Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 432-445
Интегральная первичная продукция в глубоководных районах Черного моря в 1998 – 2015 годах
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-4-432-445Аннотация
Цель. С помощью математического моделирования по данным спутниковых измерений оценить ежемесячные изменения интегральной первичной продукции в глубоководной зоне Черного моря за 1998–2015 гг. – цель данной работы.
Методы и результаты. По данным спутниковых наблюдений SeaWiFS и MODIS проведены расчеты интегральной первичной продукции с помощью модифицированной авторами модели. Использовался разработанный в Морском гидрофизическом институте РАН алгоритм для восстановления концентрации хлорофилла а по данным спутниковых измерений в видимом диапазоне спектра, полученный на основе измерений in situ за период 1997–2015 гг. Применяемые коэффициенты яркости моря для трех длин волн 490, 510 и 555 нм позволяют учесть поглощение окрашенного растворенного вещества, они слабо чувствительны к ошибкам атмосферной коррекции и обратному рассеянию света взвесью. Для расчета интегральной первичной продукции использовалась адаптированная модель Бехренфилда и Фальковского с применением физиологических параметров фитопланктона, полученных по данным in situ для Черного моря. Представлены данные сезонной изменчивости осредненных за двухнедельный период величин первичной продукции в центральной части Черного моря за 1998–2015 гг.
Выводы. Продуктивность в столбе воды для глубоководной зоны (от 500 м) за 18 лет в среднем составляла 157–158 гС·м–2·год–1. Наблюдаются три периода повышения интегральной первичной продукции в течение годового цикла: зимне-весенний, летний и позднеосенний. Тренды продуктивности за исследованный отрезок времени не наблюдались. Снижение показателей зафиксировано после 2008 г. В восточном и западном глубоководных районах характер изменения первичной продукции был сходен. Полученные величины продуктивности за 1998– 2015 гг. согласуются с данными ранних исследований. В Черном море наблюдается смена периодов повышения и снижения продукционных показателей, связанная преимущественно с климатическим воздействием.
Список литературы
1. Ведерников В. И., Демидов А. Б. Первичная продукция и хлорофилл в глубоководных районах Черного моря // Океанология. 1993. Т. 33, № 2. С. 229–235.
2. Ведерников В. И., Демидов А. Б. Вертикальное распределение первичной продукции и хлорофилла в различные сезоны в глубоководных районах Черного моря // Океанология. 1997. Т. 37, № 3. С. 414–423.
3. Ведерников В. И., Демидов А. Б. Долговременная и сезонная изменчивость хлорофилла и первичной продукции в восточных районах Черного моря // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря / Отв. ред. А. Г. Зацепин, М. В. Флинт. Москва : Наука, 2002. С. 212–247.
4. Демидов А. Б. Сезонная изменчивость и оценка годовых величин первичной продукции фитопланктона в Черном море // Океанология. 2008. Т. 48, № 5. С. 718–733.
5. Ковалева И. В. Межгодовые и сезонные изменения концентрации хлорофилла а и первичной продукции в глубоководной части Черного моря // Гидробиологический журнал. 2014. Т. 50, № 3. С. 38–50.
6. Финенко З. З. Первичная продукция Черного моря: экологические и физиологические характеристики фитопланктона // Экология моря. 2001. Вып. 57. С. 60–67.
7. Финенко З. З., Суслин В. В., Чурилова Т. Я. Оценка продуктивности фитопланктона Черного моря по спутниковым данным // Доклады Академии наук. 2010. Т. 432, № 6. С. 845–848.
8. Финенко З. З., Суслин В. В., Чурилова Т. Я. Региональная модель для расчета первичной продукции Черного моря с использованием данных спутникового сканера цвета SeaWiFS // Морской экологический журнал. 2009. Т. VIII, № 1. С. 81–106.
9. Юнев О. А. Эвтрофикация глубоководной части Черного моря: многолетние изменения годовой первичной продукции фитопланктона // Системы контроля окружающей среды. Средства, информационные технологии и мониторинг. Севастополь : НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2009. С. 407–413.
10. Long-term variations of surface chlorophyll a and primary production in the open Black Sea / О. А. Yunev [et al.] // Marine Ecology Progress Series. 2002. V. 230. P. 11–28. doi:10.3354/meps230011
11. Agirbas Е., Bakirci М. Size-fractionated primary production in the south-eastern Black Sea // Oceanologia. 2022. Vol. 64, iss. 2. P. 244–266. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2021.11. 002
12. Первичная продукция Черного моря: спектральный подход / Т. Я. Чурилова [и др.] // Морской биологический журнал. 2016. Т. 1, № 3. С. 50–53. doi:10.21072/mbj.2016.01.3.08
13. Ковалёва И. В. Сравнение алгоритмов расчета первичной продукции Черного моря по концентрации хлорофилла в поверхностном слое, интенсивности солнечной радиации и температуре // Морской экологический журнал. 2010. Т. IX, № 2. С. 62–73.
14. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Суслин В. В. Оценка биомассы фитопланктона и первичной продукции в Черном море по спутниковым данным // Промысловые биоресурсы Черного и Азовского морей / Под ред. В. Н. Еремеева и др. Севастополь : НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2011. С. 221–236.
15. Oguz T., Dippner J. W., Kaymaz Z. Climatic regulation of the Black Sea hydro-meteorological and ecological properties at interannual-to-decadal time scales // Journal of Marine Systems. 2006. Vol. 60, iss. 3–4. Р. 235–254. doi:10.1016/j.jmarsys.2005.11.011
16. Юнев О. А. Эвтрофикация и годовая первичная продукция фитопланктона глубоководной части Черного моря // Океанология. 2011. Т. 51, № 4. С. 1–10.
17. Peculiarities of seasonal variability of primary production in the Black Sea / L. V. Stelmakh [et al.] // Ecosystem modeling as a management tool for the Black Sea / Eds. U. Ivanov, T. Oguz. Dordrecht : Kluwer Academic Publishers. 1998. Vol. 1. P. 93–104.
18. Суслин В. В., Чурилова Т. Я., Сосик Х. М. Региональный алгоритм расчета концентрации хлорофилла а в Черном море по спутниковым данным SeaWiFS // Морской экологический журнал. 2008. Т. VII, № 2. С. 24–42.
19. Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480–560 nm bands from ocean colour scanners // International Journal of Remote Sensing. 2016. Vol. 37, iss. 18. P. 4380–4400. http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
20. Концентрация хлорофилла а в Черном море: cравнение спутниковых алгоритмов / В. В. Суслин [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 64–72. doi:10.7868/S2073667318030085
21. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. A consumer’s guide to phytoplankton primary productivity models // Limnology and Oceanography. 1997. Vol. 42. iss. 7. P. 1479–1491.
22. Suslin V. V., Slabakova V. K., Churilova T. Ya. Diffuse attenuation coefficient for downwelling irradiance at 490 nm and its spectral characteristics in the Black Sea upper layer: modeling, in situ measurements and ocean color data // Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104663H (30 November 2017). 2017. https://doi.org/10.1117/12.2287367
23. Суслин В. В., Чурилова Т. Я. Упрощенный метод расчета спектрального диффузного коэффициента ослабления света в верхнем слое Черного моря на основе спутниковых данных // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2010. Вып. 22. С. 47–60.
24. Кривенко О. В., Пархоменко А. В. Пространственная и временная изменчивость биомассы фитопланктона в Черном море за период 1948–2000 гг. // Морской экологический журнал. 2010. Т. IX, № 4. С. 5–24.
25. Финенко З. З., Крупаткина Д. К. Первичная продукция в Черном море в зимневесенний период // Океанология. 1993. Т. 33, № 1. С. 97–104.
26. Скорость роста фитопланктона и его выедание зоопланктоном в западной части Черного моря в осенний период / Л. В. Стельмах [и др.] // Океанология. 2009. Т. 49, № 1. С. 90–100.
27. Брянцева Ю. В., Горбунов В. П. Пространственное распределение основных параметров фитопланктона в северной части Черного моря // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2012. Вып. 7. С. 126–137.
28. The impact of physical processes on taxonomic composition, distribution and growth of phytoplankton in the open Black Sea / A. S. Mikaelyan [et al.] // Journal of Marine Systems. 2020. Vol. 208. 103368. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2020.103368
29. Platt T. Primary production of the ocean water column as a function of surface light intensity: algorithms for remote sensing // Deep Sea Research Part. A. Oceanographic Research Papers. 1986. Vol. 33. iss. 2. Р. 149–163.
30. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2011. 212 с.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 432-445
Integrated Primary Production in the Deep-Sea Regions of the Black Sea in 1998–2015
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-4-432-445Abstract
Purpose. The work is aimed at estimating monthly changes in the integrated primary production in the deep-sea zone of the Black Sea in 1998–2015 using mathematical modeling based on the satellite measurements.
Methods and Results. Based on the SeaWiFS and MODIS satellite observations, the integral primary production was calculated using the model modified by the authors. The algorithm developed in the Marine Hydrophysical Institute, RAS based on the in situ measurements performed in 1997–2015, was used for reconstructing the chlorophyll a concentration by the satellite measurements in the spectrum visible range. The applied sea brightness coefficients for three wavelengths 490, 510 and 555 nm permitted to take into account the colored solute absorption; they are weakly sensitive to the errors of atmospheric correction and to the light backscattering by suspension. The integral primary production was calculated using the Behrenfeld and Falkowski adapted model that had included the phytoplankton physiological parameters derived from the in situ data for the Black Sea. The data on seasonal variability of the fortnight-averaged primary production values for the central part of the Black Sea in 1998–2015 are presented.
Conclusions. Over 18 years, in the deep-sea zone (below 500 m), productivity in the water column averaged 157–158 gС · m-2·year-1. In course of an annual cycle, three periods of increase in the integral primary production, namely the winter-spring, summer and late autumn ones were observed. No productivity trends were noted over the time period under study. The decline of indicators was recorded after 2008. In the eastern and western deep-sea regions, the characters of the primary production changes were similar. The productivity values obtained for 1998–2015 are consistent with those of the previous studies. In the Black Sea, observed are the alternating periods of increase and decrease in the production indicators that is conditioned mainly by climatic effects.
References
1. Vedernikov V. I., Demidov A. B. Pervichnaya produktsiya i khlorofill v glubokovodnykh raionakh Chernogo morya // Okeanologiya. 1993. T. 33, № 2. S. 229–235.
2. Vedernikov V. I., Demidov A. B. Vertikal'noe raspredelenie pervichnoi produktsii i khlorofilla v razlichnye sezony v glubokovodnykh raionakh Chernogo morya // Okeanologiya. 1997. T. 37, № 3. S. 414–423.
3. Vedernikov V. I., Demidov A. B. Dolgovremennaya i sezonnaya izmenchivost' khlorofilla i pervichnoi produktsii v vostochnykh raionakh Chernogo morya // Kompleksnye issledovaniya severo-vostochnoi chasti Chernogo morya / Otv. red. A. G. Zatsepin, M. V. Flint. Moskva : Nauka, 2002. S. 212–247.
4. Demidov A. B. Sezonnaya izmenchivost' i otsenka godovykh velichin pervichnoi produktsii fitoplanktona v Chernom more // Okeanologiya. 2008. T. 48, № 5. S. 718–733.
5. Kovaleva I. V. Mezhgodovye i sezonnye izmeneniya kontsentratsii khlorofilla a i pervichnoi produktsii v glubokovodnoi chasti Chernogo morya // Gidrobiologicheskii zhurnal. 2014. T. 50, № 3. S. 38–50.
6. Finenko Z. Z. Pervichnaya produktsiya Chernogo morya: ekologicheskie i fiziologicheskie kharakteristiki fitoplanktona // Ekologiya morya. 2001. Vyp. 57. S. 60–67.
7. Finenko Z. Z., Suslin V. V., Churilova T. Ya. Otsenka produktivnosti fitoplanktona Chernogo morya po sputnikovym dannym // Doklady Akademii nauk. 2010. T. 432, № 6. S. 845–848.
8. Finenko Z. Z., Suslin V. V., Churilova T. Ya. Regional'naya model' dlya rascheta pervichnoi produktsii Chernogo morya s ispol'zovaniem dannykh sputnikovogo skanera tsveta SeaWiFS // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2009. T. VIII, № 1. S. 81–106.
9. Yunev O. A. Evtrofikatsiya glubokovodnoi chasti Chernogo morya: mnogoletnie izmeneniya godovoi pervichnoi produktsii fitoplanktona // Sistemy kontrolya okruzhayushchei sredy. Sredstva, informatsionnye tekhnologii i monitoring. Sevastopol' : NPTs «EKOSI-Gidrofizika», 2009. S. 407–413.
10. Long-term variations of surface chlorophyll a and primary production in the open Black Sea / O. A. Yunev [et al.] // Marine Ecology Progress Series. 2002. V. 230. P. 11–28. doi:10.3354/meps230011
11. Agirbas E., Bakirci M. Size-fractionated primary production in the south-eastern Black Sea // Oceanologia. 2022. Vol. 64, iss. 2. P. 244–266. https://doi.org/10.1016/j.oceano.2021.11. 002
12. Pervichnaya produktsiya Chernogo morya: spektral'nyi podkhod / T. Ya. Churilova [i dr.] // Morskoi biologicheskii zhurnal. 2016. T. 1, № 3. S. 50–53. doi:10.21072/mbj.2016.01.3.08
13. Kovaleva I. V. Sravnenie algoritmov rascheta pervichnoi produktsii Chernogo morya po kontsentratsii khlorofilla v poverkhnostnom sloe, intensivnosti solnechnoi radiatsii i temperature // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2010. T. IX, № 2. S. 62–73.
14. Finenko Z. Z., Churilova T. Ya., Suslin V. V. Otsenka biomassy fitoplanktona i pervichnoi produktsii v Chernom more po sputnikovym dannym // Promyslovye bioresursy Chernogo i Azovskogo morei / Pod red. V. N. Eremeeva i dr. Sevastopol' : NPTs «EKOSI-Gidrofizika», 2011. S. 221–236.
15. Oguz T., Dippner J. W., Kaymaz Z. Climatic regulation of the Black Sea hydro-meteorological and ecological properties at interannual-to-decadal time scales // Journal of Marine Systems. 2006. Vol. 60, iss. 3–4. R. 235–254. doi:10.1016/j.jmarsys.2005.11.011
16. Yunev O. A. Evtrofikatsiya i godovaya pervichnaya produktsiya fitoplanktona glubokovodnoi chasti Chernogo morya // Okeanologiya. 2011. T. 51, № 4. S. 1–10.
17. Peculiarities of seasonal variability of primary production in the Black Sea / L. V. Stelmakh [et al.] // Ecosystem modeling as a management tool for the Black Sea / Eds. U. Ivanov, T. Oguz. Dordrecht : Kluwer Academic Publishers. 1998. Vol. 1. P. 93–104.
18. Suslin V. V., Churilova T. Ya., Sosik Kh. M. Regional'nyi algoritm rascheta kontsentratsii khlorofilla a v Chernom more po sputnikovym dannym SeaWiFS // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2008. T. VII, № 2. S. 24–42.
19. Suslin V., Churilova T. A regional algorithm for separating light absorption by chlorophyll-a and coloured detrital matter in the Black Sea, using 480–560 nm bands from ocean colour scanners // International Journal of Remote Sensing. 2016. Vol. 37, iss. 18. P. 4380–4400. http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2016.1211350
20. Kontsentratsiya khlorofilla a v Chernom more: cravnenie sputnikovykh algoritmov / V. V. Suslin [i dr.] // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2018. T. 11, № 3. S. 64–72. doi:10.7868/S2073667318030085
21. Behrenfeld M. J., Falkowski P. G. A consumer’s guide to phytoplankton primary productivity models // Limnology and Oceanography. 1997. Vol. 42. iss. 7. P. 1479–1491.
22. Suslin V. V., Slabakova V. K., Churilova T. Ya. Diffuse attenuation coefficient for downwelling irradiance at 490 nm and its spectral characteristics in the Black Sea upper layer: modeling, in situ measurements and ocean color data // Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 104663H (30 November 2017). 2017. https://doi.org/10.1117/12.2287367
23. Suslin V. V., Churilova T. Ya. Uproshchennyi metod rascheta spektral'nogo diffuznogo koeffitsienta oslableniya sveta v verkhnem sloe Chernogo morya na osnove sputnikovykh dannykh // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2010. Vyp. 22. S. 47–60.
24. Krivenko O. V., Parkhomenko A. V. Prostranstvennaya i vremennaya izmenchivost' biomassy fitoplanktona v Chernom more za period 1948–2000 gg. // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2010. T. IX, № 4. S. 5–24.
25. Finenko Z. Z., Krupatkina D. K. Pervichnaya produktsiya v Chernom more v zimnevesennii period // Okeanologiya. 1993. T. 33, № 1. S. 97–104.
26. Skorost' rosta fitoplanktona i ego vyedanie zooplanktonom v zapadnoi chasti Chernogo morya v osennii period / L. V. Stel'makh [i dr.] // Okeanologiya. 2009. T. 49, № 1. S. 90–100.
27. Bryantseva Yu. V., Gorbunov V. P. Prostranstvennoe raspredelenie osnovnykh parametrov fitoplanktona v severnoi chasti Chernogo morya // Ekosistemy, ikh optimizatsiya i okhrana. 2012. Vyp. 7. S. 126–137.
28. The impact of physical processes on taxonomic composition, distribution and growth of phytoplankton in the open Black Sea / A. S. Mikaelyan [et al.] // Journal of Marine Systems. 2020. Vol. 208. 103368. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2020.103368
29. Platt T. Primary production of the ocean water column as a function of surface light intensity: algorithms for remote sensing // Deep Sea Research Part. A. Oceanographic Research Papers. 1986. Vol. 33. iss. 2. R. 149–163.
30. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : NPTs «EKOSI-Gidrofizika», 2011. 212 s.
