ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 686-696
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
К ВОПРОСУ О ФОРМИРОВАНИИ АНОМАЛИЙ В ПОЛЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИХТИОПЛАНКТОНА ВДОЛЬ ФРАНЦУЗСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ В ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ПРОЛИВА ЛА-МАНШ
© 2004 г. К. А. Коротенко1, А. В. Сентчев2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва
2Институт ду Литторалъ, Франция Поступила в редакцию 17.02.2003 г., после доработки 26.06.2003 г.
Разработка и применение комплексной модели, включающей в себя трехмерную модель гидродинамики (РОМ), баротропную модель приливов и модель переноса частиц, позволили детально описать структуру гидрофизических полей пролива, формирующуюся в результате взаимодействия приливного течения, речного стока и турбулентности. Появляющийся в результате этого взаимодействия гидрологический фронт, отделяющий воды Атлантики от прибрежных распресненных вод у побережья Франции, а также соседствующие зоны дивергенции и конвергенции вдоль этого фронта, приводит к формированию аномалий в поле концентрации пассивных и активных модельных частиц. Результаты моделирования могут объяснять экспериментально наблюдаемые факты переноса и скопления ихти-опланктона вдоль побережья Франции, а также определить роль гидродинамических механизмов в этих процессах.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы большое внимание уделяется изучению роли и вклада циркуляции и процессов обмена в океане в формировании пятнистой структуры различных планктонных сообществ. Важное место также занимает изучение влияния этих процессов на характер и интенсивность обновления популяций различных видов рыб в связи с тем, что судьба икринок и личинок многих видов прямо зависит от системы течений, которые способны переносить их в места с наилучшими условиями для откорма. Как и во многих прибрежных районах Мирового океана, в проливе Ла-Манш процессы адвекции и турбулентной диффузии, очевидно, играют критическую роль в возобновлении популяций рыб. При этом, как показывают натурные наблюдения, нерестилища и области, где происходит откорм молоди, распределены по акватории пролива крайне неравномерно [10, 11, 13].
В апреле-мае 1995 г. в Северном море и в проливе Ла-Манш проводились широкомасштабные наблюдения за распределением ихтиопланктона и регистрация сопутствующих метеорологических и гидрологических параметров во время эксперимента. Целью наблюдений было получение материала, позволившего бы в будущем с помощью численных моделей проверить гипотезы о перемещении икры и личинок рыбы в этой акватории. Результаты измерений численности икринок камбалы (Pleuronectes/1в8ш) в восточной части пролива Ла-Манш (рис. 1), полученные в этом эксперименте, показаны на рис. 2. Величины даны в безразмерном виде М/У100Ытах, где N - число
частиц, У100 - объем 100 м3 и - максимальное количество особей в объеме. На рис. 2а-2г виден процесс трансформации распределения икры и личинок камбалы и их перемещения на разных стадиях их развития. На рис. 2а видно, что в начале эксперимента, в апреле 1995 г. икра камбалы
(первая стадия развития1) находилась только в одном пятне, расположенном в 40 км от устья реки Соме в зоне нереста. Максимум концентрации при этом был равен 10 икринок на 100 м3. Личинки второй стадии развития (недельного возраста) находились также в одном пятне, но уже вытянутом на северо-восток (рис. 26). Максимум концентрации повысился до 30 икринок на 100 м3. Значительные изменения в распределении в поле концентрации отмечаются для личинок на третьей стадии развития (возраста двух недель). Концентрация более 10 икринок на 100 м3 были обнаружены уже в трех пятнах (рис. 2в), расположенных в 20-25 км от побережья. Взаимное расположение пятен показывает, что основное направление миграции личинок было северо-восточным вдоль берега. Следует отметить, что в период наблюдений ветер был северо-западный, поэтому его влияние на перемещение ихтиопланктона к северу можно исключить.
На рис. 2г показано пространственно-временное распределение личинок камбалы, находящихся на стадии 2 своего развития. Данные получены
1 РЫигопе^ез /1е5и5 от икры (1 стадия) проходит еще 5 ста-
дий своего развития в виде личинок. Стадии 1-3 при анали-
зе динамики можно считать пассивным трассером.
с.ш.
51
50°
Рис. 1. Район исследования и расположение станций наблюдения за уровнем моря (1), радарных измерений скорости течения (2) и отбора проб ихтиопланктона (3). Символами (4) обозначены ближайшие узлы расчетной сетки к станциям (1). Тонкие линии с числами - изобаты (м).
в мае 1995 г. спустя 3 недели после начала апрельского эксперимента. Распределение концентрации личинок свидетельствует также о существовании аномалий в этом распределении и дальнейшем продвижении ихтиопланктона к северу вдоль побережья Франции. На рис. 3 представлена обобщенная по натурным наблюдениям схема нереста и миграции личинок камбалы у побережья Франции. Показано также положение фронта распресненной воды. Видно, что ихтиопланктон сконцентрирован вдоль побережья в зоне стока рек Соме (Somme), Оти (Authie), Канша (Canche) и Лиана (Liane), а его среднее движение направлено на север вдоль побережья. Следует также подчеркнуть, что подобное скопление ихтиопланктона практически отсутствует в других районах восточной части пролива Ла-Манш. Ясно, что такому распределению ихтиопланктона должны способствовать специ-
1 2 #3 4
фические условия и механизмы, которые вынуждают ихтиопланктон концентрироваться в определенных местах исследуемой акватории.
Попытки понять эти механизмы и их влияние на перераспределение биопродукции предпринимались для различных районов Мирового океана рядом авторов [3, 5, 8, 12, 15, 19, 20, 21, 22, 23]. Специфика проблемы для Ла-Манша связана, в первую очередь, со сложностью динамики движения вод в проливе, которое формируется в результате взаимодействия многих факторов, таких как приливы, ветровое воздействие, речной сток, изменение уровня моря неприливного характера и др. Поэтому для решения этой проблемы необходим комплексный подход. С другой стороны, из-за пространственно-временной изменчивости гидрофизических процессов и ограниченности по вре-
с.ш.
Рис. 2. Распределение численности камбалы (величины см. в тексте) для различных стадий развития: стадия икры (а), стадия личинок 2 (б) и стадия личинок 3 (в) в течение первого этапа наблюдений (апрель 1995 г.), и стадия личинок 2 (г) в течение второго этапа наблюдений (май 1995 г.). Точками указаны места отбора проб.
мени данных наблюдений, полученных к настоящему времени, не представляется возможным однозначно интерпретировать причины возникновения аномалий в полях концентрации ихтиопланктона и выделить доминирующие процессы, управляющие возобновлением тех или иных популяций. По этой причине для решения данной проблемы в последнее время широко применяются численные методы, позволяющие оценить влияние гидрофизических механизмов на процессы формирования пятнистой структуры ихтиопланктона и его миграцию. Одним из таких методов является метод блуждающих частиц (МБЧ) [1, 3, 9, 19, 21, 23], который является гибким инструментом для исследования биофизических процессов в океане, поскольку объектом исследования в нем являют-
ся отдельные частицы, совокупность которых представляет исследуемое вещество. Вообще, более естественно представлять такие сообщества как фито-, зоо- и ихтиопланктон в виде частиц, а не концентрации вещества, с которой обычно оперируют конечно-разностные методы. Кроме того, в отличие от последних, МБЧ имеет ряд преимуществ, главное из которых - способность этого метода точно описывать адвекцию частиц в поле скорости течения, что очень важно при исследовании неоднородностей ихтиопланктона и его миграции в зонах со сложной динамикой вод.
В настоящей работе метод блуждающих частиц используется в совокупности с трехмерной моделью гидротермодинамики, что позволяет с достаточной степенью точности описать поля
температуры, солености и скорости течения в исследуемой акватории, что критически важно для предсказания траектории частиц и поля их концентрации. В состав предложенной в работе комплексной модели, описываемой ниже, входит также баро-тропная модель приливов (БМП), которая необходима для описания приливных течений, играющих важную роль в динамике вод пролива Ла-Манш.
2. КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ
Модуль переноса создан, как было указано выше, на основе МБЧ. При моделировании [1, 2, 3, 9, 19, 21, 23] траектория движения каждой частицы ансамбля представляется из отрезков, которые она проходит за единичный интервал времени. При этом перемещение частицы за этот интервал составляется из детерминированного движения, благодаря осредненному полю скорости течения, и случайного - за счет турбулентности. Алгоритм расчета приращения координат (Ах)к для к-ой частицы для ,-го промежутка времени А, можно записать в виде
(А х, )к = V, А ,, + (п )к (I = 1, 2; , = 1, 2, ..., Ы,; к = 1, 2, ..., N),
(А хз )к = (V з )к А,,- + (Пз)
к
(1)
(2)
где (Ах )к - проекция на ось х, приращения к-ой частицы за ,-ый шаг по времени, Ы, - число шагов
по времени ,, N - число частиц, V■ - проекции на
ось х, вектора скорости течения и (п )к - случайные приращения координат х, во время ,-го шага.
Первый член в (1) и (2) определяет движение частицы под воздействием осредненного (за А, поля скорости течения, а второй описывает влияние пульсаций скорости течения на движение частицы. Уравнение для вертикального компонента приращения (2) выделено в связи с тем, что детерминированное вертикальное приращение радиус-вектора к-ой частицы в общем случае будет определяться не только вертикальным компонентом осредненного поля скорости течения, но и (причем часто в большей степени) оседанием или подъемом частиц вещества, определяемыми их собственными свойствами.
Исходя из уравнений (1) и (2), траектории частиц можно рассчитать, если известны поле средней скорости течения и закон распределения (п )к как функции координат и времени, а также законы, отражающие собственное поведение каждой частицы. Вид закона распределения (п )к определяется статистической структурой отклонений (пульсаций) скорости от среднего значени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.