Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние динамики вод на формирование биологической продуктивности 7
1.1.Обзор экспедиционных и научных исследований по гидрологии Индийского океана 7
1.2. Влияние динамики вод на формирование и распределение промысловых зон 13
1.3. Биогеографическая характеристика Индийского океана. 24
Глава 2. Общая циркуляция вод и её моделирование 33
2.1.Прстранственно-временные элементы циркуляции вод.. Исходная информация для оценки промысловых районов по динамическому фактору 33
2.2 Лодель исследования динамической структуры океана.. 37
2.3. Использование электрических аналогов для моделирования циркуляции вод 49
Глава 3. Результаты моделирования динамики вод в Индийском океане 61
3.1.Крупномасштабная циркуляция вод 62
3.2.Районы поднятий и банок 79
3.3. Мезомасштабная циркуляция вод 101
Глава 4. Использование результатов моделирования динамики вод в практике промразведки 126
4.1.Расчёт синоптической изменчивости циркуляции вод... 126
4.2.Выделение вергенционных зон. ..139
4.3. Расчёт обмена биогенными элементами .145
Заключение 155
Литература 159
- Влияние динамики вод на формирование и распределение промысловых зон
- Биогеографическая характеристика Индийского океана.
- Использование электрических аналогов для моделирования циркуляции вод
- Расчёт обмена биогенными элементами
Введение к работе
Темпы и направления развития современной экономики свидетельствуют о возрастающей роли океана в развитии различных отраслей народного хозяйства. В ряде стран океану уже сегодня принадлежит больший,по сравнению с другими отраслями народного хозяйства, удельный вес в национальной экономике,в других странах его роль увеличивается с каждым годом. Океан прдолжает играть в жизни многих стран ведущую роль не только как поставщик белковой пищи, но и как объект хозяйствования. Увеличение производительности промысла в современных условиях является одной из составных частей реализации продовольственной программы. На одной из международных конференций,посвященной роли рыбы в питании,созванной по инициативе ІА0,отмечалось,что главная предпосылка для улучшения жизненных условий - рост запасов белковых продуктов питания, в первую очередь увеличение вылова рыбы / 93 /.
Изменения,которые произошли в промысловой обстановке в последние десятилетия,показывают все большую настоятельную необходимость пересмотра самого подхода к ведению промысла в современных условиях. Причём регулирование этой проблемы может быть осуществлено только в рамках международных организаций.
По данным ЗДО мировой улов в последнее пятилетие составляет около 60 млн. т рыбы в год. На долю Индийского океана приходится всего 4-5% вылова /10,49/. Вместе с тем,существо проблем,которые возникли в последние годы,даже на этом уровне промысла,заставляют все интенсивнее искать пути рационального и эффективного ведения промысла.
Основной особенностью деятельности промразведки в современных условиях является необходимость поиска новых районов промысла. Это вызвано радом обстоятельств,сложившихся в современной ми-
ровой экономике. Прежде всего необходимо иметь в виду введение 200-мильных экономических зон,что привело к значительному сокращению возможности промысла судов в районах океанического шельфа. Это обстоятельство усугубляется трудностями,связанными с подрывом численности стад промысловых рыб в некоторых районах Мирового океана как следствие высоких темпов роста добычи рыбы. Причём уже сегодня можно говорить о международном характере этого роста, о проблемах,которые возникли в этой связи,об организационных и научных мероприятиях,предпринимаемых для их решения /20,24,127/.
В этой связи возникает острая необходимость не только открытия новых районов промысла,но и изучения различных факторов,влияющих на биологию океана в данных географических условиях,роли гидрологического режима в формировании промысловых зон в открытом океане / 22,29,36,37,63 /.
Эффективность решения задач промысловой океанологии с учётом требований и сложившейся обстановки в деятельности промразведки все в большей степени зависит от прогноза положения промыслового района. Одним из главных факторов,влияющих на формирование физико-химических свойств водных масс и,в конечном итоге,на биологию океана,является динамика вод. При этом необходимо помнить, что если на границу ареала распространения того или иного вида влияет междугодичная изменчивость характеристик водных масс,а также более глобальные процессы,то поведение и миграция вида в пределах района,где организмы находятся на определенной стадии своего жизненного цикла,оказываются зависимыми от меж- и внутри-сезонной изменчивости гидрологического режима. Таким образом, важным в практическом плане оказывается знание наиболее вероятных мест концентрации объектов промысла. Последнее обстоятельство может быть связано,как правило,с распределением кормовых запасов в верхних слоях океана /100,101,143/.
*« Q «*
На сегодня можно считать достаточно изученной зависимость формирования первичных звеньев в биологической цепи от распределения биогенных элементов в поверхностном слое океана. Приуроченность зон повышенной концентрации биогенов к районам апвеллинга, где происходит вынос из глубинных и придонных слоев питательных веществ,позволяет сделать вывод о необходимости знания структурных изменений в квазистационарной циркуляции вод океана. Информация о вертикальных движениях может явиться начальным звеном при решении задач,связанных с промысловой океанологией - поиском новых районов промысла.
В этой связи перед работой была поставлена следующая задача: разработать методику и определить с её помощью границы ряда промысловых районов в Индийском океане. С этой целью в первой главе работы рассмотрено влияние динамики вод на формирование биологической продуктивности. На основании обзора экспедиционных и научных исследований по гидрологии Индийского океана и с учётом биогеографической характеристики региона выделены районы апвеллинга, которые представляют интерес для оценки условий формирования промысловых зон.
Во второй главе работы рассмотрены вопросы общей циркуляции вод и её моделирования применительно к задачам промысловой океанологии. Выполнен анализ пространственно-временных элементов циркуляции и исследована возможность использования результатов моделирования квазистационарной циркуляции вод для определения границ промысловых зон.
При решении задач прикладной океанологии особого внимания требует не только выбор пути их реализации,но и сам метод исследования. Особую актуальность данные вопросы приобретают сегодня, когда одним из требований современной практики является,как от-
мечается в Материалах ХХУІ съезда КПСС,необходимость "повысить эффективность научных исследований,значительно сократить сроки внедрения достижений науки и техники в производство" /74/. В этой связи в работе была поставлена дополнительная задача,касающаяся самого метода исследования - методика расчёта динамической струю? туры вод для выделения границ промысловых районов должна бытьре-ализуема с применение вычислительных средств средних и малых мощ* ностей,что обеспечит возможность применения ее в равной степени как в стационарных условиях,так и на судах промразведки. Для реализации задачи использован комбинированный метод электричес-когфналогового и численного моделирования.
Результаты моделирования динамики вод на примере ряда районов, представляющих интерес для промысла,рассмотрены в третьей главе работы. Используемая модель исследования динамической структуры океана позволила впервые получить картины квазистационарной циркуляции вод для мезомасштабных процессов в ряде районов Индийского океана,выявить основные закономерности формирования циркуляционных систем в районе локальных поднятий,проследить изменчивость положения динамически активных зон.
В четвертой главе приведены примеры использования результатов моделирования динамики вод при решении задач промысловой океанологии: для выделения областей наиболее вероятного скопления объектов промысла, сравнения промысловых районов по динамическому фактору,определения границ промысловых зон и др.
Анализ результатов исследований позволяет говорить о повышении экономической эффективности океанологического обеспечения промысла и возможности внедрения метода оценки положения промысловых зон в оперативной работе.
- ? -
Влияние динамики вод на формирование и распределение промысловых зон
В основе концепции экосистемы лежит взаимозависимость биологического и физического миров. Опираясь на общие закономерности физико-химических и биологических процессов в океане,можно не только предвидеть где и когда появится рыба,но какова будет плотность её скоплений;5 На поведение морских организмов в естественных условиях в большинстве случаев оказывают влияние различные факторы среды. Для практики промысловой океанологии оказывается важным рассмотрение вопросов,касающихся эволюции океана как системы,а затем прогнозирование на основе выявленных связей гидрологического режима всей толщи океана,в частности,динамики вод,которая оказывает существенное влияние на термические,химические,биологические, геологические и др. процессы.
При моделировании гидрологического режима приходится учитывать множество механизмов,действие которых достаточно сложно и многообразно,часто с множеством обратных связей. Этим моментом объясняется трудность создания модели или отдельных её блоков для решения задач по моделированию гидрологического режима и продукционных процессов в океане /61,62/. Характер биологических сообществ тесно связан с климатом. Однако существуют также локальные различия среды,которые создают возможность для возникновения разнообразных сообществ в пределах областей с однородной гидроструктурой /9,100,101/. Укенпо это обстоятельство используется в дальнейшем при моделировании динамической структуры вод некоторых районов Шдийского океана; В океане повсеместно наблюдается теснейшая связь гидрологических и биологических сезонов; Зависимость между ними оказывается столь тесной,что от тех или иных гидрологических характеристик зависит время наступления и длительность биологических сезонов /29,36, до/. Весьма наглядно эта связь может быть прослежена на примере миграции морских организмов; Достаточно вспомнить,что современные традиционные районы промысла в Мировом океане,их открытие и освоение, с вязано прежде всего именно с изучением миграций основных промысловых видов рыб. Около половины общего вылова приходится на морские рыбы шести семейств /8,49,57,93/. Следствием интенсивного освоения ряда районов морского промысла явилось резкое сок- ращение в них численности популяций. Последнее обстоятельство давно было замечено учёными и настоятельно выдвигало требование по изучению промысловых рыб - их роста,особенностей питания,механизмов,управляющих формированием стай и миграциями,а также ряда других факторов.
К сожалению,приходится констатировать,что начало таких систематических исследований явно запоздало,а по времени совпало с еще более ословнившейся промысловой обстановкой /22,127/. Изменчивость состояния среды океана оказывает большое влияние на развитие и экономическую эффективность морского промысла, особенно рыбного. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство достаточно указать,"что в каждой из основных производящих стран,включая Перу,в течение ряда лет имели место повышения или уменьшения ежегодной добычи рыбы,служащей для переработки в муку,на 50$ и более" /67,с.261/. В некоторых районах Мирового океана сильное ограничивающее воздействие на продукцию оказывает недостаток питательных веществ. Однако,если говорить в целом об океане,продуктивность достигает своего наивысшего уровня в тех местах,где имеются все необходимые для этого условия - свет,минеральные соли,определенные гидрологические условия и т.д. Именно более или менее благоприятное сочетание отмеченных факторов создают в океане зоны биологической продуктивности. Из-за недостатка минеральных питательных веществ продуктивность океанских систем снижается до 10$ и менее продуктивности лесов умеренной зоны /57,101/. Ограничительная роль питательных веществ особенно сильно ощущается в открытом океане,где объём продукции гораздо ниже именно вследствие недостатка растворенных минеральных веществ,хотя другие условия могут быть значительно лучше,чем в тех районах,где не ощущается их недостатка. Одним из наиболее важных в этом отношении фактором является изменение температуры. Вода обладает физическими свойствами,которые снижают возможные колебания температуры,в отличие от наземных условий,где изменения температуры для тех же пространственно-временных масштабов процессов значительно больше /38,81/. Однако температура является ограничивающим биотопическим фактором в океанических и континентальных водах,так как большинство живущих в них организмов стенотермные,т.е. могут переносить лишь небольшие колебания температуры. Во время поиска объектов лова данные о распределении температуры могут служить одним из показателей,характеризующего условия формирования (или уже существующих условий) биологической продуктивности /115/. В океанах первичная продукция является начальной стадией образования органических веществ из неорганических фракций. Эта реакция происходит в результате фотосинтеза. Из-за ограниченного распространения света в морской воде фотосинтез происходит только в верхнем 100-метровом слое прозрачной толщи.
Биогеографическая характеристика Индийского океана.
Мировой океан может быть представлен как стройная система биотопов,которой соответствует закономерное строение морских биоценозов и распределение слагающих эти сообщества видов. Связь популяций видов,а также всей флоры и фауны с водными массами позволяет проводить содержательные сравнения биогеографических регионов с океанографической структурой Мирового океана.
Географические границы распространения морских организмов выделяются,согласно традиционного подхода в зоогеографии, раздельно для всей водной толщи и дна /6,9,40,49/,что объясняется специфичностью в отношении многих важных условий существования видов.
Своеобразие гидрологических черт Индийского океана определяется некоторыми его природными особенностями,в первую очередь, географическим положением и очертаниями береговой линии,а также климатическими условиями. Все эти особенности имеют в своей основе одну причину - ассиметричную относительно экватора $орму океана,лишенную высокоширотной части. Распределение,состав и другие характеристики видов,как правило,неплохо совпадают не только с границами крупномасштабных,но и многих второстепенных биогеографических регионов. Это объясняется тем,что изменения в видовом составе морских организмов происходят главным образом на границах взаимодействия водных масс,а реальная картина природных зон является интерференцией широтной и циркумконтинентальной типов биологической зональности А,б,9,40,49/.
Степень смешанности видов на границах различных вод и её конкретные картины столь же изменчивы,как и положение самой границы. Естественно,граница тем резче,чем сильнее различаются между собой водные массы соприкасающихся круговоротов. Следовательно, и отдельные ареалы,и целые биогеографические районы в разных своих частях обособлены друг от друга неодинаково резко. Важную роль во всех биологических процессах играют круномасштабные сезонные изменения циркуляции поверхностных вод. Сезонные подъемы обогащенных биогенными солями подповерхностных вод в верхние слои заметно отражаются на биологической продуктивности. Эти изменения сказываются и на особенностях распределения и продукции планктона,бентоса и нектона. Влияние аналогичных процессов можно проследить и в масштабе всего океана.
Количество зоопланктона,а также организмов более высокого трофического уровня,достаточно хорошо согласуется с распределением первичной продукции,а его количество в неритической пелаги-али обычно также выше,чем в водах открытого океана. На рисунке 1.3 представлены вычисленные значения средней продукции биомассы зоопланктона в верхнем 300-метровом слое /91/. На рисунке 1.4 приведена карта распределения биомассы зоопланктона в верхнем продуцирующем слое океана. Карта составлена на основании многочисленных советских и зарубежных экспедиций /9,32/. Обраща ет на себя внимание обширная область,занятая биогеоценозом южного центрального круговорота. В муссонной части Индийского океана эта зона практически не выражена,в отличие от других океанов. В центральной части антициклонического круговорота на фоне чёткой стратификации происходит общее медленное опускание вод.
С учётом существующих представлений,а также материалов исследований биологии Индийского океана за последние годы /4,6,8, 95,103,117,166/ промысловые ресурсы этого региона Мирового океана можно распределить между несколькими основными географическими комплексами,которых выделяют пять /40,49/: четыре неретических - тропический,два субтропических (южно-африканский и австралийский), антарктический и один океанический,охватывающий всю тропическую зону. Достаточно хорошо это видно на рисунке 1.5,где приведено биогеографическое районирование Индийского океана.
Использование биологических ресурсов океана сейчас крайне неравномерно. Около 10% мировой добычи обеспечивается представи телями шести семейств,обитателей шельфа и неритических областей океана. При высокой интенсивности использования некоторых видов рыб,креветок и других объектов промысла в Индийском океане возможно увеличение изъятия ряда промысловых рыб и беспозвоночных до 10-14 млн тонн в год,что примерно в 5 раз превышает нынешний улов в этом регионе /10,49/. Например,сегодня из океанических нектоиных рыб объектами промысла служат лишь немногие виды»а их уяовы составляют ничтожную долю общего вылова морских рыб,всего 1,3 млн тонн,или 2,1% продукции рыболовства.
Развитие рыболовства в Индийском океане,вероятно,произойдет прежде всего за счёт освоения участков верхней части склона и ложа океана,а также районов океана в зонах соприкосновения водных масс различного происхождения. Кроме освоения рыбных ресурсов пелагиали,увеличение улова может быть осуществлено за счёт промысла придонных рыб у западных берегов Австралии и восточного побережья Африки. Однако самую существенную часть прироста - до 80-90$, - дадут обитатели пелагиали /49/.
Использование электрических аналогов для моделирования циркуляции вод
В условиях современной НТР одной из главных задач является разработка и создание надежных средств реализации теоретических разработок в той или иной области научных исследований. Качество и успех решения прикладных задач во многом определяется сегодня именно этим фактором.
Во всех сферах познавательной и преобразовательной деятельности человека используется метод моделирования. Сам же акт моделирования основывается на абстракции отождествления,которая реализуется через подобие,гомоморфизм,изоморфизм и т.д. /89/. В.А. Штофф приходит к обоснованному выводу - почти все виды абстракций и абстрагирования осуществляются с помощью моделей и в виде моделей /140/. Возрастание роли моделирования в современной практике объясняется тем,что во многих случаях познание объекта в реальных условиях затруднено или невозможно в силу рада причин. В одних случаях это может быть недостаточное развитие уровня средств изучения,в других - необходимость изучения объекта до его сооружения и т.д.,т.е. здесь существенное значение имеют экономические соображения,связанные с необходимостью повышения эффективности научных исследований и оптимизации человеческой деятельности вообще. При реализации народнохозяйственных задач в последние годы возникла принципиально новая проблема познание объектов,имеющих многоуровенную,неоднозначную структуру,что не позволяет использовать классические методы формализации. С такими сложными системами мы сталкиваемся,например,при рассмотрении задач экологии /89/. Для решения такого круга проблем фундаментальное значение имеет синтез знаний.
В основе электрического моделирования лежит принцип аналогичности дифференциальных уравнений,описывающих изучаемое явление и законы распространения тока в модели. Таким образом,можно создать модель и исследовать электрическое явления,в котором изменения токов и напряжений описываются уравнениями того же типа. Именно это обстоятельство и делает электрические аналоги более физичными,чем :ЦВМ,т.е. в данном случае электрические модели занимают промежуточное звено между явлениями в природе и его описанием на ЦВМ /28,72/.
Метод электрического аналогового моделирования получает все большее распространение при решении ряда прикладных задач океанологии /72/. Причём,в ряде случаев использование электрических аналогов является единственной возможностью для реализации поставленной задачи /1,72,75,76,125/. Кроме отмеченных выше особенностей аналоговых моделей,на них удается просто задавать различного рода граничные условия. Например, разрывом или коротким за мыканием цепи мы достигаем задания граничного условия,соответствующего прохождению потоком границы области по нормали или постоянства функции тока на ней. В общем случае возможно использование разностной сетки с переменным шагом по. пространству. Наличие сложной конфигурации границы моделируемой области в случае математического моделирования вызывает трудности при задании граничных условий. Поэтому на практике часто береговую черту или контур области стараются,по возможности,представить более плавно. Вместе с тем,как показали результаты экспериментов,характер циркуляции очень чувствителен к конфигурации бассейна /161/. Точ« ность аппроксимации береговой черты или границы области на элект- рических моделях зависит только от выбранного шага сетки.
Использование на разных этапах решения задачи электрическо го и численного моделирования позволяет значительно повысить эффективность решения поставленных задач,не снижая при этом точности реализации модели исследуемого явления /75,76,77/, Постав ленная задача решается в два этапа: I. Находится функция полных потоков, 2. Осуществляется переход к трехмерному полю течений. На первом этапе используется метод электрического аналогового моделирования, при расчёте трехмерного поля течений - метод численного моделирования.
Интегральная циркуляция вод в океане описывается уравнением эллиптического типа (2.16),которое может быть записано в общем виде Перейдем к дискретному представлению поля масс с помощью конечно-разностной аппроксимации. На рисунке 2.1 приведена схема расчёта гидродинамической системы (а) и соответствующая ей схема сетки электрической модели (б).
Расчёт обмена биогенными элементами
Продуктивность естественных сообществ во многом определяется интенсивностью фотосинтеза,который,в свою очередь,зависит также от ряда факторов: света,температуры,динамики вод,поступления питательных веществ и др.
В зонах апвеллинга,где наблюдается наиболее интенсивный вынос к поверхности питательных веществ,а также в зонах континентального шельфа,где происходит наиболее активный обмен между придонными слоями и поверхностными водами,продукция составляет в среднем,соответственно 500 и 360 г/кг«год. Продукция эстуариев, коралловых рифов и прибрежных зарослей водорослей приближается к продукции наземных местообитаний,достигая в среднем 2000 г/м2 .год /101/. Учитывая отмеченные обстоятельства,представляется интересным использовать информацию по динамической структуре вод для оценки условий формирования повышенной продуктивности того или иного района. Полученный материал для отдельных областей Мирового океана показал не только актуальность проведения аналогичных исследований /61,62,78/,но и позволил определить круг вопросов,требующих своего дальнейшего рассмотрения.
При оценке интенсивности поступления биогенов в верхний деятельный слой океана обычно используют балансовые соотношения /66/. Исходя из этого,расчёт скорости обмена массой фосфатов между эвфотической зоной и слоем регенерации может быть произведен по следующей формуле где - вертикальная составляющая скорости Течения, С - концентрация вещества. Для оценки интенсивности поступления биогенов в верхний слой океана использованы данные среднесезонного распределения фосфатов А,169/. Расчёты выполнены с привлечением результатов моделирования динамической структуры крупномасштабной квазистационарной циркуляции вод с учётом повторяемости типовых ситуаций. Была поставлена цель - выделить зоны наиболее благоприятные для формирования повышенной биологической продуктивности,для которых могут быть в дальнейшем продолжены исследования по детализации динамической картины. Полученный материал может уточняться по мере поступления информации о состоянии среды во время океанографических съёмок. Как показывают ранее выполненные исследования, в последнем случае имеется возможность значительно повысить надежность и точность оценки интенсивности протекания биологических процессов в океане /78/. На рисунках 4.7 и 4.8 приведены результаты расчёта скорости поступления фосфатов в эвфотическую зону океана в центральной части Индийского океана при зональной атмосферной циркуляции для двух периодов: май-октябрь (см.рис.4.7) и ноябрь-апрель (см.рис. 4.8),т.е. для зимы-весны и лета-осени южного полушария.
Если говорить о качественной стороне картины обмена фосфатами, то она остается для этого типа атмосферной циркуляции (повторяемость 60-80 достаточно стабильной: между южным тропиком и 40ю.ш. расположена зона, соответствующая крупномасштабной ан-тициклонической циркуляции вод в этом районе,где в глобальном масштабе отсутствуют условия для формирования районов с повышен ной биологической продуктивностью. В летне-осенний период происходит интенсификация этой зоны на западе (около 40ю.ш. и 45 в.д.) и центральной части (около 30ю.ш. и 65в.д.). К северу, вдоль 20ю.ш. и к югу,вдоль 40ю.ш. от этой зоны,можно выделить локальные районы,где имеются условия для формирования повышенной биологической продуктивности: к югу от Африки,» районе ост-» рова Мадагаскар,около 20ю.ш. и 90в.д.,40ю.ш. и 30в.д.,40 ю.ш. и 90в.д., 40ю.ш. и бОв.д, Для этих районов также характерно усиление обмена биогенными элементами в летне-осенний период. Выполненные исследования позволяют сделать вывод,в частности, об отсутствии условий для формирования повышенной биологической продуктивности в районе между 22-40ю.ш. и 90-Ю8в.д. (центрально-восточная часть Индийского океана). Следует,однако, отметить,что определенный практический интерес представляет область между западно-австралийским течением и побережьем Австралии.
Аналогичные исследования были выполнены и для антарктического сектора Индийского океана. Результаты расчётов,которые выполнены для зональной атмосферной циркуляции,приведены на рисунках 4.9 и 4.10.
Необходимо прежде всего отметить более пятнистый характер в распределении зон выноса биогенных элементов в верхние слои океана. Характер этого распределения сохраняется в течение всего года. В летне-осенний период (см.рис.4.10) на северо-востоке области наблюдается интенсификация процесса обмена биогенами,чем и объясняется слияние локальных зон в одну (район бОю.ш.). В этом регионе,как и в центральной части Индийского океана,интенсификация процессов обмена биогенами приходится на период лето-осень. Это связано прежде всего с тем,что в этот период отмечается минимальная ледовитость во всем районе,что в свою очередь приводит к увеличению скорости протекания процессов в верхних слоях океана. Особый интерес могут представлять зоны,расположенные вдоль антарктического побережья: между 20-25в.д., 40-50в.д., 70-80в.д. (залив Прюдса),около 120в.д. и 130 135 в.д.,для которых могут быть продолжены в дальнейшем исследования по выявлению особенностей в формировании мезомасштабной квазистационарной циркуляции вод,особенно для летне-осеннего периода.
