Ассимиляция спутниковых наблюдений концентрации хлорофилла а и расчетных данных о динамике морской среды в адаптивной модели экосистемы северо-западного шельфа Черного моря

И. Е. Тимченко✉, И. П. Науменко, Е. М. Игумнова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: timchenko.syst.analysis@mhi-ras.ru

Аннотация

Предложена модель экосистемы верхнего слоя моря, основанная на уравнениях метода адаптивного баланса влияний. В модели использована схема причинно-следственных связей из работы Фэшема, Даклоу и Мак-Кельви, представляющая собой реакции азотного цикла в верхнем слое моря. Параметризации биохимических реакций взаимодействия веществ в этой модели заменены нормированными отношениями средних значений концентраций веществ, найденных из анализа наблюдений биохимических полей в акватории северо-западного шельфа Черного моря. В качестве внешних влияний использованы спутниковые наблюдения концентраций хлорофилла а, а также данные об адвекции и диффузии, полученные из расчетов по гидродинамической модели внутригодовой изменчивости поля скорости течений в верхнем слое моря. Эта информация послужила внешними влияниями для расчета отклонений концентраций биохимических полей от их средних значений, принятых за стационарное состояние экосистемы. Ассимиляция наблюдений осуществлена путем включения в правые части уравнений адаптивной модели экосистемы дополнительных функций источников, представляющих усваиваемые данные. Построены карты биохимических полей района, позволившие анализировать их пространственно-временную изменчивость в течение 2015 г. Сделан вывод о полезности предлагаемого подхода к построению карт биохимических полей верхнего слоя моря.

Ключевые слова

метод адаптивного баланса влияний, сохранение материальных балансов, нормированные коэффициенты влияний, адаптивная модель экосистемы верхнего слоя моря, карты биохимических полей

Благодарности

Разработка адаптивной модели морской экосистемы выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Севастополя в рамках проекта № 18-47-920001 «Исследование принципов построения адаптивных моделей эколого-экономических систем и цифровых информационных технологий для управления сценариями устойчивого развития природно-хозяйственных комплексов Севастопольского региона». Вычислительные эксперименты с моделью проведены в рамках государственного задания по теме № 0827-2018-0004 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей».

Для цитирования

Тимченко И. Е., Науменко И. П., Игумнова Е. М. Ассимиляция спутниковых наблюдений концентрации хлорофилла а и расчетных данных о динамике морской среды в адаптивной модели экосистемы северо-западного шельфа Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 6. С. 556–569. EDN VNVPIG. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-556-569

Timchenko, I.E., Naumenko, I.P. and Igumnova, E.M., 2018. Assimilation of Satellite Observations of the Chlorophyll-a Concentration and the Calculated Data on the Marine Environment Dynamics in the Adaptive Model of the Ecosystem of the Black Sea Northwestern Shelf. Physical Oceanography, 25(6), pp. 509-520. doi:10.22449/1573-160X-2018-6-509-520

DOI

10.22449/0233-7584-2018-6-556-569

Список литературы

  1. Cаркисян А. С. Об основных направлениях моделирования физических характеристик Мирового океана и морей // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 4. С. 381–387. doi:10.7868/S0002351516040106
  2. Динамико-стохастический подход к анализу наблюдений поля плотности на гидрофизических полигонах / Б. А. Нелепо [и др.] // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14, № 10. С. 1079–1093.
  3. Timchenko I. E. Stochastic Modelling of Ocean Dynamics. Chur : Harwood Academic Publishers, 1984. 320 p.
  4. Кочергин В. П., Тимченко И. Е. Мониторинг гидрофизических полей океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 280 с.
  5. Ghil M., Malanotte-Rizzoli P. Data Assimilation in Meteorology and Oceanography // Advances in Geophysics / Edit. by R. R. Dmowska, B. Saltzman. San-Diego : Academic Press, Inc., 1991. Vol. 33. P. 141–266. doi:10.1016/S0065-2687(08)60442-2
  6. Marchuk G. I., Zalesny V. B. A numerical technique for geophysical data assimilation problems using Pontryagin’s principle and splitting-up method // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 1993. Vol. 8, iss. 4. Р. 311–326. doi:10.1515/rnam.1993.8.4.311
  7. Robinson A. R., Lermusiaux P. F. J. Overview of Data Assimilation // Harvard Reports in Physical/Interdisciplinary (Ocean Science). Cambridge, Massachusetts : Harvard University, 2000. No. 62. 28 р. URL: http://robinson.seas.harvard.edu/PAPERS/red_report_62.html (дата обращения: 18.04.2018).
  8. Коротаев Г. К., Еремеев В. Н. Введение в оперативную океанографию Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2006. 382 с.
  9. Assimilation of the climatic hydrological data in the σ-coordinate model of the Black Sea by the algorithm of adaptive statistics / A. I. Mizyuk [et al.] // Physical Oceanography. 2009. Vol. 19, iss. 6. Р. 339–357. doi:10.1007/s11110-010-9058-2
  10. Development of Black Sea nowcasting and forecasting system / G. K. Korotaev [et al.] // Ocean Science. 2011. Vol. 7, iss. 5. Р. 629–649. doi:10.5194/os-7-629-2011
  11. Fasham M. J. R., Ducklow H. W., McKelvie S. M. A nitrogen-based model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer // Journal of Marine Research. 1990. Vol. 48, no. 3. P. 591–639. https://doi.org/10.1357/002224090784984678
  12. Тимченко И. Е., Игумнова Е. М., Тимченко И. И. Системный менеджмент и АВС-тех-нологии устойчивого развития. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2000. 225 с.
  13. Timchenko I. E., Igumnova E. M., Timchenko I. I. Adaptive Balance Models for Environmental-Economic Systems. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2016. 486 p.
  14. Тимченко И. Е., Лазарчук И. П., Игумнова Е. М. Ассимиляция данных наблюдений в адаптивной модели морской экосистемы при известных средних значениях процессов в морской среде // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 5. С. 79–96. doi:10.22449/0233-7584-2017-5-79-96
  15. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Суслин В. В. Оценка биомассы фитопланктона и первичной продукции в Черном море по спутниковым данным // Промысловые биоресурсы Черного и Азовского морей. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. С. 221–236.
  16. The state of phytoplankton / D. Nesterova [et al.] // State of the Enviroment of the Black Sea (2001–2006/7) : A report by the Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollustion / Chief Editor Temel Oquz. Istanbul : Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollution, 2008. Сhapter 5. Р. 33–167.
  17. The State of Zooplankton / T. Shiganova [et al.] //State of the Environment of the Black Sea (2001–2006/7) : A report by the Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollustion /Chief Editor Temel Oquz. Istanbul : Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollution, 2008. Chapter 6. P. 168–217.
  18. The State of Eutrofication / T. Oguz [et al.] // State of Environment of the Black Sea (2001–2006/7) : A report by the Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollustion / Chief Editor Temel Oquz. Istanbul : Commission on the Protection of the Black Sea Against Pollution, 2008. Сhapter 2. Р. 44–73.
  19. Зайцев Ю. П. Северо-западная часть Черного моря: биология и экология / Отв. ред. Ю. П. Зайцев. Киев : Наукова думка, 2006. 701 с.
  20. Лоева И. Д. Гидрологические и гидрохимические показатели состояния северо-запад-ного шельфа Черного моря. Киев : КНТ, 2008. 616 с.
  21. Шумакова Г. В. Многолетняя сезонная динамика распределения бактериопланктона в северо-западной части Черного моря // Экология моря. 2002. Вып. 61. С. 69–73.
  22. Интернет ресурс: http://www.myocean.eu/

Скачать статью в PDF-формате