LiveOcean

Изменения в водах Пьюджет-Саунд за последнее столетие

Паркер Маккриди, Вашингтонский университет, Школа океанографии

Изменение климата и то, как оно может повлиять на экосистему Пьюджет-Саунд, вызывают серьезную озабоченность в нашем регионе. Здесь мы исследуем, как свойства воды Пьюджет-Саунд, речной сток и погода изменились за последнее столетие. Этот анализ основан на проекте Salish Sea Marine Survival, целью которого является понять, почему популяции чавычи и кижуча в море Salish сократились примерно с 1970 года.

РЕЗЮМЕ: Основываясь на наблюдениях за свойствами воды, течением рек и погодой, за последнее столетие в Пьюджет-Саунд произошли три явных изменения. Температура воды в проливе повысилась на 0,5-1,0 °С, при этом наибольшее повышение произошло в поверхностных водах канала Худ. Соленость изменилась меньше, хотя поверхностные воды канала Худ кажутся преснее примерно на 1 psu. Нет четкой тенденции в общем количестве осадков, и большинство рек не показывают значительных долгосрочных изменений.Однако на реках с большими водоразделами в Каскадах сток больше зимой и меньше весной, потому что меньше тает снега. Температура воздуха постепенно повышалась, примерно на 1-2 °C за столетие, что согласуется с изменением температуры воды.

• Свойства воды в Пьюджет-Саунд
• Течение реки: изменения во времени
• Погода: количество осадков, солнечный свет и температура.
• РЕЗЮМЕ

• Другие источники информации
• Данные и программы, используемые для построения этих графиков

Географические названия Пьюджет-Саунд: «Бассейны» обычно глубокие со слабыми приливными течениями. Это Главный бассейн, бассейн Уидби, канал Худ и Саут-Саунд. «Проливы», соединяющие их, обычно мельче, уже и имеют гораздо более сильные приливные течения, особенно Адмиралтейский залив и Такома-Нарроуз.

Свойства воды в Пьюджет-Саунд [ВВЕРХ]

В настоящее время Департамент экологии штата Вашингтон выезжает каждый месяц на небольшой лодке и гидросамолете и отбирает пробы воды на нескольких десятках повторяющихся станций по всему Пьюджет-Саунд и в прибрежных эстуариях Вашингтона. Они собирают данные CTD о температуре, солености, растворенном кислороде (DO) и других свойствах по всей толще воды, во многих случаях на глубине более 200 м. Они также берут пробы воды в бутылки с нескольких глубин, обычно 0, 10 и 30 м, которые анализируются на наличие химических веществ, таких как нитраты. Данные экологии восходят к 1991 г., хотя здесь мы рассматриваем только 1999-2017 гг. из-за наличия РК в записях.

Это дает нам данные почти за 40 лет, но этого недостаточно, чтобы четко определить долгосрочные тенденции, которые могут коррелировать с сокращением численности лосося. Чтобы расширить наши записи, мы используем набор данных Collias, компиляцию данных о литье и бутылках за период 1932-1975 годов.Эти данные не отбираются с той же ежемесячной периодичностью или постоянным местоположением станций, что и данные по экологии, но путем агрегирования их по бассейнам или более длительным периодам времени мы можем объединить наборы данных по экологии и Collias, чтобы получить гораздо более длинную (хотя и неполную) историческую запись.

Представляя наши результаты, мы сосредоточимся на Главном бассейне и канале Худ, потому что они имеют хорошую доступность данных и отражают изменения, которые мы наблюдаем в большей части пролива. Аналогичные графики для всех бассейнов доступны здесь.

На картах выше показаны станции Ecology и Collias. Схема станции «Экология» гораздо более регулярна. Мы объединяем два набора данных, усредняя все данные в данном бассейне.

Выше мы построили длинные временные ряды четырех свойств воды, объединяя данные Collias и Ecology для всех станций в Главном бассейне. Выбираем дату из трех глубин: 0, 10 и 30 м. Во временных рядах есть явные пробелы, и единственные действительно непрерывные записи начинаются с 1999 года по экологии. Годовой цикл (например, холодная вода зимой, теплая летом) проявляется во всех свойствах. Хотя мы думаем, что Главный бассейн является относительно хорошо перемешанным, существуют также явные различия в глубине, например, поверхностные воды всегда более пресные из-за притока из рек. На глаз трудно увидеть, есть ли четкие тенденции в данных. Кроме того, данные по нитратам (NO3) на самом деле не содержат достаточной информации за прошлые периоды, чтобы определить наличие тенденций.

Глядя на аналогичные временные ряды со всех станций канала Худ (выше), можно заметить некоторые поразительные изменения с течением времени. Поверхностные воды кажутся более теплыми и пресными, а РК на глубине 30 м может уменьшиться. Являются ли эти сигналы реальными или, возможно, из-за различий в местоположении образцов или методах? На эти вопросы сложно ответить (мы не можем вернуться в прошлое и заново собрать данные Коллиаса!), поэтому мы ищем подтверждающие доказательства.Мы сделаем это, (i) взглянув на данные несколькими другими способами, и (ii) просмотрев соответствующие записи о течении реки и погоде, которые, как известно, влияют на воду в Пьюджет-Саунд.

Один из способов упростить все эти данные — посмотреть на сезонный цикл. Это означает, что мы берем все данные из заданного бассейна в заданном диапазоне глубин, а затем усредняем их по месяцам, как показано выше для Главного бассейна. Снова мы показываем четыре свойства воды: температура, соленость, растворенный кислород и нитраты. Цвета показывают глубину.

Мы также разделили наш временной ряд на три подпериода, обозначенных разными стилями линий, чтобы найти изменения во времени. Для Главного бассейна нет очевидных изменений ни в средних значениях, ни во времени. Причина, по которой время имеет значение, заключается в том, что разные запасы лосося выходят из рек в разное время года.

Глядя на сезонный цикл в канале Худ (вверху), мы видим некоторые поразительные изменения с течением времени. Поверхностные воды в современную эпоху, 1999-2017 гг., теплее (особенно летом) и преснее (особенно зимой). Растворенный кислород на расстоянии 30 м уменьшился примерно на 3 мг/л (около 30%). Один тип изменений, которые мы явно не видим ни в одной из этих записей, — это изменения во времени.

Чтобы изучить свойства воды более подробно, мы можем посмотреть на изменения в зависимости от глубины в бассейне. В верхнем ряду графиков выше мы отображаем ВСЕ данные о температуре и солености Collias (синий) и Ecology (красный) из Главного бассейна. Данные сильно разбросаны, потому что мы рассматриваем все месяцы всех лет. Чтобы было понятнее, мы усредняем все данные по пятиметровым интервалам, а затем выбираем только «сухие» месяцы (с мая по сентябрь, средний ряд) или «влажные» месяцы (с октября по апрель, нижний ряд). Единственное, что действительно бросается в глаза, это то, что вся толща воды стала теплее примерно на 1 °C за современный, экологический, период данных. Это согласуется с другими длинными записями данных из моря Салиш (Riche et al.2014) и, как мы увидим ниже, с погодой. Поскольку мы могли проводить точные измерения температуры на протяжении веков, вполне вероятно, что эти изменения реальны, а не являются артефактом отбора проб или процедур.

Что касается водной толщи в канале Худ (вверху), то снова наблюдаются некоторые признаки потепления, особенно в дождливые месяцы. Также имеет место некоторое, по-видимому, реальное потепление и распреснение поверхностных вод, но оно обособлено до верхнего 5-метрового отстойника. Может ли это быть связано с плавучим мостом на канале Худ, частично препятствующим стоку поверхностных вод в Тихий океан? Возможно. Мост был построен в 1961 году. С другой стороны, канал Худ входит в число наиболее «стратифицированных» бассейнов пролива, что означает, что свойства воды быстро меняются с глубиной у поверхности. Это означает, что небольшие изменения в точной глубине наблюдений за водой вблизи поверхности могут привести к очевидным изменениям, когда мы делаем наши 5-метровые средние значения.

Течение реки: изменения во времени [НАВЕРХ]

Одним из видов экологических данных, по которым имеются очень длинные записи, является речной сток, предоставляемый Геологической службой США. Мы просмотрели длинные записи по основным рекам пролива, охватывающим все бассейны. По большей части за последнее столетие не было четкой тенденции среднегодового речного стока или времени этого стока. Выше показано одно важное исключение — река Скагит. Это самая крупная река пролива, впадающая в бассейн Уидби, а затем в северный главный бассейн, со среднегодовым расходом 500 м3/с (с учетом половина чистая река впадает в Зунд). Полная запись суточного стока почти за 80 лет представлена ​​на (а). Ниже мы усредняем поток по годам (b). Между влажными и засушливыми годами существует большая разница, например, в засушливый 2001 г. было меньше половины стока влажного года. Явной долгосрочной тенденции нет.Среднегодовые значения фактически рассчитываются с использованием «водных лет», которые начинаются 1 октября предыдущего года, чтобы охватить весь влажный период зимы.

В то время как нет долгосрочной тенденции в ОБЪЕМЕ расхода воды в этой реке, есть изменение ВРЕМЕНИ. Это видно на (c), где мы группируем весь поток по дням года, а затем делаем отдельные средние значения для всего до 1970 г. (синий цвет) и после 1970 г. (красный цвет). Явное изменение заключается в том, что в более поздних записях (красный) «весенний паводок» пикового стока в июне (около 160-го дня) уменьшился, а сток зимой увеличился. Физическая причина этого, которая также вполне очевидна для других рек, таких как Фрейзер, заключается в том, что зимой в горах накапливается меньше снега, поэтому весной меньше тает. Это может быть важным изменением для лосося в проливе Саунд, если весной он зависит от обильной холодной пресной воды. Другие исследованные нами реки не имеют такого сильного весеннего паводка, и в результате они не демонстрировали столь долговременных изменений.

Погода: осадки, солнечный свет и температура [НАВЕРХ]

Мы также можем изучить долгосрочные записи погоды в нашем регионе, чтобы убедиться, что они согласуются с потеплением, которое мы наблюдали в водах Пьюджет-Саунд. Вы можете получить доступ к этим данным из Национального центра климатических данных. Несмотря на то, что доступно много данных, не так много записей существует так долго, как нам бы хотелось. Кроме того, некоторые типы данных, о которых мы хотели бы знать, такие как скорость ветра, по-видимому, имеют погрешности и странные скачки из-за изменений в инструментах на протяжении многих лет. Поэтому мы сосредоточимся здесь на вещах, которые измеряются наиболее надежно: осадках и температуре.

Особенно хорошие долгосрочные данные получены из аэропорта SeaTac, расположенного к югу от Сиэтла. На графике выше мы показываем данные об осадках, усредненные по годам (на самом деле год воды, как мы сделали для речного стока) почти за 70 лет.Толстая линия посередине — чистый осадок (см), так что вы можете видеть, что каждый год на нас выпадает около метра дождя. Возможно, в 80-е годы было более засушливым, а в 50-х – более влажным, но очевидной тенденции нет. Мы также строим линии, показывающие, в какой день года накопленные дожди составили 15% и 85% от общего количества осадков за этот год. Это способ поиска изменений во времени. Опять же, нет явных тенденций.

Все приведенные выше данные о дождях согласуются с тем, что мы видели в речном стоке: явного многолетнего тренда в количестве осадков нет.

Запись температуры от SeaTac показывает четкие долгосрочные тенденции. На верхнем графике выше мы показываем один показатель того, насколько солнечно в этом регионе, однако временной интервал, в течение которого доступны данные, на самом деле недостаточно велик, чтобы сказать, меняются ли вещи. На нижнем графике мы показываем максимальную и минимальную дневную температуру примерно за 70 лет, усредненную по месячным интервалам. Годовой цикл тепла и холода проявляется в виде зубчатых вверх и вниз кривых. Также наблюдается постепенное потепление, наиболее заметное в летней минимальной суточной температуре (пики синей кривой). Это указывает на то, что летние ночи за это время прогрелись примерно на 4 °C. В целом это потепление в целом согласуется с потеплением, которое мы наблюдали в водах Пьюджет-Саунд.

Физически более теплый воздух мог нагреть воду в Пьюджет-Саунд, но также вероятно, что потепление произошло на гораздо большей территории, например, в северной части Тихого океана, которая является источником вод для Салиш-Си и Пьюджет-Саунд.

ОБЗОР [ВЕРХ]

На основании представленных здесь наблюдений становится ясно, что некоторые аспекты свойств воды Пьюджет-Саунд изменились за последние 50-100 лет. Вода несколько теплее и имеет более низкий уровень кислорода ниже поверхности. Ни одно из этих изменений не пойдет на пользу лососю. Однако маловероятно, что одни только эти изменения вызвали значительное сокращение популяции чавычи и кижуча, которое мы наблюдали в Пьюджет-Саунд с 1970 г., но они могли способствовать этому.Есть много других возможных причин, изучаемых учеными США и Канады, включая изменения качества зоопланктона, хищничество тюленей, болезни и другие гипотезы.

Другие источники информации [НАВЕРХ]

• Для записей о погоде, таких как температура и осадки, есть замечательный новый онлайн-инструмент от Управления климатолога штата Вашингтон. Вы можете использовать это самостоятельно, чтобы быстро сделать графики, подобные тому, что мы сделали с погодой SeaTac выше.
• Приложение NANOOS NVS Climatology позволяет вам изучать текущие данные с буев в морских водах Вашингтона, помещая данные в исторический контекст.
• Красивый анализ долгосрочных изменений в проливе Джорджия, канадской части Салишского моря, находится в:
  • Рич, О., С. К. Йоханнессен и Р. В. Макдональд, 2014 г.: Почему время имеет значение в прибрежном море: тенденции, изменчивость и переломные моменты в проливе Джорджия, Канада. Дж. Мар. Сист., 131, 36-53, doi:10.1016/j.jmarsys.2013.11.003.
  • Прейкшот Д., Р. Дж. Бимиш и К. М. Невилл, 2013 г.: Динамическая модель, описывающая изменения на уровне экосистемы в проливе Джорджия с 1960 по 2010 гг. прог. океаногр., 115, 28-40, doi:10.1016/j.pocean.2013.05.020.
  • Ван, Х., С. Л. Ван и В. Р. Суэйл, 2010: Гомогенизация и анализ тенденций скоростей приземного ветра в Канаде. Дж. Клим., 23, 1209-1225. дои: 10.1175/2009JCLI3200.1
  • Циммерман, М., Дж. Р. Ирвин, М. О'Нил, Дж. Х. Андерсон, К. М. Грин, Дж. Вайнхаймер, М. Трудель и К. Роусон, 2015 г.: Пространственные и временные закономерности в выживании смолта дикого и заводского кижуча в Салишское море. Мар. Берег. Рыбы. Дин. Управление Экосистем. науч., 7, 116-134, doi:10.1080/19425120.2015.1012246.

  Данные и программы, использованные для создания этих графиков [НАВЕРХ]

  Если вы хорошо разбираетесь в программировании на python и хотите увидеть, как данные на приведенных выше графиках собирались и обрабатывались, вы можете найти целую кучу заархивированных входных, кодовых и выходных каталогов здесь.Я попытался включить четкие README во все папки с кодом, но если что-то неясно, пожалуйста, напишите автору: Parker MacCready, pmacc@uw.edu.

  голоса

  Рейтинг статьи