Показано, что для моделирования экосистемы Белого моря

1
CURRENT STATE
OF THE RUSSIAN MARINE
ECOSYSTEM MONITORING
FOR THE WHITE SEA
N. FILATOV (NWPI KRC RAS, Petrozavodsk)
D. POZDNYAKOV (NIERSC, S.-Petersburg)
I. NEELOV (AARI, S.-Petersburg)
Район исследований
Основное научное направление работ
Разработка теории эволюции озерноречных и морских систем Севера России с
учетом изменений климата и
интенсификацией разработки природных
ресурсов для устойчивого развития
региона.
6
Изменения климата и водные ресурсы
42
Изменения и изменчивость климата в регионе
Белого моря оценены по:
• данным вероятностного анализа длительных
гидрометорологических наблюдений
• результатам моделирования на модели ECHAM-4
по сценариям IPCC с удвоением СО2 и
увеличением концентрации аэрозолей
Работы этого цикла выполнены совместно с Институтом
метеорологии Макс-Планка, Германия
•Ставилась задача оценить изменения климатических
параметров (температура воздуха, осадки, солнечная
радиация) за период инструментальных наблюдений.
•Особенности изменения элементов водного баланса (ЭВБ
- речной сток, суммарное испарение, испаряемость),
колебания уровня воды озер, ледяного покрова.
•Важной является проблема выявления ответной реакции
элементов
водного
баланса,
гидрологических
характеристик и экосистемы водоемов.
•Выполнены численные эксперименты на МКГ ECHAM4
для разных возможных сценариев развития на период
2000-2050 гг.
•
+0,5 oC/100 years for 1880-2000
T = ±0,6 oC
•
Глобальная (1) и региональная (2) температура воздуха
за период 1856-2000 гг (в аномалиях по отношению к
•
периоду 1961-1990 гг)
+0,4 oC/100 years for 1880-2000
T = ±2,8 oC
ИВнутривековая изменчивость осадков (Р),
рречного стока (R) и суммарного испарения (Е)
ппо скользящим 15-летиям
P, mm
650
R, E, mm
400
380
600
P = 568+0,13t
360
340
550
R = 296+0,18t
500
320
300
E = 272-0,06t
450
280
260
400
1880
240
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Сеточная область модели климата
ECHAM-4
43
N
44
Оценка возможных изменений климата в регионе
Белого моря (температура воздуха и осадки,
сценарии G и GA)
45
Изменение приземной температуры воздуха в 19501999 и рассчитанной по данным модели ECHAM-4
(2000-2050) по двум сценариям
В соответствии с численной моделью
(ЕСНАМ4) в 2000-2050 гг. в изучаемом районе
возможны заметные изменения основных
характеристик климата
•
Суммарный речной сток с территории
Карелии в новых климатических условиях
может уменьшиться с 319 (в настоящее время)
до 286-287 мм
•
Последствия таких изменений основных
характеристик климата и элементов водного
баланса могут быть как позитивными, так и
негативными.
•
Ресурсы
Белого моря
5
Исследования ИВПС основывались на
Оценке состояния моря:
•по данным анализа длительных наблюдений;
•по результатам комплексных наблюдений с судов,
гидрометстанций, спутников;
•с использованием системного подхода на базе
математического моделирования.
Изучение фундаментальных проблем моря
обусловлено
• глобальными климатическими изменениями
• эволюцией экосистемы
• антропогенными факторами
8
Собрана информация
доступных океанографических,
гидрологических, экономикогеографических данных из
разных источников:
архивов NASA, ИКИ, ЗИН,
ИВПС, ААНИИ, Росгидромета,
специализированных атласов,
монографий и др.
9
ИВПС выполнены многолетние
гидрологиченские исследования в разные
сезоны
13
По данным длительных наблюдений выявлена
тенденция увеличения температуры воды и солености
14
Исследована многолетняя динамика
притока речных вод с водосбора в Белое море
за период инструментальных наблюдений
15
По данным длительных измерений оценена
эволюция температуры воды
по вертикали и во времени.
Результаты использовались для калибрации
моделей термогидродинамики
Подробно исследован комплекс процессов
в эстуариях, особенности обменных процессов
эстуариев и открытого моря
18
Выполнены химико-биологические и
биохимические исследования
19
Собраны и проанализированы
данные со спутников:
• НОАА, за 20 лет
• SeaWifs,
• ERS,
• Ресурс-01.
Обнаружены закономерности проявления
апвеллингов, фронтальных зон,
мезомасштабных вихревых неоднородностей.
20
Выполнены подспутниковые
измерения с НИС «Эколог»:
концентрации хлорофилла-а,
растворенного органического вещества,
минеральной взвеси,
цвета, прозрачности моря,
температуры и солености воды,
биогенных элементов
21
Выполнены постановки АБС с измерением течений,
температуры воды, колебаний уровня моря в
прибрежной зоне и в устьях рек Онега, Кемь, Кереть
24
Для решения задач атмосферной коррекции
выполнены специальные измерения температуры
воды бортовым ИК-радиометром (а) и со
спутника НОАА (б)
а
б
25
Типичные карты температуры воды для разных сезонов
Seasonal variations of SST in White Sea
Сравнение измерений температуры воды с судна
29
и со спутника
Мониторинг динамики ледяного покрова со
спутника NОАА. Эти данные использовались для
калибрации модели термогидродинамики
30
31
Измерения хлорофилла –а, РОВ И МВ с борта судна
флуориметром «Квант» (а) и со спутника SeaWifs (б).
Показана необходимость непрерывных измерений
этих параметров
Совместные исследования в Онежском заливе с ММБИ
а
б
32
Пример распределения концентрации
хлорофилла-а на поверхности моря. По этим
данным возможно оценить первичную
продукцию моря
“WHITESEA” PROGRESS MEETING
EC INCO-Copernicus project ICA2-CT-2000-10014
36
ИВПС принял участие в разработке
и наполнении
Информационно-справочной системы
«Белое море»
Автор В.В.Растоскуев
SRCES, St.-Petersburg, RUSSIA
Пример пользовательского интерфейса
39
40
Система для работы с данными
спутниковых наблюдений
30oC
30oC
20oC
20oC
10oC
10oC
o
0oC0 C
Результаты вероятностного анализа данных
длительных наблюдений показано, что:
46
по натурным данным за последние 40 лет, в регионе
возросла температура воды на 1,5 С , а соленость
Белого моря на 1 промилле.
По данным моделирования климата в регионе
В результате изменений климата за последующие 50
лет средняя температура воздуха изменится с –0,7 до +
2 C, а среднее количество осадков возрастет с 461 до
482-486 mm. При этом из-за изменения соотношения
осадки-испарение уменьшится на 1-5 % речной сток
(водный)
• Наблюдаемое сейчас увеличение солености
подтверждает эти тенденции
47
Моделирование
экосистемы моря.
• ИВПС выполнил настройку,
• калибрацию и верификацию
математической модели
Экосистемы Белого моря,
•Проведены расчеты при разных
сценариях изменений климата и
антропогенных воздействиях
Основной автор раздела И.А.Неелов
Показано, что для моделирования экосистемы Белого
моря важен учет приливных движений.
49
Динамика захваченных волн Кельвина,
генерированных приливами (И.А.Неелов)
50
Блок-схема 3-D модели экосистемы моря
(авт. И.А.Неелов, О.П.Савчук )
Атмосферные
воздействия.
NCEP
3D-Гидродинамическая
Модель
Речной
сток
Водообмен с
Баренцевым морем
Модель льда
ХимикоБиологический
блок
53
67
66
latitude °N
Впервые выполнено
моделирование
температуры воды,
течений моря на
трехмерной
климатической
модели с учетом
приливов. На Рис.
показаны течения на
поверхности моря за
1948-2000 г.г.
a
67
66
65
65
53
10 cm/s
64
34
36
38
40
longitude °E
42
44
54
cm
67
270
67
240
210
Рассчитана
амплитуда
приливных волн
(М2)
Latitude °N
66
180
66
150
65
120
90
65
60
64
30
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
0
Longitude °E
location
Observed phase
(degree)
Kandlaksha
120
130
68
65
Gridino
122
129
62
48
Kem
174
159
52
49
Onega
282
284
110
84
Solovky
152
168
45
44
Arhangelsk
155
150
39
32
Modeled phase
(degree)
Observed
Amplitude (cm)
Modeled
Amplitude (cm)
55
meter
2.0
67
1.8
1.6
66
Latitude °N
Рассчитана толщина
ледяного покрова с
учетом приливов (а) и
без них (б) .
Выполнено сравнение
ледяного покрова по
данным
моделирования,
натурным измерениям
и спутниковым
данным
a
67
1.4
66
1.2
65
1.0
0.8
65
0.6
64
0.4
34
36
38
40
42
44
0.2
Longitude °E
b
67
meter
2.0
67
1.8
Latitude °N
66
1.6
1.4
66
1.2
65
1.0
0.8
65
0.6
64
0.4
34
36
38
40
Longitude °E
42
44
0.2
68
Выводы
Выполнены комплексные исследования по оценке
состояния экосистемы моря

- Показано, что по сравнению с предыдущим десятилетием
состояние экосистемы моря относительно стабильное. Нет
больших изменений в химико-биологическом режиме
(биогенные элементы, тяжелые металлы, содержание
кислорода, фитопланктон, зоопланктон, зообентос, рыбы и др.)

По данным наблюдений выявлено небольшое увеличение
температуры воды и солености воды за последние 40 лет.
Однако обусловлено оно может быть естественной
изменчивостью климата.
N
По результатам имитационного моделирования
экосистемы установлено, что изменение концентрации биогенных
69
элементов в речном стоке не приводит к существенным изменениям
экосистемы Белого моря (фито- и зоопланктона).
•Уменьшение речного стока на 1-5 % при возможном потеплении
климата в последующие 50 лет.
•По данным моделирования климата по сценариям IPСС показаны
особенности изменение температуры воды, водного баланса, речного
стока, что может привести к уменьшению средней толщины льда
зимой на 10 см, увеличению средней солености моря нa 1 промилле и
возрастанию толщины летнего термоклина.
Однако, существенных изменений рассматриваемых элементов
системы при указанных климатических и антропогенных
воздействиях по данным моделирования не отмечается.
• Белое море обладает целым рядом специфических особенностей,
включая и достаточно чистую воду, высокую ее прозрачность, низкий
уровень эвтрофирования и загрязнения, относительно высокую
70
проточность, благоприятствующих развитию марикультуры, рыб,
моллюска мидии, водорослей.
• Для охраны, рационального использования ресурсов Белого моря,
в особенности литоральной зоны, эстуариев необходимо продолжить
комплексный мониторинг и разработку нормативной документации
по рациональному природопользованию на Белом море. Эта задача из
чисто научно-исследовательской становится государственной.
71
По результатам комплексных системных
исследований по проекту ИНКО-Коперникус в
готовится монография на английском языке
Springer-Praxis Series in Polar Sea Oceanography
Dynamiсs of White Sea
ecosystems
N. Filatov, O. Johannessen, D. Pozdnyakov, L. Pettersson,
L. Bobylev (Editors)
Springer
Praxis
БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!