Влияние изменений климата на возникновение и характеристики прибрежного апвеллинга в заливе Лиственничный (Южный Байкал) с 1941 по 2023 гг.

Полный текст

1. Введение

Апвеллинг – это упорядоченное восходящее движение вод к поверхности водоема. Он является одним из механизмов вертикального водообмена и влияет на вертикальное распределение физических и химических параметров водоема (температура воды, соленость, плотность, химический состав воды, загрязняющие вещества), а также на биологические процессы (например, жизненные циклы бактерий, фито- и зоопланктона). Известно, что апвеллинг может развиваться в прибрежных и пелагических областях. Прибрежные апвеллинги достаточно хорошо изучены в крупных озерах мира (например, Бояринов и Петров, 1991; Bell and Eadie, 1983; Corman et al., 2010; Plattner et al., 2006).

На Байкале прибрежный апвеллинг впервые описал Г.Ю. Верещагин около ста лет назад (1927). Он измерил температуру воды и концентрации растворенного кислорода в прибрежных поверхностных водах, которые соответствовали значениям, наблюдаемым в пелагических областях на глубине 50-200 м. Позднее апвеллинги были обнаружены в прибрежных районах Северного Байкала по спутниковыми снимками NOAA / AVHRR (Semovski et al., 2001). Katz S.L. с соавторами (2011) предположили, что изменчивость струйных течений является одним из факторов, влияющим на динамику вод в озере, в частности, на развитие прибрежного апвеллинга. Первые количественные оценки (понижение температуры воды, продолжительность и глубина развития апвеллинга, вертикальные скорости вод) прибрежных апвеллингов в Южном Байкале были получены относительно недавно (Шимараев и др., 2012).

Влияние апвеллинга на распределение планктона в Байкале сообщалось в некоторых биологических исследованиях. Например. М.М. Кожов (1962) наблюдал апвеллинг в проливе Малое Море и прилегающих районах озера после сильного NW шторма 4-9 сентября 1951 г. Температура поверхности воды понизилась с 12-13° до 7-7.5°С в проливе Малое Море и до 8-9°С у восточного берега острова Ольхон. После апвеллинга планктон «был очень редок, и относительно равномерно распределен в верхнем 100-метровом слое» (1962). В августе 1963 г. (Кожов и др., 1970) сильный NW ветер над акваторией Южного Байкала привел к подъему глубинных вод вблизи пос. Большие Коты. Температура поверхности воды понизилась до 5-6°С. Биомасса зоопланктона снизилась до 1,2 г/м² по сравнению со среднегодовым значением 40-50 г/м². Позже Э.Л. Афанасьева (1977) также показала, что вертикальные движения воды в зоне апвеллинга могут переносить науплии копепод эпишуры Epishura baikalensis из глубинных слоев воды на ее поверхность. На основе измерений фитопланктона и спутниковых SeaWiFS наблюдений в 2001-2003 гг. Heim B. с соавторами (2005) пришли к выводу, что уменьшения концентрации хлорофилла а вдоль восточного берега Северного Байкала были связаны с апвеллингами. Комплексные исследования на полигоне в районе мыса Елохин (западный берег Северного Байкала) в августе 1988 г. показали, что концентрация хлорофилла а может увеличиваться после релаксации апвеллинга (Верболов и др., 1992).

В последние несколько десятилетий на Байкале, как и во всем Северном полушарии отмечаются изменения ледово-термического режима (Livingstone, 1999; Magnuson et al., 2000; Шимараев и др., 2002; Todd and Mackay, 2003; Kouraev et al., 2007; Hampton et al., 2008; Шимараев и др., 2018; Sharma et al., 2021). Сроки ледостава сократились почти на три недели (Livingstone, 1999; Magnuson et al., 2000; Шимараев и др., 2002). Это привело к сдвигу сроков установления летней стратификации на более ранние даты и увеличению температуры поверхности воды. Сроки перехода к зимней стратификации соответственно сдвинулись на более поздние даты (Aslamov et al., 2024). Недавние исследования температуры воды в отдельных котловинах озера (Shimaraev et al., 2009) и теплосодержания водной толщи в Южном Байкале (Troitskaya et al., 2022) указывают на трансформацию поля температуры и перераспределение запасов тепла в условиях изменения климата. Следовательно, это должно отражаться на интенсивности процессов вертикального тепло- и водообмена в Байкале. Особое значение изменения температурного режима и процессов вертикального тепло- и водообмена приобретают для литорали, где обитает наибольшее количество гидробионтов.

Целью данной работы было определение количественных характеристик прибрежного апвеллинга, развивающегося в заливе Лиственничный, и их связи с ветром и изменениями климата в последние 80 лет.

2. Материалы и методы

Для выявления случаев апвеллинга и оценки его характеристик были использованы данные о температуре воды, полученные в 1941-2023 гг. у пирса ЛИН СО РАН в п. Листвянка, расположенном на берегу Лиственничного залива в Южном Байкале (Рис. 1). В 1941-2005 гг. температура измерялась ртутным термометром (точность ±0,02°С) в 8, 14 и 20 ч., с 2006 г. по настоящее время электронными датчиками температуры (точность ±0,002°С, дискретность измерений от 1 с до 2 мин). В исследовании анализируется только период летней стратификации, когда поверхностные воды теплее глубинных слоев и апвеллинги вызывают резкий перепад температур, что облегчает их идентификацию. Для анализа случаев развития прибрежного апвеллинга использовались среднесуточные значения температуры воды. Определялись даты начала и окончания апвеллинга, его продолжительность и величина понижения температуры.

 

Рис.1. Карта Лиственничного залива и мест проведения измерений (https://earth.google.com/web – дата обращения 29.11.2023). На врезке указано местоположение Лиственничного залива в Южном Байкале.

 

Апвеллингом считались случаи, когда температура резко понижалась на один или более градусов и сохранялась в течение трех и более дней. За дату начала апвеллинга принимался день, когда температура воды резко понижалась, за дату его окончания, когда температура воды на поверхности становилась близкой к таковой до апвеллинга. Продолжительность апвеллинга определялась как разница между датами начала и окончания апвеллинга. Величина понижения температуры воды рассчитывалась как разница между температурой воды перед началом апвеллинга и в момент, когда она достигала минимального значения во время апвеллинга.

В зависимости от того, с какой глубины поднимаются воды на поверхность водоема, выделяют полный и неполный апвеллинг. Полный апвеллинг характеризуется выходом подтермоклинных вод на поверхность, т.е. вод гиполимниона. При неполном апвеллинге процесс подъема вод есть, но подтермоклинные воды не достигают поверхности. В связи с этим нами были отдельно выделены полные апвеллинги, определены их характеристики и проанализированы условия их развития.

Чтобы проанализировать ветровые условия, использовались суточные данные о скорости и направлении ветра за 1954-2010 гг. с метеостанции Исток Ангары, с 2011 г. по настоящее время – с автоматической метеостанции, установленной на пирсе ЛИН СО РАН (пос. Листвянка). Так как расстояние между ними составляет около 4 км и морфометрические условия близки, ряд данных по ветру был принят однородным. По исходным данным определялся устойчивый по направлению ветер со скоростью не менее 3 м/с и продолжительностью не менее 6 ч., наблюдавшийся в течение суток до даты развития апвеллинга и в день начала его развития. Затем рассчитывались средние направление и скорость ветра, при котором начинал развиваться апвеллинг. В 2011-2023 гг. современные данные позволили определить максимальные значения скорости ветра при его порывах.

3. Результаты

С учетом влияния климата на ледово-термический режим Байкала (Livingstone, 1999; Magnuson et al., 2000; Шимараев и др., 2002; Todd, Mackay, 2003; Kouraev et al., 2007; Hampton et al., 2008; Шимараев и др., 2018; Sharma et al., 2021), имеющиеся данные по температуре воды за весь период наблюдений были разбиты на два временных интервала: 1941-1969 и 1970-2023 гг. Период 1941-1969 гг. характеризуется понижением температуры поверхности воды, а период с 1970 г. по настоящее время – ее повышением (Рис. 2). Величина трендов в 1941-1969 гг. составила –0,39°С/год (r = 0,38, р = 0,04), а в 1970-2023 гг. – +0,26°С/год (r = 0,38, р = 0,009).

 

Рис.2. Средние за период прямой стратификации значения температуры воды на пирсе ЛИН СО РАН в п. Листвянка в 1941-2023 гг. (сплошная синяя кривая) и линейные тренды в 1941-1969 и 1970-2023 гг. (пунктирные зелёные кривые).

 

В мае-октябре 1941-2023 гг. были выявлены 285 случаев апвеллинга. В каждом отдельном месяце регистрировалось до четырех апвеллингов. В течение одного года чаще всего фиксировалось 1-3 апвеллинга (Рис. 3). Максимальное количество апвеллингов составило 13 случаев в 1943 году.

 

Рис.3. Количество выделенных апвеллингов в разные годы 1941-2023 гг.

 

Всего за период с 1941 по 1969 г. зарегистрировано 129 апвеллингов (в среднем 4,5 случая в год), а с 1970 по 2023 г. – 157 апвеллингов (в среднем 2,9 случая в год). На рис. 4 показана повторяемость апвеллингов за отдельные месяцы двух периодов. Сравнение периодов выявило изменение распределения апвеллингов по месяцам: по сравнению с 1941-1969 гг., 1970-2023 гг. показывает бóльшую концентрацию апвеллингов в августе (с 38,0% до 46,5%), соседние июль и сентябрь показали незначительные изменения по числу апвеллингов. Во все остальные месяцы число апвеллингов существенно снизилось (с 0,8% до 0% в мае, с 7,0% до 0,6% в июне и с 7% до 3% в октябре).

 

Рис.4. Повторяемость апвеллинга в отдельные месяцы в 1941-1969 и 1970-2023 гг.

 

На рисунке 5 показана частота событий апвеллинга с различной продолжительностью для двух анализируемых периодов. При одинаковой средней продолжительности апвеллингов (7 сут) выявлено смещение продолжительности в бóльшую сторону, начиная с 1970 г. (Рис. 5). В 1941-1969 гг. чаще наблюдались апвеллинги с продолжительностью 4-6 сут (57,7%), в то время как в 1970-2023 гг. продолжительность апвеллингов увеличилась до 5-8 сут (56,1%). В последние десятилетия в полтора раза выросло количество апвеллингов с продолжительностью 10 сут и более (с 11,5 до 17,8%).

 

Рис.5. Повторяемость апвеллингов разной продолжительности в 1941-1969 и 1970-2023 гг.

 

Изменилась и величина понижения температуры воды во время апвеллинга. Так, в 1941-1969 и 1970-2023 гг. средние ее значения составили 4,2 и 5,3°С, максимальные 12,0 и 13,5°С, соответственно. Претерпел изменения и характер распределения повторяемости апвеллингов по понижениям температуры (рис. 6). Если 1941-1969 гг. 60% случаев апвеллинга характеризовались понижением температуры на 1-4°С, то 1970-2023 гг. в 61% случаев апвеллинга температура воды понижалась на 3-7°С.

 

Рис.6. Повторяемость величины понижения температуры воды при апвеллинге в 1941-1969 и 1970-2023 гг.

 

Анализ имеющихся данных о ветре (с 1954 г.) позволяет также оценить изменения характеристик ветра. В 1954-1969 гг. (Рис. 7) апвеллинги чаще всего развивались при ветрах N и SW направлений (64% случаев), начиная с 1970 г. – W и SW направлений (55% случаев). Средние и максимальные скорости ветра за рассматриваемые периоды несколько отличаются и составляют 6 (12) м/с в 1954-1969 и 5 (14) м/с в 1970-2023 гг.

 

Рис.7. Повторяемость апвеллингов (%), развивающихся при ветрах определенного направления в течение двух периодов.

 

В 1941-2023 гг. выявлено 42 полных апвеллинга. Из них 29 случаев приходятся на период с 1941 по 1969 гг., и 13 – на 1970-2023 гг. Наибольшее количество полных апвеллингов произошло в августе и сентябре – 18 и 13, соответственно, в октябре выявлено 7 случаев. В июне и июле зафиксировано по два полных апвеллинга. Один полный апвеллинг наблюдался в мае. Распределение полных апвеллингов по десятилетиям приведено на рис. 8.

 

Рис.8. Количество полных апвеллингов по десятилетиям.

 

Анализ имеющихся данных о ветре для 24 полных апвеллингов показал, что они развивались чаще всего (10 случаев) при SW ветре со скоростями 4-7 м/с. Четыре случая полных апвеллингов были связаны с W ветрами со скоростями 5-9 м/с.

4. Обсуждение

Таким образом, мы выделили летние апвеллинги в Лиственничном заливе, ранжировали их по продолжительности, понижению температуры воды, направлению и скорости сопутствующих ветров. Случаи полных апвеллингов рассматривались отдельно. Полученные данные были разделены на два временных периода, соответствующих наблюдаемым климатическим тенденциям.

Анализируя морфометрию залива Лиственничный, можно сделать вывод, что прибрежные апвеллинги могут развиваться под действием NNW ветров, вызывающих сгон, либо за счет экмановского переноса поверхностных вод при WSW ветрах и образовании антициклонического вихря в заливе. При развитии антициклонического вихря происходит опускание воды в его центре и компенсирующий подъем воды на периферии у берегов залива. Проанализированные данные по ветру, вызывающему апвеллинг, подтверждают высказанные предположения (Рис. 7).

Анализ распределения апвеллингов по годам показал, что до 1960 г. наблюдалось постепенное уменьшение числа апвеллингов в году. Затем до 2016 г. их среднее количество оставалось постоянным и составляло около 2,5 апвеллингов в год, а в последние 8 лет наблюдался некоторый рост (Рис. 3). Особый интерес вызвало сужение распределения повторяемости апвеллингов по месяцам и концентрация апвеллингов в августе в 1970-2023 гг. (Рис. 4). Отмечено также перераспределение апвеллингов в сторону большей продолжительности и большего понижения температур после 1970 г. по сравнению с предыдущим периодом (Рис. 5, 6).

Число полных апвеллингов уменьшалось с каждым десятилетием: с 12 в 1940-х гг. до одного в 2010-х гг. После 2020 г. полные апвеллинги пока не наблюдались.

Чтобы выяснить возможные причины этих тенденций, необходимо проанализировать, как менялся ветер в эти периоды. Следует отметить, что скорости ветра в последние десятилетия стали заметно ниже, чем в середине 40-50-х годов прошлого века (Атлас ..., 1977). Сравнение средних скоростей ветра по отдельным месяцам 1959-1968 гг. и 2000-2022 гг. выявило их уменьшение в июне-августе на 0,8-1,1 м/с, в сентябре-ноябре – на 1,1-2,0 м/с. Подобные изменения наблюдаются на большей части территории России (Bulygina et al., 2013) и, вероятно, вызваны ускоренным потеплением в Арктике и уменьшением градиента температуры между экватором и полюсом, что отражается на среднеширотной атмосферной циркулции и интенсивности ветров (Coumou et al., 2015).

Поскольку первоначальные данные о ветре были доступны только для дат апвеллинга, мы использовали известный реанализ Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды в его последнем подробном выпуске ERA5-Land (Muñoz-Sabater et al., 2021), целью которого является объединение глобальной сети метеорологического мониторинга на основе четырехмерной вариационной системы ассимиляции ретроспективных данных, собранных в наиболее полной базе данных (с шагом сетки 0,1° и временным разрешением 1 час).

Были отобраны однородные часовые ряды ветров в Листвянке с 1950 по 2022 гг. Выполнено суточное осреднение и проанализирована временная изменчивость повторяемости ветров в летние месяцы по 8 основным направляниям с шагом 45°, а также рассчитаны средние векторные и скалярные скорости и устойчивость ветра. Поскольку в последние годы наблюдается увеличение повторяемости апвеллингов, было решено проанализировать этот период отдельно.

Изучение ветров за июль-сентябрь (когда происходит большая часть апвеллингов) показало, что среднемесячная скорость ветра постепенно возрастает с июля по сентябрь (2,2, 2,5 и 3 м/с, соответственно), повышается и устойчивость ветра (0,27, 0,33 и 0,52, соответственно). При этом происходит смена основных направлений ветров: в июле преобладают ветры W направления, в августе значительно увеличивается доля ветров NW направления, а к сентябрю они становятся доминирующими. При этом отмечена постепенная трансформация розы ветров за август. Если в 50-60-е гг. прошлого века W ветры составляли 33,5%, а северо-западные – 20,1% от общего числа ветров, то в последнее десятилетие из-за климатических изменений сроки перестройки ветров сместились, и, соответственно, изменилась повторяемость этих ветров в августе: 28,6% и 29,4% соответственно.

Изучение доли двух основных направлений ветров в августе, вызывающих апвеллинг в Лиственничном заливе (Рис. 7), выявило незначительное постепенное увеличение доли северных ветров, вызывающих сгон (с 1% в 1950-е гг. до 2% в 1960-2020-е гг. и 3% за последнее десятилетие). Повторяемость SW ветров также несколько увеличилась (с 2% в 1950-е гг. до 3,1% в последнее десятилетие), но была понижена до 1,7% в течение 1960-2010-х гг., что, вероятно, является одной из причин уменьшения количества апвеллингов в этот период (Рис.3).

Если подсчитать суммарную повторяемость N и SW ветров в августе за два периода: до 1969 г. и с 1970 г., то можно отметить, что она увеличилась с 3,6% до 5%, соответственно. Наблюдаемый рост доли ветров, вызывающих апвеллинги, совпадает с ростом числа зарегистрированных апвеллингов в августе 1970-2023 гг. по сравнению с предыдущим периодом (Рис. 4). Меньшее количество апвеллингов в июле объясняется тем, что для этого месяца характерны минимальные скорости ветра за весь летне-осенний период и минимальная устойчивость ветра. Доля апвеллингов в сентябре также меньше, несмотря на общее усиление ветра. Причиной этого является значительное увеличение устойчивости NW ветров (>0,5), а также снижение доли SW ветров до 2% (по сравнению с 4-5% в августе).

Наблюдаемое перераспределение апвеллингов в сторону большей продолжительности и с бóльшим понижением температуры в 1970-2023 гг. по сравнению с предыдущим периодом (Рис. 5, 6) имеет общую причину. Это напрямую связано с увеличением доли апвеллингов в августе. Август характеризуется самой теплой водой литорали, и, соответственно, возникающий апвеллинг при одинаковой температуре поднимающихся вод вызовет большее понижение температуры в августе, чем в другие месяцы. И, соответственно, поступающей холодной воде из-за своей высокой теплоемкости потребуется гораздо больше времени, чтобы прогреться до своих изначально высоких значений температуры.

О влиянии параметров ветра на развитие полных апвеллингов можно судить, анализируя метеорологические данные во время полного апвеллинга 11-21 сентября 2011 г., когда параметры ветра измерялись с высокой дискретностью автоматической метеостанцией. Устойчивый ветер WNW направления начался вечером 11 сентября и продолжался три дня. Скорость ветра достигала 17 м/с и составляла в среднем 8,7 м/с. Температура воды в начале апвеллинга была 10,6°С, к 15 сентября понизилась до 4,0°С, а после релаксации апвеллинга 21 сентября составила 6,8°С. Следует отметить, что не только сила и продолжительность ветра, но и его устойчивость необходима для развития полного апвеллинга. Например, 16-27 августа 2023 г. при максимальных наблюдаемых скоростях W ветра (средняя скорость 14 м/с, порывы до 35 м/с) температура воды упала с 19,4°С до 4°С. Однако, поскольку ветер многократно уменьшался и снова усиливался в течение 10 дней, были зарегистрированы колебания температуры воды от 4 до 10-15°С с периодом от 12 до 24 ч. образуя так называемый перемежающийся апвеллинг. Несмотря на то, что вода из гиполимниона выходила на поверхность, неустойчивые ветры не позволяли вовлечь в это движение бóльшие водные массы, и при малейшем ослаблении ветра вода немедленно заменялась теплой поверхностной водой. Поэтому мы не отнесли данный случай к полному апвеллингу.

Выявленные закономерности изменения условий формирования и существования апвеллингов в Лиственничном заливе позволяют высказать следующие предположения. С одной стороны, уменьшение количества полных апвеллингов должно повлиять на объем транспорта биогенов из гиполимниона в литораль. С другой стороны, уменьшение повторяемости апвеллингов должно сопровождаться повышением средней поверхностной температуры в прибрежной зоне в летний сезон, что увеличивает вертикальные градиенты плотности в верхних слоях и может вызвать эвтрофикацию литорали. Как следствие, наблюдаемый в последние годы резкий всплеск роста водорослей Spirogira в заливе Лиственничный (Кравцова и др., 2012; Тимошкин и др., 2014; Timoshkin et al., 2018) может быть связан с комплексным влиянием возрастающей антропогенной нагрузки (и богатого поступления биогенов со сточными водами) и климатических изменений (Шимараев и Троицкая, 2018). Последние, в свою очередь, оказывают двоякое влияние на повышение температуры литорали: как за счет бóльшего потепления из-за более высоких температур воздуха, так и за счет менее частого водообмена (и, как следствие, меньшего охлаждения) с глубинными водами оз. Байкал. Таким образом, могут сформироваться более благоприятные физические и трофические условия для развития водорослей, не характерных для литорали Байкала.

5. Выводы

В итоге представленной работы были проанализированы данные о температуре прибрежной воды и ветрах в заливе Лиственничный. Выявлены летние прибрежные апвеллинги, ранжированы по продолжительности, понижениям температуры воды, направлению и силе сопутствующих ветров. Полученные данные были разделены на два периода, соответствующие наблюдаемым климатическим тенденциям.

Установлено, что основные ветры, вызывающие апвеллинг, имеют N и SW направления, что подтверждается морфометрией залива. Анализ распределения апвеллингов по годам показал, что до 1960 г. наблюдалось постепенное уменьшение числа апвеллингов в год. С 1960 по 2016 год среднее количество событий было примерно постоянным и составляло около 2,5 апвеллингов в год и в последние 8 лет наблюдается их небольшое увеличение. Максимальное количество апвеллингов (13) отмечено в 1943 г. Продолжительность апвеллингов в среднем составляет 7 сут, максимальная – 21 сут (в 1979 г.). Температура воды обычно падает примерно на 5°С, макимальный перепад составил 13,5°С в 2016 г.

Обнаружено увеличение доли апвеллингов в августе по сравнению с другими месяцами в период 1970-2023 гг. Выявлено также перераспределение апвеллингов в сторону их большей продолжительности и бóльших перепадов температуры после 1970 г. по сравнению с предыдущим периодом. Причиной этих изменений стал глобальный ход снижения ветровой активности, связанный с наблюдаемыми климатическими изменениями, а также особое перераспределение доли N и SW ветров в заливе в период исследований.

Число полных апвеллингов уменьшалось с каждым десятилетием: с 12 в 1940-х гг. до всего одного в 2010-х. После 2020 года полные апвеллинги пока не наблюдались. Описаны и сопоставлены два случая полного и перемежающегося апвеллингов. Высказано предположение о возможном экологическом воздействии на залив Лиственничный из-за комбинированного воздействия увеличения антропогенной нагрузки и уменьшения частоты апвеллингов.

Благодарности

Авторы благодарят всех сотрудников Лаборатории гидрологии и гидрофизики ЛИН СО РАН за участие в экспедиционных работах и сборе данных, а также за продуктивное обсуждение результатов исследований. Особая благодарность Руслану Гнатовскому за подготовку данных ERA5-Land для анализа.

Исследование выполнено в рамках Государственного задания ЛИН СО РАН (0279-2021-0004).

Об авторах

Е. С. Троицкая

Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук; ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: elena.troitskaya@lin.irk.ru
Россия, ул. Улан-Баторская, 3, Иркутск, 664033; ул. К. Маркса, 1, Иркутск, 664003

М. Н. Шимараев

Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук

Email: elena.troitskaya@lin.irk.ru
Россия, ул. Улан-Баторская, 3, Иркутск, 664033

И. А. Асламов

Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук

Email: elena.troitskaya@lin.irk.ru
Россия, ул. Улан-Баторская, 3, Иркутск, 664033

Список литературы

Дополнительные файлы