Морские волны тепла в Каспийском море по спутниковым данным за 1982–2024 гг. с учётом ледового сезона

Морские волны тепла (marine heatwaves, MHW) – продолжительные периоды аномально высокой температуры поверхности моря (ТПМ) – относятся к наиболее опасным для морских экосистем проявлениям современного потепления. Каспийское море, крупнейший замкнутый водоём планеты, отличается сильным меридиональным градиентом ТПМ и сезонным ледовым покровом в северной части. Цель работы – оценить характеристики волн тепла и их тренды для Северного, Среднего и Южного Каспия по спутниковым данным за 1982–2024 гг. с учётом ледового сезона.
В данном исследовании использован продукт Copernicus Climate Change Service (C3S) уровня L4 из каталога Copernicus Marine (SST_GLO_SST_L4_REP_OBSERVATIONS_010_024), содержащий ежедневные поля среднесуточной ТПМ на глубине 20 см с разрешением 0,05° (около 5 км). Основой для этого продукта служат данные ESA SST CCI версии 3.0, включающие измерения инфракрасных радиометров AVHRR (спутники NOAA и MetOp), ATSR-1, ATSR-2 и AATSR (ERS-1, ERS-2, Envisat) и SLSTR (Sentinel-3A, Sentinel-3B), а также микроволновых радиометров AMSR-E (Aqua) и AMSR2 (GCOM-W1). Для акватории Каспия ряд включает 15 706 суток и 17 053 морских пикселя.
Волны тепла выделялись по методике Hobday et al. [1]: событием считается период не менее 5 суток, в течение которого ТПМ превышает сезонно-зависимый 90-й процентиль, рассчитанный по базовому периоду 1982–2011 гг. со скользящим окном 11 суток; события, разделённые разрывом не более 2 суток, объединяются. Реализация алгоритма сверена с пакетом marineHeatWaves в контрольной точке, результаты совпадают полностью.
Используемый продукт не имеет пропусков в ледовых пикселях, поскольку объединяет ТПМ и температуру поверхности льда. Поэтому зимние значения в Северном Каспии не характеризуют температуру воды и непригодны для расчёта климатического порога. Ледовый сезон выделялся по самим полям температуры: календарный день считался ледовым для данного пикселя, если температура в этот день была ниже 0,5 °C более чем в 13 годах из 43. Климатический ледовый сезон охватывает 99,9 % пикселей Северного Каспия (в среднем 103 суток, с начала декабря по конец марта) и 5 % пикселей Среднего Каспия вдоль его восточного побережья; в Южном Каспии он отсутствует. В ледовые дни порог не определялся и события не выделялись.
В среднем по акватории отмечается 2,3 события в год и 29 суток в году с волнами тепла; средняя длительность события составляет 12 суток, средняя интенсивность 2,8 °C, максимальная 4,1 °C. Частота наибольшая у западного побережья Северного Каспия (до 3,2 события в год), средняя длительность возрастает с севера на юг от 9–11 до 16–19 суток. Из-за ледового сезона число дней года, для которых определён порог, в Северном Каспии составляет в среднем 271 против 364–366 в Среднем и Южном. По абсолютному числу суток с волнами тепла Северный Каспий уступает Среднему и Южному (25,2 против 29,7–30,8 сут/год), а после нормировки на число доступных для детекции дней выходит на первое место (9,3 против 8,2–8,4 суток на 100 таких дней). В Северном Каспии 43 % суток с волнами тепла приходится на лето и лишь 2 % на зиму, в Среднем и Южном на зиму приходится около 18 %.
Тренды частоты, числа суток с волнами тепла и кумулятивной интенсивности положительны по всей акватории и значимы (p < 0,05) в 28–31 % пикселей. В осреднении по каждой из трёх частей моря значимы тренды частоты, длительности и числа суток с волнами тепла. Тренд частоты убывает с севера на юг (0,81, 0,71 и 0,53 события за десятилетие), тренд длительности возрастает (1,0, 1,8 и 2,0 суток за десятилетие), тренд числа суток с волнами тепла во всех трёх частях близок и составляет 10,5–11,7 суток за десятилетие. Среднее по бассейну число таких суток увеличилось с 18 (1982–2002 гг.) до 39 (2003–2024 гг.) в год. Тренд ТПМ за весь период составил 0,25 °C за десятилетие; он наибольший весной и летом (0,35–0,37 °C за десятилетие), меньше осенью (0,19 °C) и незначим зимой (0,09 °C за десятилетие).
Помимо расчётов в каждом пикселе, волны тепла выделялись по среднему ряду ТПМ для той части моря, где лёд не образуется. По этому ряду за 1982–2024 гг. выделено 79 событий. Если упорядочить их по кумулятивной интенсивности, то все десять сильнейших событий произошли в 1998 г. и позже, а восемь из них – в 2010 г. и позже. Сильнейшим стало событие марта – мая 2024 г. продолжительностью 42 суток, самым продолжительным – событие с ноября 2010 по январь 2011 г. (49 суток), наибольшая аномалия ТПМ (5,55 °C) отмечена в июне 1998 г.
Число суток с волнами тепла растёт во всех частях Каспийского моря; в северной части выше тренд частоты событий, в южной – тренд их длительности. Для водоёмов с сезонным ледовым покровом при использовании спутниковых продуктов, содержащих ТПМ, необходимо учитывать продолжительность ледового сезона. Без исключения ледовых дней искажается климатический порог, а без нормировки на число доступных для детекции дней проявление волн тепла в Северном Каспии недооценивается.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ N 23-77-00027 «Исследование климатической изменчивости термогидродинамического режима Каспийского моря по данным дистанционного зондирования», https://rscf.ru/project/23-77-00027/.