Численное моделирование весенней динамики планктона на примере Селенгинского мелководья оз. Байкал

Баир Олегович Цыденов, Bair Tsydenov

Аннотация


В статье представлены результаты численного моделирования динамики фито- и зоопланктона в период развития весеннего термобара на Селенгинском мелководье озера Байкал. На основе расчетов выявлено, что с повышением температуры воды в мелководье увеличивается концентрация фитопланктона, причем локальный максимум имеет смещение в сторону прибрежной части относительно от фронта термобара. Моделирование показало, что нисходящие вдольсклоновые течения, возникающие в результате термобарической неустойчивости, способствуют распространению фитопланктона в глубоководную область водоема. Полученные в ходе вычислительных экспериментов распределения зоопланктона имеют направленный к берегу пространственный профиль монотонного роста, что связано с термическими условиями водной среды: чем выше температура воды, тем выше биомасса зоопланктона.

Одним из важных результатов настоящей работы является оценка влияния ветра на пространственно-временную структуру концентрации планктона в условиях батиметрии Селенгинского мелководья озера Байкал. Математическое моделирование продемонстрировало, что индуцированные ветром течения приводят к перемешиванию и оседанию биомассы фитопланктона. Установлено, что ветры западного направления, дующие против движения термобара, имеют тенденцию замедлять горизонтальное распространение фито- и зоопланктона в центральную часть Байкала.

 


Ключевые слова


математическая модель; фитопланктон; зоопланктон; весенний термобар; гидробиология озера

Полный текст:

PDF

Литература


Верещагин Г. Ю. О некоторых проблемах, связанных с изучением Байкала // Природа. 1939. № 12. С. 33–43.

Иванов В. Г. Формирование и эволюция весеннего термобара за счет стока реки (на примере Селенгинского мелководья озера Байкал): Автореф. дис. … канд. геогр. наук. Иркутск, 2012. 24 с.

Синюкович В. Н., Жарикова Н. Г., Жариков В. Д. Сток реки Селенги в ее дельте // География и природные ресурсы. 2004. № 3. С. 64–69.

Цыденов Б. О. Численное моделирование взаимодействия компонентов системы «нутриент – фитопланктон – зоопланктон – детрит» во время эволюции весеннего термобара // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2017. № 50. С. 112–121. DOI: 10.17223/19988621/50/10.

Цыденов Б. О. Численное моделирование эффекта весеннего термобара в глубоком озере: Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2013. 145 с.

Шимараев М. Н., Грачев М. А., Имбоден Д. М., Окуда С., Гранин Н. Г., Кипфер Р., Левин Л. А., Эндо Ш. Международный гидрофизический эксперимент на Байкале: процессы обновления глубинных вод в весенний период // Докл. РАН. 1995. Т. 343, № 6. С. 824–827.

Aleksandrova M. P., Gulev S. K., Sinitsyn A. V. An improvement of parametrization of short-wave radiation at the sea surface on the basis of direct measurements in the Atlantic // Russian Meteorology and Hydrology. 2007. Vol. 32, no. 4. P. 245–251. DOI: 10.3103/S1068373907040048.

Blokhina N. S. The influence of wind on the development of a thermal bar and currents in reservoirs of different depths during ice cover melting // Moscow Univ. Phys. Bull. 2015. Vol. 70, no. 4. P. 319–325. DOI: 10.3103/S0027134915040050.

Budd J., Kerfoot W. C., Pilant A., Jipping L. M. The Keweenaw Current and ice rafting: Use of satellite imagery to investigate copper-rich particle dispersal // J. Great Lakes Res. 1999. Vol. 25, no. 4. P. 642–662. DOI: 10.1016/S0380-1330(99)70768-9.

Fennel K., Wilkin J., Levin J., Moisan J., O’Reilly J., Haidvogel D. Nitrogen cycling in the Middle Atlantic Bight: Results from a three-dimensional model and implications for the North Atlantic nitrogen budget // Global Biogeochemical Cycles. 2006. Vol. 20, no. 3. GB3007. DOI: 10.1029/2005GB002456.

Holland P. R., Kay A. A review of the physics and ecological implications of the thermal bar circulation // Limnologica. 2003. Vol. 33, no. 3. P. 153–162. DOI: 10.1016/S0075-9511(03)80011-7.

Holland P. R., Kay A., Botte V. Numerical modelling of the thermal bar and its ecological consequences in a river-dominated lake // J. Mar. Syst. 2003. Vol. 43, no. 1–2. P. 61–81. DOI: 10.1016/S0924-7963(03)00089-7.

Likhoshway Y. V., Kuzmina A. Ye., Potyemkina T. G., Potyemkin V. L., Shimaraev M. N. The distribution of diatoms near a thermal bar in Lake Baikal // J. Great Lakes Res. 1996. Vol. 22, no. 1. P. 5–14. DOI: 10.1016/S0380-1330(96)70929-2.

Moll R. A., Bratkovich A., Chang W. Y. B., Pu P. Physical, chemical, and biological conditions associated with the early stages of the Lake Michigan vernal thermal front // Estuaries. 1993. Vol. 16, no. 1. P. 92–103. DOI: 10.2307/1352767.

Parker R. A. Eddy diffusion of phytoplankton and nutrients: Estimating coefficients from simulated and observed vertical distributions // J. Plankt. Res. 1991. Vol. 13, no. 4. P. 815–830. DOI: 10.1093/plankt/13.4.815.

Scavia D., Bennett J. R. Spring transition period in Lake Ontario – a numerical study of the causes of the large biological and chemical gradients // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1980. Vol. 37, no. 5. P. 823–833. DOI: 10.1139/f80-111.

Sherstyankin P. P., Alekseev S. P., Abramov A. M. Stavrov K. G., De Batist M., Hus R., Canals M., Casamor J. L. Computer-based bathymetric map of Lake Baikal // Dokl. Akad. Nauk. 2006. Vol. 408, no. 1. P. 102–107. DOI: 10.1134/S1028334X06040131.

Shimaraev M. N., Verbolov V. I., Granin N. G., Sherstyankin P. P. Physical Limnology of Lake Baikal: a Review. Irkutsk–Okayama, 1994.

Tsydenov B. O. Numerical modeling of the autumnal thermal bar // J. Mar. Syst. 2018a. Vol. 179. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.jmarsys.2017.11.004.

Tsydenov B. O. Numerical modeling of the effect of inflow water mineralization in the dynamics of the autumnal thermal bar in Kamloops Lake // Moscow Univ. Phys. Bull. 2018б. Vol. 73, no. 4. P. 435–440. DOI: 10.3103/S0027134918040148.

Tsydenov B. O., Kay A., Starchenko A. V. Numerical modeling of the spring thermal bar and pollutant transport in a large lake // Ocean Modelling. 2016. Vol. 104. P. 73–83. DOI: 10.1016/j.ocemod.2016.05.009.

Tsydenov B. O., Starchenko A. V., Kay A. The effects of wind and diurnal variability of surface heat fluxes on riverine thermal bar dynamics: a numerical experiment // Inland Waters. 2018. Vol. 8, no. 3. P. 322–328. DOI: 10.1080/20442041.2018.1481667.

Ullman D., Brown J., Cornillon P., Mavor T. Surface temperature fronts in the Great Lakes // J. Great Lakes Res. 1998. Vol. 24, no. 4. P. 753–775. DOI: 10.1016/S0380-1330(98)70860-3.

References

Vereshchagin G. Yu. O nekotoryh problemah, svyazannyh s izucheniem Bajkala [On some problems associated with the study of Baikal]. Priroda [Nature]. 1939. no. 12. P. 33–43.

Ivanov V. G. Formirovanie i evolyuciya vesennego termobara za schet stoka reki (na primere Selenginskogo melkovod'ya ozera Bajkal) [Formation and evolution of the spring thermal bar due to river runoff (Selenga shallow of Lake Baikal)]. Summary of PhD (Cand. of Geogr.) thesis. Irkutsk, 2012. 24 p.

Sinyukovich V. N., Zharikova N. G., Zharikov V. D. Stok reki Selengi v ee del'te [Selenga River runoff in its delta] // Geografiya i prirodnye resursy [Geography and natural resources]. 2004. no. 3. P. 64–69.

Tsydenov B. O. Chislennoe modelirovanie vzaimodejstviya komponentov sistemy «nutrient – fitoplankton – zooplankton – detrit» vo vremya evolyucii vesennego termobara [Numerical modeling of the interaction between nutrient-phytoplankton-zooplankton-detritus system components during the spring thermal bar]. Vestnik Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta-Matematika I Mekhanika [Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics]. 2017. no. 50. P. 112–121. DOI: 10.17223/19988621/50/10.

Tsydenov B. O. Chislennoe modelirovanie effekta vesennego termobara v glubokom ozere [Numerical modeling of the effect of the spring thermal bar in a deep lake]. PhD (Cand. of Phys. and Math.) thesis. Tomsk, 2013. 145 p.

Shimaraev M. N., Grachev M. A., Imboden D. M., Okuda S., Granin N. G., Kipfer R., Levin L. A., Endo S. Mezhdunarodnyj gidrofizicheskij eksperiment na Bajkale: processy obnovleniya glubinnyh vod v vesennij period [International hydrophysical experiment in Lake Baikal: Spring deep water renewal]. Dokl. Acad. Nauk. 1995. Vol. 343, no. 6. P. 824–827.

Aleksandrova M. P., Gulev S. K., Sinitsyn A. V. An improvement of parametrization of short-wave radiation at the sea surface on the basis of direct measurements in the Atlantic // Russian Meteorology and Hydrology. 2007. Vol. 32, no. 4. P. 245–251. DOI: 10.3103/S1068373907040048.

Blokhina N. S. The influence of wind on the development of a thermal bar and currents in reservoirs of different depths during ice cover melting // Moscow Univ. Phys. Bull. 2015. Vol. 70, no. 4. P. 319–325. DOI: 10.3103/S0027134915040050.

Budd J., Kerfoot W. C., Pilant A., Jipping L. M. The Keweenaw Current and ice rafting: Use of satellite imagery to investigate copper-rich particle dispersal // J. Great Lakes Res. 1999. Vol. 25, no. 4. P. 642–662. DOI: 10.1016/S0380-1330(99)70768-9.

Fennel K., Wilkin J., Levin J., Moisan J., O’Reilly J., Haidvogel D. Nitrogen cycling in the Middle Atlantic Bight: Results from a three-dimensional model and implications for the North Atlantic nitrogen budget // Global Biogeochemical Cycles. 2006. Vol. 20, no. 3. GB3007. DOI: 10.1029/2005GB002456.

Holland P. R., Kay A. A review of the physics and ecological implications of the thermal bar circulation // Limnologica. 2003. Vol. 33, no. 3. P. 153–162. DOI: 10.1016/S0075-9511(03)80011-7.

Holland P. R., Kay A., Botte V. Numerical modelling of the thermal bar and its ecological consequences in a river-dominated lake // J. Mar. Syst. 2003. Vol. 43, no. 1–2. P. 61–81. DOI: 10.1016/S0924-7963(03)00089-7.

Likhoshway Y. V., Kuzmina A. Ye., Potyemkina T. G., Potyemkin V. L., Shimaraev M. N. The distribution of diatoms near a thermal bar in Lake Baikal // J. Great Lakes Res. 1996. Vol. 22, no. 1. P. 5–14. DOI: 10.1016/S0380-1330(96)70929-2.

Moll R. A., Bratkovich A., Chang W. Y. B., Pu P. Physical, chemical, and biological conditions associated with the early stages of the Lake Michigan vernal thermal front // Estuaries. 1993. Vol. 16, no. 1. P. 92–103. DOI: 10.2307/1352767.

Parker R. A. Eddy diffusion of phytoplankton and nutrients: Estimating coefficients from simulated and observed vertical distributions // J. Plankt. Res. 1991. Vol. 13, no. 4. P. 815–830. DOI: 10.1093/plankt/13.4.815.

Scavia D., Bennett J. R. Spring transition period in Lake Ontario – a numerical study of the causes of the large biological and chemical gradients // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1980. Vol. 37, no. 5. P. 823–833. DOI: 10.1139/f80-111.

Sherstyankin P. P., Alekseev S. P., Abramov A. M. Stavrov K. G., De Batist M., Hus R., Canals M., Casamor J. L. Computer-based bathymetric map of Lake Baikal // Dokl. Akad. Nauk. 2006. Vol. 408, no. 1. P. 102–107. DOI: 10.1134/S1028334X06040131.

Shimaraev M. N., Verbolov V. I., Granin N. G., Sherstyankin P. P. Physical Limnology of Lake Baikal: a Review. Irkutsk–Okayama, 1994.

Tsydenov B. O. Numerical modeling of the autumnal thermal bar // J. Mar. Syst. 2018. Vol. 179. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.jmarsys.2017.11.004.

Tsydenov B. O. Numerical modeling of the effect of inflow water mineralization in the dynamics of the autumnal thermal bar in Kamloops Lake // Moscow Univ. Phys. Bull. Vol. 73, no. 4. P. 435–440. DOI: 10.3103/S0027134918040148.

Tsydenov B. O., Kay A., Starchenko A. V. Numerical modeling of the spring thermal bar and pollutant transport in a large lake // Ocean Modelling. 2016. Vol. 104. P. 73–83. DOI: 10.1016/j.ocemod.2016.05.009.

Tsydenov B. O., Starchenko A. V., Kay A. The effects of wind and diurnal variability of surface heat fluxes on riverine thermal bar dynamics: a numerical experiment // Inland Waters. 2018. Vol. 8, no. 3. P. 322–328. DOI: 10.1080/20442041.2018.1481667.

Ullman D., Brown J., Cornillon P., Mavor T. Surface temperature fronts in the Great Lakes // J. Great Lakes Res. 1998. Vol. 24, no. 4. P. 753–775. DOI: 10.1016/S0380-1330(98)70860-3.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/lim948

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019