Влияние параметризации вертикальной турбулентной диффузии на результаты моделирования динамики биомассы фитопланктона в глубоководной части Черного моря

В. Л. Дорофеев, Л. И. Сухих✉

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: l.sukhikh@gmail.com

Аннотация

Цель. Изучено влияние вертикальных процессов перемешивания в Черном море на распределение и динамику основных компонентов морской экосистемы на основе численного моделирования.

Методы и результаты. Использовались два варианта модели нижнего уровня пищевой цепи экосистемы Черного моря, отличающиеся способом параметризации процессов вертикальной турбулентной диффузии. В первом варианте коэффициенты диффузии представляются в виде функций, зависящих от глубины и времени. Причем зависимость от времени является сезонной. Во втором варианте для описания процессов вертикального обмена к модели циркуляции добавлена турбулентная модель. Биогеохимические части моделей, состоящие из 15 компонентов, в обоих вариантах используют одинаковые уравнения, коэффициенты и функции, описывающие взаимодействия между различными компонентами экосистемы в верхнем 200-метровом слое моря. По обоим вариантам модели экосистемы были проведены расчеты на срок 12 лет с 1998 по 2009 г., результаты которых сравнивались. Для сравнения результатов моделирования распределения нитратов с данными измерений использовались in situ измерения в глубоководной части Черного моря из междисциплинарной океанографической базы данных. Кроме того, произведено сравнение результатов моделирования с поверхностной концентрацией хлорофилла, полученной по спутниковым измерениям.

Выводы. Сезонная изменчивость основных параметров экосистемы для этих расчетов различается незначительно, при этом параметризация вертикальной турбулентной диффузии оказывает определенное влияние на вертикальное распределение параметров экосистемы. Межгодовая изменчивость характеризуется уменьшением биомассы в фотической зоне глубоководной части моря для обоих расчетов, вызванным отрицательным трендом количества биогенов, поступающих с реками. Среднегодовые концентрации в верхнем слое моря, соответствующие первому расчету, выше, чем в расчете с использованием турбулентной модели. Это связано с тем, что вертикальная ячейка циркуляции, формирующаяся за счет циклонической завихренности поля ветра над Черным морем, для первого расчета получается более интенсивной. Поступление нитратов в фотическую зону из нижележащего слоя обеспечивается главным образом адвекцией, а не турбулентной диффузией.

Ключевые слова

морская экосистема, циркуляция, Черное море, турбулентная диффузия, модель экосистемы, биогенные элементы, концентрация хлорофилла

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 0827-2021-0002.

Для цитирования

Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Влияние параметризации вертикальной турбулентной диффузии на результаты моделирования динамики биомассы фитопланктона в глубоководной части Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 2. С. 266–284. EDN FEZUCA. doi:10.29039/0233-7584-2023-2-266-284

Dorofeev, V.L. and Sukhikh, L.I., 2023. Impact of Parameterization of Vertical Turbulent Diffusion on the Results of Simulating the Phytoplankton Biomass Dynamics in the Deep Part of the Black Sea. Physical Oceanography, 30(2), pp. 245-262. doi:10.29039/1573-160X-2023-2-245-262

DOI

10.29039/0233-7584-2023-2-266-284

EDN

FEZUCA

Список литературы

  1. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 209 с.
  2. A Physical-Biochemical Model of Plankton Productivity and Nitrogen Cycling in the Black Sea / T. Oguz [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1999. Vol. 46, iss. 4. P. 597–636. https://doi.org/10.1016/S0967-0637(98)00074-0
  3. 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 layers // Global Biogeochemical Cycles. 2000. Vol. 14, iss. 4. P. 1331–1352. https://doi.org/10.1029/1999GB001253
  4. Grégoire M., Raick C., Soetaert K. Numerical Modeling of the Central Black Sea Ecosystem Functioning During the Eutrophication Phase // Progress in Oceanography. 2008. Vol. 76, iss. 3. P. 286–333. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2008.01.002
  5. Modeling the response of top-down control exerted by gelatinous carnivores on the Black Sea pelagic food web / T. Oguz [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C3. P. 4543–4564. https://doi.org/10.1029/1999JC000078
  6. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Изучение долговременной изменчивости экосистемы черного моря на основе ассимиляции данных дистанционных измерений в численной модели // Водные ресурсы. 2019. Т. 46, № 1. С. 58–69. EDN YZGLXV. doi:10.31857/S0321-059646158-69
  7. Dorofeyev V., Sukhikh L. A model for monitoring the evolution of the Black Sea ecosystem on the basis of remote sensing data assimilation // International Journal of Remote Sensing. 2018. Vol. 39, iss. 24. P. 9339–9355. doi:10.1080/01431161.2018.1523589
  8. Демышев С. Г., Коротаев Г. К. Численная энергосбалансированная модель бароклинных течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане: Атмосфера-Океан-Космос. Москва : ИВМ РАН, 1992. С. 163–231.
  9. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system / D. P. Dee [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 656. P. 553–597. doi:10.1002/qj.828
  10. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Изучение долговременной изменчивости динамики Черного моря на основе ассимиляции дистанционных измерений в модели циркуляции // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 2. С. 254–264. EDN YRWQMX. doi:10.7868/S000235151702002X
  11. A quasi-equilibrium turbulent energy model for geophysical flows / B. Galperin [et al.] // Journal of the Atmospheric Sciences. 1988. Vol. 45, iss. 1. P. 55–62. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1988)0450055:AQETEM2.0.CO;2
  12. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Reviews of Geophysics. 1982. Vol. 20, iss. 4. P. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
  13. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Моделирование долговременной эволюции гидрофизических полей Черного моря // Океанология. 2017. Т. 57, № 6. С. 871–884. EDN ZVRIAN. doi:10.7868/S003015741706003X
  14. River discharges of water and nutrients to the Mediterranean and Black Sea: Major drivers for ecosystem changes during past and future decades? / W. Ludwig [et al.] // Progress in Oceanography. 2009. Vol. 80, iss. 3–4. P. 199–217. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2009.02.001
  15. Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480-560 nm bands from ocean colour scanners // International Journal of Remote Sensing. 2016. Vol. 37, iss. 18. P. 4380–4400. https://doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
  16. Финенко З. З., Мансурова И. М., Суслин В. В. Временная динамика биомассы фитопланктона в поверхностном слое Черного моря по данным спутниковых наблюдений // Океанология. 2022. Т. 62, № 3. С. 416–427. EDN NEKDHS. doi:10.31857/S0030157422030042
  17. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Анализ изменчивости гидрофизических полей Черного моря в период 1993 – 2012 годов на основе результатов выполненного реанализа // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 1. С. 33–48. doi:10.22449/0233-7584-2016-1-33-48
  18. Кубрякова Е. А., Коротаев Г. К. Механизм горизонтального массо- и солеобмена между водами континентального склона и центральной части Черного моря // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 1. С. 115–124. EDN YIUXVX. doi:10.7868/S0002351517010072.
  19. Юнев О. А., Коновалов С. К., Великова В. Антропогенная эвтрофикация в пелагической зоне Черного моря: долговременные тренды, механизмы, последствия. Москва : ГЕОС, 2019. 164 с.

Скачать статью в PDF-формате