Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Численное моделирование влияния гидрофизических условий на формирование пространственных неоднородностей фитопланктона

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование влияния гидрофизических условий на формирование пространственных неоднородностей фитопланктона"

РГб од

2 1 СЕН 1Ь9и

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

КАРТУШИНСКИЙ Алексей Васильевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ФИТОПЛАНКТОНА

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 1998

Работа выполнена в Институте биофизики Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научные руководители: доктор технических наук А.П. ШЕВЫРНОГОВ

доктор биологических наук Л.А. ЛЕВИН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Р.Г. ХЛЕБОПРОС

доктор физико-математических наук В.М. БЕЛОЛИПЕЦКИЙ

Ведущая организация: Лимнологический институт СО РАН

Защита состоится "_" ___1998 г. в_часов на

заседании Специализированного Совета Д 003.45.01 при Институте биофизики СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН

Автореферат разослан " / " 1998 г>

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат физико-математических наук

У/и?

Л.Г. Косолапова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Изучение особенностей продуцирования и пространственно-временных масштабов изменчивости распределения биомассы фитопланктона, при постоянно меняющихся условиях среда, является актуальным 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 фитоцено-зами. 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 численное 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 неоднородностей 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 1феделах 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 распределение 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, сянезеле-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 картирование 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-времешшх 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 характеристики 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 трупп диатомовых, зеленых и сииезеленых водорослей и термодинамическим параметрам;

Ш спутниковые данные за 6.5 лет (с 1981 по 1986 гг.) по концентрации фито-пигментов и поверхностной температуре вод Мирового океана, полученные со спутника КОАЛ аппаратурой С7,С8 и АУНЯК;

■ литературные данные по продукционным и гидродинамическим параметрам 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 а 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 JIO 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, дается краткая характеристика работы по главам, перечисляются основные результаты с указанием их научной новизны и практической значимости.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ опубликованных данных и обобщение результатов натурных экспериментальных исследований о влиянии гидрофизических и гидродинамических процессов на распределение фитопланктона в Мировом океане и глубоких озерах. Проводится выявление и анализ наиболее информативных, с точки зрения экологической биофизики, термогидродинамических параметров водной среды, которые оказывают влияние на условия питания, распределение и функционирование фитопланктона. Рассматриваются методические подходы для установления связи гидрофизических характеристик с распределением фитопланктона по принципу масштабирования динамических структур. Проводится оценка статистической связи термодинамических пара-

метров с пространственным распределением хлорофилла "а" для отдельных таксо-нометрических групп фитопланктона.

Показано, что динамическое состояние водной среды оказывает значительное влияние на биологические процессы. Увеличение или уменьшение продуктивное™ фитопланктона в пелагиали океана и глубоких озер связано с различными явле- ' ниями, происходящими на поверхности и в толще вод. Отмечается, что хотя влияние динамических условий внешней среды на биологическую продуктивность не всегда носит прямой характер, учет пространственно-временных границ действия такого рода факторов и их проявлений облегчает возможности прогноза формирования гидробиологических неоднородностей.

Для оценки воздействия процессов в водной среде на фитопланктон приводятся сводные таблицы типичных масштабных характеристик океанологических образований, условия возникновения таких образований, оказывающих влияние на биологическую продуктивность в океане. Приводятся данные по изменению численности и биомассы фитопланктона и возникновению пятнистого распределения фитопланктона под действием: штормовых условий, циркуляции Ленгмюра, конвективных условий, сулоя и толчен вод, внутренних волн, апвеллингов, гидрологических фронтальных зон и фронтов, вихрей и круговоротов.

Отмечается, что фактором, вызывающим большинство гидрологических образований, является ветровое воздействие, а наиболее продуктивны - прибрежные апвеллинги. Оценка продуктивности других динамических образований дает основание считать, что существенный вклад в развигие сообществ планктонных организмов вносят океанские течения, которые формируют фронтальные зоны и различные вихревые системы.

На основании данных, двух полигонных съемок по Северному Байкалу в период летнего цветения, рассматриваются изменения, происходящие в связи с атмосферными и гидрофизическими процессами, влияющие на формирование неоднородностей фитопланктона в пресноводной экосистеме. Применяется размерная классификация по масштабированию гидрофизических структур, удобная для ана-

ляза рассчитанных данных. Приводятся результаты расчетов ряда гидрофизических параметров, включая термодинамические характеристики взаимодействия атмосферы и водной поверхности.

В этой части работы представляются оценки статистической связи ряда термогидродинамических параметров с концентрацией хлорофилла "а" для отдельных таксонометрических групп водорослей: синезеленых, зеленых и диатомовых, характерных для Северного Байкала. Программные средства применялись для расчетов параметров, описывающих структурные особенности водной среды, таких как коэффициент турбулентного теплообмена, скорость диссипации турбулентной кинетической энергии, число Кокса, частота Брендга-Вяйсяля и скорость выравнивания температурных неоднородностей.

Приводится анализ степени влияния турбулентного перемешивания, стратификационных и конвективных условий на распределение клеток фитопланктона в пресноводной экосистеме.

По результатам исследований отмечается, что наиболее устойчивый характер взаимодействий гидрофизических процессов с фитопланктоном наблюдается в ме-талимнионе или высокоградиешных слоях. При увеличении ветровой нагрузки существенно меняется структура распределения концентрации хлорофилла "а" за счет изменений гидрологической структуры водного объекта. При слабых ветровых нагрузках и небольшой адвективной составляющей течения, клетки фитопланктона накапливаются в верхнем фотосинтетическом слое. Накопление зависит от активности формирования поля температуры и плотности. Чем слабее выражена плотностная стратификация, тем больше вертикальный масштаб неоднородного распределения фитопланктона.

Во второй главе рассматривается современное состояние проблемы анализа и моделирования пространственно-временной структуры пелагиали океана, морей и озер. Основное внимание уделяется возможности стыковки гидробиологических компонент и компонент окружающей среды при моделировании пространственных неоднородностей фитопланктона.

Рассматривается блоковое разделение составляющих эколого-математической модели. При этом отдельно рассматриваются проблемы, характерные для исследования процессов в водных экосистемах путем математического моделирования для элементов: метеорологического блока, включающего в себя физические и биологические процессы связанные с потоком солнечной радиации, термодинамическими процессами в приводном слое атмосферы; гидрофизического блока, характеризующих процессы связанные с циркуляцией вод и изменчивостью гидрофизических образований, оказывающих влияние при формировании гидробиологических структур; гидробиологического блока, включающего в себя описание существующих моделей продукционных показателей фитопланктона и их связь с гидрохимическими условиями.

Основное внимание уделяется возможности детализации описания в математических моделях гидрофизических и гидробиологических процессов, стыковке отдельных блоков моделей при различных начальных и граничных условиях. Рассматриваются проблемы формулировки ветрового перемешивания и пространственно-временные ограничения при описании процессов турбулентной диффузии тепла и массы. Указываются возможности и формулируются подходы для описания в эколого-математических моделях вертикальных перемещений частиц воды и планктонных организмов. Формулируются граничные условия на свободной поверхности водных систем.

Определяется методологическая концепция комплексного применения натурных (контактных, дистанционных) и численных методов для исследования водных экосистем. Отмечается, что для соблюдения принципа целостности знаний об объекте не обойтись без объединения информационных потоков данных, полученных контактными и дистанционными методами, обработанных на численных моделях и используемых в информационных системах, пригодных к выполнению прогностических задач.

В третьей главе сформулированы алгоритмы расчетных модулей и представлена детерминирова!шая одномерная численная модель пелагической системы,

основанная на решении диффузионных уравнений переноса тепла и массы. Анализируются численные эксперименты на модели, имитирующие суточную и синоптическую изменчивость вертикальной структуры фитоценоза в зависимости от метеорологических, гидрологических и гидробиологических параметров. Детализируется ряд условий, связанных с взаимодействием атмосферных процессов и водного объекта, а также характер перераспределения гидрофизических и гидробиологических показателей, вызванных вертикальной циркуляцией водных масс. С точки зрения автора, основным отличием от существующих гидробиологических моделей является ввод подробного расчета входных потоков тепла и касательного напряжения ветра, связанного с суточными метеорологическими условиями, которые определяют уровень теплового, светового и динамического воздействия на фитопланктон.

Для приводного слоя атмосферы вводятся коэффициенты сопротивления в воздухе и воде, параметр шероховатости поверхности воды, скорость ветра. Изменение температуры воды происходит под действием вертикальной адвекции тепла, пульсационных турбулентных потоков и поступающей солнечной энергии. Тепловой поток на поверхности используется в качестве верхнего граничного условия, для которого, на основе метеорологических данных, рассчитывается энергетический баланс свободной поверхности воды с учетом всех составляющих радиационного баланса. В качестве входных метеопараметров вводятся: температура воздуха, атмосферное давление, удельная влажность воздуха и альбедо.

Посредством такой модели исследуются динамические процессы и анализируется следующая связь: структурные изменения параметров среды обитания - пространственно-временные изменения биотических компонент водной экосистемы (концентрации хлорофилла "а" и биомассы фитопланктона). Основное внимание уделяется вертикальным движениям среды и фитопланктона. При этом моделируется влияние отдельных факторов (гидротермодинамические процессы, турбулентное перемешивание, вертикальные движения вод; распределите биогенных элементов и света) на функционирование и распределение фитопланктона по вертика-

ли в течение нескольких суток и недель. В качестве возмущающего фактора рассматривается периодическое и непериодическое выедание фитопланктона зоопланктоном с различной интенсивностью. Описание поведения моделируемых объектов задается при различных начальных и граничных условиях.

Разработанная математическая модель работает на уровне мелкомасштабных процессов, с шагом по времени т=1час и пространственными шагами Ь=1м для пресноводной экосистемы (оз. Байкал) и Ь=5м для экваториальной части Пацифи-ки, что дает возможность выявить уровни взаимодействия биотических и абиотических компонент при формировании вертикальных пеоднородностей фитопланктона в течение суток Проводится проверка на вычислительную устойчивость расчетной схемы при различных входных параметрах. На модели рассчитываются вертикальные профили температуры воды, лимитирующего биогенного элемента и величины биомассы фитопланктона, либо концентрации хлорофилла "а" в соответствии со стехиометрическими соотношениями.

В диссертационной работе подробно описывается структура модели и ее составляющие, основанные на принципах изложенных во второй главе. Для расчетов параметров экосистемы в течение суток используются дифференциальные уравнения диффузионного переноса примеси, основанные наК-теории (Озмидов, 1986).

Режим вертикальной турбулентной диффузии существенно зависит от ветровых условий и суточной температурной ритмики, что сказывается на изменчивости плотностной структуры и, соответственно, на распределении взвешенных веществ и живых организмов. Поэтому, используются функциональные зависимости турбулентного переноса тепла (Кт) и массы (Кт) от степени плотностной устойчивости (через частоту плавучести Брендга-Вяйсяля и число Ричардсона -Ш) и характера изменения ветровой нагрузки от поверхности до глубины г.

Кш Кт =/(Т/*а; и\; С0; IV; к'; Ш; г; г0); (1)

где и'а', Г/„ - динамическая скорость в воздухе и воде, Со - коэффициент сопротивления; к'- скоростной параметр экмановского профиля, как функция скорости вет-

pa W и широты места, zg -параметр шероховатости, с тисленпой калибровкой констант в соответствии с Jones, 1973 и Henderson-Sellers, 1983.

При моделировании кинетических показателей функционирования фитопланктона вводятся зависимости от интенсивности световых условий - SVET (дополнительно: эффект фотоингибирования, эффект затенения); функциональные зависимости от температуры вода - TEMP и концентрации лимитирующего биогенного элемента - EDA, естественного отмирания ßa к выедания зоопланктоном -GRAZ:

= у/(TEMP, SVET, EDA, ¡u0, GRAZ), (2)

/ ГЫАХ

где fx - скорость роста, Цм\х - максимальная скорость фотосинтеза.

При создании математической модели, для решения дифференциальных уравнений использовался метод прогонки с конечно-разностной аппроксимацией, построенной по неявной численной схеме. Такой подход дает возможность выбирать временной шаг не считаясь с ограничениями по устойчивости расчетной схемы, однако при моделировании проводится минимизация вычислительной ошибки аппроксимации дифференциальных уравнений разностными. Пространственный и временной шаг расчетной сетки принимается в соответствии с порядками величин скорости переноса и турбулентной диффузии. При моделировании использовались размерные и кинетические показатели для различных групп фитопланктона: диатомовых - Synedra, Fragilaria, Cyclotella и синезеленых - Anabaena, Oscillatoria, Microcystis.

Модельные расчеты адекватно описывают распределение температуры и биомассы фитопланктона по вертикали в периоды наблюдений для отдельных районов оз.Байкал и экваториальной части Тихого океана при заданных метеорологических и гидрофизических условиях. Верификация модели проводилась по материалам натурных исследований в этих районах.

Отдельно моделируются процессы вертикального распределения фитопланктона при меняющихся абиотических параметрах и оценивается скорость размыва-

ния и формирования неоднородностей фитопланктона по вертикали. Приводятся результаты численных экспериментов по моделированию влияния турбулентного перемешивания на распределение фитопланктона для синезеленых и диатомовых групп водорослей при различных ветровых условиях (шторм, штиль, бриз). Рассматривается также влияние совместных эффектов ветрового перемешивания и вертикальных движений вод на суточную изменчивость распределения клеток фитопланктона в условиях апвеллинга и действия внутренней волны с различными динамическими характеристиками.

Анализируется влияние на распределение фитопланктона и его продукционные показатели дополнительного поступления биогенных элементов, в виде дождевых осадков с различной интенсивностью. Описываются результаты численных экспериментов, которые проводились с учетом количества осадков поступающих в озеро Байкал в летний период. Показано, что эффективное влияние осадков на распределение и функционирование фитопланктона связано с аномальными концентрациями биогенных элементов иа поверхности, значения которых падают из-за потребления фитопланктоном и не восстанавливаются за счет поддтока вод снизу.

По натурным и модельным данным отмечается существенное влияние вертикального переноса тепла и массы, связанного с ветровым перемешиванием, пнут-ренними волнами и структурой апвеллинга. Получен эффект суточной изменчивости температуры воды в металимнионе и глубины залегания максимума концентрации хлорофилла, связанный с механизмом воздействия апвеллинга и турбулентным перемешиванием. Суточная изменчивость этих параметров, полученная численно и в натурном эксперименте для оз. Байкал, имеет место и доя сезонной изменчивости этих параметров в других водных системах (Bowers, 1980).

Установлено, что: Температурный фактор и плотностная стратификация вод формируют ограничительный уровень воздействия на фитопланктон в условиях турбулентного перемешивания и потока тепла совместно с динамическим воздействием ветра на водную поверхность. Периодичность скорости ветра и интенсивность ветрового касательного напряжения в течете суток приводит к эффекту

расслоения водных масс и формированию плотностных градиентов, препятствующих однородному распределению клеток фитопланктона по всей толще вод.

Световой фактор обостряет различия между слоями воды по величине биомассы, из-за эффекта фотоингибирования в верхних слоях и затенения на компенсационных глубинах, в зависимости от времени суток.

Динамический фактор, связанный с вертикальными движениями вод, регулирует поступление биогенных элементов из глубоких слоев и изменяет структуру распределения биомассы фитопланктона в течение суток.

Внутренние волны с различными динамическими характеристиками, такими как скорость, период и амплитуда волны оказывают различное влияние на распределение синезеленых и диатомовых групп водорослей. При этом различия клеток фитопланктона по характеру плавучести (отрицательная или положительная) обусловливают послойное формирование неоднородностей фитопланктона с перемещениями максимальных значений биомассы в течение суток.

В условиях апвеллинга для клеток с положительной плавучестью характерно размывание неоднородности биомассы в слое скачка, тогда как для клеток с отрицательной плавучестью происходит формирование неоднородности в этом слое. При штилевых условиях (турбулентное перемешивание отсутствует), основную роль играют силы плавучести и поддгок биогенного элемента снизу под действием апвеллинга, что приводит к периодическим колебаниям биомассы диатомовых па глубинах ниже перемешанного слоя.

В работе приводятся оценки масштабов изменчивости гидробиологических неоднородностей по вертикали для диатомовых и синезеленых водорослей на основании новых аналитических зависимостей (формулы 3, 4), полученных на основании данных численных экспериментов.

ь ^ УКпГ-ИРтах)3/2 (3) Р Но

У-1Ршах. (4) Р йо

где Lp - пространственный масштаб изменчивости гидробиологических неоднород-постей, V - характерная скорость перемещения гидрофизического образования, Кт - коэффициент турбулентного обмена количеством движения, t - время, Ртах - максимальная скорость роста для данной группы фитопланктона, д, -скоростъ отмирания.

Численные модельные эксперименты позволяют выявить диапазон естественной реакции фитопланктона на изменение отдельных абиотических факторов и закономерности формирования неоднородности распределения фитопланктона в водных экосистемах.

В четвертой главе на основе разработанного программного комплекса "NOA" (Nature Oceanological Anomalys) анализируются: закономерности формирования температурных фронтальных зон и фронтальных разделов; степень структурного соответствия крупномасштабных проявлений гидродинамических условий и горизонтальных неоднородностей концентрации фитопигменгов б поверхностном слое Атлантики и Пацифики. Анализ осуществлен по спутниковым данным на различных пространственно-временных интервалах.

Рассматривается изменчивость 1радиентов температуры поверхности океана (ТПО) и градиентов концентрации фитопигменгов (КФ) в пространстве и во времени. По расчетным полям градиентных характеристик строятся среднемесячные, сезонные и годовые карты, на которых выделяются области повышенных значений градиентов ТПО и КФ.

Описываются расчетные алгоритмы программного комплекса для оценки пространственно-временных масштабов изменчивости температурных фронтальных зон, фронтальных разделов и зон с высокими градиентами концентрации фитопит-ментов.

Анализ производится в пространстве признаков: Z={i,j,SST(ij):i=l,n;j = l,m}, H={i,j, SSF(i,j):i=l,n;j=l,m},

X;, Yj - пространственные координаты, соответствующие пикселу (i, j); SST(i, j) = {T(t, i, j) : t=l, tc} - последовательность измерений температуры поверхности океана в точке (X, Y) в tc моментов времени; SSF(i, j)={F(t, i, j) : t = 1, tc}-последовательность измерений концентрации фитопигаенгов в выбранном районе океана в точке (X,Y) в tc моментов времени.

Программный продукт позволяет рассчитывать горизонтальные градиенты НТО и КФ в различных временных диапазонах за определенный период спутниковых наблюдений и картировать эти параметры для Атлантики и Пацифики в зональном и меридиональном направлении. Кроме того рассчитываются модульные значения градиентов ТПО и КФ для выделения участков с относительно устойчивым типом изменчивости температурных полей и концентрации фитопигментов.

Рассчитывается градиентный показатель

G(t, i, j)=(G(j)+G(2, j)+.,.+G(tCj j _ j ))/tc, который дает возможность увидеть распределение средних значений градиентов на различных временных интервалах, где G(t, i, j) - градиент температуры поверхности океана на подмножестве {T(t, i', j') : i-i, i+1; j-j, j+1), либо градиент концентрации фитопигментов на подмножестве {F(t, i', j'): i'=i, i+1; j-j, j+1}.

При анализе спутниковых данных установлено определенное соответствие между распределением градиентов ТПО и градиентов КФ. Отмечается также соответствие квазистационарных зон (в течение периода наблюдений) по сезонной динамике концешрации хлорофилла (Shevyrnogov, Vysotskaya el al, 1996) и температурных градиентных зон в поверхностном слое океана.

Приводятся оценки изменчивости температурных фронтальных зон и фронтальных разделов, а также зон с высокими градиентами КФ. При этом наблюдается соответствие пространственной локализации квазистационарных гидробиологических структур и фронтальных зон, что говорит о согласованности биологических и физических процессов в океане.

Приводятся параметрические зависимости, которые получены на основании теории подобия для оценки пространственной изменчивости температурных фрон-

тов. Эти зависимости вводятся также для оценки роли инерционных процессов, отклоняющей силы вращения Земли и горизонтального турбулентного обмена (Кт) при формировании динамических структур и локализованных высокоградиснтных зон в океане (уравнешы 5, 6). Параметры характеризующие пространственно-временную изменчивость температурных фронтов:

где и и V - компоненты скорости течения и, I - временной масштаб, 1'^2<ткч1Пф - параметр Кориолиса (<р-широта), - пространственный масштаб поперек фронтальной зоны, Ьу - пространственный масштаб вдоль фронтальной зоны.

Представлены в табличном виде величины характерных пространственно-временных масштабов изменчивости неоднородностей фитопланктона на основании полученных аналитических зависимостей и данных численных экспериментов. В соответствии с количественными показателями характерной скорости перемещения, пространственного масштаба и времени существования отдельных гидрофизических образований, приводятся характерные масштабы изменчивости неоднородностей фитопланктона по горизонтали и вертикали, а также время существования таких неоднородностей.

В приложениях представлены результаты численных экспериментов по влиянию на фитопланктон отдельных гидрофизических условий.

В заключении формулируются основные результаты работы и выводы, обсуждаются перспективы дальнейшего развития численных подходов и программных средств для моделирования динамики биологических процессов в пелагических системах.

Основные результаты работа и выводы формулируются следующим образом:

1 .Оценена степень влияния гидрофизических и гидродинамических процессов в пелагиали океана па изменение биопродукционных показателей фитопланктона по динамическим параметрам отдельных явлетпг. Масштабные характеристики и

(5)

кткь/и)и Кт=Ц2/1,

(6)

условия возникновения гидродинамических образований являются эффективными показателями для оценки тенденции формирования неоднородного распределения фитопланктона в зависимости от динамической активности вод.

2.Статистическая обработка данных полигонной съемки в Северном Байкале позволила оценить степень соответствия между пространственным распределением хлорофилла "а" для отдельных групп фитопланктона и термодинамическими параметрами, как характеристиками биотопа. Наиболее устойчивый характер взаимодействий гидрофизических процессов с фитопланктоном наблюдается в слое скачка или высокоградиешных слоях. Изменение гидрологической структуры водного объекта приводит к изменению структуры распределения фитопланктона различных таксонометрических групп, в зависимости от действия сил плавучести, инерционных сил и диффузионных эффектов.

3.На основе разработанной одномерной нестационарной численной модели выявлены эффекты влияния гидрофизических процессов суточного и синоптического масштаба на формирование неоднородного распределения фитопланктона по вертикали. Построены соответствующие модели, имитирующие суточную и синоптическую изменчивость фитоценоза на примере оз. Байкал и экваториальной Па-цифики под действием абиотических факторов. На основе численных экспериментов, выявлены общие черты распределения биомассы фитопланктона, лимитирующего биогенного элемента и температуры воды в зависимости от изменяющихся факторов окружающей среды по вертикали в пелагиали океана и глубокого озера.

4.Разработан программный комплекс на основе использования спутниковых данных для исследования мезомасштабной и макромасштабной изменчивости горизонтальных градиентов температуры поверхности океана и горизонтальных градиентов концентрации фито пигментов.

5.Получены расчетные данные по градиентным характеристикам температуры поверхности океана и концентрации фитопигментов для установления пространственной локализации квазистационарных гидробиологических структу р и температурных фронтальных зон на определенных временных интервалах. Показана со-

гласовашюстъ биологических и физических процессов в пелагиали океанских систем в пределах пространственно-временных границ взаимодействия отдельных океанологических образований.

6.Получены параметрические зависимости, характеризующие крупномасштабную изменчивость температурных фронтов в Атлантике и Пацифике под действием горизонтальной турбулентной диффузии, компонент скорости течения и отклоняющей силы вращения Земли (параметра Кориолиса).

7.Развит аналитический подход для оценки пространственно-временных масштабов изменчивости неоднородностей фитопланктона под действием гидрофизических и гидродинамических процессов на основе результатов численного моделирования. Обоснована методологическая концепция объединения кинетических показателей фитопланктона и динамических характеристик гидрологических образований при оценке пространственно-временных интервалов функционирования неоднородностей фитопланктона.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Картушинский A.B. Влияние гидродинамических условий на биологическую продуктивность вод Мирового океана. - Красноярск: ИБФ, 1988. - 27 е.: ил. - (Препр./АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т физики им. Л.В.Киренского; N77B). - Би-блиогр.: С. 25-27 (32 назв.).

2. Картушинский A.B., Левин Л.А. О некоторых параметрах тонкой структуры и их связи с концентрацией хлорофилла "а". - В кн.: Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов: Тез. докл. III Всесоюз. симп. Таллинн, 1989-С. 35.

3. Картушинский A.B., Левин Л.А. О связи термо- и гидродинамических параметров с распределением хлорофилла "а" в Северном Байкате/ АН УССР. Ред. гидробиол. ж,- Киев, 1991,- 15с,- Деп. в ВИНИТИ 26.08.91, N 3556-В91.

4. Есиков С.А., Картушинский A.B. Физические механизмы воздействия на микроорганизмы в условиях гидродинамической кавитации.-В кн.: Биотехнология

и биофизика микробных популяций: Тез. докл. Всесоюз. конфер. Алма-Ата, 1991-С. 99.

5. Картушинский A.B. Моделирование суточной изменчивости распределения и продуцирования фитопланктона в зависимости от факторов среды (На примере оз. Байкал). - В кн.: Математические проблемы экологии: Тез. докл. I Всеси-бирск. конфер. Новосибирск, 1992. - С. 25-26.

6. Картушинский A.B. Моделирование влияния совместных эффектов ветрового перемешивания и вертикальных движений на суточную изменчивость распределения клеток фитопланктона,- В кн. Математические проблемы экологии: Тез. докл. II Всеросийск. конфер. Новосибирск, 1994. - С. 39.

7. Есиков С.А., Картушинский A.B. Использование гидродинамической кавитации для уничтожения микроорганизмов в жидких системах.- В кн. : Математические проблемы экологии: Тез. докл. II Всеросийск. конфер. Новосибирск, 1994. - С. 119.

8. Картушинский A.B. Моделирование влияния совместных эффектов ветрового перемешивания и вертикальных движений на суточную изменчивость распределения клеток фитопланктона (На примере оз. Байкал) // Математические проблемы экологии.- Новосибирск, 1994 - С. 42-52. - (Сб. статей/ РАН, Сиб. отд-ние, Ин-т математики;).

9. Kartushinsky A.V. Diurnal variability of some enviromental factors and their effect on phytoplankton during summer blooming period in the Lake BaykaУ/ 20th General Assembly of the European Geophysical Society (3-7 April, Hamburg)/ J. Annales Geophysicae. - 1995,- Vol. 13., P.21.

10. Картушинский A.B. Модельные оценки влияния дождевых осадков на суточное распределение и продуцирование клеток фитопланктона. - В кн.: Гидрологические и экологические процессы в водоемах и их водосборных бассейнах. Матер. между нар. симпоз., Тез. докл., Новосибирск, 1995. - С. 61.

11. Картушинский A.B., Ковалева JI.С. Экологические имитационные модели и игры: Методические указания по практическим занятиям. Красноярск: Изд-во КГТУ, 1995. - 84 с.

12. Картушинский A.B., Шевырногов А.П., Высоцкая Г.С. Динамические характеристики полей хлорофилла и температуры в океане. В кн.: Коррекция гомео-стаза. Материалы VII Всеросс. симпоз. / Отв. ред. В.П.Нефедов. - Красноярск: КНЦ СО РАН,- 1996.-С. 64-65.

13. Шевырногов А.П., Картушинский A.B., Высоцкая Г.С., Лемешевская Л.И., Мурашкевич Н.М. Информационно-программные средства для исследования динамических процессов в водных экологических системах. // Вестник КГТУ. Информатизация в образовании. Сб. науч. тр. / Под ред. А.М.Даничева. - Красноярск: КГТУ, Вып. 4. 1996. - С. 111-118.

14. Есиков С.А., Картушинский A.B., Марченкова Т.В. Кавитационное воздействие на микроорганизмы // Вестник КГГУ. Гидродинамика больших скоростей. Сб. науч. тр./ Отв. ред. В.А.Кулагин. - Красноярск: КГТУ, Вып. 3. - 1996. - С.

15. Картушинский A.B. Влияние суточной изменчивости абиотических условий на распределение и продуцирование фитопланктона оз. Байкал // Водные ресурсы. Т.24, № 1,1997. - С. 66-73.

16. Есиков С.А., Картушинский A.B. Использование гидродинамической кавитации при обработке жидких сред для дезактивации микроорганизмов. - В кн. Достижения науки и техники - развитию города Красноярска. Тез. докл. научно-пракг. конф., Красноярск, 1997. - С. 226-227.

17. Картушинский A.B., Цяпенко Ю.В. Исследование пространствеиио-времешюй изменчивости поверхностных температурных фронтальных зон в Тиком океане. - В кн: Спутниковые системы связи и навигации: Труды межд. научно-нракт. конф., Т. 3 / Отв. ред. М.К. Чмых. - Красноярск: КГТУ, 1997. - С. 34-41.

22-36.

Отпечатано на ризографе КГТУ 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26 Тираж 100 экз. Заказ 31

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Картушинский, Алексей Васильевич, Красноярск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

КАРТУШИНСКИЙ АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ФИТОПЛАНКТОНА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 "Биофизика"

Научные руководители: д.т.н. А.П. Шевырногов д.б.н. Л.А. Левин

Красноярск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................ 5

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 ....................... 2 6

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.... 6

1.2.2.3.Влияние турбулентного перемешивания.. 47 Выводы ........................................... 4 9

2.ОПИСАНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ МЕТОДИКИ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННОЙ

СТРУКТУРЫ ПЕЛАГИЧЕСКИХ СИСТЕМ .................... 51

2.1.Моделирование и анализ пространственно-временной 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........ 58

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 ....................... 7 4

Турбулентное перемешивание .............. 7 8

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

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена исследованию физических причин и механизмов формирования пространственно-временных неоднородностей фитопланктона в пелагиали океана и глубоких озер методами математического моделирования, лабораторных экспериментов и статистической обработки натурных данных.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ опубликованных данных и обобщение результатов натурных и лабораторных экспериментальных исследований о влиянии гидрофизических и гидродинамических процессов на распределение и функционирование фитопланктона в Мировом океане и глубоких озерах. Проводится выявление и анализ наиболее информативных, с точки зрения экологической биофизики, термогидродинамических параметров водной среды, которые оказывают влияние на условия питания, распределение и функционирование фитопланктона. Рассматриваются методические подходы для установления связи гидрофизических характеристик с распределением фитопланктона по принципу масштабирования динамических структур. Проводится оценка статистической связи термодинамических параметров с пространственным распределением хлорофилла "а" для отдельных таксонометрических групп фитопланктона.

Во второй главе рассматривается современное состояние проблемы моделирования пространственно-временной структуры пелагиали водных экологических систем. Основное внимание уделяется вопросам моделирования и анализа пространственно-временной изменчивости биологических элементов природных систем и окружающей среды. Выделяются проблемы постановки граничных условий и математического описания механизмов влияния изменчивости термодинамической структуры водных объектов на распределение и функции жизнедеятельности -фитопланктона.

Третья глава посвящена разработке математической модели. Представлены принципы построения детерминированной одномерной численной модели пелагической системы, основанной на решении диффузионных уравнений переноса тепла и массы. Анализируются численные эксперименты на моделях, которые имитируют суточную и синоптическую изменчивость вертикальной структуры фитоценоза в

зависимости от метеорологических, гидрологических и гидробиологических условий (на примере оз.Байкал и экваториальной Пацифи-ки) .

В четвертой главе, на основе разработанного программного камплекса "NOA" (Nature Oceanological Anomalys) анализируются закономерности формирования температурных фронтальных зон и фронтальных разделов и степень структурного соответствия гидродинамических условий и горизонтальных неоднородностей концентрации фитопигментов в поверхностном слое Атлантики и Пацифики на различных пространственно-временных интервалах (по спутниковым данным).

В заключении формулируются основные результаты работы и выводы, обсуждаются перспективы дальнейшего развития численных подходов и программных средств для моделирования динамики биологических процессов продуктивности в водных экосистемах.

Актуальность темы. Изучение особенностей продуцирования и пространственно-временной динамики фитопланктона, при постоянно меняющихся условиях среды, лежит в основе разработки методов прогноза процессов эвтрофикации и эволюции водных экологических систем. Сложность такого экологического прогнозирования усиливается из-за недостатка информации о взаимодействии процессов в окружающей среде (биотопах) и биоценозах. Из-за большого многообразия связей между факторами среды и гидробиоценозом чрезвычайно затруднено выделение каждого элемента водной системы по величине прогностической ценности. Этот недостаток, в определенной мере, восполняется экспериментами на математических моделях, которые позволяют выявлять причинно-следственные связи между изменениями условий в окружающей среде и изменениями в процессах жизнедеятельности организмов. Проблемой является численная оценка эффективности взаимодействия биотических и абиотических компонент, которая может служить показателем экологического состояния океана, морей и глубоких озер.

Изучение устойчивости водных экологических систем к внешним воздействиям привело к необходимости постановки ряда задач по исследованию пространственного распределения фитопланктона при различных гидрофизических и гидродинамических условиях. Рас-

сматривались отдельные условия апвеллинга, вихревой диффузии, циркуляций Ленгмюра, как факторы изменчивости биопродуктивности в пелагиали водных экосистем [11, 14, 26, 38, 117, 118, 122, 129, 141, 159, 196]. Однако, большинство разработанных моделей водных экосистем ориентированы, главным образом, на средние гидрологические условия и оперируют средними биопродукционными характеристиками с большим числом трофических уровней. Это приводит к тому, что достоверность результатов снижается за счет приближений и ввода ряда субъективных соотношений, которые огрубляют результаты.

При рассмотрении гидробиологических процессов, в моделях часто допускается достаточно узкая трактовка физических условий среды обитания живых организмов. Кроме того многие исследователи расходятся во мнении о степени и характере влияния абиотических факторов и различных гидрофизических и метеорологических явлений на биологическую продуктивность водных экосистем [141, 161, 171, 238]. Однако многие работы, посвященные этой теме показывают, что на определенных пространственно-временных интервалах существует эволюционный биологический отклик на изменение физического облика среды [36, 38, 70, 88, 122, 131, 234]. Таким образом встает задача получения количественного и качественного результата взаимосвязи двух структур экосистем - физической и биологической.

Методологическая концепция экологической биофизики, в данном случае, дает возможность рассматривать и выделять класс возможных взаимодействий и явлений, характерных для фотосинтеза и первичного продуцирования, на основе описания энергетических потоков поступающих в систему из окружающей среды.

Немаловажной особенностью гидрофизических процессов, происходящих в водных экосистемах, является их диффузность и диссипация, то есть хаотичность энергии переноса и ее рассеяние под действием турбулентных пульсаций. Это, в свою очередь, приводит к неоднородному распределению биологических характеристик. К таким характеристикам можно отнести концентрацию биогенных элементов и фитопигментов, хлорофилла "а", а также количество и видовой состав бактерий и фитопланктона.

Актуальность исследований свойств широкого класса процессов переноса вещества и энергии, закономерностей влияния этих процессов на биотический потенциал водных систем, определяется необходимостью выделения из многообразных связей абиотических и биотических факторов наиболее важных с прогностической точки зрения. В этом спектре процессов важно установить причинно-следственные связи между распределением гидробиологических параметров и условиями в водной среде, имеющими локальный (микромасштабный и мелкомасштабный) и фоновый (макромасштабный) характер.

В настоящее время сложился определенный подход к оценке влияния процессов переноса вещества и энергии на характер распределения живых организмов в водной среде. Однако характерные региональные особенности, причины и механизмы формирования пространственно-временных неоднородностей фитопланктона (в особенности мелкомасштабных и мезомасштабных) в озерах, морях и океанах изучены недостаточно.

В связи с этим представляется особенно актуальным систематизировать информацию о распределении фитопигментов и планктонных организмов в зависимости от свойств окружающей среды. Важно разработать методологические подходы к оценке изменчивости неоднородностей компонентов водных экосистем с различными пространственно-временными масштабами. Для четкого анализа необходимо специальное внимание к отдельным мелкомасштабным, мезомас-штабным и макромасштабным процессам и явлениям, формирующим неоднородности. Необходимо систематизировать информацию о характере формирования гидробиологических неоднородностей под действием абиотических факторов среды и гидрофизических процессов на различных масштабах и в различных водных экосистемах.

Важной, с прогностической точки зрения, является задача получения аналитических зависимостей, адаптированных к информации дистанционного и контактного (in situ) зондирования. Для надежного понимания возможных влияний гидрофизических условий на крупномасштабные структурные и функциональные характеристики планктонных сообществ, их пространственно-временную изменчивость, а также для совершенствования математических моделей,

необходимо использовать данные космических наблюдений. Они дают возможность (с применением современных средств обработки данных) выявлять процесс изменчивости на различных пространственных и временных интервалах, а также позволяют картировать региональные и глобальные особенности пелагиали океана, морей и глубоких озер.

В настоящее время актуальным технологическим подходом для изучения пространственных неоднородностей фитопланктона и их динамики, является разработка и эффективное использование информационных систем, ориентированных на данные, полученные из космоса. Очевидно, что для изучения условий формирования неоднородностей фитопланктона, важно определить масштабы взаимодействия физических и биологических процессов в водных экосистемах. А для эффективного использования программных информационных систем, ориентированных на данные полученные из космоса, необходимо развивать модельные оболочки ассимилирующие спутниковые данные таким образом, чтобы калибровка моделей и их проверка адекватности природным условиям проводилась по привязоч-ным контактным данным. Это, в свою очередь, дает возможность оценивать прогностическую ценность моделей.

Таким образом, актуальность работы определена:

1. Необходимостью разработки математических моделей для определения эффектов формирования пространственного распределения неоднородностей фитопланктона под действием гидрофизических процессов на различных пространственно-временных интервалах;

2. Необходимостью разработки программного комплекса для обработки данных дистанционных и контактных измерений с целью выявления региональных и глобальных особенностей формирования неоднородностей в водных экосистемах.

Цель работы: Исследование механизмов и эффектов влияния гидрофизических процессов на формирование неоднородностей распределения фитопланктона пелагиали 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 мезо-масштабной и �