Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка связи гидрофизических и гидродинамических условий с распределением продукционных характеристик фитопланктона 15
1.1. Влияние гидродинамических условий на биологическую продуктивность вод Мирового океана 15
1.1.1. Характерные механизмы формирования неоднородного распределения фитопланктона в океане 22
1.1.1.1 .Ветер 22
1.1.1.2. Циркуляции Ленгмюра 23
1.1.1.3. Конвективные ячейки 25
1.1.1.4. Сулой, толчея 26
1.1.1.5. Внутренние волны 26
1.1.1.6. Апвеллинги 28
1.1.1.7. Фронтальные зоны, фронты 30
1.1.1.8. Вихри 31
1.2. Влияние гидрофизических условий на распределение фитопланктона в период летнего цветения пресноводной системы (на примере оз. Байкал) 34
1.2.1.Оценка связи гидрофизических параметров с распределением хлорофилла "а" в Северном Байкале 34
1.2.1.1. Материалы и методика исследований 35
1.2.2. Характерные гидрофизические параметры, связанные с распределением фитопланктона 35
1.2.2.1. Влияние температурных изменений 42
1.2.2.2. Влияние плотностной стратификации 46
1.2.2.3. Влияние турбулентного перемешивания 47
Выводы 49
2. Описание и обсуждение методики моделирования пространственно - временной структуры пелагических систем 51
2.1. Моделирование и анализ пространственновременной изменчивости элементов природных систем 53
2.1.2. Моделирование элементов метеорологического блока 53
2.1.2.1. Солнечная радиация 54
2.1.2.2. Термодинамические процессы в приводном слое атмосферы 55
2.1.3. Моделирование элементов гидрофизического блока 63
2.1.3.1. Циркуляция вод и изменчивость течений в водных экосистемах 67
2.1.3.2. Термодинамическая структура водных экосистем 71
Граничные условия 74
Турбулентное перемешивание 78
Вертикальные перемещения частиц воды и планктонных организмов внутренними волнами 88
Адвекция, свзанная с циркуляцией Ленгмюра 93
2.1.4. Моделирование элементов гидробиологического блока 95
2.1.4.1. Модели продукционных показателей фитопланктона 98
Зависимость фотосинтеза от света 98
Влияние температуры на фотосинтез 102
Влияние концентрации биогенных элементов на функционирование фитопланктона 105
Влияние концентрации фитопланктона и взвеси на фотосинтез 110
Выводы 116
3. Моделирование влияния суточной изменчивости абиотических условий на распределение и продуцирование фитопланктона 118
3.1. Моделирование взаимодействий гидрофизических и гидробиологических процессов в пелагиали оз. Байкал 120
3.1.1. Моделирование влияния абиотических условий на формирование неоднородностей фитопланктона по вертикали 120
3.1.1.1. Моделирование влияния турбулентного перемешивания на распределение фитопланктона 128
3.1.1.2. Моделирование влияния совместных эффектов ветрового перемешивания и вертикальных движений на суточную изменчивость распределения фитопланктона 133
3.1.1.3. Моделирование влияния дождевых осадков на распределение фитопланктона 137
3.1.2. Анализ экспериментальных и численных результатов по оз. Байкал 140
3.2. Моделирование взаимодействия гидрофизических и гидробиологических процессов в пелагиали экваториальной Пацифики 142
3.2.1. Моделирование влияния внутренних волн и апвеллинга на распределение фитопланктона 142
3.3.Общий анализ результатов численных экспериментов 151
4. Программный комплекс для оценки пространственно-временной изменчивости горизонтальных градиентов температуры воды и концентрации фитопигментов в поверхностном слое океана (по данным спутниковой информации) 160
4.1.Описание программного комплекса "NOA" 161
4.2. Пространственно-временная динамика температурных фронтальных зон и фронтальных разделов в Атлантике и Пацифике 166
4.2.1. Изменчивость температурных фронтальных зон Атлантическом океане 167
4.2.1.1. Северная Атлантика 168
4.2.1.2. Южная Атлантика 173
4.2.2. Изменчивость температурных фронтальных зон в Тихом океане 177
4.3. Связь динамически активных зон с распределением фитопланктона в океане 185
Выводы 193
5.Заключение 195
Выводы 198
Литература 200
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
- Характерные гидрофизические параметры, связанные с распределением фитопланктона
- Вертикальные перемещения частиц воды и планктонных организмов внутренними волнами
- Моделирование влияния турбулентного перемешивания на распределение фитопланктона
- Связь динамически активных зон с распределением фитопланктона в океане
Введение к работе
Актуальность работы. Изучение особешюстей продуцирования и пространственно-временных масштабов изменчивости распределения биомассы фитопланктона, при постоянно меняющихся условиях среды, является актуалышш направлением при разработке численных методов прогноза процессов эвтрофикации и эволюции водных экологических систем.
Сложность такого экологического прогнозирования усиливается из-за недостатка информации о взаимодействии процессов в окружающей среде с фітоценозами. Этот недостаток восполняется экспериментами на математических моделях, позволяющих устанавливать связи между параметрами, описывающими изменения природных условий в среде обитания и изменениями в процессах жизнедеятельности организмов, что является одним из направлений экологической биофизики.
В настоящее время интерес к таким задачам значительно возрос и определяется необходимостью выявления механизмов формирования неоднородного распределения биомассы фитопланктона под действием гидрофизических процессов на различных интервалах времени и пространства. В связи с этим актуальной задачей является числешгое моделирование влияния гидрофизических и гидродинамических процессов на биотический потенциал глубоких озер и пелагиали океана с целью выявления причинно-следственных связей между распределением гидробиологических параметров и локальными, а также фоновыми (т.е. связанными с крупномасштабными процессами) условиями в водной среде.
Актуальным технологическим подходом для изучения пространственных не-однородностей фитопланктона и их динамики, является разработка и эффективное использование информационных систем, ориентированных на данные, полученные из космоса. Очевидно, что для изучения условий формирования неоднородиостей фитопланктона, важно определить масштабы взаимодействия физических и биологических процессов в водных экосистемах.
Цель работы: Исследование механизмов и эффектов влияния гидрофизических процессов на формирование неоднородностей распределения фитопланктона пела-гиали океана и глубоких озер на различных пространственно-временных интервалах.
Основные задачи исследования:
1.Исследовать особенности влияния гидрофизических процессов на формирование неоднородного распределения планктонных организмов и трофических параметров в пелагиали океана с целью выявления пространственно-временных границ взаимодействия биотических и абиотических компонент среды.
2.Исследовать характер взаимосвязи пространственного распределения термогидродинамических параметров и фитопланктона пресноводной экосистемы на основе статистического анализа данных (на примере оз. Байкал).
3.Исследовать эффекты формирования и изменчивости вертикальной структуры пространственного распределения биопродукционных показателей диатомовых и синезеленых групп фитопланктона пелагиали глубоких озер и океана, под действием гидрофизических условий и абиотических факторов в пределах суточного и синоптического масштаба на математической модели.
4. Разработать программный комплекс для исследования мезомасштабной и макромасштабной изменчивости горизонтальных градиентов температуры поверхности океана и горизонтальных градиентов концентрации фитопигментов на основе спутниковых данных с целью выявления структурного соответствия гидрофизических и гидробиологических полей.
Научная новизна работы. Представлены новые оценки влияния и степени воздействия гидрофизических и гидродинамических процессов на распределите фитопланктона пелагиали океана и глубоких озер на различных пространственных и временных интервалах - от мелкомасштабных до макромасштабных.
К новым результатам можно отнести оценку статистической связи между скоростью выравнивания температурных неоднородностей, скоростью диссипации турбулентной кинетической энергии, частотой плавучести, числом Кокса и распре-
делением хлорофилла "а" для трофических групп диатомовых, зеленых, синезеле-ных водорослей и суммарного хлорофилла оз. Байкал.
Создана новая модель для оценки механизмов формирования вертикальных мелкомасштабных неоднородностей фитопланктона с различными размерными и продукционными характеристиками под действием абиотических факторов, с учетом суточной изменчивости входных параметров на границах расчетной области численной схемы.
Разработан оригинальный программный комплекс для изучения распределения поверхностной температуры и концентрации фитопигментов Мирового океана на основе использования спутниковых данных. Впервые проведено зональное и меридиональное картировагшс поверхностных температурных фронтальных зон (ТФЗ) и градиентных зон концентрации фитопигментов (КФ) для Атлантики и Па-цифики на временных интервалах - месяц, сезон, год и несколько лет. Приведены оригинальные данные по синоптической, сезонной и междугодовой изменчивости ТФЗ и градиентных зон КФ с характеристикой условий формирования таких зон и их структурных особенностей.
Получены новые аналитические зависимости для оценки пространствешю-временных масштабов изменчивости неоднородного распределения фитопланктона под действием гидрофизических процессов, на основе численных экспериментов и натурных данных. Проведенные исследования развивают существующие представления о взаимодействии биотопа и биоценоза в океане и глубоких озерах.
На защиту выносятся следующие ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Закономерности совместного функционирования гидрофизических и гидробиологических структур, формирующих неоднородное распределение фитопланктона различных таксонометрических групп в пелагиали океана и глубоких озер. Время существования и пространственный масштаб таких неоднородностей зависят от конкретного гидрофизического процесса или явления.
2.Механизмы взаимодействия метеорологических, гидрофизических и гидробиологических процессов, выявленные при численном моделировании на матема-
тической модели, позволяющей получать краткосрочный прогноз изменчивости биомассы фитопланктона, лимитирующего биогенного элемента и температуры воды по вертикали в зависимости от действия факторов окружающей среды.
3.Эффект локализации неоднородностей фитопланктона с соответствующим временем существования, который определяется: характерными масштабами скорости перемещения гидрофизических образований и турбулентной диффузии, скоростями роста фитопланктона, естественного отмирания и выедания зоопланктоном. Чем выше динамические хараісгеристики гидрофизических образований, тем теснее выражена связь с ними продукционных показателей фитопланктона.
4.Структурное соответствие пространственно-временной изменчивости горизонтальных крупномасштабных гидрофизических и гидробиологических полей, полученное на основе разработанного программного комплекса, использующего спутниковые данные.
Материалами для решения поставленных задач послужили:
полигонные и суточные натурные данные по оз. Байкал: по концентрации
хлорофилла "а" трофических групп диатомовых, зеленых и синезеленых
водорослей и термодинамическим параметрам;
U спутниковые данные за 6.5 лет (с 1981 по 1986 гг.) по концентрации фито-пигаентов и поверхностной температуре вод Мирового океана, полученные со спутника NOAA аппаратурой CZCS и AVHRR;
литературные данные по продукционным и гидродинамическим парамет
рам различных зон Мирового океана.
Практическая значимость. Большая часть результатов исследований, полученных в диссертации, имеют практическую направленность и могут быть использованы при анализе механизмов формирования неоднородностей фитопланктона, как по вертикали, так и по горизонтали. Полученные оценки времени существования и пространственной изменчивости неоднородностей фитопланктона под влиянием гидрофизических процессов, могут быть использованы для прогноза измен-
чивости биологической продуктивности вод Мирового океана, морей и глубоких озер.
Результаты исследований позволяют совершенствовать методические подходы для получения репрезентативных данных, используемых для прогноза эвтрофи-кации и динамических процессов в водных экосистемах.
Разработана информационная технология для анализа информации о состоянии водных экосистем с использованием контактных и космических измерений. Данная технология позволяет осуществлять оперативную оценку состояния экосистем по основным гидрофизическим и гидродинамическим показателям на различных пространственно-временных интервалах.
Предложенный модельный комплекс и информационно-программные средства применяются в научных исследованиях лаборатории экологической информатики Института биофизики СО РАН и в учебном процессе на одноименной кафедре Красноярского государственного технического университета. В настоящее время отдельные результаты диссертационной работы введены в практикумы для преподавания ряда учебных курсов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на III Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (Таллинн, 1989), на общеинститутском семинаре ЛО ГОИН (Ленинград, 1989), на Всесоюзной конференции "Биотехнология и биофизика микробных популяций" (Алма-Ата, 1991), на I Всесибирской и II Всероссийской конференциях "Математические проблемы экологии" МАПЭК-92 и МАПЭК-94 (Новосибирск, 1992, 1994). В 1993 г. исследования по теме диссертации поддержаны персональным грантом Красноярского краевого экологического фонда молодых ученых. В дальнейшем результаты докладывались на международной конференции "20th General Assembly of European Geophysical Society" (Hamburg, 1995), на краевой экологической конференции (Красноярск, 1995), на международном симпозиуме "Гидрологические и экологические процессы в водоемах и их водосборных бассейнах" (Новосибирск, 1995), на VII Всероссийском
симпозиуме "Коррекция гомеостаза" (Красноярск, 1996), на международной Научной Ассамблее COSPAR-96 (Birmingham, 1996), на научно-практической конференции "Достижения науки и техники - развитию города Красноярска" (Красноярск, 1997), на международной научно-технической конференции и выставке "Спутниковые системы связи и навигации" (Красноярск, 1997). В 1996 г. исследования поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований N96-05-64456.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 223 страницы основного машинописного текста, 45 рисунков и 16 таблиц. Список литературы включает 239 наименований на 23 страницах.
Характерные гидрофизические параметры, связанные с распределением фитопланктона
То, что степень неоднородности гидрофизических и гидробиологических параметров в водных системах очень велика известно по многочисленным детальным съемкам [20, 22, 26, 52, 119, 141, 157, 159, 194]. Однако до недавнего времени основное внимание уделялось крупномасштабным процессам, что нашло свое отражение во многих работах, посвященным изменчивости динамических и температурных полей и соответствующему распределению фитопланктона и зоопланктона в океанах и морях [8, 14, 21, 35, 40, 43, 121, 122, 144, 198, 200]. Уделялось соответствующее внимание и ограниченным гидродинамическим системам, таким как озера, фьорды, водохранилища [5, б, 11, 20, 23, 26, 47, 61, 86, 143, 179, 186, 191, 199, 203, 214, 218, 233, 238, 239]. Однако, качественно новые представления о пространственно-временной изменчивости гидробиологических полей были получены при полигонных съемках, которые проводились за достаточно короткий промежуток времени [60, 70, 172, 194, 203, 223].
Так как однозначного соответствия между масштабами неоднородностей фитопланктона и масштабами физических явлений в водной среде выявить не всегда удается, применение размерной классификации для масштабирования гидрофизических структур облегчает проработку материала, полученного в ходе экспедиционных работ. Поэтому предлагается рассматривать пространственновременную изменчивость гидрофизических и гидробиологических параметров в районе исследований с масштабными ограничениями, которые используются в современной гидрофизике [54, 55, 85, 95, 125, 137, 168, 170, 196, 225] . Для этого вводятся характерные пространственно-временные масштабы гидрофизических структур, как показано в табл.1.3.
Считается, что крупномасштабная или фоновая структура поля температуры формируется за счет общей циркуляции течений, а внешними энергоснабжающими процессами являются потоки тепла, ветровые нагрузки, внутренние волны и сейшевые колебания. Фоновые процессы генерируют явления с меньшими масштабами. Так, "тонкая" структура поля температуры и плотности формируется благодаря возникновению ячеек конвективной природы, которые оп ределяются стратификационными условиями и существуют в виде турбулизированных линз, разделенных между собой ламинарными прослойками [54, 138, 168, 172] .
Формирование мелкомасштабной структуры происходит благодаря пульсациям скорости течений и флуктуациям температуры воды за счет небольших турбулентных образований [168]. Меняя масштаб осреднения характеристик, можно оценить энергетический вклад процессов с различными масштабами при формировании гидрофизических условий в их связи и взаимообусловленности [128, 138, 168] .
В результате проведенных работ на Байкале получены натурные данные с двух полигонов. Для обработки данных разработано программное обеспечение, где данные по температуре воды и концентрации хлорофилла "а" подвергались скользящему усреднению согласно масштабным ограничениям (Таб. 1.3). Проводилось усреднение для выделения "тонкой" и фоновой структур по температуре воды (Г) и концентрации хлорофилла "а" (С), которое можно представить следующим образом [128, 138, 168]:
Время осреднения для выделения фоновой структуры принималось 4.5-5 суток, для "тонкой" структуры 50-60 минут. Горизонтальный и вертикальный масштаб осреднения для фоновой структуры принимался соответственно 30 км и 50 метров, а для "тонкой" - 10 км и 10 метров. Этот выбор масштабов обусловлен также пространственно-временными границами полигона в районе исследований .
Для выделения "тонкой" структуры усреднялись данные по каждой съемке полигона в отдельности, с предположением о том, что элементы такой структуры, за время перехода от одной станции до другой, существенных изменений не претерпевают. В этом случае предполагается изменение гидрофизических условий только на мелкомасштабном уровне. Изменчивость мелкомасштабных условий относительно термодинамических параметров определялась только для верхнего 15-ти метрового слоя. Однако при этом учитывалось, что такого рода изменения могут проявляться и в других тонкоструктурных элементах, где существует возможность диссипативных эффектов, связанных с величиной термической и динамической активности разных слоев воды.
Таким образом для первой и второй съемки полигона были выделены "боксы", в которых изменчивость стратификационных условий определяется характерными пространственно-временными масштабами перемешивания. Усредненные данные по температуре воды, скорости течения, скорости ветра были использованы для расчета гидрофизических параметров, характеризующих плотностную устойчивость, турбулентное перемешивание и диссипативный эффект.
Так, по уравнению состояния, полученному Chen и Millero (1986) [193], рассчитывались значения плотности водыИсследуемая область была разбита на 3 слоя: перемешанный (эпилимнион), слой скачка (металимнион) и глубинный слой (гиполимнион). Для перемешанного слоя рассчитывались характеристики, связанные с ветровым воздействием на водную поверхность, (1.6) такие как динамическая скорость (w ) и касательное напряжение ветра (т), которые в дальнейшем использовались для оценки скорости диссипации турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) и коэффициента турбулентного обмена.
Считается, что напряжение трения, взаимодействуя с вертикальным градиентом скорости течения, становится первичным источником ТКЭ при отсутствии сильной конвекции [134, 138, 232]. Скорость трения в воде относится к среднему потоку ветра следующим образом [134, 179, 180, 196, 236]
Вертикальные перемещения частиц воды и планктонных организмов внутренними волнами
По различным данным, например [54, 55, 74, 94, 139, 149, 169, 172, 175, 200, 215, 219] в водных экосистемах наблюдаются вертикальные перемещения воды соответствующие временным масштабам от нескольких минут до нескольких десятков часов. Такие вариации обычно присущи внутренним волнам, под действием которых могут развиваться вертикальные перемещения живых организмов. В термоклине развитие внутренних волн может стать более важным процессом перемещения вещества и энергии, чем турбулентная диффузия. Особенную важность приобретают такие перемещения с учетом поступления световой энергии, где облучение фитопланктона происходит на критических временных масштабах. Наибольшее проявление изменчивости амплитуды внутренних волн имеет место в прибрежных водах, где формируется довольно широкая область частот внутренних волн [54, 175, 200].
По данным работы [195] Рейд (Reid, 1956) регистрировал внутренние волны в верхних 50 метрах у берегов Калифорнии с амплитудой 15 м (от пика до впадины перемещения составляли 30 м) и периодом 12.4 часа, который соответствует полусуточному внутреннему приливу. Также La Fond (1962) наблюдал волны в верхних Юме амплитудой порядка 2 м и периодом около 15 мин. Армстронг и Ла Фонд (1966) определяли вертикальные перемещения биогенных элементов, связанные с такими волнами и Денман (Denman, 1976) в дальнейшем получил подобные пространственные и временные масштабы по пространственным разрезам для хлорофилла и температуры [196].
По мнению ряда исследователей, например [138, 168, 175], существует некоторая неопределенность в отношении передачи энергии к внутренним волнам. Это связано скорее не из-за недостатка соответствующих механизмов, а из-за избытка их [175] .
Общий уровень колебательной энергии максимален вблизи поверхности вода-воздух. Флуктуирующие движения, которые возникают в поверхностном слое не проникают в стратифицированный термоклин, как считается из-за того, что гасятся благодаря турбулентному перемешиванию. Однако если масштаб движущегося возмущения достаточно велик, что может быть связано с атмосферным давлением или генерацией длинных поверхностных волн, могут образовываться внутренние волны с большими амплитудами, которые могут формироваться в пределах значительной толщи вод [175].
Ряд авторов отмечают в своих работах возможность генерации внутренних волн касательным напряжением на поверхности и при обтекании потоком неровностей дна [55, 95, 175]. В первом случае дивергентное поле ветра в приводном слое атмосферы создает условия для сгона вод и индуцирует восходящие вертикальные скорости. В случае взаимодействия с барическим градиентом может возникнуть резонанс. Во втором случае, особую важность приобретают волны распространяющиеся на континентальном шельфе из-за наката длинных поверхностных волн или приливов на шельфе, что приводит к генерации внутренних волн.
Многообразие механизмов генерации внутренних волн делает бессмысленной интерпретацию свойств внутренних волн какой-либо одной самой важной причиной. Однако некие временные границы существования, образования и распределения внутренних волн можно установить, используя различные спектральные оценки волновых чисел, которые получены Чарноком (1965) и Кацем (1975), но наибольшее распространение получил спектр Гарретта- Манка (ГМ), в котором используются эмпирические спектры волновых чисел и частот [175].
Они предположили, что в открытом океане всегда существует универсальный спектр внутренних волн, который не зависит от процессов генерации и от скорости притока энергии к волнам, если только эта скорость достаточна для образования волн [175, стр. 239]. Этот спектр достаточно адекватно моделирует кинетическую энергию и вертикальные перемещения внутренних волн.
Считается, что внутренние волны встречаются в диапазоне частот от локальной инерционной частоты (f 10-4 с"1 на 45 N) до локальной частоты плавучести (77 10-2 с-1 в термо клине) . Между этими двумя частотами модельный спектр ГМ пропорционален т 2, где тп- частота внутренних волн. При наложении волн на процессы инерционной и стратификационной природы, из-за резонансных свойств колебаний может увеличивается поступление кинетической энергии и соответственно частота колебаний. Вертикальные перемещения взвешенных частиц в водной среде, особенно на континентальном шельфе, при таких условиях могут достигать 30 м. Такие перемещения фитопланктона с соответствующей плотностной структурой вод наблюдали Денман и Херман (1978) [194, 195]. Камиковский (Kamykowsky, 1974, 1979) моделировал физические и физиологические реакции фитопланктона, который перемещался в соответствии с полем полусуточных внутренних волн в Калифорнийских прибрежных водах. При этом определялась возможность перемещения клеток по вертикали и фотодыхание в зависимости от падающей солнечной радиации [208].
Существенные изменения первичной продукции, по модельным оценкам, наблюдались там, где фазы внутренней волны были такими, что гребни волны совпадали с солнечным полднем (солнце в зените) [208] .
Необходимо также иметь в виду вывод, который сделали Денман и Гарджетт, 1983 по результатам своих исследований о том, что в устойчиво стратифицированном термоклине вертикальный транспорт фитопланктона турбулентной диффузией менее выражен, чем перемещения, обусловленные внутренней волной. Однако при этом была сделана поправка о том, что быстро углубляющийся перемешанный слой может достаточно эффективно вовлекать фитопланктон, который развивался первоначально в неподвижной стратифицированной области [196] .
Существует также мнение о согласии порядков оценок коэффициента турбулентной диффузии в различных стратификационных режимах, которое основывается на предположении о том, что для всех водных систем, в которых кинетическая энергия переносится в результате взаимодействия внутренних волн вплоть до масштабов диссипации, вертикальная вихревая диффузия и скорость диссипации ТКЭ может описываться в зависимости от частоты плавучести Брендта-Вяйсяля [201].
Такая зависимость рассматривалась Гарджеттом и Холловеем (Gargett, Holloway, 1984), которые рассматривали устойчиво стратифицированную систему, где потеря устойчивости происходила из-за эффекта двойной диффузии и поступление ТКЭ вводилось посредством движений внутренних волн [201].
При сдвиговой неустойчивости стратифицированного потока возникают волны и турбулентность, но диссипативные свойства этих процессов могут различаться [175]. Авторы, основываясь на лабораторных и модельных экспериментах получили, что для є и Kv также может использоваться функциональная зависимость от N. На основании этих зависимостей можно рассмтривать два предельных случая:
1. волны соответствующей частоты в открытых районах океана имеют W2 « N и w2 « N l, следовательно s N+1 и Ку ЬГ1;
2. в прибрежных районах существует спектр внутренних волн Гаррета-Манка амплитуда которых меняется в зависимости от N, при этом її2 N и W2 « const, следовательно s N+1 5 и Kv N 0 5.
В соответствии с данными наблюдений Гарджетт и Холловей предлагают использовать отношения
Моделирование влияния турбулентного перемешивания на распределение фитопланктона
Так как в модели основным механизмом переноса тепла и вещества является турбулентная диффузия, а коэффициенты турбулентного обмена теплом и импульсом принимались равными, некоторое несоответствие модельных и натурных результатов имеет место в профилях температуры и биомассы фитопланктона для отдельных станций полигонной съемки в Северном Байкале (август 1988г.).
Различия в модельных и натурных профилях температуры воды, в основном, отмечались на нижней границе металимниона, но не превышали 0.5С. Различия в профилях концентрации хлорофилла "а" отмечены в гиполимнионе и в среднем составляли 0.1 мгХл/м3 от модельных результатов. В большинстве случаев получено удовлетворительное соответствие модельных результатов натурным (Приложение 1: Рис. П.І.Іа, П.1.16, П.1.2в, П.1.2г).
Отличия наблюдались, когда натурные профили концентрации Хл "а" или биомассы имели максимум в гиполимнионе. Специфические вертикальные движения вод, которые индуцируются внутренними волнами и сейшевыми колебаниями, имеют свою периодичность и для более точного описания влияния этих явлений необходимо знание о перераспределении потоков импульса во всей толще вод. Модельные эксперименты только частично воспроизводили такие движения.
Кроме того, летом на Байкале хорошо выражен суточный ход скорости ветра, связанный с термическими различиями суши и воды, что приводит к развитию бриза и горно-долинных ветров в вечерние и утренние часы [51, 188] и вызывает сгонно-нагонные явления, а в конечном счете - образование локальных структур ап- веллинга и даунвеллинга.
Также воздействие ветра может создавать восходящие и нисходящие движения водных частиц в виде циркуляционных ячеек Ленгмюра . Однако конкретных движений в виде циркуляций Ленгмюра в модель не вводилось, так как модель однослойная и для формирования ячеек необходимы условия: перемешанный слой толщиной свыше десяти метров и нейтральная стратификация. Для рассматриваемых районов Байкала характерны достаточно тонкий эпилимнион и сильно стратифицированный металимнион (см. ч.1.2), что фактически препятствует развитию ленгмюровских циркуляций. Кроме того, характерные скорости в зонах конвергенции и дивергенции (3-9 см/с) [32, 149] существенно изменили бы картину распределения питательных элементов и биомассы фитопланктона в модельных расчетах. В модели вертикальная компонента скорости имела значения характерные для апвеллинга и даунвеллинга, а ее суточный ход зависел от ветровых условий.
В поверхностном слое на тепло- и массоперенос влияют ветровые и радиационные условия. Для эпилимниона характерна толщина порядка 3-5 м, со средними градиентами температуры - 0.53С/м в металимнионе (для Северного Байкала) [31, 60, 101].
Даже незначительное повышение скорости ветра приводит к интенсификации процессов перемешивания в верхних слоях, поэтому в модели динамическая скорость ветрового трения параметризовалась с учетом высоты действия ветра над поверхностью, шероховатости поверхности и коэффициента сопротивления по формулам Чарнока, Обухова и Ую [134, 137, 212] (см. Ч.2.1.2, 2.1.3), что дало возможность получить удовлетворительные модельные результаты по температуре воды и биомассе фитопланктона в эпилимнионе (Рис. П.1.3) .
Влияние циклического вертикального переноса отмечается во всех суточных натурных данных по заливам Байкала. Это влияние отражается на распределении температуры и фитопланктона, что, возможно, связано с действием внутренних волн или сейшевых колебаний.
На рис. П.1.4а,б,в отмечается обратная зависимость температуры воды на горизонте 25 м и концентрации Хл "а" на поверхности для различных районов в Байкале. Вертикальные колебания с такой периодичностью близки к инерционной частоте. Однако изменения поверхностной концентрации Хл "а" и температуры воды на нижней границе металимниона показывают, что такие низкочастотные колебания могут быть вызваны внутренними инерционногравитационными волнами. На формирование процессов, связанных с внутренними волнами, в Байкале, по-видимому, влияют орография берегов (вытянутая форма), рельеф дна, вариации атмосферного давления и сдвиговая неустойчивость, образующаяся из-за взаимодействия внутренней волны со средним течением. Влияние этих факторов на биологическую продуктивность водных экосистем еще не исследовано, но рассматривая рис. П.1.5а (Малое море), можно предположить периодическое формирование пятен фитопланктона из- за преобразования орбитальных движений частиц воды внутренней волны в конвергентно-дивергентные течения (см. гл.1).
Похожая зависимость получена и для сезонной изменчивости температуры воды в металимнионе и глубины залегания максимума Хл "а" в оз. Мичиган, где также обсуждается влияние вертикальных движений на изменение глубины подповерхностного максимума Хл "а" [191]. В Баргузинском зал., имеющем овальную форму берегов и глубины до 60 м, увеличение температуры воды в металим- нионе прямо связано с увеличением глубины подповерхностного максимума Хл "а" (Рис. П.1.56), что говорит о преимущественном влиянии ветрового перемешивания.
Для сравнения приведем данные наблюдений в оз.Байкал и результаты численных экспериментов при различных динамических условиях (Рис. 3.2). Расчеты на модели подтверждают, что совместное влияние ветра и вертикальных движений приводит к соответствующим различиям распределения биомассы по времени.
Периодический перенос вертикальными движениями вод в условиях периодического подъема вод либо внутренней волны, совместно с действием ветра, приводит к изменениям температуры воды в слое скачка и биомассы фитопланктона в поверхностном слое. Периоды колебаний этих параметров во времени находятся в противофазе, что дает основание анализировать данные натурных экспериментов и для определенных условий прогнозировать развитие процесса формирования неоднородностей во времени.
Модельные эксперименты, в которых изменялось направление вертикальных движений воды, позволили получить уточненное численное решение для профилей температуры воды и биомассы по полигонной съемке Северного Байкала (август 1988г.) и выявить границу зоны подъема вод, которая связана с локальным апвеллин- гом, периодически возникающим из-за интенсификации ветров, вызванных температурными контрастами участков суши и озера [60, 162, 188] (Рис. 3.3).
Такой режим подтверждается вычисленными значениями скоростей выравнивания температурных неоднородностей и числами Кокса (глава 1, часть 1.2), а также данными по изменчивости горизонтальных компонент скорости течения, полученных на АЦИТТах при постановке суточных станций.
Связь динамически активных зон с распределением фитопланктона в океане
Наряду с гидрофизическими явлениями, проявление которых идентифицируется картами градиентных зон ТПО, среди свойств фронтальных зон важным является формирование гидробиологических неоднородностей в океане. Резкое изменение гидрофизических условий может формировать зоны с различной биологической продуктивностью. При этом среди параметров градиентных зон важно определять устойчивость, ширину и величину распространенения зоны. Считается, что наиболее устойчивы градиентные зоны в тех районах океана, где они связаны с устойчивыми системами течений, подъема вод или с определенными формами рельефа дна [37, 70, 95, 171].
Фронтальные зоны могут влиять непосредственно на распределение планктонных организмов и рыб [62, 70, 170, 228] или служить своеобразной жидкой границей, существующей длительное время и ограничивающей взаимодействие с другими типами вод и соответственно биологическими структурами.
Что касается высокоградиентных зон концентрации фитопигментов, то движение вод, с одной стороны может приводить к резкому ограничению изменчивости положения этих зон, а с другой, приводить к созданию благоприятных условий для роста и воспроизводства клеток планктонных организмов и, следовательно, расширению масштабов гидробиологических неоднородностей.
Характер распределения живых организмов океане определяется не только зональными климатическими особенностями, но и формированием термогидродинамических фронтальных зон. Эти зоны образуются из-за взаимодействия различных структур течений, круговоротов и вихрей. Такого рода гидродинамические структуры влияют на изменение концентрации биогенных элементов и живых организмов в океане.
Главными физическими механизмами определяющими процесс формирования неоднородностей фитопланктона считается адвекция и диффузия, что отмечается в работе Окубо (Okubo, 1978). При этом болыиинствомоделей, рассматривающих эти эффекты для определения критических размеров неоднородностей, основаны на величине скорости диффузии в горизонтальном направлении. С учетом скорости роста фитопланктона, эти теоретические модели дают оценки размеров пятна фитопланктона в океане порядка 10-100 км с предположением о бесконечной малости пятна в начальный момент времени [223]. Минимальные критические радиусы пятен фитопланктона, полученные на разных моделях приведены в таблице 4.1. Эти результаты не противоречат полученным рассчетным данным по градиентным характеристикам концентрации фитопигментов. При этом модели, описанные в [223] существенно дополняются новыми оценками на основании зависимостей, полученных при анализе численных данных на нашей модели и при обработке данных спутниковой информации (Табл. 4.2).
Для анализа влияния гидрофизических факторов на распределение фитопланктона необходимо сравнить положение в пространстве ТФЗ, их динамические показатели, характер синоптической, сезонной и годовой изменчивости. Градиентные зоны концентрации фитопигментов не имеют четко выраженной изменчивыми чем ТФЗ. Однако в пределах одного года можно выявить неоднородности в распределении градиентов КФ в прибрежной зоне материков и островов, а также в зонах постоянных апвеллин- гов и стоков рек (Рис. 4.11). На примере Северной Атлантики видно, что сток реки Амазонки и Канарский апвеллинг создает локализованные зоны с высокими градиентами КФ.
Наибольшие изменения прослеживаются на картах месячной изменчивости градиентов концентрации фитопигментов. При ослаблении фоновой структуры ТФЗ в переходные сезоны (весной и осенью) в Северной Атлантике отмечается пятнистая структура градиентных зон КФ (Рис. 4.12.А). По-видимому характер изменчивости связан с функционированием термодинамических фронтальных зон.
Для месячной изменчивости градиентов КФ в Южной Атлантике отмечается соответствие между пространственной структурой ТФЗ и Наряду с градиентными зонами КФ отмечается наличие квазистационарных зон по сезонной динамике концентрации хлорофилла в поверхностном слое океана. Результаты получены на основе статистического анализа с использованием методов непараметрической статистики, что позволило сделать вывод о том, что это явление носит глобальный характер и присуще различным типам акваторий - от вод открытого океана до внутренних морей [228]. Здесь также наблюдается соответствие зон с устойчивой динамикой концентрации хлорофилла зонам разделенным фронтальным разделом системы Гольфстрим-Лабрадорское течение (сравнить Рис. 4.13.А и Рис. 4.3.Б). Для фронтального раздела, образованного Бразильским и Фолклендским течениями в Южной Атлантике наблюдается аналогичная ситуация (см. Рис. 4.13.Б и 4.5.Б).
Таким образом фоновые условия, которые связаны с макромаш- табными процессами в океане отражаются на формировании квазистационарных гидробиологических зон, в которых процессы жизнедеятельности фитопланктона обособлены и разделены от других типов вод фронтальными границами.
Что касается прибрежных апвеллингов, то на картах распределения градиентов концентрации фитопигментов, проявления такого рода возмущений в океане отслеживаются на масштабах, связанных с сезонной и годовой изменчивостью. Наиболее ярко в Северной Атлантике проявляется связь Канарского апвеллинга и высокоградиентных зон КФ.
Гидробиологические фронты в океане существенно более изменчивы нежели термогидродинамические. Характерное время изменчивости таких фронтов соответствует времени существования крупномасштабных вихревых образований, связанных либо с системами крупномасштабных океанских течений (меандры, вихри, конвергенции, дивергенции) , либо с подъемом вод под действием апвеллин- говых образований (ветровые апвеллинги, мезомасштабные вихри при обтекании подводных возвышенностей).
Спрогнозировать изменчивость крупномасштабных биологических процессов и изменения, происходящие при совместных проявлениях гидрофизической и гидробиологической активности, можно на основании численных экспериментов и данных дистанционного зондирования. Оценки по масштабным изменениям неоднородного распределения фитопланктона, можно провести при условии учета скорости роста и скорости отмирания (см. гл. 3), в соответствии с характерными пространственно-временными масштабами гидрофизических образованно (Табл. 4.2).
Для оценок характерных пространственно-временных масштабов изменчивости неоднородностей фитопланктона принимается соответствие характерной скорости перемещения гидрофизических образований и характерного времени жизни такого образования (Уравнение; 3.23) . При условии превалирующего диффузионного переноса, из-за чего биологическая неоднородность может растягиваться в определенном направлении, можно оценить по уравнению 3.22.
Характерные пространственно-временные масштабы изменчивости на основании аналитических зависимостей и данных численных экспериментов предствлены в таблице 4.2, где Vx и Vz - характерные скорости перемещения гидрофизических образований по горизонтали и ввертика ::и, соответственно; Lx и Lz - пространственные масштабы соотвє : твующих гидрофизических образований по горизонтали и вертикали/ :х - характерное время существования гидрофизических неоднородностей по горизонтали; LPX и LPZ - характерные масштабы неоднородностей фитопланктона по горизонтали и вертикали, соот- ветственнс / tPX и tPZ - время существования горизонтальных и вертикальл:к неоднородностей фитопланктона евзянных с гидрофизическими : оразованиями. Приведенные оценки согласуются с литературными .санными, описанными в предыдущих главах, а также результатами численных экспериментов. Основываясь на оценках изменчивости гидрофизических и гидробиологических неоднородностей представлю сея возможным судить о строении, размерах, скорости изменчивости, а также проследить эволюцию структуры отдельных неоднородк стей.