Анализ пространственно-временной изменчивости полей мезомасштабных вихрей и положения главных фронтов Южного океана на основе комбинации климатологических данных и данных спутниковой альтиметрии

Введение

Южный океан играет важную роль в термохалинной циркуляции Мирового океана и соединяют другие океанические бассейны, аккумулируя при этом значительную часть антропогенных выбросов тепла и СО2. Формирующиеся в Южном океане антарктические промежуточные воды, богатые биогенами, существенно влияют на биопродуктивность обширных акваторий Мирового океана. В связи этим, возрастает актуальность изучения мезомасштабных вихрей и основных фронтов данного района Мирового океана как ключевых индикаторов океанологических и климатических процессов.
В ходе настоящей работы было проведено уточнение и детализация пространственно-временной изменчивости положения основных фронтов Южного океана – Субантарктического (САФ) и Южного полярного (ЮПФ) фронтов. Также исследовалась ее взаимосвязь с изменчивостью поля мезомасштабных вихрей и особенностями топографии дна данного региона.

Материалы и методы

В основе работы лежит массив данных о положении САФ и ЮПФ за период с 1992/10/14 по 2013/04/19, основанный на комбинации климатологических данных о среднем уровне поверхности океана с данными аномалий уровня океана по спутниковой альтиметрии. Данный массив создан сотрудниками центра CTOH-LEGOS и подробно описан в работе (Sallée et al., 2008). Данные о мезомасштабных вихрях были получены из массива, содержащего информацию о пространственно-временном положении вихрей (и их характеристиках) на всей территории Мирового океана за период с 1992 по 2013гг. Подробное описание данного массива, полученного на основе спутниковых альтиметрических данных об аномалиях уровня океана, приводится в работе (Chelton et al., 2011). В качестве референтных данных для дополнительного сравнения с исходным массивом были использованы данные о положении САФ и ПФ из работы (Orsi et al., 1995), а также данные батиметрии проекта GEBCO.
В ходе работы, из исходного массива данных были извлечены временные ряды среднемесячного положения САФ и ПФ по каждой точке долготы. Также использовались данные о среднемесячном количестве мезомасштабных вихрей в двухградусных квадратах в пределах циркумполярного района 41о-63о ю.ш.
Методическую основу работы составили статистические методы анализа данных, а именно корреляционный, анализ базовых статистик и анализ главных компонент (ГК). Помимо непосредственно САФ и ПФ, анализировалось расстояние в градусах широты между этими двумя фронтами. Полученные по итогам статистического анализа результаты затем визуализировались и анализировались как графически, так и пространственно, путем импортирования результатов в открытую ГИС-среду QGIS.

Результаты и обсуждение

Полученные результаты корреляционного анализа (коэффициент корреляции Спирмена) показали тесную взаимосвязь между положением основных фронтов Южного океана на рядах среднемесячных значений (r = 0.79). При этом коэффициенты корреляции между рядами количества мезомасштабных вихрей и положения САФ и ПФ имеют отрицательный знак и более низкие абсолютные значения (r = -0.49 и r = -0.65 соответственно).
Анализ коэффициентов корреляции Спирмена, рассчитанных попарно между рядами 1-х ГК для поля мезомасштабных вихрей, САФ и ПФ показал наличие тесной положительной связи между изменчивостью 1-х ГК САФ и ПФ (r=0.87), при отрицательной связи между изменчивость 1-х ГК поля вихрей с одной стороны, и САФ и ПФ с другой (rвихри-САФ = -0.61; rвихри-ПФ = -0.70). Распределение знаков корреляций между 2-ми главными компонентами каждого из параметров оказалось более сложным при также довольно высоких абсолютных значениях коэффициентов.
В ходе работы было проведено оптимальное районирование САФ и ПФ статистическими методами на основе определения участков со сходным характером изменчивости. Результаты проведенного районирования можно считать состоятельными, так как доля дисперсии, описываемая первой ГК в каждом выделенном районе, превышала значение аналогичного параметра для полного циркумполярного набора рядов.
Полученные результаты показали наличие тесной отрицательной связи между количеством мезомасштабных вихрей и положением ПФ. Таким образом, при смещении ПФ к северу, количество мезомасштабных вихрей в изучаемом районе уменьшается. Высокий коэффициент корреляции между САФ и ПФ подтверждает известную взаимосвязь этих фронтов как составляющих зоны Антарктической конвергенции.
Результаты анализа ГК показали, что изменчивость количества вихрей и положения фронтов, в целом, определяется крупномасштабными факторами близкой природы (возможно одинаковыми), но действие этих факторов разнонаправленно для этих параметров. При этом, изменчивость САФ и ПФ определяется одним и тем же крупномасштабным фактором, действие которого проявляется одинаково для обоих фронтов. Более сложное распределение знаков коэффициентов корреляции для 2х ГК свидетельствует о важности дополнительных факторов, определяющих изменчивость изучаемых параметров, и необходимости их выявления и учета. Практическая значимость полученных результатов заключается, по итогам перехода от главных компонент к измеримым параметрам, в возможности более точного понимания динамики фронтов и мезомасштабных вихрей Южного океана и возможности прогнозирования изменчивости отдельных элементов его циркуляции на основе данных по положению фронтов или количеству вихрей.
Проведенное районирование САФ и ПФ на основе их изменчивости продемонстрировало возможность использования статистических методов для изучения региональных особенностей динамики фронтов Мирового океана. Применительно к Южному океану, районирование дает возможности для более глубокого понимания процессов, формирующих биопродуктивность этого региона.

Заключение

Результаты работы продемонстрировали возможности методов статистического и пространственного анализа для изучения изменчивости линейных и дискретных объектов на крупных акваториях Мирового океана, на основе спутниковых данных. Последующее выявление факторов, определяющих изменчивость положения фронтов и количества вихрей, даст основу для более точных оценок меридионального тепло- и массообмена между Антарктикой и умеренными широтами. Таким образом, дальнейшее продолжение работ планируется в направлении определения основных факторов, формирующих характер изменчивости поля мезомасштабных вихрей, а также САФ и ПФ.