Межгодовая и декадная изменчивость температуры

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6
УДК 551.465.43(265.53)
В.А.ЛУЧИН, В.В.НОВОТРЯСОВ, Д.В.СТЕПАНОВ
Межгодовая и декадная изменчивость
температуры промежуточных вод
Японского моря во второй половине XX в.
Представлен анализ пространственно-временной структуры межгодовой и декадной изменчивости температуры воды Японского моря, восстановленной в узлах 1,5 × 1,5º сетки на горизонте 400 м на основе данных
82 тыс. гидрологических станций, выполненных за период 1950–2003 гг. С использованием метода эмпирических
ортогональных функций (ЭОФ) показано, что ~51% от общей дисперсии изменчивости температуры промежуточных вод приходится на синхронные изменения с максимумом, расположенным в районе Центральной
котловины. Анализ главной компоненты первой ЭОФ показал, что она содержит линейный тренд с наклоном
α ~0,07 ºС/10 лет, а спектр ее изменчивости в основном формируется гармониками с периодами 5, 8 и 13 лет.
Декадная изменчивость этой компоненты состоит из двух циклов: с начала 1950-х и с середины 1970-х годов.
Анализ изменчивости температуры промежуточных вод в прибрежной зоне, Центральной и Цусимской котловинах Японского моря показал, что во второй половине ХХ в. температура в этих районах возрастала со
средней скоростью ß ~0,08 ºС/10 лет. Спектр этой изменчивости в прибрежной зоне сформирован гармониками
на периодах 4, 6 и 13 лет. В зоне Цусимской котловины к перечисленным экстремумам добавляется максимум,
отвечающий гармонике с периодом 8 лет, а в зоне Центральной котловины спектр формируется лишь гармониками с периодами 8 и 13 лет.
Ключевые слова: Японское море, промежуточные воды, межгодовая и декадная изменчивость, ЭОФ-анализ, спектральный анализ.
Interannual and decade temperature variability of intermediate waters of the Sea of Japan in the second
part of the XX century. V.A.LUCHIN, V.V.NOVOTRYASOV, D.V.STEPANOV (V.I.Il’ichev, Pacific Oceanological
Institute, FEB RAS, Vladivostok).
Analysis of temporal-spatial structure of interannual and decadal variability of temperature of the Japan/East
Sea water reconstructed by the temperature dataset at 400 m depth and a 1.5 ×1.5° grid based on oceanographic
observations collected from 82 000 stations within the period from 1950 to 2003 is presented in the paper. Using the
method of empirical orthogonal functions it is shown that synchronous temperature oscillations make about 51% of the
total variance of intermediate water temperature variability. The maximum variance is in the northern Sea of Japan
under the Japan Basin. Analysis of the principal component (PC_1) of the first empirical orthogonal function showed
that it contains a linear trend of variability with the slope about 0.07ºС/10 years, and the variance spectrum is mainly
formed by harmonics with the periods of 5, 8 and 13 years. Decadal variability of PC_1 consists of two cycles: from
the beginning of the 50s, and from the middle of the 70s of the XX century. Analysis of intermediate water temperature
variability in the coastal zone of the Japan/East Sea, as well as under the Japan Basin and the Ulleung Basin showed
that it has the linear trend with the slope of about 0.08 ºС/10 years. Spectrum of this variability in the coastal zones
has maxima with the periods of 4, 6 and 13 years. Whereas variability spectrum in the Ulleung Basin has maxima with
the periods of 4, 6, 13 and 8 years, variability spectrum of the Japan Basin has maxima only with the periods of 8 and
13 years.
Key words: the Sea of Japan, intermediate waters, interannual and decade variability, empirical orthogonal
functions, spectral analysis.
ЛУЧИН Владимир Александрович – доктор географических наук, ведущий научный сотрудник, НОВОТРЯСОВ
Вадим Васильевич – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, СТЕПАНОВ Дмитрий
Вадимович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). Е-mail: vluchin@poi.dvo.ru
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 09-05-98553-р_восток_а, и ДВО РАН, проект
10-III-В-07-155.
30
В настоящее время одной из наиболее острых проблем, с которыми столкнулись
науки о Земле, является предсказание изменений климата для возможного предотвращения их отрицательных последствий. В исследованиях Мирового океана и его отдельных
районов большое внимание уделяется межгодовой и декадной изменчивости его характеристик и выявлению их связи с глобальными макромасштабными вариациями климата. Это важно для оценки долгосрочных перспектив развития морских отраслей, в том
числе рыболовства, а также возможных изменений среды обитания морских организмов
и условий жизни населения на побережье. Термическое состояние и изменчивость водных масс Японского моря являются следствием его географического положения, рельефа
дна, морфометрии проливов, обмена с Тихим океаном, системы течений моря, вариаций
поступления солнечной радиации, циркуляции и изменчивости параметров атмосферы и
характера ледовых условий.
При меняющемся климате оценка термического состояния Японского моря, его межгодовой и декадной изменчивости, а также прогноз возможных изменений этого состояния
являются актуальной научной и прикладной задачей. Указанная проблема стала предметом исследования сравнительно недавно. Ранее анализ этого состояния проводился с использованием данных о температуре различных районов либо о температуре поверхности
моря (ТПМ). Обнаружен спектральный пик на периоде ~2 года в данных изменчивости
ТПМ вдоль 134º в.д. [11]. Сообщалось о колебаниях с периодом ~6 лет в температуре воды
приповерхностного слоя в Цусимском проливе [13]. Выявлена 6-летняя изменчивость в
переносе массы через этот пролив [15]. При анализе ТПМ у побережья Японии показано,
что 6-летний сигнал распространялся с юго-западного в северо-восточном направлении
вдоль побережья Японии [18]. С помощью метода комплексных ортогональных функций
проанализирована межгодовая и декадная изменчивость температуры деятельного слоя
Японского моря, выявлена цикличность на периодах 10–20 лет [14].
Анализ глубоководных наблюдений на промежуточных и глубинных горизонтах Японского моря ограничен исследованиями деятельного слоя, отдельных акваторий либо данными за непродолжительный период [2, 3, 8, 10, 16, 17].
В настоящей работе для исследования термического режима промежуточных вод
Японского моря выбран горизонт 400 м. Здесь сезонные изменения температуры малы,
а межгодовая изменчивость велика, и главное – количество гидрологических станций, на
которых измерялась температура, достаточно для получения достоверных оценок изменчивости [5]. Этот горизонт, согласно классификации [12], находится в пределах промежуточной водной массы Японского моря, которая играет ключевую роль в формировании
вертикальной структуры его вод.
На горизонте 400 м пространственные изменения температуры в течение года незначительны: 0,3–1,2 ºС [1]. Основываясь на полях температуры, границу раздела между холодным и теплым секторами Японского моря на горизонте 400 м можно условно определить
по изотерме 0,6ºС.
Материалы и методы анализа
Для анализа межгодовой изменчивости температуры воды использованы данные океанографических наблюдений на акватории 36–45º с.ш. и 128–140º в.д. Заимствованы данные России (ВНИИГМИ–МЦД и мореведческих организаций), Японии (JODC),
США (NODC). Они включают наблюдения: традиционные батометрические (bottle data),
батитермографные (Mechanical Bathythermograph Data – MBT), с высоким разрешением
по вертикали (High Resolution Data – CTD), а также показатели отрывных термозондов
(Expendable Bathythermograph Data – XBT) и дрейфующих буев (Profiling Autonomous
Lagrangian Circulation Explorer – PALACE). После исключения дублей и станций с недостоверной информацией в пределах 36–45º с.ш., 128–140º в.д. Японского моря за
31
1900–2005 гг. осталось ~303 000 станций. На каждой океанографической станции проводилась линейная интерполяция значений температуры на стандартные горизонты,
затем вся информация сортировалась в сферические трапеции (1,5° по широте и долготе). Масштаб осреднения выбран с учетом распределения станций по акватории
моря и получения наиболее детальной картины параметров межгодовой изменчивости.
Анализ сформированной базы данных показал, что имеющаяся информация распределена неравномерно во времени и неоднородно в пространстве. Так, на исследуемой акватории
оказалось ~85 000 станций с наблюдениями на горизонте 400 м. Из-за малого количества
станций в первой половине ХХ в. для исследования межгодовой изменчивости температуры воды использованы наблюдения за 1950–2003 гг. В этот период обработано ~82 000
океанографических станций (~97% от всех станций с наблюдениями на горизонте 400 м).
Для анализа пространственно-временной
структуры изменчивости температуры воды использовался метод разложения по эмпирическим
ортогональным функциям (ЭОФ) [6, 9]. Его
корректное использование в океанологических
исследованиях сдерживается пространственновременной неоднородностью наблюдений и отсутствием данных за отдельные годы. В связи с
этим период обобщения информации расширен
(с января по декабрь). Для исключения возможного влияния сезонной изменчивости данные
предварительно центрировались, т.е. представлялись в виде отклонений от средних многолетних месячных значений в каждом элементарном
квадрате. Однако даже для такого обобщения
Рис. 1. Изолинии поля ЭОФ1 на горизонте
информации в рядах наблюдений последних
400 м
40–60 лет имеются пропуски данных. Восстановление недостающих значений выполнялось в два этапа. На первом использовались
регрессионные соотношения, основанные на корреляционном анализе данных. Вначале
проводились вычисления в каждом однородном районе (1,5 х 1,5º), были сформированы
ряды аномалий температуры воды за 1950–2003 гг., для каждого ряда рассчитывались коэффициенты корреляции со всеми другими рядами и проверялась их значимость. Если она
была больше критерия Стьюдента, то данные этого ряда использовались для восстановления пропущенных значений по схеме, изложенной в работе [4]. На втором этапе единичные пропуски данных восстанавливались одновременно с разложением исходных полей
по ЭОФ. Для этой цели использовался метод оптимизации, основанный на итерационных
схемах расчета [7]. Корректировка восстановленных на первом этапе значений проводилась по сумме вклада первых 10 собственных векторов разложения полей температуры
воды по ЭОФ, на которые приходится до 80% дисперсии анализируемых полей [3].
Межгодовая и декадная изменчивость
промежуточных вод Японского моря
Перейдем к анализу пространственно-временной структуры межгодовой и декадной изменчивости температуры промежуточных вод Японского моря второй половины
XX в. на основе трех первых функций, полученных с использованием метода ЭОФ. Относительный вклад каждой из этих функций в общую дисперсию изменчивости распределился следующим образом: λ1 ~ 51%, λ2 ~ 6%, λ3 ~ 5%, соответственно. Вклад ЭОФ2
отличается от вклада ЭОФ1 и сопоставим с вкладом ЭОФ3, поэтому надежное выделение
ЭОФ2 и последующих функций из массива исходных данных проблематично.
32
ЭОФ2 и ЭОФ3, помимо своего малого вклада, характеризуют межгодовые
изменения температуры в отдельных
районах, пространственные масштабы
которых существенно меньше Японского моря в целом. Проанализируем
изменчивость, которую определяет
ЭОФ1 (рис. 1). ЭОФ1 имеет компактную структуру с изолиниями, окаймляющими район Центральной котловины.
Рассмотрим временную изменчивость
ЭОФ1. Она определяется главной комРис. 2. Главная компонента ЭОФ1 (сплошная линия) и ее
понентой (ГК1) этой функции, тренд излинейный тренд изменчивости (штриховая) (а), межгоменчивости которой с α ~0,07 ºC/10 лет
довая (сплошная) и декадная (штриховая) составляющие
главной компоненты (б)
(рис. 2а), а декадная изменчивость представлена двумя циклами с периодом из
интервала 20–25 лет (рис. 2б). Начало
первого цикла приходится на начало
1950-х годов, второго – на середину
1970-х годов. Циклы различаются частотами заполняющих колебаний: в первом доминируют колебания с периодами
3–4 года, во втором – 6–7 лет.
Более точную характеристику межгодовой изменчивости дает метод спектрального анализа (рис. 3). Спектр формируется главным образом максимумами в
окрестности периодов 13, 8, 5 лет и небольшим максимумом на периоде 3,5 года.
Картина
пространственно-временной структуры изменчивости температуры воды, полученная с использованием
Рис. 3. Спектр главной компоненты ЭОФ1 в долях от
ЭОФ1, отражает вклад лишь синхронсвоего максимального значения. Цифры соответствуют
ных колебаний на всей акватории. Однапериодам максимумов (в годах)
ко анализ температурной изменчивости
в отдельных районах Японского моря [2, 8, 10, 16, 17] указывает на существование региональных особенностей в ее изменчивости. Для выявления этих особенностей на акватории исследовались 4 характерные района (1,5 х 1,5°): восточного (р. 1) и западного (р. 2)
побережья Японского моря, а также районы максимальных глубин его Центральной (р. 3)
и Цусимской (р. 4) котловин. Для каждого района рассматривались аномалии температуры
воды, полученные по восстановленным данным, по ним же выполнен спектральный анализ
межгодовой и декадной изменчивости аномалий температуры на горизонте 400 м (рис. 4).
Расчеты показали, что изменение температуры в восточном и западном районах Японского моря во второй половине ХХ в. содержало линейные положительные тренды с наклонами α1, 2 0,05; 0,04 ºС/10 лет, где 1, 2 – номер соответствующего района (рис. 4). Изменение температуры во второй половине ХХ в. в районах Центральной и Цусимской котловин
Японского моря также имеет линейные положительные тренды с наклонами α3, 4 0,09 и
0,03 ºС/10 лет. Значения наклонов показывают, что максимальный прирост температуры
за 50 лет имел место в промежуточных водах Центральной котловины (~0,45ºС). В прибрежных зонах прирост оказался примерно одинаковым (~0,2ºС), средняя по районам величина наклона тренда составила β ~0,04 ºС/10 лет.
33
Рис. 4. Аномалии температуры воды на горизонте
400 м в районах восточной (сплошная линия) и западной (штриховая) прибрежных зон Японского моря (а)
и Центральной (сплошная линия) и Цусимской (штриховая) котловин (б) с соответствующими линейными
трендами изменчивости
Рис. 5. Спектры вариаций аномалий температуры воды в долях от своего максимального значения на горизонте 400 м в районах: а – западного
(сплошная линия) и восточного (штриховая) побережья; б – Центральной (сплошная) и Цусимской (штриховая) котловин Японского моря
С помощью методов спектрального анализа проанализирована межгодовая изменчивость температуры на горизонте 400 м в различных районах Японского моря (рис. 5).
Спектр изменчивости в прибрежных зонах имеет сходную триплетную структуру с максимумами в окрестности периодов 13, 6 и 4–5 лет (рис. 5а). В районе котловин структура
спектра иная (рис. 5б). В Центральной котловине спектр имеет простейшую дуплетную
структуру с максимумами 13 и 8 лет, в Цусимской к этим добавляются максимумы на
периодах 6 лет и 4,5 года. Таким образом, в отличие от прибрежных зон, спектр изменчивости в районах котловин содержит уникальный максимум на периоде 8 лет.
Заключение
Анализ межгодовой изменчивости термического состояния промежуточных вод
Японского моря показал, что на ЭОФ1, отражающую синхронные изменения температуры на всей акватории, приходится ~51% от общей дисперсии изменчивости температуры
промежуточных вод. Установлено, ЭОФ1 имеет компактную структуру с максимумом в
районе Центральной котловины. Спектральный анализ главной компоненты ЭОФ1 показал, что она содержит положительный линейный тренд изменчивости со средним наклоном α ~0,07ºС/10 лет, а спектр ее межгодовой изменчивости имеет структуру, близкую
к триплетной, с максимумами на периодах 5, 8 и 13 лет. Декадная изменчивость главной компоненты первой ЭОФ представлена двумя циклами с периодичностью 20–25 лет.
Начало первого цикла пришлось на начало 1950-х, второго – на середину 1970-х годов.
34
Внутри указанных циклов межгодовая изменчивость имеет различный характер: в первом
доминируют вариации с периодами 3–4 года, во втором – 6–7 лет.
С помощью спектрального анализа установлено, что в восточной и западной прибрежных зонах, Центральной и Цусимской котловинах Японского моря температура промежуточных вод во второй половине ХХ в. содержит положительный линейный тренд изменчивости со средним наклоном β ~0,08 ºС/10 лет с максимальным изменением температуры
~0,9ºС в районе Центральной котловины. Спектры межгодовой изменчивости температуры промежуточных вод в прибрежных зонах имеют подобную триплетную структуру с
максимумами в 4, 6 и 13 лет. В зоне Цусимской котловины присутствует дополнительный
максимум на периоде 8 лет. В зоне Центральной котловины спектр имеет простую структуру с максимумами 8 и 13 лет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гидрометеорология и гидрохимия морей. СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. Т. 8. Японское море. Вып. 1.
Гидрометеорологические условия. 399 с.
2. Климов С.М. Оценка крупномасштабной изменчивости температуры поверхностного слоя в зоне
Цусимского течения // Тр. ДВНИГМИ. 1986. № 125. С. 3-10.
3. Лучин В.А., Соколов О.В., Плотников В.В. Межгодовая изменчивость температуры воды в деятельном
слое Японского моря и возможность ее прогноза // Динамика морских экосистем и современные проблемы
сохранения биологического потенциала морей России. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 14-33.
4. Лучин В.А., Жигалов И.А. Межгодовые изменения типовых распределений температуры воды в деятельном
слое Охотского моря и возможность их прогноза // Изв. ТИНРО. 2006. T. 147. C. 183-204.
5. Лучин В.А. Сезонная изменчивость температуры воды в деятельном слое дальневосточных морей
// Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн. 1. Океанологические исследования. С. 232-252.
6. Мещерская А.В., Руховец Л.В., Юдин М.И., Яковлева Н.И. Естественные составляющие метеорологических полей. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 199 с.
7. Плотников В.В. Использование алгоритмов многоцелевой оптимизации при решении задач гидрометеорологических (ледовых) прогнозов // Метеорология и гидрология. 1988. № 8. С. 57-66.
8. Пономарев В.И., Устинова Е.И., Салюк А.Н., Каплуненко Д.Д. Климатические изменения в Японском
море и прилегающих районах в 20-м столетии // Изв. ТИНРО. 2000. Т. 127. С. 20-36.
9. Фортус М.И. Статистические ортогональные функции для случайного поля, заданного в конечной области
плоскости // Изв. АН СССР. ФАО. 1975. Т. 2. С. 1107-1112.
10. Gamo T., Nozaki Y., Sakai H. et al. Spacial and temporal variations of water characteristics in the Japan Sea
bottom layer // J. Mar. Res. 1986. Vol. 44, N 4. Р. 781-793.
11. Isoda Y. Interannual SST variations to the north and south of the polar front in the Japan Sea // La Mer. 1994.
Vol. 32. P. 285-293.
12. Kim Y.-G., Kim K., Kim K.-R. Intermediate and deep waters in the Japan Sea // Proc. of the Creams’ 97 Int.
Symp., Fukuoka, 28–30 Jan. 1997. Fukuoka, Japan, 1997. P. 39-42.
13. Miita T., Tawara S. Seasonal and secular variation of water temperature in the East Tsushima Strait // J. Oceanogr. Soc. Japan. 1984. Vol. 40. P. 91-97.
14. Minobe S., Sako A., Nakamura M. Interannual to interdecadal variability in the Japan Sea based on a new gridded upper water temperature dataset // J. Phys. Oceanogr. 2004. Vol. 34. P. 2382-2397.
15. Naganuma K. Fishing and oceanographic conditions in the Japan Sea // Umi to Sora. 1985. Vol. 60. P. 89-103.
16. Nitani H. On the deep and bottom waters is the Japan Sea // Research in hydrography and oceanography / ed.
D.Shoji. Hydr. Dept. of Japan Maritime Safety Agency. Tokyo, 1972. P. 151-201.
17. Riser S.C. Long-term variation in the deep ventilation of the Japan/East Sea // Proc. of the Creams’ 97 Int. Symp.,
Fukuoka, 28–30 January 1997. Fukuoka, Japan, 1997. P. 31-34.
18. Watanabe T., Hanawa K., Toba Y. Analysis of year-to-year variation of water temperature along the coast of the
Japan Sea // Progress in Oceanography. 1986. Vol. 17. P. 337-357.
35