ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 6, с. 676-687
УДК 551.043
ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ ЧЕРНОГО МОРЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОЙ ФИЗИКО-БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ © 2013 г. В. Л. Дорофеев, Г. К. Коротаев, Л. И. Сухих
Морской гидрофизический институт НАНУкраины 99011 Украина, Севастополь, ул. Капитанская, 2 Е-таИ: odop_mhi_nanu@mail.ru Поступила в редакцию 29.01.2013 г.: после доработки 15.05.2013 г.
В работе с помощью междисциплинарной трехмерной физико-биогеохимической модели, разработанной для Черного моря, исследуется долговременная эволюция морской динамики и экосистемы. Гидрофизические поля рассчитаны по модели циркуляции Черного моря с ассимиляцией данных гидрографических съемок и спутниковых измерений за срок с 1971 по 2001 гг. Модель циркуляции хорошо воспроизводит явления различных масштабов как по пространству, так и во времени, в частности, сезонный ход и межгодовую изменчивость основных гидрофизических полей. Полученные поля течений используются затем для расчета долговременной эволюции компонентов нижнего уровня пищевой цепи экосистемы Черного моря. Биогеохимическая модель, использовавшаяся в расчетах, основана на азотном цикле и включает в себя параметризацию основных биологических и химических взаимодействий и процессов в верхнем слое Черного моря. Проведенные численные эксперименты показали, что биогеохимическая компонента модели достаточно успешно воспроизводит основные черты и тренды эволюции экосистемы Черного моря за рассматриваемый период: рост биомассы фитопланктона в период эвтрофикации, изменение сезонных циклов основных компонентов экосистемы. Также показана важная роль гидрофизических процессов для достоверного воспроизведения долговременных изменений экосистемы.
Ключевые слова: численное моделирование, Черное море, экосистема.
Б01: 10.7868/80002351513060059
ВВЕДЕНИЕ
Черное море, которое является одним из крупнейших замкнутых водоемов мира, подвержено значительной декадной изменчивости. Одной из задач моделирования процессов в Черном море является достоверное воспроизведение этой изменчивости. Однако чисто гидродинамическое моделирование может дать адекватные результаты только в случае хорошего знания граничных условий на поверхности и боковых границах бассейна. Альтернативой является восстановление долговременной изменчивости бассейна на основе ассимиляции доступной архивной информации.
Климатическая изменчивость гидрофизических полей Черного моря сопровождается также заметными изменениями морской экосистемы. Помимо чисто климатических изменений экосистема Черного моря испытывает серьезную антропогенную нагрузку благодаря стоку рек, глав-
ным образом Дуная. С 60-х годов прошлого столетия она претерпела существенные изменения в биомассе, таксономическом составе и структуре групп планктона. В верхнем слое моря произошли также изменения в сезонных циклах компонентов экосистемы. В частности, естественный годовой цикл фитопланктона с весенним и осенним цветением сменился более сложной картиной, характеризующейся несколькими максимумами. Такие изменения в структуре пищевой цепи сопровождались изменениями вертикальной гидрохимической структуры вод моря. Наиболее ярко это проявилось в росте значений концентрации нитратов в зоне нитроклина с 2—3 ммоль/м3 в конце 60-х до 6—9 ммоль/м3 в 80-х, начале 90-х, а также расширением безкислородной зоны [1].
В настоящей работе исследуется долговременная изменчивость физических и биогеохимических полей Черного моря с использованием ори-
гинальной междисциплинарной физико-биогеохимической модели.
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучение эволюции экосистемы Черного моря в течение трех декад (1971—2001 гг.) основано на численном моделировании. Модель экосистемы состоит из двух основных частей: модели циркуляции и биогеохимической модели. Гидрофизические поля, рассчитанные по модели циркуляции, являются входными параметрами для биогеохимического блока.
Для получения полей течений, температуры и солености использовалась РОМ (Princeton Ocean Model) [2], адаптированная к условиям черноморского бассейна [3]. Важной чертой модели циркуляции на основе РОМ является наличие турбулентной подмодели, позволяющей реалистично воспроизводить процессы перемешивания в верхнем слое моря. Пространственный шаг сетки модели циркуляции составляет примерно 7 км (141 х 88 узлов). Вертикальное разрешение модели — 26 расчетных уровней в ст-координатах, сгущающихся у поверхности. Коэффициенты бокового турбулентного обмена имеют постоянные значения, равные 300 м2 с-1 для импульса и 60 м2 с-1 для тепла и соли соответственно. В качестве внешнего атмосферного воздействия в модели циркуляции использовались поля массива глобального реанализа ERA-40, подготовленного Европейским центром среднесрочного прогноза погоды (ECMWF) (пространственное разрешение 1.125° х 1.125°, дискретность — 6 часов).
Биогеохимическая модель является развитием на трехмерный случай одномерной модели, описанной в работах [4—6], с аналогичными параметрами, описывающими биогеохимические процессы, основанные на азотном цикле. Динамика экосистемы Черного моря в разные фазы ее эволюции изучалась с помощью одномерных моделей [4—8]. Дальнейшее развитие это направление получило с помощью применения трехмерных моделей [9—13]. Данная работа дополняет перечисленные выше исследования, так как рассматривает длительный (1971—2001 гг.) период трансформации экосистемы Черного моря.
Модель включает 15 переменных состояния и описывает процессы в верхнем 200-метровом слое моря на 26 горизонтах. Биологическую часть представляют две группы фитопланктона (диатомовые и флагелляты), две размерные группы зоопланктона: микрозоопланктон (имеющий размер меньше 0.2 мм) и мезозоопланктон (0.2—3 мм), медуза Aurelia aurita и гребневик Mnemiopsis leidyi. В пищевую цепь входят, кроме того, нефотосин-
тезирующий бактериопланктон, растворенная и взвешенная органика, а также всеядная динофла-геллата Noctiluca scintillans. Азот рассматривается как единственный биогенный элемент, ограничивающий рост фитопланктона. Азотный цикл включает три неорганических соединения: аммоний, нитраты и нитриты. В качестве отдельных переменных состояния в биогеохимическую модель также входят растворенные кислород и сероводород.
Математическая формулировка модели изменения во времени составляющих экосистемы имеет вид уравнений переноса—диффузии, включающих в правую часть слагаемые типа источников — стоков.
dF + d(uF) + d(vF) + d((w+Ws)F)
где Ш(F) описывает биогеохимические взаимодействия между переменными состояния F, wS — скорость седиментации диатомовых водорослей и взвешенной органики (для остальных она равна нулю), (u,v, w) — компоненты скорости течений, Kh, Kv — коэффициенты горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии соответственно. Члены типа источника-стока ^(F) аналогичны тем, которые использовались в одномерных моделях [4—6].
Поля скоростей течений, температуры, солености и коэффициентов турбулентной диффузии обеспечиваются моделью циркуляции в режиме off-line. Горизонтальная сетка биогеохимической части модели совпадает с той, которая используется в модели циркуляции. Поэтому для получения гидрофизических полей, необходимых для решения уравнения (1), соответствующие выходные поля модели циркуляции интерполировались с ст-координат на расчетные уровни биогеохимической модели в каждой точке горизонтальной сетки.
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 компонентов экосистемы, кроме аммония и сероводорода. В мелководной части моря на дне принимаются условия отсутствия потоков для всех компонентов экосистемы, кроме взвешенной органики и диатомовых водорослей, оседающих на дно. Такие же условия отсутствия потоков ставятся на боковых границах, за исключением устьев крупных рек, где задаются потоки
Т, °С 16
15 14 13
1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000
Годы
1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000
Годы
Рис. 1. Эволюция осредненных по площади бассейна среднегодовых (квадратики) и среднезимних (кружочки) значений поверхностной температуры (слева), справа — эволюция холодозапаса ХПС.
питательных веществ, пропорциональные их концентрации и интенсивности речного стока. Эти данные являются синтезом измерений и результатов моделирования [14].
Таким образом, система имеет два источника неорганического азота: нитраты и аммоний, выносимые реками, и потоки аммония на нижней границе глубоководной части бассейна. Значения концентрации аммония, так же как и сероводорода, на нижней границе меняются со временем. В частности, в работах [1, 15] приведены данные, иллюстрирующие нестационарность глубины положения границы сероводородной и аммонийной зон. Поэтому значения концентраций аммония и сероводорода на нижней границе области интегрирования, использовавшиеся в расчетах по модели, менялись со временем в соответствии с тенденциями, показанными в [1, 15].
ОПИСАНИЕ ОСНОВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
На основе модели циркуляции Черного моря, кратко описанной выше, были получены гидродинамические поля для периода времени с 1971 по 2001 гг. В частности, был выполнен реанализ динамики Черного моря на период с 1971 по 1993 гг. В течение этого периода в море были выполнены от трех до десяти крупномасштабных гидрографических съемок в год. Данные этих съемок были интерполированы на регулярную сетку и затем ассимилировались в модели. Подробно процедура и результаты описаны в работе [16]. После 1994 г. гидрологические съемки в масштабах бассейна практически не проводились. Поэтому при получении гидрофизических полей для этого периода использовались данные спутниковых альтиметров, которые ассимилировались в модели циркуляции (данные подготовлены в рамках проекта АУ^О). Для этого использовалась процедура, описанная в работе [17], которая была адаптирована к модели РОМ. Выполненный в работе [16] реанализ динамики Черного моря довольно хорошо воспроизводит сезонную и межгодовую из-
менчивост
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.