Purpose. The purpose of the study is to examine the influence of the vertical mixing processes in the Black Sea on the distribution and dynamics of the main marine ecosystem components based on numerical modeling.
Methods and Results. Two variants of the Black Sea ecosystem lower trophic level model differing in the way the vertical turbulent diffusion processes were parameterized were used. In the first variant, the diffusion coefficients were represented as functions dependent on depth and time; moreover, the time dependence was seasonal. In the second variant, a turbulent model was added to the circulation model to describe the processes of vertical exchange. Biogeochemical parts of the models consisting of 15 components in both variants use the same equations, coefficients, and functions describing the interactions between different ecosystem components in the upper 200-meter layer of the sea. For both variants of the ecosystem model, calculations were performed for 12 years (from 1998 to 2009), and the obtained results were compared. In situ measurements in the deep part of the Black Sea from the interdisciplinary oceanographic database were used to compare the results of modeling the nitrate distribution with the measurement data. In addition, the modeling results were compared with the surface chlorophyll concentration derived from satellite measurements.
Conclusions. Seasonal variability of the main ecosystem parameters for these calculations differs insignificantly, while the parameterization of vertical turbulent diffusion has a certain effect on the vertical distribution of the ecosystem parameters. Interannual variability is characterized by a decrease in biomass in the photic zone of the sea deep part for both calculations, caused by a negative trend in the amount of nutrients coming from rivers. The mean annual concentrations in the upper sea layer corresponding to the first calculation are higher than those in the calculation using the turbulent model. This is due to the fact that the vertical circulation cell formed by the cyclic vorticity of the wind field over the Black Sea is more intense in the first calculation. Nitrate supply to the photic zone from the underlying layer is mainly provided by advection rather than turbulent diffusion.
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 циклической 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.