Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х

На основе расчетов по трехмерной междисциплинарной модели анализируется эволюция экосистемы Черного моря на протяжении девяти лет первой декады 21-го столетия. Данная работа является дополнением к предыдущим исследованиям динамики экосистемы Черного моря с 1971 по 2001 годы. Первое десятилетие 2000-...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2012
Main Authors:	Дорофеев, В.Л., Коротаев, Г.К., Сухих, Л.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2012
Series:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Subjects:	Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56875
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56875
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-568752025-02-23T19:47:17Z Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х Simulation of the Black Sea Ecosystem evolution during the first decade of 2000s. Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И. Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах На основе расчетов по трехмерной междисциплинарной модели анализируется эволюция экосистемы Черного моря на протяжении девяти лет первой декады 21-го столетия. Данная работа является дополнением к предыдущим исследованиям динамики экосистемы Черного моря с 1971 по 2001 годы. Первое десятилетие 2000-х характеризуется общим потеплением в регионе, что проявляется в повышении среднегодовой и среднезимней температуры поверхности моря и уменьшении холодозапаса и толщины холодного промежуточного слоя. В работе изучается отклик нижних уровней пищевой цепи морской экосистемы на эти изменения климата. На основі розрахунків за допомогою тривимірній міждисциплінарної моделі аналізується еволюція екосистеми Чорного моря впродовж дев'яти років першої декади 21-го сторіччя. Ця робота є доповненням до попередніх досліджень динаміки екосистеми Чорного моря з 1971 по 2001 роки. Перше десятиліття 2000-х характеризується загальним потеплінням в регіоні, що проявляється в підвищенні середньорічної і середнезімней температури поверхні моря і в зменшенні холодозапасу і товщини холодного проміжного шару. В роботі вивчається відгук нижніх рівнів харчового ланцюга морської екосистеми на ці зміни клімату. The Black Sea ecosystem evolution during nine years of the first decade of the 21st century is analyzing on the basis of calculations carried out by the threedimensional interdisciplinary model. This work is an addition to previous studies of the Black Sea ecosystem dynamic from 1971 to 2001. The first decade of the 2000s is characterized by a general warming in the region, which is pronounced in the form of elevation of annual- and winter-mean sea surface temperature and decrease in cold content and thickness of the Cold Intermediate Layer. We study the response of the lower levels of the food chain of the marine ecosystem to these changes in climate. Работа выполнена при частичной поддержке проекта «MyO2» – My Ocean2 (GA № 283367) EC FP7/2007-2013. Авторы благодарят С.В. Станичного, любезно предоставившего необходимые спутниковые данные. 2012 Article Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56875 551.043 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу application/pdf Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах
spellingShingle	Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Дорофеев, В.Л. Коротаев, Г.К. Сухих, Л.И. Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	На основе расчетов по трехмерной междисциплинарной модели анализируется эволюция экосистемы Черного моря на протяжении девяти лет первой декады 21-го столетия. Данная работа является дополнением к предыдущим исследованиям динамики экосистемы Черного моря с 1971 по 2001 годы. Первое десятилетие 2000-х характеризуется общим потеплением в регионе, что проявляется в повышении среднегодовой и среднезимней температуры поверхности моря и уменьшении холодозапаса и толщины холодного промежуточного слоя. В работе изучается отклик нижних уровней пищевой цепи морской экосистемы на эти изменения климата.
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 эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х
title_short	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х
title_full	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х
title_fullStr	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х
title_full_unstemmed	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х
title_sort	моделирование эволюции экосистемы черного моря в течение первой декады 2000-х
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Экология Черного моря и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56875
citation_txt	Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х / В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2012. — Вип. 26, том 2. — С. 163-174. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT dorofeevvl modelirovanieévolûciiékosistemyčernogomorâvtečeniepervojdekady2000h AT korotaevgk modelirovanieévolûciiékosistemyčernogomorâvtečeniepervojdekady2000h AT suhihli modelirovanieévolûciiékosistemyčernogomorâvtečeniepervojdekady2000h AT dorofeevvl simulationoftheblackseaecosystemevolutionduringthefirstdecadeof2000s AT korotaevgk simulationoftheblackseaecosystemevolutionduringthefirstdecadeof2000s AT suhihli simulationoftheblackseaecosystemevolutionduringthefirstdecadeof2000s
first_indexed	2025-11-24T19:12:47Z
last_indexed	2025-11-24T19:12:47Z
_version_	1849700193182679040
fulltext	163 © В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих, 2012 ЭКОЛОГИЯ ЧЕРНОГО МОРЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРИБРЕЖНОЙ И ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНАХ УДК 551 .043 В.Л. Дорофеев, Г.К. Коротаев, Л.И. Сухих Морской гидрофизический институт НАН Украины. г. Севастополь МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ЭКОСИСТЕМЫ ЧЕРНОГО МОРЯ В ТЕЧЕНИЕ ПЕРВОЙ ДЕКАДЫ 2000-х. На основе расчетов по трехмерной междисциплинарной модели анализируется эволюция экосистемы Черного моря на протяжении девяти лет первой декады 21-го столетия. Данная работа является дополнением к предыдущим исследованиям динамики экосистемы Черного моря с 1971 по 2001 годы. Первое десятилетие 2000-х характеризуется общим потеплением в регионе, что проявляется в повышении среднегодовой и среднезимней температуры поверхности моря и уменьшении холодозапаса и толщины холодного промежуточного слоя. В работе изучается отклик нижних уровней пищевой цепи морской экосистемы на эти изменения климата. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : численное моделирование, экосистема, Черное море. Введение. В работах [1, 2] были описаны результаты моделирования ди- намики экосистемы Черного моря в течение трех десятилетий (1970 – 2001 гг.) с помощью трехмерной междисциплинарной модели. Этот период характери- зовался существенной трансформацией морской экосистемы, которая прояви- лась в изменении биомассы, структуры и сезонном цикле фитопланктона. По- сле относительно здорового состояния 60-х – начала 70-х годов прошлого сто- летия экосистема Черного моря испытала интенсивную эвтрофикацию, резкое уменьшение биологического разнообразия и рыбных запасов в течение сле- дующих лет. Результаты численного моделирования, выполненные по трех- мерной междисциплинарной модели и описанные в [1, 2], в целом отразили основные черты эволюции экосистемы Черного моря, известные по многочис- ленным измерениям биологических и геохимических параметров. С начала семидесятых до девяностых годов значительно выросла биомасса в верхнем слое Черного моря. Этот период характеризуется как стадия эвтрофикации Черного моря. При этом изменение состояния экосистемы проявлялось не только в увеличении объемов биопродукции, но и в изменении сезонного цик- ла основных компонентов. Было показано, что биомасса верхнего слоя моря в глубоководной его части тесно связана со значением концентрации нитратов в слое максимума, расположенного между верхним и нижним нитроклином на глубине примерно 70 м. За рассматриваемый период величина этой концентра- ции изменилась в несколько раз, и в соответствии с этим менялся объём био- 164 продукции в поверхностном слое Черного моря. Было также проведено срав- нение пространственного распределения поверхностной концентрации хлоро- филла, полученного по результатам моделирования и по спутниковым дан- ным, что показало неплохое их соответствие. В данной работе приводятся результаты моделирования экосистемы для периода времени с 2002 по 2010 годы, что дополняет предыдущие работы. Модель экосистемы Черного моря. Динамика нижнего уровня пищевой цепи экосистемы описывается междисциплинарной трехмерной моделью, со- стоящей из численной модели циркуляции Черного моря и биогеохимического блока. Между этими частями существует односторонняя связь: гидрофизичес- кие поля, получаемые по модели циркуляции (температура, соленость, ско- рости течений и коэффициенты турбулентной диффузии), являются входными параметрами биогеохимической части модели. В качестве модели циркуляции использовалась модель Принстонского университета (The Princeton Ocean Model – РОМ), адаптированная к условиям Черного моря [3]. Преимуществом этой модели является наличие турбулентной подмодели, позволяющей реа- листично воспроизводить процессы перемешивания в верхнем слое моря, играющие важную роль в биологических процессах в слое фотосинтеза. Пространственный шаг сетки модели циркуляции составляет примерно 8 км (141 × 88 узлов). Вертикальное разрешение – 26 расчетных уровней в σ - координатах, сгущающихся у поверхности. В качестве внешнего воздействия использовались поля поверхностной температуры, потоков тепла и пресной воды, а также солнечная радиация. Эти поля представляют собой результат атмосферного реанализа ММ5 (Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model, NCAR – National Centers of Atmospheric Research) 2001 – 2011 гг. для Черноморского региона, выполненного в МГИ НАН Украины М.В. Шокуро- вым [4]. Горизонтальное пространственное разрешение полей реанализа равно 18 км, дискретность по времени – 1 час. Биогеохимическая часть модели экосистемы охватывает верхний двух- сотметровый слой моря и включает 15 переменных состояния. Нижний уро- вень пищевой цепи представляют две группы фитопланктона (диатомовые и флагеллаты), следующий уровень представляют две размерные группы зоо- планктона: микрозоопланктон и мезозоопланктон. Верхний уровень пище- вой цепи занимают медузообразные Aurelia aurita и Mnemiopsis leidyi. От- дельную группу представляет всеядная динофлагеллата Noctiluca scintillans, потребляющая фитопланктон, бактериопланктон, микрозоопланктон и взвешенную органику. Пищевая цепь включает в себя также нефотосинте- зирующий бактериапланктон, растворенную и взвешенную органику. Пред- ставленная модель основана на азотном цикле (азот рассматривается как единственный ограничивающий элемент). В азотный цикл входят также три неорганических соединения: аммоний, нитраты и нитриты. В качестве от- дельных переменных состояния биогеохимической модели рассматривают- ся также растворенные кислород и сероводород. Изменение во времени со- ставляющих экосистемы описывается уравнениями переноса-диффузии, включающими в правую часть слагаемые типа источников-стоков. (F),+) z F (K z +FK= z )F)w+((w + y (vF) + x (uF) + t F vh s ℜ ∂ ∂ ∂ ∂∇ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ 2 165 где (F)ℜ описывает взаимодействие различных компонентов модели, Sw – скорость оседания, отличная от нуля для диатомовых водорослей и взве- шенной органики и равная нулю для остальных переменных состояния, )( wv,u, – компоненты скорости течений, vh K,K – коэффициенты горизон- тальной и вертикальной турбулентной диффузии соответственно. Параметризация потоков азота при взаимодействии различных компо- нентов биогеохимической модели содержит большое количество размерных или безразмерных коэффициентов. Величины этих коэффициентов выбира- ются согласно работам [5 – 7]. На поверхности моря задаются нулевые по- токи всех переменных состояния кроме кислорода. На жидкой части ниж- ней границы (горизонт 200 м), задаются нулевые условия для всех компо- нентов экосистемы кроме аммония и сероводорода, а в мелководной части моря на дне – условия отсутствия потоков. Так же условия отсутствия пото- ков ставятся на боковых границах, за исключением устьев крупных рек, где потоки биогенов пропорциональны их концентрации и интенсивности реч- ного стока. В данной работе использовались климатические значения этих величин, полученные на основе данных из [8]. Биогеохимическая модель имеет горизонтальную сетку такую же, как модель циркуляции. В верти- кальном направлении двадцать шесть расчетных z-уровней расположены неравномерно – более часто у поверхности, где шаг сетки равен 2 м, а на глубинах более 150 м – 20 м. Гидродинамические поля, полу- чаемые в модели циркуляции, интерполируются затем на вертикальную сетку биогеохимической части и используются в качестве входных пара- метров. Вертикальная скорость рассчитывается на новой сетке из уравнения неразрывности. Изменчивость физических полей. Рассматриваемый нами период (2002 – 2010 гг.) характеризуется повышением температуры верхнего слоя Черного моря. Рост поверхностной температуры моря хорошо виден на графи- ках эволюции среднегодовой и среднезимней температур, полученным по ре- зультатам моделирования (см. рис. 1, а). Для сравнения рядом приведены ана- логичные графики, демонстрирующие эволюцию тех же величин, полученных по спутниковым измерениям поверхностной температуры. Как среднегодовая, так и среднезимняя температура поверхности Чер- ного моря поднялась за рассматриваемый период примерно на 1 °С. Хотя количественно значения температуры, полученные по модели, отличаются а б 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 14 14.4 14.8 15.2 15.6 16 8 8.5 9 9.5 10 Среднегодовая температура, 0C Среднезимняя температура, 0C годы 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 14.8 15.2 15.6 16 16.4 16.8 7.2 7.6 8 8.4 8.8 9.2 годы Среднегодовая температура, 0C Среднезимняя температура, 0C Годы наблюдений Годы наблюдений Рис . 1. Временная эволюция среднегодовых (сплошная линия) и среднезимних (пунктирная линия) значений поверхностной температуры, осредненных по глубо- ководной части бассейна Черного моря: а – результаты моделирования; б – результаты спутниковых измерений. 16,0 15,6 15,2 14,8 14,4 14,0 9,2 8,8 8,4 8,0 7,6 7,2 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 16,8 16,4 16,0 15,6 15,2 14,8 а б 166 от соответствующих значений температуры, полученных по спутниковым наблюдениям, качественно их поведение со временем близко. В частности, в изменчивости зимней температуры имеются локальные минимумы в 2006 и 2008 гг. и максимумы в 2005 и 2007 гг. Нагревание верхнего слоя моря может также быть видно по поведению холодного промежуточного слоя (ХПС), характеризующегося водной мас- сой с температурой ниже 8 °С. На рис. 2 представлены графики зависимости от года средней за летний сезон толщины ХПС и его холодозапаса. 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 18 20 22 24 26 28 30 8 10 12 14 16 18Толщина ХПС (м) Холодозапас (0Cм) Годы наблюдений Рис . 2. Временная эволюция средних за лето значений поверхностной толщины ХПС (сплошная линия) и его хо- лодозапаса (пунктирная линия), осредненных по глубоко- водной части бассейна Черного моря . После роста в 2003 году летние толщина ХПС и его холодозапас умень- шаются. Эволюцию ХПС можно также проследить на временной диаграмме (рис. 3), где изображено поведение средней по горизонтам температуры мо- ря на разных глубинах. 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 -100 -50 0 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Z(м) Годы Годы наблюдений Рис . 3. Временная изменчивость средних по площади температур в верхнем 100-метровом слое Черного моря. Белой линией проведена изотерма 8 °С. Рис. 3. иллюстрирует процесс уменьшения холодного промежуточного слоя. В годы с теплой зимой (2007 г., 2009 г. и 2010 г.) средняя по гори- зонтам температура не достигает величины ниже 8 °С даже зимой, в отли- чие от лет с более холодной зимой. В годы с теплой зимой основным ме- ханизмом поддержания ХПС является проникновение вдоль западного бе- рега холодных зимних вод с северо-западного шельфа Черного моря (СЗШ) на глубину его ядра и дальнейший перенос в центральную часть бассейна течениями. На рис. 4 приведены карты осредненной за зимний сезон поверхност- ной температуры для двух лет с холодной зимой (2006 и 2008 гг.) и двух лет с теплой зимой (2007 и 2010 гг.). В годы с холодной зимой на большей час- К о о р д и н а та Z , м Т е м п е р а ту р а , °С 167 ти поверхности Черного моря температура ниже 8 °С, в то время как в два других года низкая температура занимает небольшие области поверхности. Важность изучения гидродинамических процессов, происходящих в Черном море в зимний сезон, определяется тем, что поступление питатель- ных веществ в верхний слой глубоководной части бассейна осуществляется из нижележащих слоев, в основном, в зимнее время, как результат интен- сивного перемешивания. Одним из механизмов такого перемешивания яв- ляется термическая конвекция, зависящая от охлаждения поверхностного слоя моря – чем ниже температура поверхности моря, тем интенсивнее кон- векция. Другим механизмом, влияющим на интенсивность перемешивания, является сила ветра во время сезона зимних штормов. Величина напряжения трения ветра влияет прямо на генерацию турбу- лентной энергии в приповерхностном слое моря и, как следствие, на интен- сивность перемешивания. На рис. 5, а представлена эволюция осредненной по площади бассейна ин- тенсивности ветра. На графике четко виден сезонный ход с максимумом в зим- нее время. Кроме того, межгодовая изменчивость также проявляется достаточ- но ярко. На рис. 5, б изображена временная эволюция ротора напряжения тре- ния ветра. Здесь также присутствует сезонный цикл с максимумом в середине зимы, однако он не так ярко выражен, как в случае интенсивности ветра. В частности, высокие значения завихренности поля напряжения трения ветра наблюдаются в 2003, 2004, 2006, 2008 и 2010 гг., а в 2007 и 2009 гг. в зимний сезон завихренность поля ветра имела довольно низкую величину. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Температура, °С Рис .4. Карты средней за зиму поверхностной температуры, полученной по результатам моделирования, для четырех лет, соответствующих холодным зимам (а – 2006 г., б – 2008 г.) и мягким (в – 2007 г., г – 2010 г.). Белой линией проведена изотерма 8 °С. 47° 45° 43° 41° 47° 45° 43° 41° Ш и р о та , с е в е р н а я Ш и р о та , с е в е р н а я а б в г 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° Долгота, восточная Долгота, восточная 168 На рис. 6 показаны осредненные за зиму карты полей течений в верхнем 30-метровом слое для четырех лет. Карты, представленные на рис. 6, а и рис. 6, б, соответствуют зимам, когда ротор поля ветра был большим – 2004 и 2006 гг., соответственно. Как следствие – в поле течений хорошо просматрива- ется интенсивное Основное Черноморское течение. На картах, представленных на рис. 6, в и рис. 6, г, показаны поля течений, соответствующие зимам с низкими значениями ротора ветра – 2007 и 2009 гг., соответственно. На этих картах течение не такое интенсивное и разбивается на ряд вихревых структур. Следует отметить, что величина ротора напряжения трения ветра с точностью до множителя равна скорости Экмана. Большая положительная величина завихренности приводит к дополнительной накачке питательных веществ в поверхностный слой моря за счет вертикальной адвекции. 42 44 46 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 28 30 32 34 36 38 40 Масштаб (м/с) 0.4 2004 2006 2007 2009 Рис . 6. Карты средней за зиму циркуляции в поверхностном 30-метровом слое, полученные по результатам моделирования: а – 2004 г., б – 2006 г., в – 2007 г., г – 2009 г. Эволюция экосистемы. Как отмечалось выше, зимний сезон является ключевым для развития морской экосистемы в течение всего года, так как в 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Напряжение трения ветра (Н/м2) 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 Ротор напряжения трения ветра (Н/м3)106 Годы наблюдений Годы наблюдений Рис . 5. Временная эволюция среднемесячных значений величины напряжения трения ветра (Н/м2), осредненной по площади глубоководной части бассейна (а), и ротора напряжения трения ветра (Н/м3 106) (б). а б 46° 44° 42° 46° 44° 42° Ш и р о та с ев ер н а я Ш и р о та с е в е р н а я 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° Долгота восточная Долгота восточная а б г в 0,4 169 это время в зону фотосинтеза глубоководной части черноморского бассейна поступает основное количество питательных веществ из нижних слоев. На рис. 7 представлена эволюция средних по площади поверхностных концен- траций некоторых компонентов экосистемы. Сезонный ход концентрации нитратов в поверхностном слое глубоковод- ной части моря (см. рис. 7, а) имеет четкий максимум в середине зимы, вы- званный интенсивным зимним перемешиванием. Затем с началом весеннего цветения фитопланктона содержание нитратов падает до низкого уровня и ос- тается таким до следующей зимы. Величина пиков меняется от года к году, что связано с погодными условиями зимой. Например, в 2005 и 2007 гг. зимы были сравнительно теплыми, соответственно значения зимних концентраций нитра- тов были ниже. На северо-западном шельфе (СЗШ) Черного моря (см. рис. 7, б) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 1 2 3 Концентрация нитрата (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 4 8 12 Концентрация нитрата (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.4 0.8 1.2 Концентрация фитопланктона (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 1 2 3 4 Концентрация фитопланктона (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Концентрация зоопланктона (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Концентрация зоопланктона (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.1 0.2 0.3 Концентрация медузы Aurelia aurita (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 Концентрация медузы Aurelia aurita (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Концентрация Mnemiopsis leidyi (ммоль N /м3) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Концентрация Mnemiopsis leidyi (ммоль N /м3) Рис . 7. Временная эволюция средних по площади значений поверхностной кон- центрации (ммольN/м3): а, б – нитратов; в, г – фитопланктона; д, е – зоопланктона; ж, з – медузы А. Аurita; и, к – гребневика M. leidyi. для глубоководной части бас- сейна (а, в, д, ж, и) и СЗШ Черного моря (б, г, е, з, к). Годы наблюдений Годы наблюдений а б в г е д ж з и к 3 1 2 0 1,2 0,8 0,4 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,3 0,2 0,1 0 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12 8 4 0 4 3 2 1 0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 170 концентрация нитратов существенно выше, чем в глубоководной части моря, что связано с постоянным притоком, вызванным стоком рек, главным обра- зом Дуная. Поверхностное содержание фитопланктона в глубоководной части моря имеет основной максимум в конце зимы – начале весны (весеннее цвете- ние), когда верхний слой моря насыщен питательными веществами и света становится достаточно для процессов фотосинтеза. Кроме того, небольшие максимумы наблюдаются в середине лета и в конце осени – начале зимы. Биомасса фитопланктона на СЗШ существенно выше, чем в открытой части моря. Её сезонный ход имеет основной максимум летом в июле, сразу за максимумом в концентрации медузы A. аurita, в результате цветения кото- рой резко падает популяция зоопланктона, и пищевая нагрузка на фито- планктон ослабевает. Концентрация же питательных веществ на СЗШ оста- ется достаточно высокой в течение всего года, а освещенность поверхности моря солнечным светом максимальна в летний сезон. Концентрация зоопланктона в поверхностном слое глубоководной час- ти Черного моря (см. рис. 7, д) достигает максимума в марте – апреле, как отклик на весеннее цветение фитопланктона. Затем его биомасса падает, что вызвано резким увеличением в мае популяции медузы A. аurita и гребневи- ка M. leidyi, которые питаются зоопланктоном. Максимум концентрации A. аurita достигается в мае, и затем – в конце осени. На мелководье её био- масса выше примерно в пять раз, чем в глубоководной части бассейна с максимумом в середине летнего сезона. M. leidyi также имеет два максиму- ма в своем развитии: в мае и в конце лета. На шельфе же второй летний максимум становится основным. Как отмечалось выше, нитраты в рассматриваемой системе являются главным питательным веществом для первичной продукции. От насыщен- ности верхнего слоя моря питательным веществом зависит уровень концен- трации фитопланктона. В глубоководной части Черного моря нитраты в по- верхностный слой поступают, в основном, во время интенсивного зимнего перемешивания из нижележащих слоев с высоким их содержанием. Коли- чество нитратов зависит от интенсивности перемешивания, которое в свою очередь зависит от интенсивности и продолжительности зимних штормов на Черном море и поверхностной температуры воды. Чем ниже опускается зимой температура, тем глубже проникает конвекция. На рис. 8 приведены значения зимнего максимума нитратов в поверх- ностном слое глубоководной части Черного моря вместе с зимней темпера- турой поверхности моря. 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 1.8 2 2.2 2.4 2.6 8 8.5 9 9.5 10Нитраты (ммоль N/м3) Температура (оС) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 1.8 2 2.2 2.4 2.6 0.5 1 1.5Нитраты (ммоль N/м3) Фитопланктон (ммоль N/м3) Годы наблюдений Годы наблюдений Рис . 8. Временная эволюция среднезимних значений поверхностной температуры и январских значений максимума концентрации нитратов в поверхностном слое (ммольN/м3) – (а). Значения максимума концентрации нитратов и весеннего мак- симума фитопланктона (ммольN/м3) – (б). а б 171 Низкие значения поверхностной температуры хорошо коррелируют с высокими концентрациями нитратов в зимний период. Соответственно с зимним содержанием нитратов в поверхностном слое хорошо коррелирует интенсивность весеннего цветения фитопланктона. Примеры пространственного распределения нитратов и фитопланктона представлены на рис. 9. Максимальные значения концентрации нитратов в поверхностном слое Черного моря наблюдаются на СЗШ. Это вызвано по- ступлением большого количества биогенов с дунайскими водами. Повы- шенное содержание нитратов наблюдается также вдоль западного берега и Анатолийского побережья, что вызвано циклонической циркуляцией в Чер- ном море. В глубоководной части моря в зимнее время наблюдаются высокие кон- центрации нитратов по всей поверхности моря. Летом высокие значения в по- верхностном слое присутствуют только на северо-западном шельфе. Простран- ственное распределение фитопланктона также показывает наибольшие значе- ния на СЗШ, вдоль западного и южного берегов бассейна. Во время весеннего цветения биомасса фитопланктона достигает больших значений и во внутрен- ней части бассейна. Летом же фитопланктон концентрируется, в основном, на шельфе и в местах впадения рек. Как проявление синоптической изменчивости на летней карте виден процесс переноса фитопланктона с северо-западного шельфа во внутреннюю область севастопольским антициклоном. На рис. 10 представлены разрезы распределения нитратов в январе и в июле вдоль параллели 42,5° с.ш. Хорошо виден слой максимума нитратов с центром на глубине примерно 70 м. В зимнее время высокие значения нит- ратов доходят до поверхности, при этом, верхний нитроклин оказывается 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2 3 5 10 20С.Ш. В.Д. 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2 3 5 10 20С.Ш. В.Д. 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 1.2 1.5 2С.Ш. В.Д. 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 1.2 1.5 2С.Ш. В.Д. Рис . 9. Карты распределения поверхностных концентраций нитратов (а, б) и фитопланктона (в, г) для 2004 г. (ммольN/м3): а, в – соответствуют январскому распределению нитратов и мартовскому распределению фитопланктона; б, г – соответствуют распределениям этих величин в июле. 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° Долгота, восточная 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° Долгота, восточная 46° 44° 42° 46° 44° 42° Ш и р о та , с ев ер н ая Ш и р о та , с ев ер н ая а б в г 172 размытым. В летнее время поверхностная концентрация нитратов низкая, отчетливо проявляются верхний и нижний нитроклины. Рис. 11 демонстрирует такие же сечения для распределения концентрации фитопланктона в марте во время весеннего цветения и в июле. В марте макси- мальные значения наблюдаются у поверхности моря. Концентрация фито- планктона примерно постоянна до глубины около 20 м, затем она падает. Вы- сокие значения наблюдаются не только возле СЗШ, но и в центре бассейна. В летнее время биомасса фитопланктона в поверхностном слое довольна низка, что вызвано малым содержанием в этом слое питательных веществ. Максимум фитопланктона находится на глубине примерно тридцати метров. В этом слое концентрация нитратов уже значительна, и, кроме того, в летнее время на эту глубину проникает достаточно солнечного света для процессов фотосинтеза. Заключение. Проведенные расчеты эволюции экосистемы Черного моря являются дополнением к работе, выполненной ранее. Таким образом, получены непрерывные поля биогеохимических полей Черного моря для периода времени в сорок лет. Последние десять лет этого промежутка времени, которым посвящена данная работа, характеризуются общим потеплением в регионе Черного моря, что проявилось как в спутниковых данных, так и в результатах моделирования. Одним из результатов этого потепления стала деградация холодного перемешанного слоя, полученная 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 H(м) В.Д. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 H(м) В.Д. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Рис . 10. Распределение нитратов по параллели 42,5° с.ш. 28° 29° 30° 31° 32° 33° 34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41° Долгота, восточная Г л у б и н а, м 28° 29° 30° 31° 32° 33° 34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41° Долгота, восточная Январь 2004 г. Июль 2004 г. 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 H(м) В.Д. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 H(м) В.Д. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Рис . 11. Распределение фитопланктона по параллели 42,5° с.ш. 28° 29° 30° 31° 32° 33° 34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41° Долгота, восточная Г л у б и н а, м 28° 29° 30° 31° 32° 33° 34° 35° 36° 37° 38° 39° 40° 41° Долгота, восточная Январь 2004 г. Июль 2004 г. 173 по результатам моделирования. Откликом экосистемы на повышение температуры в зимнее время стало то, что в поверхностный слой моря в глубоководной части бассейна поступает меньше питательных веществ из глубоких слоев, богатых нитратами. В результате уменьшается первичная продукция и, как результат становится меньше биомасса остальных компонентов системы. Работа выполнена при частичной поддержке проекта «MyO2» – My Ocean2 (GA № 283367) EC FP7/2007-2013. Авторы благодарят С.В. Станичного, любезно предоставившего необхо- димые спутниковые данные. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К., Сухих Л.И. Моделирование эволюции экосисте- мы Черного моря в течение трех декад (1971 – 2001) // Морской гидрофизичес- кий журнал. – 2012. – № 3. – С. 61-74. 2. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К., Сухих Л.И. Моделирование долговременной из- менчивости экосистемы Черного моря // Экологическая безопасность прибреж- ной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севасто- поль: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2011. – Вып. 24. – С. 116-126. 3. Кныш В.В., Кубряков А. И., Инюшина Н. В. и др. Восстановление климатической сезонной циркуляции Черного моря на основе модели в σ-координатах с исполь- зованием ассимиляции данных о температуре и солености // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресур- сов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2008. – Вып. 16. – С. 243-265. 4. Шокуров М. В. Мезомасштабное моделирование атмосферы в Черноморском регионе // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и ком- плексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ- Гидрофизика». – 2011. – № 25, том 2. – С. 91-117. 5. 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 Res. – 1999. – Vol. 46, № 1. – P. 597-636. 6. 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. – Vol. 14, № 4. – P. 1331-1352. 7. 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 // Journal Geophys. Res. – 2001. – Vol. 106, № C3. – P. 4543-4564. 8. Ludwig W. River runoff and nutrient load data synthesis for hindcasting simulations //Deliverable 4.3.2, SESAME project. Материал поступил в редакцию 12 .11 .2012 г . 174 АНОТАЦ IЯ На основі розрахунків за допомогою тривимірній міждисцип- лінарної моделі аналізується еволюція екосистеми Чорного моря впродовж дев'яти років першої декади 21-го сторіччя. Ця робота є доповненням до попередніх досліджень динаміки екосистеми Чорного моря з 1971 по 2001 роки. Перше десятиліття 2000-х характеризується загальним потеплінням в регіоні, що проявляється в підвищенні середньорічної і середнезімней температури поверхні моря і в зменшенні холодозапасу і товщини холодного проміжного шару. В роботі вивчається відгук нижніх рівнів харчового ланцюга морської екосистеми на ці зміни клімату. ABSTRACT The Black Sea ecosystem evolution during nine years of the first decade of the 21st century is analyzing on the basis of calculations carried out by the three- dimensional interdisciplinary model. This work is an addition to previous studies of the Black Sea ecosystem dynamic from 1971 to 2001. The first decade of the 2000s is characterized by a general warming in the region, which is pronounced in the form of elevation of annual- and winter-mean sea surface temperature and decrease in cold content and thickness of the Cold Intermediate Layer. We study the response of the lower levels of the food chain of the marine ecosystem to these changes in climate.

Моделирование эволюции экосистемы Черного моря в течение первой декады 2000-х

Institution

Similar Items