Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря

В работе изучается эволюция экосистемы Черного моря на протяжении трех десятилетий – с начала семидесятых годов прошлого столетия по начало нынешнего века. За это время морская экосистема претерпела существенные изменения от предэвтрофикационного состояния до стадии эвтрофикации в восьмидесятых –...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Дорофеев, В.Л., Коротаев, Г.К., Сухих, Л.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Назва видання:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112447
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 99-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-112447
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1124472017-01-22T03:02:52Z Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И. Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря В работе изучается эволюция экосистемы Черного моря на протяжении трех десятилетий – с начала семидесятых годов прошлого столетия по начало нынешнего века. За это время морская экосистема претерпела существенные изменения от предэвтрофикационного состояния до стадии эвтрофикации в восьмидесятых – первой половине девяностых. Помимо количественных вариаций объема биологической продукции в верхнем слое моря эти изменения наблюдались также в составе компонентов экосистемы и их сезонном цикле. Изучение эволюции экосистемы Черного моря проводится на основе трехмерной численной междисциплинарной модели, состоящей из модели циркуляции и биогеохимического блока. 2011 Article Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 99-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112447 551.465 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
spellingShingle	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И. Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	В работе изучается эволюция экосистемы Черного моря на протяжении трех десятилетий – с начала семидесятых годов прошлого столетия по начало нынешнего века. За это время морская экосистема претерпела существенные изменения от предэвтрофикационного состояния до стадии эвтрофикации в восьмидесятых – первой половине девяностых. Помимо количественных вариаций объема биологической продукции в верхнем слое моря эти изменения наблюдались также в составе компонентов экосистемы и их сезонном цикле. Изучение эволюции экосистемы Черного моря проводится на основе трехмерной численной междисциплинарной модели, состоящей из модели циркуляции и биогеохимического блока.
format	Article
author	Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И.
author_facet	Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И.
author_sort	Дорофеев, В.Л.
title	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря
title_short	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря
title_full	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря
title_fullStr	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря
title_full_unstemmed	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря
title_sort	моделирование долговременной изменчивости экосистемы черного моря
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112447
citation_txt	Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 99-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT dorofeevvl modelirovaniedolgovremennojizmenčivostiékosistemyčernogomorâ AT korotaevgk modelirovaniedolgovremennojizmenčivostiékosistemyčernogomorâ AT suhihli modelirovaniedolgovremennojizmenčivostiékosistemyčernogomorâ
first_indexed	2025-07-08T03:57:32Z
last_indexed	2025-07-08T03:57:32Z
_version_	1837049636225810432
fulltext	99 УДК 551 .465 В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев , Л .И. Сухих Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ ЧЕРНОГО МОРЯ В работе изучается эволюция экосистемы Черного моря на протяжении трех десятилетий – с начала семидесятых годов прошлого столетия по начало нынешнего века. За это время морская экосистема претерпела существенные изменения от предэвтрофикационного состояния до стадии эвтрофикации в восьмидесятых – первой половине девяностых. Помимо количественных вариаций объема биологи- ческой продукции в верхнем слое моря эти изменения наблюдались также в составе компонентов экосистемы и их сезонном цикле. Изучение эволюции экосистемы Черного моря проводится на основе трехмерной численной междисциплинарной модели, состоящей из модели циркуляции и биогеохимического блока. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : Черное море, экологическая система, экологическая модель, хлорофилл-«а», нитраты. Введение. Последние несколько десятилетий характеризуются сущест- венной трансформацией морской экосистемы бассейна Черного моря. Эти изменения проявились в биомассе, структуре и сезонном цикле фитопланк- тона. После относительно здорового состояния 60-х – начала 70-х годов прошлого столетия экосистема Черного моря испытала интенсивную эв- трофикацию, резкое уменьшение биологического разнообразия и рыбных запасов в течение последующих лет. Такие драматические изменения в эко- системе Черного моря были следствием, как климатических изменений, так и внешнего антропогенного воздействия. Выздоровление экосистемы Чер- ного моря, начавшееся в середине 90-х годов, объясняется некоторыми за- щитными мерами, предпринятыми для контроля над антропогенным загряз- нением и чрезмерным выловом рыбы. В данной работе представлены ре- зультаты моделирования эволюции экосистемы Черного моря в течение трех десятилетий с 1971 по 2001 гг. Анализ проведен на основе результатов численного моделирования, выполненного по трехмерной междисципли- нарной модели Черного моря. Модель экосистемы Черного моря. Междисциплинарная модель эко- системы Черного моря, описывающая нижние уровни пищевой цепи, состо- ит из двух основных блоков: модели циркуляции и биогеохимической мо- дели. Между этими частями существует односторонняя связь: гидро- физические поля, получаемые по модели циркуляции, используются затем в качестве входных параметров биогеохимического блока. В данной работе для периода времени с 1971 по 1993 гг. использовались результаты реана- лиза [1], а с 1994 по 2001 гг. – гидродинамические поля, полученные по мо- дели циркуляции с ассимиляцией спутниковых альтиметрических данных. В обоих случаях использовалась модель циркуляции Черного моря, создан- ная на основе модели РОМ, адаптированной к условиям Черного моря [2]. © В .Л . Дорофеев , Г .К . Коротаев , Л .И . Сухих , 2011 100 Преимуществом модели циркуляции на основе этой модели (POM) является наличие турбулентной подмодели, позволяющей реалистично воспроизво- дить процессы перемешивания в верхнем слое моря, играющие большую роль в снабжении биогенами верхнего фотического слоя, в котором в основном происходят биологические процессы, описываемые в модели. Пространствен- ный шаг сетки модели циркуляции составляет примерно 8 км (141 × 88 узлов). Вертикальное разрешение модели – двадцать шесть расчетных уровней в σ- координатах, сгущающихся у поверхности. В качестве внешнего воздейст- вия в модели были заданы поля поверхностной температуры, потоков тепла и пресной воды, а также солнечная радиация. Эти поля, которые берутся из данных реанализа ERA-40, имеют периодичность 6 часов и интерполируют- ся на сетку модели циркуляции. Альтиметрические данные представляют собой вдольтрековые аномалии возвышений уровня моря, полученные с различных спутников (выставляются на сайте AVISO). Процедура ассими- ляции данных спутниковой альтиметрии, использовавшаяся в [3], была адаптирована к модели РОМ. Биогеохимическая часть модели экосистемы занимает верхний двухсот- метровый слой моря и состоит из 15 компонент. Нижний уровень пищевой цепи представляют две группы фитопланктона (диатомовые и флагелляты). Второй пищевой уровень представляют две размерные группы зоопланк- тона: микрозоопланктон (размеры менее 0,2 мм) и мезозоопланктон (разме- ры от 0,2 до 3,0 мм). Верхний уровень пищевой цепи занимают медузооб- разные Aurelia aurita и Mnemiopsis leidyi. Отдельную группу представляет всеядная динофлагеллята Noctiluca scintillans, потребляющая фитопланктон, бактериопланктон, микрозоопланктон и взвешенную органику. Пищевая цепь включает в себя также бактериопланктон, растворенную и взвешенную органику. Представленная модель основана на азотном цикле (азот рассмат- ривается как единственный ограничивающий элемент). В азотный цикл включены три неорганических соединения: аммоний, нитраты и нитриты. В биогеохимическую модель также входят в качестве отдельных переменных состояния растворенные кислород и сероводород. Изменение во времени составляющих экосистемы описывается уравнениями переноса-диффузии, включающими в правую часть слагаемые типа источников-стоков. Пара- метризация потоков азота при взаимодействии различных компонентов био- геохимической модели содержит большое количество размерных или без- размерных коэффициентов. Величины этих коэффициентов выбираются со- гласно работам [4 – 6]. На поверхности моря задаются нулевые потоки всех переменных состояния кроме кислорода. На нижней границе, в той ее части, где она жидкая (горизонт 200 м), ставятся нулевые условия для всех компо- нентов экосистемы кроме аммония и сероводорода, а в мелководной части моря на дне – условия отсутствия потоков. Такие же условия ставятся на боковых границах, за исключением устьев крупных рек, где задаются пото- ки биогенов пропорциональные их концентрации и интенсивности речного стока [7]. Биогеохимическая модель имеет такое же горизонтальное прост- ранственное разрешение, как и модель циркуляции. В вертикальном на- правлении двадцать шесть расчетных z-уровней расположены неравно- мерно – более часто у поверхности. Необходимые гидрофизические поля, получаемые по модели циркуляции, интерполируются на сетку биогеохими- ческой модели. 101 Результаты моделирования эволюции экосистемы. Эволюция сред- ней за год биомассы фито- и зоопланктона в верхнем пятидесятиметровом слое для различных частей Черного моря представлена на рис. 1. 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 Биомасса фитопланктона (гCм2) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 Биомасса фитопланктона (гCм2) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Биомасса зоопланктона (гCм2) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Биомасса зоопланктона (гCм2) Годы Рис . 1. Временная эволюция среднегодовых значений биомассы фито- планктона (а, б) и зоопланктона (в, г) в глубоководной части Черного моря (а, в) и на северо-западном шельфе (б, г). 1 – результаты осреднения по за- падной глубоководной части Черного моря, 2 – по восточной глубоковод- ной части Черного моря, 3 – по всей площади глубоководной части Черно- го моря. 1 2 3 а б в г 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Б и о м ас са ф и то п л ан к то н а, г С /м 2 Б и о м ас са ф и то п л ан к то н а, г С /м 2 Б и о м ас са зо о п л ан к то н а, г С /м 2 Б и о м ас са зо о п л ан к то н а, г С /м 2 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 102 В глубоководной части Черного моря средняя по площади бассейна биомасса фитопланктона в верхнем 50-метровом слое выросла с начала 70-х по начало 90-х годов примерно вдвое, затем она начала уменьшаться. При этом для за- падной и восточной глубоководных частей Черного моря наблюдается значи- тельная разница биомассы фитопланктона (за исключением периода с конца 80-х до середины 90-х годов прошлого столетия). Как видно из рис. 1, б, г, в этот период в кривой эволюции на шельфе наблюдается небольшой провал. То есть, в этот период влияние биопродукции с шельфа, где ее уровень в це- лом выше примерно в полтора раза, на глубоководную часть уменьшилось. Средняя биомасса фитопланктона на шельфе увеличилась с начала 70-х до конца 80-х годов не так значительно: с 2,2 гС/м2 до примерно 2,7 гС/м2. За- тем величина биомассы фитопланктона на северо-западном шельфе снижается вплоть до середины 90-х годов прошлого столетия, после чего в 1995 г. следует всплеск и затем опять уменьшение биомассы. Рост первичной продукции в глубоководной части моря получил отклик в виде некоторого роста биомассы зоопланктона, который закончился в конце 80-х годов резким уменьшением. На северо-западном шельфе средне- годовая биомасса зоопланктона держалась практически постоянной до кон- ца 80-х и затем, как и в глубоководной части, резко упала. Это внезапное изменение популяции зоопланктона в конце 80-х годов связано с появлени- ем гребневика Mnemiopsis leidyi, который в это время стали наблюдать в больших количествах во многих районах Черного моря. На рис. 2 представлена эволюция биомассы Aurelia и Mnemiopsis в глу- боководной части Черного моря за десятилетний период с конца 80-х до середины 90-х годов: представлены как результаты моделирования, так и результаты измерений в открытой части моря [7]. Рис . 2. Декадная эволюция биомассы Aurelia aurita (а) и Mnemiopsis leidyi (б) в глубоководной части Черного моря. Сплошные линии, чис- ленные значения которых соответствуют левым осям графиков, показы- вают результаты моделирования. Значки, соединенные пунктиром озна- чают данные измерений [8]. Биомасса Aurelia (гС/м2) Биомасса Aurelia (г/м2) Биомасса Mnemiopsis (г/м2) Биомасса Mnemiopsis (гC/м2) 3 2 1 0 3 2 1 0 а б 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 5000 4000 3000 2000 1000 0 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Годы 103 До 1988 г. Aurelia aurita доминировала в группе хищников пищевой цепи рассматриваемой системы. После появления гребневика Mnemiopsis leidyi, за- несенного в Черное море с балластными водами танкеров, он стал доминиро- вать в экосистеме, так как не имел в то время естественного хищника. 1988 – 1991 гг. характеризуют этап перехода экосистемы Черного моря от доминиро- вания Aurelia aurita к доминированию Mnemiopsis leidyi. В результате, популя- ция медузы Aurelia aurita резко уменьшилась, а численность Mnemiopsis leidyi возросла. Кроме того, появление дополнительного хищника в этот период при- вело к резкому уменьшению популяции мезо- и микрозоопланктона. Рассмотрим временную эволюцию поверхностных характеристик. На рис. 3 показана изменчивость осредненной за год и по площади поверх- ностной концентрации фитопланктона для глубоководной части Черного моря и северо-западного шельфа. Здесь же (см. рис. 3) изображено пове- дение осредненных величин нитратов в слое максимума (для глубоководной части) и поступление нитратов на северо-западный шельф с речным стоком, которые использовались в расчетах [7]. 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Фитопланктон (ммольN/м3) Нитрат (ммольN/м3) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.8 1 1.2 1.4 500 600 700 800 900 1000 1100 Фитопланктон (ммольN/м3) Нитрат (кт/год) Рис . 3. Временная эволюция среднегодовых значений средних по пло- щади поверхностных концентраций фитопланктона в глубоководной час- ти Черного моря (а) и на северо-западном шельфе (б). 1 – эволюция зна- чений концентраций нитратов в слое максимума; 2 – поступление нитра- тов на северо-западный шельф Черного моря с речным стоком. Концентрация поверхностного фитопланктона возросла в глубоковод- ной части моря от значений 0,25 ммольN/м3 в начале 70-х до 0,7 ммольN/м3 в начале 90-х, а затем начала падать. При этом кривая изменения концент- рации фитопланктона очень хорошо отслеживает кривую изменения вели- чины концентрации нитратов в слое максимума. На северо-западном шельфе 1 2 а б 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 1,4 1,2 1,0 0,8 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 Годы Фитопланктон (ммольN/м3) Нитраты (кг/год) Фитопланктон (ммольN/м3) Нитраты (ммольN/м3) 104 поверхностная концентрация фитопланктона в среднем в два и более раз выше, чем в глубоководной части моря. Она также растет до середины 80-х вместе с ростом поступления нитратов с речным стоком, а затем начинает опускаться. Нитраты являются основным питательным веществом в рассматриваемой системе. Поэтому изменение количества фитопланктона в верхнем слое моря напрямую связано с содержанием в этом слое нитратов. На рис. 4 представлена эволюция осредненной за год и по площади поверхностной концентрации нит- ратов в глубоководной части Черного моря и на его северо-западном шельфе. 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 2 4 6 8 10 Поверхностный нитрат (ммольN/м3) Нитрат (ммольN/м3) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 8 12 16 20 24 28 32 500 600 700 800 900 1000 1100 Поверхностный нитрат (ммольN/м3) Нитрат (кт/год) Рис . 4. Временнáя эволюция среднегодовых значений средних по пло- щади поверхностных концентраций нитратов в глубоководной части Чер- ного моря (а) и на северо-западном шельфе (б). 1 – эволюция значений концентраций нитратов в слое максимума; 2 – поступление нитратов на северо-западный шельф с речным стоком. В глубоководной части моря средняя концентрация нитратов в поверхно- стном слое выросла примерно в пять раз за двадцать лет и четко следует изме- нениям величины максимума нитратов, который наблюдается на глубинах 60 – 70 м. Как известно, в глубоководной части Черного моря нитраты в по- верхностный слой поступают из нижних слоев с высокой концентрацией во время интенсивного зимнего перемешивания. Количество поступивших в верхний слой нитратов напрямую зависит от величины концентрации в слое максимума. По данным измерений в рассматриваемый период времени значе- ние максимума нитратов значительно менялось. В конце 60-х годов оно со- ставляло величину 2 – 3 ммольN/м3, затем в конце 80-х годов – выросло до 8 ммольN/м3 и далее упало до величины около 4 ммольN/м3 в начале нынешне- го века, что хорошо видно на показанных на рис. 5 распределениях нитратов. На северо-западном шельфе основным фактором, влияющим на величину концентрации нитратов в поверхностном слое, является поступление нитратов б 2 а 1 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 32 28 24 20 16 12 8 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 Годы 10 8 6 4 2 1100 1000 900 800 700 600 500 Содержание нитратов в поверхностном слое (ммольN/м3) Нитраты (кг/год) Содержание нитратов в поверхностном слое (ммольN/м3) Нитраты (ммольN/м3) 105 со стоком рек, главным обра- зом – Дуная. Это хорошо вид- но из графиков, приведенных на рис. 4, где кривая измене- ния содержания нитратов в поверхностном слое хорошо отслеживает кривую, показы- вающую поступление нитра- тов на северо-западный шельф с речным стоком. В то же вре- мя, возвращаясь к рис. 3 отме- тим, что четкая корреляция между содержанием в поверх- ностном слое фитопланктона и поступлением нитратов от- сутствует. Это, по-видимому, объясняется тем, что нитратов здесь достаточно много, и они не ограничивают рост первич- ной продукции. Ее изменения в данном случае вызываются, в большей степени, другими факторами: погодными усло- виями, освещенностью и т.д. В течение рассматрива- емого периода эволюция эко- системы Черного моря проя- вилась не только в измене- нии биомассы ее компонен- тов, но и в изменении сезон- ного цикла. Естественный го- довой цикл фитопланктона изменился на более сложный. Основное цветение фито- планктона происходит в конце зимы-начале весны, когда в поверхностном слое аккумулированы нитраты в результате интенсивного зимнего перемешивания, и он получает достаточно солнечного света. За цветением фитопланктона следует всплеск популяции зоопланктона, который питается фитопланктоном. В результате содержание фитопланктона в поверхностном слое моря резко уменьшается. В свою очередь фитопланктон поедается медузой Aurelia aurita. К концу весны происходит ее цветение, и численность зоопланктона резко уменьшается. В годовом цикле фито- планктона также заметны летний подповерхностный максимум и цветение в конце осени-начале зимы. На рис. 6 – рис. 8. показана эволюция трех ком- понентов экосистемы в верхнем стометровом слое глубоководной части моря для трех лет, соответствующих предэвтрофикационному состоянию экосистемы и во время эвтрофикации. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 17 16 15 14 13 NO3 (ммольN/м3) 1971 1988 2001 NO3, ммольN/м3 Рис . 5. Распределение нитратов в зависимос- ти от плотности морской воды для глубоко- водной части моря: а – результаты модели- рования; б – данные измерений (взяты из ра- боты [9]). σt а 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 б σt 14 15 16 17 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 Atantis, 1969 Knorr, 1988 Bilirn, 1994 Knorr, 2003 σt σt 106 1972 1973 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1982 1983 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 1992 1993 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 Рис . 6. Сезонная эволюция концентрации фитопланк- тона (ммольN/м3) для трех лет: а – 1972 г.; б – 1982 г.; в – 1992 г. 1972 1973 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1982 1983 1992 1993 а б в 106 107 1972 1973 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1982 1983 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1992 1993 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Рис . 7. Сезонная эволюция концентрации зоопланктона (ммольN/м3) для трех лет: а – 1972 г.; б – 1982 г.; в – 1992 г. 1972 1973 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 1982 1983 1992 1993 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 а б в 107 108 1972 1973 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1982 1983 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1992 1993 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Рис . 8. Сезонная эволюция концентрации медузы Aurelia aurita (ммольN/м3) для трех лет: а – 1972 г.; б – 1982 г.; в – 1992 г. 1972 1973 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 H, м 20 40 60 80 100 1982 1983 1992 1993 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 а б в 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 108 109 В 1982 г. интенсивность весеннего цветения фитопланктона стала выше по сравнению с 1972 г. Кроме того, весенний пик в концентрации фитопланк- тона разбивается на два, а летний подповерхностный максимум стал интенсивнее и имеет более сложную структуру. Весенний максимум в концентрации зоопланктона также разделился на два, расположенных близко по времени. Цветение медузы Aurelia имеет несколько максимумов, самый большой из которых приходится на апрель-май. В 1992 г., когда в эко- системе появился и доминировал новый хищник – гребневик Mnemiopsis leidyi, фитопланктон испытывает ряд цветений, самое интенсивное из которых по-прежнему приходится на начало весны. Сезонный ход содержания зоопланктона в верхнем слое моря также имеет несколько пиков, при этом подповерхностный максимум в этом году не наблюдается. Сезонный ход численности медузы Aurelia в 1992 г. примерно такой же, как в 1972 г.: имеется максимум в апреле-мае и затем второй, меньшей интенсивности, в конце осени (см. рис. 8). Как отмечалось выше, нитраты в рассматриваемой системе являются главным питательным веществом для первичной продукции. От насы- щенности верхнего слоя моря питательным веществом зависит уровень концентрации фитопланктона. На рис. 9, приведен график изменения со временем поверхностной концентрации нитратов в глубоководной части Черного моря за рассматриваемый период. Сезонный ход имеет ярко выраженный пик в зимнее время, связанный с интенсивными зимними процессами перемешивания, в результате чего в поверхностный слой моря из нитроклина поступает большое количество нитратов. Затем они расходуются в результате производства первичной продукции, и в течение остального времени года концентрация нитратов у поверхности низкая. В то же время, хорошо видна межгодовая изменчивость, связанная главным образом с изменением значений концентрации нитратов в слое максимума. С начала 70-х до пика в 1992 г. значение поверхностной кон- центрации выросло в четыре раза. В сезонном ходе концентрации фитопланк- тона основной чертой является весеннее цветение. На рис. 10 показана межгодовая эволюция средней за весенний сезон поверхностной концентрации фитопланктона в глубоководной части моря. Годы Рис . 9. Временнáя изменчивость средней по площади бассейна поверхност- ной концентрации нитратов в глубоководной части Черного моря. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Н и тр ат ы , м м о л ь N /м 3 110 Там же приведены значения зимнего максимума поверхностного распреде- ления нитратов. Видно, что эти две величины хорошо коррелируют: растет концентрация нитратов в зимний период, соответственно растет содержание фитопланктона в поверхностном слое весной. Интенсивность биологических процессов в поверхностном слое Черного моря зависит как от изменений в слое максимума нитратов так и от погодных условий. Основное количество питательных веществ поступает в фотическую зону глубоководной части моря в зимний сезон. Это количество зависит от интенсивности перемешивания, которое в свою очередь зависит от интен- сивности и продолжительности зимних штормов на Черном море и поверх- ностной температуры воды. Чем ниже опускается зимой температура, тем глубже проникает конвекция. На рис. 11 приведены значения зимнего поверх- ностного максимума нитратов в глубоководной части моря и содержание в поверхностном слое фитопланктона в весеннее время вместе со значениями средней за зиму температуры поверхности моря для разных лет. Хотя основная межгодовая изменчивость в поверхностном содержании нитратов и фитопланктона связана с содержанием нитратов в нитроклине, так- же видна связь между понижением зимней температуры моря и повышением содержания нитратов в верхнем слое и затем запасами фитопланктона. Снабжение верхнего приповерхностного слоя нитратами в зимнее время может быть проиллюстрировано рис. 12, на котором изображено распреде- ление по глубине и по времени (с начала 1988 по конец 1993 гг.) концентрации нитратов в центральной глубоководной части моря. Отчетливо видно, как в зимнее время нитраты поднимаются к поверхности моря. Затем, когда света становится достаточно, они потребляются фитопланктоном и их концентрация в поверхностном слое остается незначительной вплоть до начала следующей зимы. В 1992 и 1993 гг., когда зимы были самые холодные, к поверхности поднялось больше нитратов, чем в более теплые зимы. Появление в последнее время спутниковых данных о содержании по- верхностного хлорофилла-«а», получаемых цветовыми сканерами, позво- ляет сравнить результаты моделирования с реальной картиной, наблюдае- мой в природе. 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 3 4 5 6 7 8 Нитраты (ммольN/м3)Фитопланктон (ммольN/м3) Рис . 10. Эволюция значений зимнего максимума поверхностной концен- трации нитратов ( ) и средней за весенний сезон поверхностной концентра- ции фитопланктона ( ). 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Ф и то п л а н к то н , м м о л ь N /м 3 8 7 6 5 4 3 2 0 Н и тр а ты , м м о л ь N /м 3 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Годы 111 На рис. 13 представлены осредненные по поверхности моря и за сезон значения концентрации поверхностного хлорофилла-«а», полученные по модели и в результате обработки спутниковых данных. Спутниковые данные получены с сайта «Black Sea Color» [10] и представляют собой осредненные за сезон карты поверхностного хлорофилла-«а». Нетрудно видеть, что обе кривые носят периодический характер, но амплитуда колебаний модельных резуль- татов выше и они смещены по фазе на сезон. На этом же графике при- 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Годы Рис . 12. Временная изменчивость концентрации нитратов (в ммольN/м3) в верхнем слое моря в точке с координатами 43° с.ш., 34° в.д. Г л у б и н а , м 0 20 40 60 80 100 120 140 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 Нитраты (ммоль N /м3) T (oC) 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 6 7 8 9 10 Фитопланктон (ммольN/м3) T (oC) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 10 9 8 7 6 Т ем п ер ат у р а, ° С Т ем п ер ат у р а, ° С Н и тр ат ы , м м о л ь N /м 3 Ф и то п л ан к то н , м м о л ь N /м 3 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 Годы Рис . 11. Временнáя изменчивость средней по площади бассейна (сплошная линия): а – зимней поверхностной концентрации нитратов в глубоководной части моря; б – весенней поверхностной концентрации фитопланктона. Сред- незимняя температура поверхности моря – пунктир. а б 10 9 8 7 6 8 6 4 2 0 112 ведены осредненные за год значения концентрации хлорофилла-«а» в поверхностном слое, из которых следует, что модель правильно восстанав- ливает средний уровень этой величины. На рис. 14 и рис. 15 приведены карты полей средней за сезон поверх- ностной концентрации хлорофилла-«а» в разные сезоны 1998 г., получен- ные в результате моделирования и в результате расчета по спутниковым данным. Самые высокие концентрации наблюдаются весной. Максималь- ные величины концентрации, как в спутниковых, так и в модельных данных, расположены в районе северо-западного шельфа благодаря пос- туплению большого количества биогенов с водами Дуная. Исключение составляет зимний сезон, когда концентрация на шельфе не выше, чем в глубоководной части моря. В зимний и осенний сезоны поверхностная концентрация хлорофилла-«а», полученная по модели, занижена по сравнению с данными спутниковых из- мерений. Другим отличием результатов моделирования от данных изме- рений является то, что область повышенной концентрации на шельфе шире для модельных значений. Это может быть объяснено недостаточным горизонтальным пространственным разрешением модели (около 8 км) по сравнению со спутниковыми данными (1 км). Заключение. Результаты моделирования долговременной эволюции экосистемы Черного моря показали ее существенную изменчивость на про- тяжении рассматриваемого периода. С начала семидесятых до девяностых годов прошлого столетия значительно выросла биомасса в верхнем слое Черного моря. Этот период характеризуется как стадия эвтрофикации Чер- ного моря. Затем с середины девяностых годов популяция планктона начи- нает уменьшаться, что соответствует периоду выздоровления экосистемы Черного моря. Рис . 13. Осредненные по площади бассейна средние за сезон значения по- верхностной концентрации хлорофилла-«а»: ( ) – полученные по модели; ( ) – спутниковые данные. Среднегодовые значения концентрации хлоро- филла-«а»: ( ) – результаты моделирования; ( ) – результаты, получен- ные по спутниковым данным. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 К о н ц е н тр а ц и я х л о р о ф и л л а- «а » , м г/ м 3 1997 1998 1999 2000 2001 Годы 113 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Рис . 14. Средние за сезон карты полей поверхностной концентрации хлорофилла-«а» (в мг/м3) для зимнего и весеннего периодов 1998 г.: а, в – рассчитанные по модели; б, г – рассчитанные по спутниковым данным. с.ш. 46° 44° 42° Концентрация хлофилла-«а» в зимний период а 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 б с.ш. 46° 44° 42° 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д. 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д. Концентрация хлофилла-«а» в весенний период в 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 г 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 113 114 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Рис . 15. Средние за сезон карты полей поверхностной концентрации хлорофилла-«а» (в мг/м3) для летнего и осеннего периодов 1998 г.: а, в – рассчитанные по модели; б, г – рассчитанные по спутниковым данным. с.ш. 46° 44° 42° Концентрация хлофилла-«а» в летний период а 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 б 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Концентрация хлофилла-«а» в осенний период 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д. 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° в.д. с.ш. 46° 44° 42° в 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 г 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 114 115 При этом изменение состояния экосистемы проявлялось не только в увеличении объемов биопродукции, но и в изменении сезонного цикла ос- новных компонентов. Показано, что объем биологической продукции в верхнем слое моря в глубоководной его части тесно связан со значением концентрации нитратов в слое максимума, расположенного между верхним и нижним нитроклином на глубине примерно 70 м. За рассматриваемый пе- риод эта величина изменилась в несколько раз, и в соответствии с этим ме- нялся объем биопродукции в поверхностном слое Черного моря. Неплохое соответствие показало сравнение характеристик поверхностного хлорофил- ла-«а», полученного по результатам моделирования, со спутниковыми дан- ными. Результаты численного моделирования в целом соответствуют тому поведению экосистемы Черного моря, которое известно по многочислен- ным измерениям биологических и геохимических параметров. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Моисеенко В.А., Коротаев Г.К., Кныш В.В., Кубряков А. И., Белокопытов В.Н., Инюшина Н. В. Межгодовая изменчивость термохалинных и динамических ха- рактеристик Черного моря по результатам реанализа за период 1971 – 1993 гг. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис- пользование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2009. – вып. 19. – С. 216-227. 2. Кныш В.В., Кубряков А.И., Инюшина Н.В. Коротаев Г.К. Восстановление кли- матической сезонной циркуляции Черного моря на основе модели в σ-ко- ординатах с использованием ассимиляции данных о температуре и солености // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис- пользование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2008. – вып. 16. – С. 243-265. 3. Дорофеев В.Л, Коротаев Г.К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизи- ческий журнал. – 2004. – № 1. – С. 52-68. 4. Oguz T., Ducklow H.W., Malanotte-Rizzoli P. et al. A physical-biochemical model of plankton productivity and nitrogen cycling in the Black Sea. // Deep-Sea Research. – 1999. – v. 1, № C46. – P. 597-636. 5. Oguz T., Ducklow H.W., Malanotte-Rizzoli P. Modeling distinct vertical biochemical structure of the Black Sea: Dynamical coupling of the oxic, suboxic, and anoxic lay- ers // Global biochemical cycles. – 2000. – v.14, № 4. – P. 1331-1352. 6. Oguz T., Ducklow H.W., Purcell J.E., Malanotte-Rizzoli P. Modeling the response of top-down control exerted by gelatinous carnivores on the Black Sea pelagic food web // J. Geophys. Res. – 2001. – v. 106, № C3. – P. 4543-4564. 7. Ludwig W. River runoff and nutrient load data synthesis for hindcasting simulations // Deliverable 4.3.2, SESAME project. 8. Purcell J.E., Shiganova T.A., Decker M.B., Houde E.D. The ctenophore mnemiopsis in native and exotic habitats: U.S. estuaries versus the Black Sea basin // Hydrobiolo- gia. – 2001. – 451. – P. 145-176. 9. Oguz, T., Gilbert, D. Abrupt transitions of the top-down controlled Black Sea pelagic ecosystem during 1960–2000: Evidence for regime-shifts under strong fishery exploi- tation and nutrient enrichment modulated by climate-induced variations. // Deep-Sea Research. – 2007. – v.1. – P. 1-23. 10. Сайт «Black Sea Color». [Электронный ресурс]. http://blackseacolor.com/ (Про- верено 15.12.2010). Материал поступил в редакцию 20 .12 .2010 г .

Моделирование долговременной изменчивости экосистемы Черного моря

Репозитарії

Схожі ресурси