Влияние изменений климата на океанологический режим и экосистему Японского моря (стр. 1 )

Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

на правах рукописи

УДК 551.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ЭКОСИСТЕМУ ЯПОНСКОГО МОРЯ

25.00.28 - океанология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

доктора географических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в Тихоокеанском научно-исследовательском

рыбохозяйственном центре (ТИНРО-Центре)

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

доктор географических наук, профессор

доктор географических наук

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт

рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)

Защита состоится __12 ноября__ 2009 года на заседании

диссертационного Совета Д 212.197.02 при Российском Государственном Гидрометеорологическом Университете по адресу:

195196 г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Российского Государственного Гидрометеорологического Университета

Автореферат разослан ________________ 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук, профессор ёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Самой важной проблемой геофизических наук на современном этапе является проблема понимания и прогнозирования изменений климата. Эта проблема чрезвычайно важна не только в практическом смысле, поскольку от её решения зависит направление развития всего человечества, но и как серьёзнейшая теоретическая задача для системного анализа, так как климат представляет собой сверхсложную, многокомпонентную систему с пока неизвестной, в принципе, предсказуемостью. Хотя климат менялся всегда, в последние два десятилетия изменения стали настолько сильными и резкими (рис. 1), что не обращать на них внимания невозможно. Режим вод океана, как части климатической системы, также претерпевает существенные изменения. В исследованиях изменений климата и связанных с ними изменений океанологических условий получено много ярких результатов, но по существу проблема познания их закономерностей ещё не решена.

Рис. 1. Изменения аномалий среднегодовой приземной температуры воздуха

относительно средних за гг.

Для промысловой океанологии прикладной аспект изменений климата – как они влияют на морскую биоту, естественно, является одним из важнейших направлений исследований. Но для большинства районов Мирового океана пока ещё недостаточно данных для глубокого понимания происходящих там процессов взаимодействия биологических объектов со средой, особенно мало длинных рядов наблюдений, необходимых для анализа последствий климатических изменений. 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. Это важный промысловый район, но для него характерны резкие флуктуации ресурсов рыболовства, обусловленные изменениями среды обитания, поэтому закономерности, полученные в результате анализа влияния изменений климата на промысловые популяции, немедленно могут быть применены для перспективного прогнозирования промысла и связанных с ним экономических, социальных и политических аспектов.

Цель работы. 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 учёных, с целью создания системы представлений (концепции) о характере происходящих изменений в экосистеме, их закономерностях и причинах. Для этого поставлены и решены следующие задачи:

1. Рассмотреть изменчивость основных параметров океанологических и метеорологических условий в регионе Японского моря во второй половине ХХ – начале XXI века и выявить изменения климатического масштаба;

2. 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;

3. 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.

4. Сформулировать концепцию влияния изменений климата на экосистему Японского моря.

Положения, выносимые на защиту:

1. Характер изменений климатического масштаба для основных параметров океанологических и метеорологических условий в регионе Японского моря во второй половине XX – начале XXI века;

2. Механизмы влияния изменений океанологических процессов на круговороты биогенных элементов и кислорода, биологическую продуктивность вод и обилие фитопланктона, зоопланктона и важнейших промысловых видов нектона в Японском море;

3. Закономерности изменений гидрохимических условий и биотических компонент экосистемы Японского моря, происходящих в ходе современных изменений условий среды климатического масштаба, и перспективы сукцессии экосистемы под действием предполагаемых в будущем изменений климата;

4. Концепция изменений, происходящих в последние десятилетия в экосистеме Японского моря, их причин и последствий.

Научная значимость.

Впервые выполнен анализ влияния изменений климата на все основные уровни морской экосистемы, определены направления и характер их изменений, причём в масштабе моря, что по сути открывает новое направление исследований в промысловой океанологии. Впервые определены механизмы климатических изменений для важнейших физических, химических и биологических процессов, происходящих в Японском море, при этом показано, что все значительные изменения климатического и междесятилетнего масштабов обусловлены изменениями режима муссонов. 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.

Предложены новые методы исследования авторской разработки:

- моделирования изменений концентрации биогенных элементов и кислорода при перестройке конвективных процессов;

- моделирования развития гипоксии в эстуарных зонах с учётом явления апвеллинга;

- анализа сукцессии фитопланктона в координатах "температура – толщина ВКС";

- анализа изменений видового состава зоопланктона в прибрежной зоне с учётом кроссшельфового водообмена.

Впервые рассмотрена связь обилия зоопланктона с термическими условиями в промежуточной водной массе Японского моря, которая оказалась более значимой, чем ранее известная его связь с термическими условиями в поверхностном слое моря.

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе и авторских публикациях, на которых она основана, ранее не были известны и в значительной мере улучшают, уточняют, а отчасти меняют существующие представления о влиянии изменений климата на океанологические условия в Японском море, и особенно на биотические компоненты экосистемы.

Практическая значимость.

Проведённые в ходе подготовки диссертационной работы исследования имеют очевидную практическую направленность, поскольку создают основу для долгосрочного прогнозирования океанологических условий и биотических компонент экосистемы Японского моря. Результаты этих исследований уже используются в практике долгосрочного и перспективного прогнозирования в ТИНРО-Центре, прежде всего – прогнозирования температуры воды на поверхности Японского моря и положения Полярного фронта. На их основе разработана прогностическая регрессионная модель формирования обилия зоопланктона в северо-западной части моря. Методические подходы и основные принципы влияния изменений климата на макроэкосистему, представленные в работе, будут полезны для учёных и практиков, работающих не только в регионе Японского моря, но и в других частях Мирового океана. Представляется практически важным один из основных выводов работы – о позитивном влиянии происходящих изменений климата на промысловые ресурсы Японского моря. Материалы работы могут быть использованы и отчасти уже используются при подготовке учебных курсов по региональной и промысловой океанологии.

Достоверность полученных результатов обусловлена большими объёмами использованных для анализа данных наблюдений, причём все данные предварительно были подвергнуты тщательному критическому контролю лично автором или сотрудниками ведущих научных организаций, опубликовавших эти данные или предоставивших доступ к ним. Выявленные тренды в изменениях параметров среды и некоторых биотических параметров и статистические связи между метеорологическими, океанологическими и биологическими параметрами имеют высокий уровень значимости, их механизмы не противоречат законам природы, они образуют стройную, непротиворечивую систему, элементы которой дополняют и объясняют друг друга.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены лично автором в форме докладов и обсуждались на следующих научных форумах:

- Всесоюзная конференция по долгосрочному промысловому прогнозирова­нию (Мурманск, 1986);

- Всесоюзное совещание "Океанологические фронты северных морей: характери­стики, методы исследова­ний, модели" (Аксаково, 1989);

- Первый советско-китайский симпозиум по океанологии (Владивосток, 1990);

- Всесоюзная конференция "Рациона­льное использование биологических ресурсов Тихого океана" (Владивосток, 1991);

- Межд. симпозиум "Изменения климата и популяции рыб" (Виктория, Канада, 1992);

- Четвёртый семинар CREAMS (Владивосток, 1996);

- Шестое совещание PICES (Пусан, Южная Корея, 1997);

- Конференция по океанографии Японского моря (Пусан, Южная Корея, 1997);

- Симпозиум памяти (Санкт-Петербург, 1998);

- Восьмое совещание PICES (Владивосток, 1999);

- Девятое совещание PICES (Хакодате, Япония, 2000);

- Семинар "Исследование глобальных изменений на Дальнем Востоке" (зал. Восток, 2000);

- Международный симпозиум CREAMS-2000 (Владивосток, 2000);

- Десятое совещание PICES (Виктория, Канада, 2001);.

- Одиннадцатая конференция PAMS/JECSS (Сёгвипхо, Южная Корея, 2001);

- Семинар по экосистеме Японского моря CREAMS/PICES (Се2);

- Одиннадцатое совещание PICES (Циндао, КНР, 2002);

- Международное рабочее совещание по изучению глобальных изменений климата на Дальнем Востоке (Владивосток, 2002);

- Международная конференция «Рациональное природопользование и управление морскими биоресурсами: экосистемный подход» (Владивосток, 2003);

- Двенадцатое совещание PICES (Се3);

- Шестой международный симпозиум IOC/WESTPAC (Ханчжоу, КНР, 2004);

- Международная конференция "Научные мосты между Северной Америкой и Дальним Востоком России" (Bridge of science between North America and the Russian Far East) (Владивосток, 2004);

- Семинар "Исследование глобальных изменений на Дальнем Востоке" (Владивосток, 2004);

- Тринадцатое совещание PICES (Гонолулу, США, 2004);

- Семинар по программе EAST-1 (Се5);

- Тринадцатая международная конференция по промысловой океанологии (Светлогорск, 2005);

- Четырнадцатое совещание PICES (Владивосток, 2005);

- Пятнадцатое совещание PICES (Йокогама, Япония, 2006);

- Шестнадцатое совещание PICES (Виктория, Канада, 2007);

- Международная конференция памяти "Биологические ресурсы дальневосточных морей" (Владивосток, 2008);

- Международный симпозиум "Влияние изменений климата на Мировой океан" (Хихон, Испания, 2008);

- Семнадцатое совещание PICES (Далянь, КНР, 2008);

а также на отчётных сессиях ТИНРО-Центра в период с 1986 по 2009 гг., отчётной сессии НПО "Ассоциация ТИНРО" в 2009 г., совещаниях Консультативного Совета CREAMS/PICES в период гг., океанологических семинарах в ТИНРО, РГГМУ, СПбГУ, АтлантНИРО, Сеульском Университете, Первом Институте Океанографии (г. Циндао), Институте передовых исследований (г. Йокогама).

Публикации.

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 приведён 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 распространённых 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 объём 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 её 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 проведён 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 её решению. Задан временной и пространственный масштаб исследований, дана краткая характеристика района исследований. Определена цель работы, сформулированы задачи по её достижению и защищаемые положения, кратко изложена структура работы.

Глава 1. Источники данных, используемых в работе, и методы их

обработки и анализа

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, объёмов 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. 1), корреляционный анализ, множественно-регрессионный анализ, кластерный анализ, периодограмманализ, и балансовых моделей собственной разработки, в т. ч. экосистемной модели нижних трофических уровней. Здесь же перечислено программное обеспечение, использованное при обработке и анализе данных.

Таблица 1

Характеристика линейных трендов, выявленных в изменениях основных параметров экосистемы Японского моря в современный период

Параметр	Период наблюдений	Период оценки тренда	Наклон тренда, год-1	Оценка значимости тренда на уровне 95%	Наивысший уровень сохранения значимости
SHI – индекс Сибирского AZn	, XII-II		-0,12 гПа	значимый	0,9998
NPI – северотихоок. индекс	,VI-VIII		+0.001 гПа	незначимый	0,04
MOI– индекс зимнего муссона	, XII-II		-0,056 гПа	незначимый	0,70
WNPMI – муссонный индекс	,VI-VIII		-0.01 м/с	незначимый	0,65
Меридиональный индекс Каца	, IX-X		+0,014	незначимый	0,93
Давление в центре Сибирского Azn	, XII-II		-0.37 гПа	значимый	0,997
Давление в центре Гавайского Azn	,VI-VIII		-0.13 гПа	значимый	0,9999
Давление в центре дальневосточной депрессии	,VI-VIII		+0.06 гПа	значимый	0,9997
Температура воздуха во Владивостоке	, XII-II		+0.063 град.	значимый	0,993
Температура воздуха во Владивостоке	,VI-VIII		+0,034 град.	значимый	0,98
Количество осадков во Владивостоке	, V-VIII		+5.5 мм	значимый	0,994
Температура воздуха в Пусане	, XII-II		+0.053 град.	значимый	0,998
Количество осадков в Акита	, XI-III		-0.9 мм	незначимый	0,57
Расход р. Амур в Хабаровске	, V-X		-0.07 тыс. м3/с	незначимый	0,90
Температура воздуха в северном полушарии	, среднегодовая		+0,022 град.	значимый	0,999999
ТПМ в северной части моря	, XII-II		+0.026 град.	значимый	0,995
ТПМ в северной части моря	,VI-VIII		+0.028 град.	значимый	0,993
ТПМ в южной части моря	, XII-II		+0.021 град.	значимый	0,995
ТПМ в южной части моря	,VI-VIII		+0.013 град.	незначимый	0,77
Температура поверхностных субарктических вод			+0,052 град.	значимый	0,999999
Температура прибрежных поверхностных вод			+0,037 град.	значимый	0,9999
продолжение таблицы 1
Параметр	Период наблюдений	Период оценки тренда	Наклон тренда, год-1	Оценка значимости тренда на уровне 95%	Наивысший уровень сохранения значимости
Температура приэстуарных вод	, VI-IX		+0.040 град.	значимый	0,993
Солёность приэстуарных вод	, VI-IX		-0.016 о/оо	незначимый	0,54
Температура промежуточных вод	, II-IV		+0.017 град.	значимый	0,98
Температура промежуточных вод	,VI-VIII		+0.025 град.	значимый	0,98
Температура придонных вод			+0,001 град.	значимый	0,998
Температура глубинных шельфовых вод			+0,064 град.	значимый	0,99999
Придонная температура на шельфе Приморья	, VI-IX		-0.037 град.	незначимый	0,52
Солёность в промежуточном слое	, среднегодовая		+0,001 о/оо	значимый	0,97
Солёность в глубинном слое	, среднегодовая		-0,0003 о/оо	значимый	0,95
Ледовитость Татарского пролива	, I-IV		+0.0015 %	незначимый	0,01
Положение Полярного фронта			0,7-0,9 миль	незначимый	0,75-0,93
Толщина ВКС на севере моря	, VI-VII и X-XI		+0.16 и +0,40 м	незначимый значимый	0,81 и 0,96
Толщина ВКС на юге моря	, II		-0,14 м	незначимый	0,09
Кислород в придонном слое			-0,018 мл/л	значимый	0,9999
Биомасса фитопланктона на юго-востоке моря	, II и IV		-0.3 мг/м3	незначимый	0,40-0.36
Биомасса зоопланктона на северо-западе моря	, V-VI		-1,5 мг/м3	незначимый	0,27
Биомасса зоопланктона на юго-востоке моря	, среднегодовая		+0,1 мг/м3	незначимый	0,28
Биомасса зоопланктона на юго-западе моря	, среднегодовая		+6,0 мг/м3	значимый	0,999999
Вылов сардины-иваси			+3,78 тыс. т	незначимый	0,31
Численность поколений минтая			-3,64 млн. шт.	значимый	0,9992
Вылов тихоок. кальмара			+4,18 тыс. т	значимый	0,998

Балансовые модели применены для выявления механизмов изменчивости ряда гидрохимических и биотических параметров, не обнаруживающих очевидных связей с внешними факторами. Модели основаны на существующих представлениях о биогеохимических процессах в море и тестированы на имеющихся данных наблюдений. Применение моделей позволяет количественно оценить вклад различных компонент баланса, зависящих от различных физических, химических или биологических процессов.