16-35-00290 мол_а. Кислородный режим Таганрогского залива в современный период: анализ закономерностей формирования и методы оценки зон гипоксии». 2016-2017 гг.

Грант РФФИ № 16-35-00290 мол_а
«Кислородный режим Таганрогского залива в современный период: анализ закономерностей формирования и методы оценки зон гипоксии» (N госрегистрации АААА-А16-116020210138-3) 2016-2017 гг.
 

Руководитель: Кулыгин В.В

Исполнители

Кулыгин Валерий Валерьевич

Дашкевич Людмила Владимировна

Герасюк Виктория Сергеевна

Проект связан с фундаментальной научной проблемой – изучением влияния естественных климатических и антропогенных факторов на структуру, функционирование и биологическую продуктивность водных экосистем. Он также затрагивает проблемы рационального природопользования и обеспечения экологической безопасности.

Основная задача исследования – на основе анализа натурных наблюдений, данных дистанционного зондирования Земли и методов математического моделирования разработать технологию оценки вероятности возникновения зон дефицита кислорода в Таганрогском заливе.

Содержание выполняемых работ (цели):

1. Проанализировать условия возникновения зон гипоксии в Таганрогском заливе в современный период.

2. Ранжировать природные и антропогенные факторы по степени влияния на кислородный режим для условий Таганрогского залива.

3. Построить комплексную модель оценки вероятности (риска) возникновения дефицита кислорода.

4. Разработать метод прогноза содержания растворенного кислорода в Таганрогском заливе с использованием данных спутниковых снимков.

5. Построить серию карт рисков возникновения зон гипоксии в Таганрогском заливе, соответствующих различным гидрометеорологическим ситуациям.

Основные результаты работ по проекту

В ходе выполнения проекта были выделены и описаны природные и антропогенные факторы, влияющие на кислородный режим Таганрогского залива.

Таганрогский залив обладает высоким запасом органического вещества, поэтому основной причиной формирования дефицита кислорода становится значительное потребление его на окисление органических веществ, особенно тех, которые содержатся в донных отложениях.

В результате анализа динамики природных и антропогенных факторов можно сделать вывод, что современное состояние кислородного режима Таганрогского залива в основном является результатом снижения водности р. Дон (проявляющегося осолонением залива и выраженностью галоклина) и увеличения интенсивности первичного продуцирования органического вещества фитопланктоном. К числу климатических стимулов развития анаэробных процессов в водоеме можно отнести увеличение температуры вод и ослабление ветровой активности в регионе. Современное состояние Таганрогского залива во многом схоже с периодом максимального осолонения Азовского моря в 1972-1978 гг.

Информационной основой работ послужила океанографическая база данных ЮНЦ РАН. В настоящее время в состав базы данных входят 5614 морских станций с измерениями кислорода на акватории Таганрогского залива, охватывающие период 1913-2016 гг. За период выполнения проекта база данных была пополнена 963 станциями. На основе базы данных был исследован сезонный и межгодовой ход концентрации растворенного кислорода.

Концентрация растворенного кислорода имеет ярко выраженный сезонный ход с максимумом содержания в зимние месяцы и минимумом в июле-августе. Такое распределение характерно как для поверхностного, так и придонного горизонтов.

Был сформирован архив данных спутниковых снимков, в состав которого вошла следующая информация:

- температура поверхности моря по данным спутниковых снимков радиометров AVHRR за период 1981-2016 гг.;

- ветер над морской поверхностью по данным скаттерометра SeaWinds/Quicksat за период 1999-2009 гг.;

- концентрация хлорофилла «а» по данным спектрометра MERIS/Envisat за период 2002-2012 гг.

В многолетней динамике температуры воды по данным дистанционного зондирования (1982-2015 гг.) наблюдается тенденция ее роста с середины 1990-х гг., несколько замедлившаяся после наиболее теплого за имеющийся период спутниковых наблюдений 2010 года. Весьма вероятно, что отмеченные тенденции являются примером внутривековых природных циклов.

При анализе ветрового режима отмечено системное превышение значений, полученных по снимкам, над данными наблюдений береговых гидрометеостанций, что вероятно связано с усилением скорости ветра над морем за счет гладкой подстилающей поверхности.

Была разработана математическая модель кислородного режима Таганрогского залива, описывающая сезонный ход содержания кислорода, его вертикальное распределение и взаимодействие с донными отложениями.

Для оценки вероятности возникновения дефицита кислорода в Таганрогском заливе была предложена базовая схема проведения расчетов, заключающаяся в разработке сценариев изменения внешних условий (скорости ветра, температуры воды и т.д.) и выполнении серии вычислительных экспериментов, результаты которых позволяют строить условные распределения вероятностей.

Метод расчета содержания растворенного кислорода в Таганрогском заливе основан на использовании данных спутниковых снимков. Он позволяет подготовить пространственный прогноз риска дефицита кислорода на основе метода Монте-Карло.

С использованием архива снимков был выполнен ретроспективный анализ кислородного режима Таганрогского залива за период 2003-2011 гг. Он позволил оценить максимальные площади зон дефицита кислорода (менее 60% насыщения) в придонных водах в летний период в начале XXI века по годам. Также для 2003-2011 гг. был отмечен небольшой рост в потреблении кислорода поверхностным слоем донных осадков относительно середины 1970-х гг. (с 29-35 % до 33-51%), что вероятно связано с увеличением в ТЗ доли площадей с илистыми осадками.

Построена серия карт рисков возникновения зон гипоксии в Таганрогском заливе, соответствующих различным гидрометеорологическим ситуациям. Предлагаемый набор карт представляет собой отдельный информационный продукт, который может быть использован при принятии решений об информировании населения и предприятий об ожидаемых опасных природных явлениях, тем самым снижая возможный социально-экономический ущерб.

Публикации по теме проекта

1. Кулыгин В.В., Дашкевич Л.В., Герасюк В.С. Модельная оценка содержания растворенного кислорода в водах Таганрогского залива на основе спутниковой информации // Информация и Космос. 2018. № 1. С. 120-126.

2. Kulygin V., Berdnikov S., Selyutin V., Dashkevich L. Oxygen depletion risk assessment in shallow water bodies of the Sea of Azov region // SGEM2016 Conference Proceedings, ISBN 978-619-7105-62-9 / ISSN 1314-2704, June 28- July 6, 2016, Book 3 Vol. 2, 799-806 pp. DOI: 10.5593/SGEM2016/B32/S15.104

3. Кулыгин В.В., Дашкевич Л.В., Герасюк В.С. Использование спутниковых снимков для оценки зон дефицита кислорода в Азовском море // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. 2017. Т. 2. № 2. С. 189-197.

4. Герасюк В.С., Кулыгин В.В. Кислородный режим Таганрогского залива в августе 2016 г. // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2017. Т. 1. № 2. С. 192-197.

5. Дашкевич Л.В., Кулыгин В.В. Анализ климатических факторов по данным наземных наблюдений и спутниковым снимкам, на примере Таганрогского залива // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2017. Т. 1. № 2. С. 216-226.

6. Герасюк В.С. Режим растворённого кислорода Азовского моря по результатам экспедиционных исследований в 2015 г. // Экология, экономика, информатика. Сборник статей: в 2-х т. Т. 1: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Выпуск 1. –Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. С. 572-578.

7. Дашкевич Л.В. Среднемноголетнее пространственное распределение абсолютного содержания растворенного кислорода в поверхностном слое Азовского моря // Экология, экономика, информатика. Сборник статей: в 2-х т. Т. 2: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. Выпуск 1. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. С. 48-55.

8. Кулыгин В.В. Моделирование кислородного режима Таганрогского залива // Математическое моделирование в экологии / Материалы Пятой Национальной научной конференции с международным участием, 16–20 октября 2017 г. Пущино, ИФХиБПП РАН, 2017. с. 107-108.

9. Кулыгин В.В., Дашкевич Л.В., Герасюк В.С. Возникновение дефицита кислорода в водах Таганрогского залива при различных гидрометеорологических ситуациях // Материалы научных мероприятий, приуроченных к 15-летию Южного научного центра Российской академии наук: Международного научного форума «Достижения академической науки на Юге России»; Международной молодежной научной конференции «Океанология в XXI веке: современные факты, модели, методы и средства» памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова; Всероссийской научной конференции «Аквакультура: мировой опыт и российские разработки» (г. Ростов-на-Дону, 13–16 декабря 2017 г.) / [гл. ред. акад. Г.Г. Матишов]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. с. 253-256.