Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
Институт прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН
ФГБУН Зоологический институт РАН
Решение проблемы необходимых данных для численного моделирования процессов в белом море в интересах развития арктической зоны Российской Федерации
А.В. Толстиков
И.А. Чернов
Д.М. Мартынова
г. Петрозаводск
г. Санкт-Петербург
Аннотация
Рассмотрены вопросы получения данных для задач численного моделирования Белого моря - стратегического объекта Российской Федерации. Приведен обзор доступных источников с указанием открытых баз, организаций-держателей, путей возможного использования данных для решения задач численного воспроизведения термогидродинамического состояния Белого моря, а также динамики его пелагической экосистемы.
Ключевые слова: данные, численное моделирование, Белое море, Арктика, JASMINE, BFM.
Abstract
Sources of data for numerical simulation of the White sea for developing the Russian Arctic area
Tolstikov A.V.
Northern Water Problems Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences (Petrozavodsk, Russian Federation)
Chernov I. А.
Institute of Applied Mathematical Research of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences (Petrozavodsk, Russian Federation)
Martynova D. М.
Zoological Institute of the Russian Academy of Sciences (Saint-Petersburg, Russian Federation)
Analysis of statistical information on the results of expeditionary research is carried out within the framework of the theme of research «Regularities of changes in the ecosystems of the White Sea in the intensification of development of the Arctic zone of the region and under the influence of climate change», no. AAAA - A18-118032290034-5. Modelling of thermohydrodynamic and biogeochemical processes in the White Sea is carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research, grant no. 16-45-100162 р_а.
Abstract
In the paper we discuss the problem of getting data for numerical modelling of the White sea. It completely belongs to Russia and is important due to a number of human activities including fisheries, mollusk farms, mining, tourism, maritime shipping. Also, the Northern Sea Route begins in the White Sea. Large projects demand complete understanding of variability of hydrophysical and biogeochemical processes in the sea, so it is important to reproduce the most important processes by numerical models. This is important not only for the White sea, but for the Arctic region in general. By data we mean hydrophysical (water temperature, salinity, density, ice and snow thickness, etc), hydrobiological (biomass of plankton, productivity, etc), biogeochemical (dissolved or suspended biogen or organic matter, detritus, etc) fields. Also meteorological and miscellaneous data (bathymetry, rivers) are necessary. Values of these and other fields can be obtained by three different ways. First, this is in situ measurements (from scientific vessels or by automatic devices); then, remote sensing, usually by satellites; finally, numerical models are able to evaluate the data. However, tuning and verification of models also demand in situ or satellite data.
We survey the in situ data sources and collections, together with institutions that gather data and conditions of data availability. Also, an overview of satellite data sources is presented. Finally, we discuss simulation of the sea by numerical models and present our model JASMINE with BFM as a biogeochemical component, focusing on necessary initial, boundary, and forcing data.
Keywords: data, numerical modelling, simulation, White Sea, Arctic, JASMINE, BFM.
Введение
Разработка системного подхода к работе в Арктической зоне Российской Федерации включает формирование нескольких опорных зон развития, часть которых захватывает участки Белого моря с прилегающими территориями [1]. Интерес исследователей самого разного профиля к Белому морю, равно как и его важность для России, обусловлены целым рядом научных и прикладных задач, к которым относятся освоение природных ресурсов, вопросы логистики и обороны, проблемы энергетики.
Использование комплексных математических моделей, учитывающих множество протекающих в водоеме процессов, открывает широкий спектр практического применения результатов моделирования в рыболовстве, развитии марикультуры, для военного и торгового флота, для прогнозирования экологических бедствий и колебаний климата, а также для решения фундаментальной задачи понимания закономерностей функционирования моря как целостной системы. Однако для адекватного использования моделей, их верификации и валидации необходимы данные реальных измерений параметров среды.
Требуются комплексные оценки различных гидрофизических, гидробиологических, биогеохимических характеристик. Получение таких оценок возможно несколькими путями: помимо измерения in situ (на береговых станциях, с борта экспедиционных судов, автономными буями) определенные параметры могут быть получены спутниковыми сенсорами [2] или при помощи численных моделей. Следует отметить, что для настройки и верификации моделей, а также для задания начальных и граничных значений снова требуются данные in situ или спутниковые.
Рис. 1. Белое море: берега, районы и расположение биологических станций: ББС МГУ - Беломорская биологическая станция Московского государственного университета, ББС ЗИН РАН - Беломорская биологическая станция Зоологического института РАН, МБС СПбГУ - Морская биологическая станция Санкт-Петербургского университета, ББС КФУ - Беломорская биологическая станция Казанского федерального университета
Все данные для задач моделирования процессов в море можно условно разделить на четыре большие группы: гидрофизические (температура, соленость, течения, характеристики льда и т.п.), метеорологические (давление, температура воздуха, характеристики ветра и т.д.), биогеохимические (потоки веществ и энергии, в том числе в экосистемах) и сопутствующие (батиметрия, реки водосбора и т.п.). Значительная часть этих величин может быть измерена в произвольной точке поверхности или толщи моря и потому образует поверхностное или, соответственно, трехмерное поле.
В задачи данной работы входит обсуждение существующих источников данных по Белому морю и их применение для численного моделирования термогидродинамического состояния и динамики пелагической экосистемы этого водоема с помощью вычислительного комплекса JASMINE [3].
Данные in situ
Для Белого моря в известной степени существует проблема получения данных in situ. Регулярные наблюдения в акватории выполняются учреждениями Росгидромета, Росрыболовства, а также Министерством транспорта и Министерством обороны. Но доступ к этим данным строго регламентирован для научных организаций, которые сами во всех районах моря сезонные измерения не проводят. Осуществляются либо эпизодические, либо постоянные многолетние наблюдения, но в пределах биологических станций, фактически сосредоточенных на относительно небольшом участке Карельского берега Кандалакшского залива (рис. 1). Кроме того, измерения выполняются аппаратурой с разным разрешением, из года в год ведутся в локальных участках и в разные сроки (обычно с июня по август) и на различных горизонтах водной толщи. Данных для поверхности моря существенно больше, чем для толщи воды.
Безусловно, основной массив данных in situ находится в ведении Государственной службы наблюдения Росгидромета, которая выполняет судовые рейсы с целью получения сведений по температуре и солености Белого моря, биогеохимическим показателям в поверхностном слое и толще воды в различные сезоны, включая так называемые вековые разрезы. Росгидромет ведет наблюдения на стандартной сетке гидрометеорологических станций [4] по стандартным методикам. Это регулярные, многолетние, хорошо структурированные данные. Сведения о ледовом режиме, характеристики стока впадающих в море рек, метеоданные также получаются со стандартных станций. Большое значение здесь имеют береговые гидрометеорологические посты. Главное препятствие на пути использования данных Росгидромета состоит в том, что доступ к ним осуществляется исключительно на коммерческой основе, даже по официальному запросу научных учреждений. Лишь часть этих материалов можно получить бесплатно через Мировой центр данных в Обнинске - ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Мировой центр данных (ВНИИГМИ - МЦД) 1, который входит в структуру Росгидромета и является его главным органом по накоплению, хранению и обработке гидрометеорологической информации. Эта организация публикует региональные справочники, каталоги, создает открытые электронные ресурсы, но доступ к значительной части данных также платный.
Для задач моделирования Белого моря важны данные Зоологического института РАН (ЗИН РАН), получаемые на Беломорской биологической станции (ББС ЗИН РАН http://meteo.ru/. http://www.zin.ru/kartesh/. http://www.st.nmfs.noaa.gov/copepod/time-series/ru-10101/.) у мыса Картеш (см. рис. 1). Здесь в течение нескольких десятков лет каждые десять суток с мая по октябрь выполняются измерения на декадной станции Д-1. Измеряются температура и соленость в толще воды на нескольких горизонтах от 0 до 65 м (с 2010 г. - непрерывное профилирование водной толщи CTD-зондом), выполняются серии ловов зоопланктона и время от времени фитопланктона, учитываются концентрации биогенных элементов. В зимний период здесь также ведутся наблюдения, но значительно реже (раз в месяц-два в зависимости от ледовой обстановки). Летом осуществляется выход на глубоководную станцию в центральной части Кандалакшского залива. Все эти данные заносятся в электронную базу 3. При необходимости получить указанные данные исследователь заключает трудовое соглашение с руководством ББС ЗИН РАН, в котором оговариваются условия их использования. Часть материалов ББС ЗИН РАН получена в совместном проекте с американским Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) http://www.noaa.gov/., и сейчас эти данные доступны в электронном виде на сайте NOAA https://www.nodc.noaa.gov/OC5/WH_SEA/WWW/HTML/atlas.html..
Учебно-методические станции университетов, которые вносят значительный вклад в пополнение знаний о Белом море за счет данных in situ, расположены, как и ББС ЗИН РАН, на Карельском берегу (см. рис. 1). Биологическая база МГУ http://www.wsbs-msu.ru/. находится севернее губы Чупа, Морская биологическая база СПбГУ http://spbu.ru. и база Казанского федерального университета http://kpfu.ru. - на острове Средний. Здесь также проводятся измерения гидрофизических и биогеохимических параметров. Помимо непосредственной работы на станциях университеты проводят выездные работы на Белом море [5], регистрируют базы данных по гидрологическим характеристикам и биогеохимическим показателям. Большинство этих баз авторские.
В Институте океанологии РАН им. П.П. Ширшова https://ocean.ru/. (ИО РАН), включая его петербургский филиал, ежегодно проводятся судовые исследования на Белом море [6-8].
Многолетние учебные практики Российского государственного гидрометеорологического университета http://www.rshu.ru/. http://www.mmbi.info/. на Белом море позволили собрать значительный объем данных по температуре, солености и течениям этого водоема.
Данные Мурманского морского биологического института Кольского научного центра РАН 11 (ММБИ КНЦ РАН) содержат информацию по судовым измерениям температуры и солености начиная с 1891 г. в различные сезоны и различные годы. Кроме того, здесь накоплен массив экспедиционных данных по экосистемным показателям (биогенные элементы, распределение хлорофилла «а» и т.п.). В совместном проекте ММБИ КНЦ РАН и NOAA «Climatic Atlas of the Arctic Seas 2004: Part I. Database of the Barents, Kara, Laptev, and White Seas - Oceanography and Marine Biology» представлены материалы, снабженные пояснительной информацией на бумажном носителе. Они представляют собой карты температуры и солености совместно Белого и Баренцева морей, что важно для настройки граничных условий в модели.
Экспедиционные данные Института водных проблем Севера Карельского научного центра РАН http://water.krc.karelia.ru/. (ИВПС КарНЦ РАН), ныне входящего в структуру Федерального исследовательского центра РАН, полученные в том числе в ходе совместных исследований со многими организациями, также представляют значительный интерес для решения вопросов настройки математических моделей. В результате работы ИВПС КарНЦ РАН в экспедициях собрана база данных по температуре и солености Белого моря, распределению биогенных элементов и хлорофилла «а» на различных горизонтах в разных районах с 2000 г. по настоящее время, преимущественно в летний период. Вся эта информация содержится в офлайн-базе данных [9] и предоставляется по запросу.
Отдельный интерес представляют данные Института экологических проблем Севера http://fciarctic.ru/index.php?page=iepn. Уральского отделения РАН (Архангельск), который сейчас входит в структуру Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лаверова РАН. Собран материал по термогидродинамике, гидрохимии и экологии Белого моря.
В Северном полярном научно-исследовательском институте морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича http://www.pinro.rU/15/index.php/structure/sevpinro#. (учреждении Росрыболовства в Архангельске) накоплены данные по промыслу водорослей, рыбы и морских млекопитающих Белого моря. Значительная часть экспедиционных работ, выполняемых институтом, относится к мониторинговым, что повышает значимость этих материалов, однако доступ к ним строго регламентирован.
Данные по рекам, впадающим в Белое море, можно найти, как указывалось выше, в Росгидромете, но из бесплатных ресурсов наиболее удобен R-ArcticNET http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu/v4.0/index.html., содержащий данные по расходу рек, включая Северную Двину, Онегу, Мезень, Ковду, Поной, Беломорско-Балтийский канал. Диапазон лет ограничен 1999 г. (для ряда рек - значительно раньше).