Влияние изменений климата на океанологический режим и экосистему Японского моря - Автореферат

Японское море - один из немногих регионов, удачно сочетающих хорошую изученность и большое разнообразие океанологических условий, что позволяет проанализировать принципы влияния изменений климата на океанологические условия и основные элементы морских экосистем. В работе обобщены и систематизированы результаты исследований изменений океанологических условий в Японском море климатического масштаба и их влияния на различные уровни макроэкосистемы моря, собственные и других ученых, с целью создания системы представлений (концепции) о характере происходящих изменений в экосистеме, их закономерностях и причинах. Проанализировать влияние океанологических процессов на основные параметры гидрохимического режима вод Японского моря и состояние основных биотических компонент экосистемы моря, от фитопланктона до нектона, и выяснить механизмы такого влияния; Пользуясь полученными закономерностями влияния океанологических процессов на различные уровни экосистемы моря, определить характер изменений в экосистеме Японского моря, происходящих в ходе современных изменений условий среды климатического масштаба, и перспективы сукцессии экосистемы на ближайшие десятилетия под действием предполагаемых изменений климата. Предложена новая концепция влияния изменений климата на морскую экосистему, которая заключается в том, что в ходе этого процесса происходит преобразование экосистемы Японского моря в направлении от высокопродуктивной системы с низкой эффективностью функционирования, что типично для экосистем умеренных широт, к менее продуктивной системе с более высокой эффективностью функционирования, типичной для субтропических зон Мирового океана.Основной методический подход, используемый в работе, состоит в том, что вначале по данным длительных наблюдений за океанологическими и метеорологическими параметрами рассмотрен характер их климатических изменений и выявлены связи между изменениями условий среды и биотических компонент экосистемы с использованием данных наблюдений разной длины; затем на этой основе, применяя полученные закономерности влияния изменений параметров среды на биотические компоненты к наблюдаемым изменениям параметров среды климатического масштаба, выработана система представлений об изменениях биотических компонент экосистемы, в их комплексе, под влиянием изменений климата,. Для решения поставленных в работе задач использованы все доступные данные об изменениях параметров избранных для анализа компонент экосистемы Японского моря, а методы обработки и анализа этих данных применяются в двух направлениях: чтобы выявить крупномасштабные изменения (климатического масштаба и междесятилетние) и чтобы выявить закономерности влияния изменений параметров среды на биотические компоненты. В первой главе дана подробная характеристика используемых для анализа данных, их источников, объемов и дискретности, а также подробно рассмотрены методы подготовки данных к анализу и методы анализа, включая описание основных статистических методов, в основном стандартных: оценка трендов и их значимости (табл. Боксовая балансовая модель гидрохимических условий в придонном слое эстуарной зоны представляет собой систему трех дифференциальных уравнений, описывающих изменения содержания кислорода, концентрации фосфатов и солености: (1) где ДО/дz, ДР/дz, ДS/дz - вертикальные градиенты этих параметров, ДО/дl, ДР/дl, ДS/дl - их горизонтальные градиенты, k - коэффициент вертикального турбулентного обмена, Е - вертикальная устойчивость, а - коэффициент адвекции, D - скорость минерализации фосфора при деструкции органического вещества в придонном слое, 138D - скорость потребления кислорода при деструкции (138 - молярное соотношение свободного кислорода и органического фосфора в реакции разложения органики); размерность всех переменных - молярная. В каждом элементарном объеме (расчеты проведены с шагом по вертикали 100 м) за годичный цикл последовательно происходят процессы: - конвективного перемешивания (глубокая и склоновая конвекция), - продуцирования органического вещества в объеме доступной "новой продукции" с выделением кислорода и потреблением биогенных элементов (только в верхнем элементе модели), после чего избыток кислорода выводится в атмосферу, - опускания органического вещества с распределением его по всей толще воды с экспоненциальным убыванием по мере роста глубины, - деструкции органического вещества с соответствующим потреблением кислорода и минерализацией биогенных элементов (расчет выполнен для фосфора), - вертикального турбулентного перемешивания между слоями воды с перераспределением кислорода и биогенов, - нового продуцирования органического вещества за счет поступления биогенных элементов в верхний слой в результате турбулентного перемешивания, - опускания новой порции органического вещества с распределением его по всей толще воды с экспоненциальным убыванием с глубиной.Во второй главе, наибольшей по объему, последовательно рассмотрены изменения основных метеорологических и океанологических параметров (индексов, отр

Основные результаты диссертации опубликованы в 42 научных публикациях, включая периодические издания: "Океанология", "Метеорология и гидрология", "Вопросы промысловой океанологии", "Известия ТИНРО", "Гидробиологический журнал", "Progress in Oceanography", "Ecological Modeling", "J. Ocean Science", "J. Ocean Research", "Bull. Marine Science", "PICES Science Rep.", "IOC Workshop Rep.", сборники статей и материалов конференций, а также 2 монографии. Список опубликованных по теме диссертации работ приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора.

С 1987 г. автор является ответственным исполнителем проводимых ТИНРО-центром исследований по промысловой океанологии Японского моря, с 1995 г. - руководит этими исследованиями в качестве заведующего лабораторией, а в последние годы - заведующего сектором гидрологии Японского моря и СЗТО. Лично и совместно с коллегами в течение многих лет им выполняется мониторинг океанологических условий в Японском море, обработка и архивация полученных данных, организуется обмен океанологическими данными с другими российскими и зарубежными учреждениями. Полученные данные использовались для исследования режима вод Японского моря, изменчивости океанологических условий, но прежде всего для исследований влияния условий среды на морскую биоту (фитопланктон, зоопланктон, бентос, нектон) и функционирование всей экосистмеы моря в целом. Обобщение результатов этих исследований стало основой диссертации. Кроме того, в диссертации использованы данные наблюдений, предоставленные в порядке научного сотрудничества, а также заимствованные из публикаций или открытых для общего пользования баз данных, при этом все заимствованные данные, использованные в работе, имеют ссылки на источники. Анализ данных и формулирование результатов анализа в основном выполнены автором лично, с использованием как широко распространенных методов анализа, так и вновь разработанных новых методов, в частности, балансовых моделей. Около половины научных работ, в которых излагаются положения диссертации, подготовлено автором диссертации единолично; в совместных работах [5, 11, 27-29, 36] автору принадлежит постановка задач и выбор методов их решения, а также паритетное участие в интерпретации полученных результатов; в совместных работах [13, 31, 33, 38-42] автором выполнены части коллективных исследований, на паритетных началах с другими соавторами; в совместных работах [1, 14, 19, 24-26, 30, 32, 35] рассматриваются в основном биологические проблемы, вклад в них автора диссертации - анализ океанологических процессов и их влияния на биоту. Концептуальные положения диссертации: о характере климатических изменений океанологических условий в Японском море, о механизмах влияния изменений условий среды на морскую биоту, о закономерностях долгопериодных изменений основных компонент экосистемы Японского моря и характере сукцессии экосистемы моря в целом сформулированы автором самостоятельно, на основе собственных исследований, а также аналитического обобщения и критического анализа существующих представлений по этим вопросам. Все представленные в публикациях и в диссертации результаты отражают точку зрения автора.

Структура и объем работы.

В соответствии со структурой морских экосистем, поставленными задачами и применяемыми методическими подходами сложилась следующая структура работы: после характеристики использованных материалов и методов в Главе 1, вначале (в Главе 2) подробно рассмотрена крупномасштабная изменчивость различных физических параметров среды и по мере возможности выявлены ее механизмы, также представлены прогнозы тенденций их изменений в применении к региону Японского моря, а затем (в Главах 3, 4, 5 и 6) последовательно рассмотрено влияние изменчивости физических факторов на различные уровни экосистемы (гидрохимические и продукционные параметры, фитопланктон, зоопланктон и нектон), для каждого уровня в следующем порядке: i) общая характеристика и описание изменчивости параметров этого уровня;

ii) анализ механизмов влияния изменений факторов среды на изменчивость параметров этого уровня;

iii) примеры долгопериодных изменений параметров этого уровня, если таковые имеются, на фоне климатических изменений среды; в случае отсутствия длительных рядов наблюдений - восстановление предполагаемых изменений климатического масштаба на основе полученных ранее представлений о механизмах влияния изменений физических факторов и сведений о климатических изменениях этих факторов;

iv) предположения о тенденциях изменений параметров этого уровня в будущем на основе прогнозов тенденций в изменениях параметров среды и знания механизмов влияния факторов среды на рассматриваемый уровень экосистемы.

В заключительной части работы проведен анализ системных особенностей крупномасштабной изменчивости в комплексе "внешние факторы - абиотические компоненты экосистем - биотические компоненты экосистем" и сформулированы основные результаты исследования.

Работа представлена на 241 странице, включая 35 таблиц и 142 рисунка. Список использованной литературы включает 226 источников, в основном иностранных.

Содержание работы

Введение

Во введении показана актуальность проблемы влияния изменений климата на морские экосистемы и пояснено развитие предпосылок к ее решению. Задан временной и пространственный масштаб исследований, дана краткая характеристика района исследований. Определена цель работы, сформулированы задачи по ее достижению и защищаемые положения, кратко изложена структура работы.