Atmosferyczne uwarunkowania występowania upwellingu przybrzeżnego w Morzu Bałtyckim

Projekt Badawczy NCN UMO-2016/21/B/ST10/01440 realizowany w Zakładzie Klimatologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Tytuł projektu: Atmosferyczne uwarunkowania występowania upwellingu przybrzeżnego w Morzu Bałtyckim

Kierownik grantu: prof. dr hab. Ewa Bednorz, e-mail: ewabedno@amu.edu.pl (Zakład Meteorologii i Klimatologii)

Wykonawcy projektu:

  • dr Bartosz Czernecki, e-mail: nwp@amu.edu.pl (Zakład Meteorologii i Klimatologii)
  • dr Marek Półrolniczak, e-mail: marekpol@amu.edu.pl (Zakład Meteorologii i Klimatologii)

Zaplanowane koszty realizacji projektu ogółem dla UAM wynoszą 212 120 PLN

 

Opis i wybrane wyniki projektu:

Projekt dotyczy systemu interakcji pomiędzy atmosferą a wodami morskimi i oceanicznymi, co jest zagadnieniem skomplikowanym i w dużym stopniu nierozpoznanym. Szczególnie złożonym zjawiskiem i mocno uwarunkowanym dynamiką atmosfery jest upwelling, który polega na wertykalnym wypływie wgłębnych wód do warstw powierzchniowych morza lub oceanu. W strefie przybrzeżnej mórz na półkuli północnej upwelling jest generowany przez wiatry wiejące wzdłuż brzegu, mające wybrzeże po lewej stronie. Ruch prądów powietrznych i morskich odbywa się spiralnie – zgodnie z teorią Ekmana – i jego efektem jest odpływanie wody powierzchniowej od brzegu w kierunku otwartego morza oraz zastępowanie jej wodami z niższych warstw. Celem projektu było ustalenie, jakie warunki atmosferyczne, a zwłaszcza cyrkulacyjne sterują występowaniem upwellingu w strefach przybrzeżnych Morza Bałtyckiego.

Latem, przy dobrze wykształconej stratyfikacji termicznej, wypływ wód spod termokliny oznacza istotny spadek temperatury wód powierzchniowych w rejonie wybrzeża. Zmiany temperatury powierzchni czynnej tj. wód morskich modyfikują lokalne warunki w przypowierzchniowej warstwie atmosfery. Zastępowanie górnych ciepłych warstw wody chłodniejszymi wodami wgłębnymi wiąże się też ze zwiększoną koncentracją substancji odżywczych i wzrostem fitoplanktonu. To oznacza, że rozpoznanie predyktorów występowania upwellingu może być pomocne przy planowaniu turystyki – ze względu na gwałtowne zmiany temperatury wód i modyfikacje stanu pogody, oraz dla rybołówstwa morskiego – ze względu na fluktuacje żyzności wód.

Na podstawie gridowych danych SST (sea surface temperature) pochodzących z zasobów  NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, USA, (http://www.esrl.noaa.gov, Reynolds et al., 2007) wyselekcjonowano przypadki upwellingu w przybrzeżnych pikselach (0,25°x0,25°) wód bałtyckich  i ustalono częstość występowania zjawiska w okresie letnim (czerwiec-sierpień) (ryc.1).

Ryc. 1. Częstość występowania upwellingu przybrzeżnego na Bałtyku w miesiącach od czerwca do sierpnia (1982–2017)

W założeniu projektu przyjęto, że określone układy ciśnienia atmosferycznego generują wiatry, które inicjują i wzmacniają upwelling wzdłuż poszczególnych odcinków wybrzeża Bałtyku, z kolei zmiany położenia układów barycznych powodują zmianę warunków anemologicznych i zahamowanie zjawiska. Dominujące w naszej strefie klimatycznej wiatry zachodnie wywołują wypływ wgłębnych chłodnych wód u wybrzeży Szwecji i przy północnych wybrzeżach Zatoki Fińskiej, a zahamowanie upwellingu u południowych i wschodnich wybrzeży Bałtyku. Odwrotnie działają wiatry  z kierunku wschodniego, które wzbudzają upwelling u wschodnich wybrzeży (za wyjątkiem północnej części Zatoki Fińskiej) i hamują w zachodniej części zbiornika. Północny kierunek wiatru najsilniej wzbudza wypływ wgłębnych wód u wybrzeży Lity i Łotwy, a kierunek południowy – u zachodnich wybrzeży Zatoki Botnickiej (ryc. 2).

Ryc. 2. Anomalie częstości występowania upwellingu przy zachodniej (W), wschodniej (E), północnej (N) i południowej (S) cyrkulacji

W kolejnym etapie realizacji projektu ustalono wpływ makroskalowych typów cyrkulacji atmosferycznej identyfikowanych nad obszarem euroatlantyckim na występowanie badanego zjawiska. Typ skandynawski (SCAND) wykazuje największy wpływ na występowanie upwellingu przybrzeżnego w południowej części Morza Bałtyckiego. W pozytywnej fazie SCAND, związanej z występowaniem wyżu w rejonie Skandynawii, wschodnia cyrkulacja w południowej części wyżu wzbudza upwelling u wybrzeży Polski, Litwy i Łotwy. Oscylacja Północnoatlantycka (NAO) jest w lecie zdecydowanie słabsza niż w okresie zimowym i objawia niewielki wpływ na cyrkulację atmosferyczną w rejonie bałtyckim i tym samym na cyrkulację wód. Słabe sygnały pojawiają się u wybrzeży Olandii i wzdłuż południowych wybrzeży Szwecji, gdzie negatywna faza NAO może wzbudzać wypływ wód wgłębnych. Typ Wschodnioatlantycki (EA), który bywa określany, jako przesunięty na południe typ NAO, wywiera większy niż NAO wpływ na formowanie upwellingu, szczególnie widoczny wzdłuż wschodnich wybrzeży Szwecji (ryc.3).

Ryc. 3. Anomalie częstości występowania upwellingu w pozytywnej (+) i negatywnej (-) fazie makroskalowych typów cyrkulacji.

Dla potrzeb badań nad występowaniem upwellingu przybrzeżnego na Bałtyku zidentyfikowano sześć lokalnych typów cyrkulacji nad północną Europą (PC1-PC6 na ryc. 4). Dla pozytywnej i negatywnej fazy każdego typu ustalono częstość występowania upwellingu na poszczególnych odcinkach wybrzeża i wyznaczono typy cyrkulacji sprzyjające powstawaniu zjawiska (ryc. 4).


Ryc. 4. Rozkład ciśnienia na poziomie morza (hPa) w pozytywnej (lewa kolumna) i negatywnej (prawa kolumna) fazie każdego typu cyrkulacji (PC1-PC6). Odcinki wybrzeża ze zwiększoną/zmniejszoną częstością upwellingu zaznaczono na zielono/czerwono.

W efekcie przeprowadzonych badań stwierdzono, że w niewielkim i prawie zamkniętym morzu, jakim jest Bałtyk, za sprawą różnorodnej orientacji linii brzegowej, upwelling może pojawiać się przy wietrze z dowolnego kierunku i każdy zidentyfikowany typ cyrkulacji może generować badane zjawisko na określonych odcinkach wybrzeża, powodując odgarnianie wierzchnich warstw wody i wypływ wód podpowierzchniowych. W większości przypadków, zgodnie z teorią Ekmana, upwelling wywołują wiatry wiejące wzdłuż wybrzeża, jednak ustalono, że na Bałtyku wypływ chłodnych wgłębnych wód w strefach przybrzeżnych następuje również przy wietrze odlądowym.

 

Przygotowano na podstawie publikacji:

Bednorz, E., Półrolniczak, M., Tomczyk, A.M. 2021. Regional circulation patterns inducing coastal upwelling in the Baltic Sea. Theoretical and Applied Climatology 144, 905–916 https://doi.org/10.1007/s00704-021-03539-7

Bednorz E., Półrolniczak M., Czernecki B., Tomczyk A.M. 2019. Atmospheric Forcing of Coastal Upwelling in the Southern Baltic Sea Basin. Atmosphere 10, 327 https://doi.org/10.3390/atmos10060327

Bednorz E., Czernecki B., Półrolniczak M., Tomczyk A.M. 2018. Atmospheric forcing of upwelling along the south-eastern Baltic coast. Baltica, 31 (1), 73-8 https://doi.org/10.5200/baltica.2018.31.07

Bednorz E., Półrolniczak M., Czernecki B., Hanna Forycka-Ławniczak, Tomczyk A.M. 2019. Synoptyczne uwarunkowania występowania upwellingu przybrzeżnego w południowo-wschodniej części Morza Bałtyckiego [w:] Kolendowicz L., Bednorz E. Tomczyk A.M. (red.) Zmienność klimatu Polski i Europy oraz jej cyrkulacyjne uwarunkowania. Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, 15-30. (20)

Pozostałe publikacje związane z projektem:

Bednorz, E., Tomczyk, A.M. 2021. Influence of macroscale and regional circulation patterns on low- and high-frequency sea level variability in the Baltic Sea. Theoretical and Applied Climatology  144, 115–125 https://doi.org/10.1007/s00704-020-03500-0

Bednorz, E., Czernecki, B., Tomczyk, A.M., Półrolniczak M. 2019. If not NAO then what?—regional circulation patterns governing summer air temperatures in Poland. Theoretical and Applied Climatology  136, 1325–1337 https://doi.org/10.1007/s00704-018-2562-x

Kolendowicz, L., Półrolniczak, M., Szyga-Pluta, K., Bednorz E. 2018. Human-biometeorological conditions in the southern Baltic coast based on the universal thermal climate index (UTCI). Theoretical and Applied Climatology  134, 363–379 https://doi.org/10.1007/s00704-017-2279-2