способ мониторинга распределения диатомовых микроводорослей в японском море

Формула изобретения

Способ мониторинга распределения диатомовых микроводорослей Японского моря, включающий определение в исследуемом районе дистанционным методом концентраций общей взвеси и хлорофилла, а вычисление хлорофилльного индекса (I_chl), равного

I _chl=chl ос 3/(tsm clark-0,25),

где chl ос 3 - концентрация хлорофилла a, tsm clark - концентрация общей взвеси, (tsm clark-0,25) - концентрация общей биомассы микроводорослей, и последующий мониторинг распределения диатомовых микроводорослей в Японском море по величине хлорофилльного индекса, при этом чем больше хлорофилльный индекс, тем меньше доля диатомовых относительно общей биомассы микроводорослей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидробиологии, а именно к способам мониторинга распределения диатомовых микроводорослей, и может быть использовано для сбора информации о распределении диатомовых микроводорослей в Мировом океане, закрытых экосистемах, как, например, Японское море, а также в таких мезомасштабных структурах, как антициклонические вихри, знание которой позволяет получить сведения о биологически продуктивных и перспективных районах промысла, поскольку диатомовые водоросли являются составной частью микроводорослей (фитопланктона) в Японском море и составляют основу трофической цепи, конечными звеньями которой являются различные промысловые организмы.

Известен дистанционный способ мониторинга распределения фитопланктона, при котором получают спектральные характеристики хлорофилла а для пяти каналов в видимой области и по ним судят о видовом составе фитопланктона, в том числе о наличии диатомовых микроводорослей (Alvain S., Moulin С., Dandonneau Y., Breron F.M. Remote sensing of phytoplankton groups in case 1 waters from global SeaWiFS imagery // Deep-Sea Research I. 2005. V.52. P.1989-2004). Способ основан на использовании спектральных характеристик океана для идентификации различных групп фитопланктона, однако его реализация требует предварительного очень большого и разнообразного набора данных по видовому составу групп фитопланктона для каждого исследуемого региона для установления необходимых эмпирических отношений между спектральными характеристиками восходящего излучения и структурным составом фитопланктона.

Известен способ мониторинга фитопланктона по видовому составу и концентрации биомассы микроводорослей в приповерхностном слое воды в Японском море (Алексанин А.И., Орлова Т.Ю., Фомин Е.В., Шевченко О.Г. Перспективы определения видового состава фитопланктона по данным радиометра MODIS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сб. научных статей, М.: ООО «Азбука-2000», 2008, вып.5, т.II, с.22-29). Способ основывается на алгоритмах распознавания типов микроводорослей, в том числе диатомовых, по спектрам восходящего излучения. Недостаток известного способа также состоит в трудоемких предварительных исследованиях очень большого набора данных по видовому составу фитопланктона для каждого исследуемого региона.

Наиболее близким к заявляемому является способ, использующий глобальную трехмерную биогеохимическую модель (NOBM) и дающий возможность определить распределение диатомовых микроводорослей в Мировом океане на открытых океанических участках мирового океана, глубина которых больше 200 метров (Gregg W.W., Casey N.W. Modeling coccolithophores in the global oceans // Deep-Sea Research II. 2007. V.54. P.447-477). Способ осуществляют путем ассимиляции данных в выбранном районе, полученных дистанционно со спутников, и таких же судовых экспериментальных данных по поверхностной температуре, скорости, направлению ветра и других гидрометеорологических параметров. По этим параметрам, а также по содержанию биогенных элементов, в том числе по содержанию кремния в водорослях, оценивают концентрацию общей биомассы диатомовых микроводорослей, по величине которой осуществляют мониторинг распределения диатомовых микроводорослей.

Недостаток известного метода заключается в том, что он предполагает наличие большой базы данных судовых измерений гидрометеорологических параметров, что трудоемко и связано с большими финансовыми затратами. Кроме того, способ осуществляют только на открытых океанических участках мирового океана, что не позволяет изучить распределение диатомовых микроводорослей в закрытых районах, глубина которых меньше 200 метров. Разрешение модели известного способа составляет 1.25° по долготе и 0.66° по широте (для Японского моря - это район 106 км по долготе и 73 км по широте) и не позволяет подробно изучать распределение диатомовых микроводорослей в закрытой экосистеме, например в Японском море, а также в таких мезомасштабных гидрологических образованиях, как, например, антициклонические вихри.

Задачей изобретения является уменьшение трудоемкости и увеличение оперативности способа, а также его информативности за счет использования нового, ранее не применявшегося гидробиологического параметра микроводорослей для мониторинга распределения диатомовых микроводорослей в Японском море.

Поставленная задача решается способом мониторинга распределения диатомовых микроводорослей Японского моря, включающим определение в исследуемом районе дистанционным методом концентраций общей взвеси и хлорофилла а, вычисление хлорофилльного индекса (I_chl), равного

I_chl=chl ос 3/(tsm dark-0.25), где

chl ос 3 - концентрация хлорофилла a, tsm dark - концентрация общей взвеси,

(tsm dark-0,25) - концентрация общей биомассы микроводорослей, и последующий мониторинг распределения диатомовых микроводорослей Японского моря по величине I_chl , при этом чем больше хлорофилльный индекс, тем меньше доля диатомовых относительно общей биомассы микроводорослей.

Заявляемый способ основан на следующих выявленных заявителем закономерностях.

Анализируя экспериментально полученные судовые данные по распределению концентрации общей взвеси, хлорофилла а и биомассы микроводорослей в Японском море (30 рейс НИС «Академик М.А Лаврентьев» 2003 г.), заявитель обнаружил зависимость между данными параметрами фитопланктонного сообщества, для характеристики которой ввел понятие «хлорофилльный индекс» (I _chl), равный отношению концентрации хлорофилла a (chl ос 3) к биомассе микроводорослей (tsm dark-0.25)

I_chl=chl ос 3/(tsm dark-0.25)

Полученная закономерность может служить новым гидробиологическим параметром для мониторинга распределения диатомовых водорослей.

Затем были сопоставлены данные по концентрации общей взвеси, полученные дистанционным методом по спутниковым данным с использованием алгоритма Clark и судовые экспериментальные данные по концентрации общей взвеси, определенные в рейсе. Дистанционно концентрация общей взвеси tsm clark определяется по методу Култера. Этот метод основывается на американском стандарте (ISO 13319) (http://old.millab.ru/work.php?id-613). Экспериментально общая взвесь также определялась по методу Култера. Проведенный анализ выявил, что концентрация общей взвеси, полученная экспериментально и дистанционно по спутниковым данным с использованием алгоритма Clark в программе Glance для тех же точек, показали удовлетворительную связь. Коэффициент корреляции был значимым для доверительного интервала 0,999 и положительным (0,479) для 46 измерений, что подтверждает возможность использования спутниковых данных для определения концентрации обшей взвеси в исследуемом районе. Отношение между средними значениями этих параметров (взвесь по судовым и взвесь по спутниковым данным) составило 0,67 («Статистика и планирование эксперимента в технике и науке», Джонсон, Лион, Изд. «Мир» М., 1980 г., 560 с.).

Ранее было установлено, что концентрации хлорофилла а, определенные экспериментально и спутниковыми дистанционными методами, также согласуются между собой (Hooker S.B. Meclain C.R. The calibration and valiolation of SeaWIFS data // Progress in Oceanography 2000 Vol.45. № 3-4, p.427-465), что позволяет использовать спутниковые данные по концентрации хлорофилла а в заявляемом способе.

Было обнаружено, что хлорофилльный индекс, рассчитанный по экспериментально определенным концентрациям общей взвеси, хлорофилла а и общей биомассы микроводорослей в исследуемом районе Японского моря и хлорофилльный индекс, рассчитанный с использованием спутниковых данных в том же районе, согласуются между собой

Заявителем была выявлена закономерность между хлорофилльным индексом и долей диатомовых микроводорослей относительно общей биомассы микроводорослей. За долю диатомовых принималась величина, равная отношению биомассы диатомовых к общей биомассе. Чем больше хлорофилльный индекс, тем меньше доля диатомовых относительно общей массы микроводорослей, принимая во внимание, что диатомовые микроводоросли из-за наличия относительно большого скелета обладают более низким содержанием хлорофилла на единицу биомассы (иногда на порядок и более), чем другие микроводоросли, составляющие биоценоз Японского моря.

За общую биомассу микроводорослей принималась величина, равная концентрации общей взвеси (tsm clark), определенной дистанционным методом по спутниковым данным, за вычетом 0.25 мг/л - концентрации неорганических взвешенных частиц, определенных экспериментально для исследуемого района Японского моря. Концентрация неорганической взвеси вычисляется как разница между концентрацией общей взвеси, определенной дистанционно, и концентрацией биомассы микроводорослей, определенной по судовым данным методом расчета объема клеток под микроскопом (Океанология, 2007, т.47, с.559-570). При этом для открытых районов Японского моря по экспериментальным данным она составляет около 0,25 мг/л. Эта величина неорганической взвеси может меняться, например, в зависимости от поступления пыли из атмосферного аэрозоля, что необходимо учитывать для более точных оценок, но в первом приближении ее оценка 0,25 мг/л является допустимой (Mishukov V.F., Medvedev A.N., Neroda Pacific Oceanography. 2004. V.2, № 3. P.109-116.; Букин О.Ф., Павлов П.А., Салюк Ю.Н., и др. Оптика атмосф. и океана. 2007. Т.20, № 4. С.341-348).

Выявленная закономерность позволяет использовать предложенный способ для мониторинга распределения диатомовых микроводорослей в Японском море.

Способ осуществляют следующим образом:

Для исследуемого района Японского моря дистанционным методом определяют концентрацию хлорофилла а и концентрацию общей взвеси, например, по спутниковым данным с использованием алгоритма Clark, представленным на сайте NASA (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/DOCS/MSL12/master_prodlist.html/#prod14).

Далее вычисляют концентрацию биомассы микроводорослей, равную концентрации общей взвеси за вычетом концентрации неорганических взвешенных частиц, определенной экспериментально и равной 0.25 для Японского моря.

Затем вычисляют хлорофилльный индекс по уравнению

I_chl=chl ос 3/(tsm clark-0.25)

Далее строят график изменения в исследуемом районе I_chl, по которому осуществляют мониторинг за распределением диатомовых водорослей на основании выявленной закономерности:

снижение хлорофилльного индекса свидетельствует об увеличении доли диатомовых водорослей и, наоборот, повышение хлорофильного индекса микроводороелей свидетельствует об уменьшении доли диатомовых водорослей.

На фиг.1-4 представлены графики изменения величины хлорофилльного индекса I_chl, за период август 2002-апрель 2003 г. для четырех акваторий Японского моря, где

фиг.1 - акватория с координатами 41°23.4 -41°49.2 с.ш. и 133°10.8 -133°36.6 в.д.

фиг.2 - акватория с координатами 42°00.6 -42°26.2 с.ш. и 135°06.2 -135°32.2 в.д.

фиг.3 - центр антициклонического вихря

фиг.4 - периферия антициклонического вихря

Координаты вихря определяются центром его нахождения. В начале наблюдения, 20 августа 2002 года, он имел координаты: 40°48 с.ш. и 131°48 в.д., в конце наблюдения, 27 апреля 2003 года - 41° с.ш. и 133°36 в.д.

На акватории 1 района (фиг.1), начиная с августа 2002 года до декабря месяца этого года, наблюдалось снижение величины хлорофилльного индекса с 27,80 до 1,91. Используя экспериментально выявленную зависимость между хлорофилльным индексом и долей диатомовых микроводорослей к общей биомассе микроводорослей, делают заключение о том, что доля диатомовых водорослей в общей биомассе микроводорослей в рассматриваемый период значительно увеличилась. Далее, в январе 2003 года повышение хлорофилльного индекса указывало на то, что доля диатомовых водорослей в общем составе микроводорослей снижалась. В феврале и марте хлорофилльный индекс продолжал повышаться, т.е. продолжалось дальнейшее снижение доли диатомовых водорослей. Среднее значение хлорофилльного индекса, который отражает в обратно-пропорциональной зависимости долю биомассы диатомовых водорослей в общей биомассе, в феврале-марте по дистанционным данным составило 7,12. В апреле величина хлорофилльного индекса снижалась до 4,47, что указывает на увеличение доли диатомовых водорослей в составе микроводорослей (фитопланктона).

В августе на акватории 2 района (фиг.2) показатель хлорофилльного индекса был относительно высоким 29,01, что говорит о низком содержании диатомовых микроводорослей, как и в 1 районе. Полученные нами данные о низком содержании диатомовых водорослей в северо-западной части Японского моря в этот сезон согласуются с литературными данными (Зуенко Ю.И. Промысловая океанология Японского моря. Владивосток: ТИНРО-центр. 2008. 227 с.). С августа по сентябрь хлорофилльный индекс продолжал увеличиваться, т.е. продолжалось снижение доли диатомовых водорослей в общей биомассе микроводорослей. С сентября по декабрь 2002 года величина хлорофилльного индекса резко падала с 42.57 до 1.83, достигая своего минимального значения в декабре. Это означает, что доля диатомовых водорослей в составе общей биомассы микроводорослей значительно увеличивалась. В январе 2003 года, судя по возрастанию хлорофилльного индекса, доля диатомовых водорослей в составе микроводорослей снижалась. В феврале снижение хлорофилльного индекса указывает на увеличение доли диатомовых водорослей в составе микроводорослей. В марте по сравнению с февралем хлорофилльный индекс повышался, доля диатомовых снижалась. В апреле наблюдалось снижение хлорофилльного индекса, доля диатомовых повышалась, очевидно, начиналось весеннее цветение фитопланктона.

Из анализа графического рисунка центра вихря (фиг.3) следует, что с августа по сентябрь 2002 года хлорофилльный индекс повышался - это свидетельствует о снижении доли диатомовых водорослей в составе фитопланктона. С сентября по декабрь хлорофилльный индекс снижался с 11.51 до 2.37, доля диатомовых относительно общей биомассы увеличивалась. С декабря 2002 года по февраль 2003 года показатель хлорофилльного индекса возрастал, что свидетельствует о том, что доля диатомовых водорослей в общей биомассе фитопланктона снижалась. Среднее значение хлорофилльного индекса в феврале-марте, вычисленное дистанционно, составило 4.81. С марта по апрель хлорофилльный индекс не менялся, следовательно, не изменялась доля диатомовых в составе фитопланктона.

На периферии вихря (фиг.4) с августа по октябрь 2002 года значимых изменений хлорофилльного индекса не происходило, как и изменений в составе фитопланктона. В декабре величина хлорофилльного индекса снизилась с 5.68 (в октябре) до 1.46, т.е. увеличивалась доля диатомовых водорослей в составе фитопланктона. Январь, февраль и март 2003 года характеризовались повышением хлорофилльного индекса, что свидетельствует об уменьшении доли диатомовых водорослей в составе фитопланктона. В марте показатель хлорофилльного индекса возрастал, доля диатомовых снижалась. Средний показатель хлорофилльного индекса, вычисленный дистанционно, составил 5,63. В апреле понижался хлорофилльный индекс, доля диатомовых водорослей в структуре фитопланктона возрастала.

Заявляемый способ распределения диатомовых микроводорослей в Японском море был подтвержден экспериментально в ходе 30-го рейса НИС «Академик М.А. Лаврентьев» (февраль-март) на станциях, расположенных вблизи зоны дистанционного исследования (фиг.2). 24 февраля, 1 и 9-го марта на ближайших от исследуемого района трех станциях были отобраны пробы для определения концентрации диатомовых объемным методом, по стандартной методике по данным измерений объема клеток каждого вида, считая удельный вес водорослей равным единице (Коновалова Г.В. Сезонная характеристика фитопланктона в Амурском заливе Японского моря // Океанология, 1972. Т.12, № 1. С.123-128).

Экспериментальные результаты показали, что 24 февраля концентрация диатомовых на данных станциях составляла 64,10%; 73,59% и 71,18% (среднее значение 69,6), 1 марта концентрация диатомовых на тех же станциях составляла 49,8%, 53,2%, 51,4% (среднее значение 51.47%), а 9 марта 30,0%; 36,20% и 33,99% (среднее значение 34,0%). Экспериментальные данные показывают, что происходит уменьшение концентрации диатомовых с 69,9% до 34,0%. Согласно дистанционным данным хлорофилльный индекс за этот период времени увеличивается (фиг.2), что подтверждает правомочность использования заявляемого способа и достижение поставленной задачи, а именно уменьшение трудоемкости, увеличение оперативности, а также информативности способа.

Таким образом, предлагаемый способ является перспективным и может найти широкое практическое применение для мониторинга распределения диатомовых микроводорослей Японского моря.