Modelling Dissolved Organic Nutrients in the Gulf of Finland

Vladimirova O M; Eremina T R; Isaev A V; Ryabchenko V A; Savchuk O P

doi:doi:10.31519/conferencearticle_5cebbc15747ea0.14189524

Modelling Dissolved Organic Nutrients in the Gulf of Finland

Submit manuscript

To cite

MODELLING DISSOLVED ORGANIC NUTRIENTS IN THE GULF OF FINLAND

Section: PROBLEMS OF ENVIRONMENTAL VULNERABILITY AND ANTHROPOGENIC PRESSURE ON COASTAL ECOSYSTEMS AND BIORESOURCES

Proceedings: MATERIALS OF XXVII INTERNATIONAL COASTAL CONFERENCE "ARCTIC SHORES: SHORE-UP TO SUSTAINABILITY"

UDK 551.464.7.072

BBK 26 Науки о Земле

BISAC NAT010000 Ecology BISAC NAT045050 Ecosystems & Habitats / Coastal Regions & Shorelines BISAC NAT025000 Ecosystems & Habitats / Oceans & Seas BISAC NAT045030 Ecosystems & Habitats / Polar Regions BISAC SCI081000 Earth Sciences / Hydrology BISAC SCI092000 Global Warming & Climate Change BISAC SCI020000 Life Sciences / Ecology BISAC SCI039000 Life Sciences / Marine Biology BISAC SOC053000 Regional Studies BISAC TEC060000 Marine & Naval

Vladimirova O M ¹

Eremina T R ²

Isaev A V ³

Ryabchenko V A ⁴

Savchuk O P ⁵

Author and publication information

Authors:

1. Rossiyskiy gosudarstvennyy gidrometeorologicheskiy universitet (g. Sankt-Peterburg)
Russian Federation

2. Rossiyskiy gosudarstvennyy gidrometeorologicheskiy universitet (g. Sankt-Peterburg)
Russian Federation

3. Institut okeanologii im. P.P. Shirshova RAN (g. Moskva)
Russian Federation

4. Institut okeanologii im. P.P. Shirshova RAN (g. Moskva)
Russian Federation

5. Institut nauk o zemle SPbGU (g. Sankt-Peterburg); Baltik Nest institut, Centr Baltiyskogo morya Stokgol'mskogo universiteta (g. Stokgol'm)
Russian Federation

Type:

Сonference article

DOI:

https://doi.org/10.31519/conferencearticle_5cebbc15747ea0.14189524

Published:

06.01.2019

Subject area:

551.464.7.072
26
NAT010000
NAT045050
NAT025000
NAT045030
SCI081000
SCI092000
SCI020000
SCI039000
SOC053000
TEC060000

Language:

Russian

Keywords:

Gulf of Finland, ecosystem, dissolved organic matter, model SPBEM-2

Abstract and keywords

Abstract (English):
V rabote dano opisanie usovershenstvovannoy modeli Sankt-Peterburgskoy modeli evtrofikacii Baltiyskogo morya (SPBEM-2) za schet vklyucheniya uravneniy nekonservativnoy primesi dlya rastvorennogo organicheskogo azota i fosfora i rezul'taty modelirovaniya dlya akvatorii Finskogo zaliva Baltiyskogo morya dlya perioda s 2009 po 2014 gody. na Sopostavlenie rezul'tatov modelirovaniya s dannymi naturnyh nablyudeniy pokazalo, chto model' SPBEM-2 dostatochno horosho vosproizvodit mezhgodovuyu izmenchivost' biogeohimicheskih harakteristik ekosistemy zaliva.

Keywords:
Gulf of Finland, ecosystem, dissolved organic matter, model SPBEM-2

Text

Эвтрофикация Финского залива определяется поступлением азота и фосфора непосредственно с водосбора залива, водообменом с Балтийским морем, транспортом вещества между различными районами залива и внутренними химическими процессами [1, 7]. Наряду с минеральными формами азота и фосфора, в водную среду с речным стоком поступают их органические компоненты [2]. Растворённую органическую часть нагрузки разделяют на лабильную и стойкую. Стойкие соединения растворенного органического вещества обычно рассматривают как недоступные для биогеохимических процессов. В современных оценках источников питательных соединений в Финском заливе, полученных на основе моделей биогеохимических циклов, влияние стойких соединений органики не учитывается, а растворенное органическое вещество (РОВ) включают в состав детрита, что может приводить к недооценке вклада стойкой органики в эвтрофирование. Не учет в моделях РОВ обуславливает необходимость введения коэффициента биодоступности для биогенной нагрузки поступающей с суши, величина которого определяется приблизительно, что может приводить к искусственному занижению поступления азота и фосфора в водную среду. SPBEM-2 представляет собой совместную трехмерную эко-гидродинамическую модель, имеющую модульную структуру. Гидродинамический модуль основан на модели циркуляции океана Массачусетского технического университета MITgcm [5] в приближении гидростатики. В модели коэффициенты горизонтального турбулентного обмена импульсом, теплом и солью принимаются постоянными. В качестве схемы параметризации вертикального турбулентного обмена используется схема замыкания TKE [3]. Эволюция морского льда в MITgcm основана на вязко-пластичной реологии и термодинамики [9]. Для расчета составляющих скоростей течений на жидкой границе применялась модифицированная схема Стивенсена [8], а именно, расчет баротропной составляющей скорости выполнялся с использованием данных об уровне моря на границе. Модуль биогеохимических циклов основан на уравнениях модели BALTSEM [6], который был модифицирован и в уравнения добавлены члены, описывающие трансформацию органического вещества, его лабильной и стойкой частей [4] Расчетная область представлена на рисунке 1. Горизонтальное разрешение сферической сетки составляет 2' по широте и 4' по долготе (~ 2 морских мили), вертикальное разрешение в z-координатной области - 3 м от поверхности до дна. Период расчета - 2009-2014 годы Проведенное сравнение результатов моделирования с данными наблюдений показало, что усовершенствованная модель достаточно хорошо воспроизводит динамику биогеохимических процессов (рис.2). Рис.2. Среднегодовая изменчивость содержания органического (закрашенная) и неорганического (незакрашенная) вещества. Азот (слева) и фосфор (справа) по натурным данным (черные) и результатам моделирования (серые) В расчетный период с 2009 по 2014 гг. запасы общего азота по модельным данным (310-350 кт) незначительно завышены по сравнению с натурными данными (280-330 кт), тогда как запасы общего фосфора по модельным данным (38-62 кт) сильно завышены по сравнению с натурными наблюдениями (24-32 кт). Как видно на рисунке, по модельным расчетам отмечается существенное завышение для неорганической части азота и фосфора, в то время как запасы органической части, полученные как разница между общим содержанием азота и фосфора и их неорганических фракций, хорошо согласуются с натурными наблюдениями. Возможной причиной расхождения в неорганической фракции фосфора являются завышенные значения содержания биогенных элементов в начальных полях распределения донных отложений для точного задания которых недостаточно данных наблюдений. Основываясь на полученных результатах, можно заключить, что модифицированная модель SPBEM-2, в которой более детально учитывается РОВ, может быть использована для оценки вклада растворенной органики в биогеохимические процессы в Финском заливе.

References

1. Eremina T.R., Karlin L.N. Sovremennye cherty gidrohimicheskih usloviy v vostochnoy chasti Finskogo zaliva. / Ekosistema estuariya reki Nevy: biologicheskoe raznoobrazie i ekologicheskie problemy. Pod red. A.F., S.M. Golubkova. Sankt-Peterburg-Moskva: Izd. Tovarischestvo nauchnyh izdaniy KMK, 2008. - S.24-38.

2. Deutsch, B., Alling, V., Humborg, C., Korth, F., Ḿrth, C.M. Tracing inputs of terrestrial high molecular weight dissolved organic matter within the Baltic Sea ecosystem // Biogeosciences. 2012. 9. P. 4465-4475.

3. Gaspar, P., Gregoris, Y., Lefevre, J.-M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing: Tests at station Papa and long-term upper ocean study site // Journal of Geophysical Research 1990. 95-C9. P. 179-193.

4. Gustafsson Erik, Savchuk Oleg P., Gustafsson Bo G., Muller-Karulis Barbel. Key processes in the coupled carbon, nitrogen, and phosphorus cycling of the Baltic Sea // Biogeochemistry. 2017. 134. P. 301-317.

5. Marshall J., Hill C., Perelman L., and Adcroft A. Hydrostatic, quasihydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling // J. Geophysical Res. 1997. 102(C3). P. 5733-5752. doi:https://doi.org/10.1029/96JC02776

6. Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model // J. Mar. Sys. 2002. 32. P. 235-280.

7. Oleg P. Savchuk, Tatjana R. Eremina, Alexey V. Isaev, Ivan A. Neelov Response of eutrophication in the eastern Gulf of Finland to nutrient load reduction scenarios. 2009. Hydrobiologia, No 629, pp.225-237

8. Stevens D.P. On open boundary conditions for three dimensional primitive equation ocean circulation models // Geophys. Astrophys. Fl. Dyn. 1990. 51. P.103-133.

9. Zhang J., and Hibler W.D., III. On an efficient numerical method for modeling sea ice dynamics // J. Geophys. Res. 1997.102(C4) P. 8691-8702.

Submit manuscript

To cite

Citations:

Confirmation

Регистрация