с пониженной соленостью, повышенными значениями SST и SSH переместились из прибрежной в открытую часть ВСМ (рис. 2, г, 2, д, рис. 5, б, 5, г). В МЛ к востоку и юго-востоку от устья реки Лены не наблюдалось понижение SST в прибрежных водах (рис. 5, г). Возможно, повышенная соленостная/плотностная стратификация вод в данной области МЛ препятствовала поступлению подповерхностных вод с низкими температурами на поверхность моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовалось распределение распресненных вод в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море в период наименьшей ледовитости (август–октябрь) с использованием спутниковых данных по уровню моря и CTD данных судовых наблюдений. Наблюдается хорошее согласие между распределением солености в верхнем 20 м слое вод и уровнем морем в исследуемом регионе. Увеличение стока реки Лены в период летнего половодья приводит к повышению уровня моря в восточной части моря Лаптевых и западной и юго-западной частях Восточно-Сибирского моря, вследствие поступления вод с пониженной соленостью и повышенными величинами уровня моря. Усиление ветров западных румбов сопровождается уменьшением солености и повышением уровня моря в южных областях моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря. Западные ветра вызывают поступление вод с повышенной соленостью из зоны материкового склона на шельф, что понижает уровень на внешней границе материкового шельфа. Ветра восточных румбов вызывают снижение уровня в южных областях моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря и перемещение вод с пониженной соленостью из прибрежной в открытую часть моря. Ветра западных/восточных румбов сопровождаются направленными на восток/запад геострофическими течениями в зоне пролива Санникова и в юго-западной части Восточно-Сибирского моря. Спутниковые данные демонстрируют, что мезомасштабные (диаметр 50 км) антициклональные круговороты вод, наблюдаемые вблизи западного и северного побережья Новосибирских островов, оказывают влияние на водообмен между морем Лаптевых в Восточно-Сибирским морем.