Оценка потоков углекислого газа через поверхность Черного моря по результатам численного моделирования

В. Л. Дорофеев, Л. И. Сухих*

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: tatyanapankeeva@yandex.ru

Аннотация

На основе численного моделирования изучается пространственно-временное распределение потоков CO2 через свободную поверхность Черного моря. Основным уравнением для решения этой задачи является трехмерное эволюционное уравнение переноса – диффузии для концентрации растворенного неорганического углерода. При моделировании в качестве входных параметров используются гидродинамические поля, являющиеся результатом проведенного ранее физического реанализа. Для описания влияния биологических факторов на распределение растворенного углекислого газа используется модель нижнего уровня пищевой цепи экосистемы Черного моря. По результатам численного моделирования были рассчитаны концентрация и равновесное парциальное давление растворенного углекислого газа в поверхностном слое Черного моря. Показано, что зависимость от времени этих величин носит выраженный сезонный характер. На растворимость углекислого газа и, следовательно, на его потоки существенно влияет температура морской воды. Осредненное по площади Черного моря равновесное парциальное давление углекислого газа минимально в январе – феврале и максимально в июне – июле. Соответственно в теплый сезон поток углекислого газа направлен преимущественно из моря в атмосферу, в холодный сезон море в основном поглощает углекислый газ. На содержание CO2 в море влияют также биологические факторы. Так, в начале года почти по всей акватории Черного моря наблюдается высокая концентрация фитопланктона, из-за чего преобладает поглощение углекислого газа в процессе фотосинтеза. Летом преобладает выделение углекислого газа вследствие дыхания планктона и окисления органического вещества. Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с натурными измерениями равновесного парциального давления растворенного углекислого газа, полученными в ходе научных рейсов.

Ключевые слова

карбонатная система, углекислый газ, парциальное давление углекислого газа, Черное море, морская экосистема, численное моделирование

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме FNNN-2023-0001. Авторы благодарят сотрудников отдела биогеохимии моря ФГБУН ФИЦ МГИ за предоставленные результаты обработки натурных данных.

Для цитирования

Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Оценка потоков углекислого газа через поверхность Черного моря по результатам численного моделирования // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2024. № 3. С. 36–48. EDN WRBJXJ.

Dorofeev, V.L. and Sukhikh, L.I., 2024. Estimation of Carbon Dioxide Fluxes through the Surface of the Black Sea from the Numerical Simulation Results. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (3), pp. 36–48.

Список литературы

  1. Об обмене CO2 между морем и атмосферой в некоторых районах Черного моря / В. А. Жоров [и др.] // Океанология. 1981. Т. 21, № 1. С. 55–62.
  2. Хоружий Д. С., Коновалов С. К. Суточный ход и межсуточные изменения содержания углекислого газа и растворенного неорганического углерода в прибрежных водах Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 1. С. 28–43. EDN TDXUTZ.
  3. Общий неорганический углерод, карбонатная система и потоки углекислого газа в прибрежной зоне Южного берега Крыма: мониторинг, характеристика, динамика / С. К. Коновалов [и др.] // Мониторинг прибрежной зоны на Черноморском экспериментальном подспутниковом полигоне. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2014. С. 335–372.
  4. Хоружий Д. С. Изменчивость равновесного парциального давления углекислого газа (pCO2) и концентрации растворенного неорганического углерода (TCO2) в прибрежных водах Черного моря в 2010–2014 годах // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 4. С. 38–52. EDN WINRCH. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2016-4-38-52
  5. Орехова Н. А., Коновалов С. К., Медведев Е. В. Особенности регионального баланса неорганического углерода морских экосистем в условиях антропогенной нагрузки // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 3. С. 248–260. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-248-260
  6. Силкин В. А., Подымов О. И., Лифанчук А. В. Биологическая углеродная помпа в Черном море // Экология гидросферы. 2022. № 2. С. 69–92. https://doi.org/10.33624/2587-9367-2022-2(8)-69-92
  7. Характеристики состояния и эволюции гидрохимической структуры вод Черного моря / А. В. Вареник [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 6. С. 867–892. EDN NPXXNC.
  8. Modeling the nitrogen cycling and plankton productivity in an enclosed environment (the Black Sea) using a three-dimensional coupled hydrodynamical-ecosystem model / M. Grégoire [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2004. Vol. 109, iss. C5. C05007. https://doi.org/10.1029/2001JC001014
  9. A three-dimensional coupled model of the western Black Sea plankton dynamics: seasonal variability and comparison to SeaWiFS data / K. P. Tsiaras [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2008. Vol. 113, iss. C7. C07007. https://doi.org/10.1029/2006JC003959
  10. Дорофеев В. Л. Моделирование декадной изменчивости экосистемы Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2009. № 6. С. 71–81. EDN VKGAMP.
  11. Integrating sediment biogeochemistry into 3D oceanic models: a study of benthic– pelagic coupling in the Black Sea / A. Capet [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 101. P. 83–100. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2016.03.006
  12. PISCES-v2: an ocean biogeochemical model for carbon and ecosystem studies / O. Aumont [et al.] // Geoscientific Model Development. 2015. Vol. 8, iss. 8. P. 2465– 2513. https://doi.org/10.5194/gmd-8-2465-2015
  13. Carbon nitrogen coupling and algal-bacterial interactions during an experimental bloom: modeling a 13C tracer experiment / K. Van den Meersche [et al.] // Limnology and Oceanography. 2004. Vol. 49, iss. 3. P. 862–878. https://doi.org/10.4319/lo.2004.49.3.0862
  14. Dorofeyev V., Sukhikh L. A model for monitoring the evolution of the Black Sea ecosystem on the basis of remote sensing data assimilation // International Journal of Remote Sensing. 2018. Vol. 39, iss. 24. P. 9339–9355. https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1523589
  15. Dorofeev V .L., Sukhikh L. I. Studying long-term variations in Black-Sea ecosystem based on the assimilation of remote sensing data in a numerical model // Water Resources. 2019. Vol. 46, iss. 1. Р. 65–75. https://doi.org/10.1134/S0097807819010032
  16. Grégoire M., Raick C., Soetaert K. Numerical modeling of the central Black Sea ecosystem functioning during the eutrophication phase // Progress in Oceanography. 2008. Vol. 76, iss. 3. P. 286–333. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2008.01.002
  17. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Анализ долговременной изменчивости гидродинамических полей в верхнем 200-метровом слое Черного моря на основе результатов реанализа // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 5. С. 617–630. EDN PILFWG.
  18. Millero F. J. The marine inorganic carbon cycle // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, № 2. P. 308–341. https://doi.org/10.1021/cr0503557
  19. Climatological mean and decadal changes in surface ocean pCO2, and net sea-air CO2 flux over the global oceans / T. Takahashi [et al.] // Deep-Sea Research II: Topical Studies in Oceanography. 2009. Vol. 56, iss. 8–10. Р. 554–577. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2008.12.009
  20. Забегаев И. А., Медведев Е. В. Равновесное парциальное давление углекислого газа в поверхностном слое вод северной части Черного моря на основании данных прямых наблюдений в 2017 году // Моря России: фундаментальные и прикладные исследования (Севастополь, 23–28 сентября 2019 г.): тезисы докладов Всероссийской научной конференции. Севастополь: ФГБУН ФИЦ МГИ, 2019. С. 76–78. URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/morya_rossii-2019_tezisy.pdf (дата обращения: 26.07.2024).

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)