Прогностические оценки влияния изменения климата на экологическое состояние Балтийского моря Исполнители: 1. В.А.Рябченко, Санкт-Петербургский Филиал Института океанологии РАН 2. И.А.Неелов, Арктический и Антарктический НИИ 3. С.А. Кондратьев, Институт озероведения РАН 4. Т.Р. Еремина, РГГМУ 5. А.В. Исаев, РГГМУ 6. Р. Е. Ванкевич, Санкт-Петербургский НИЦ экологической безопасности РАН Проект РФФИ офи-ц, гг. Руководитель проекта: проф. Л.Н.Карлин, ректор РГГМУ

Цель проекта Количественное описание изменения функционирования морских экосистем в Балтийском море и Финском заливе в условиях потенциальных изменений климата и биогенной нагрузки с суши

Задачи проекта Воспроизвести современное 1. Воспроизвести современное физическое и экологическое состояние Балтийского моря на основе модифицированной версии Санкт-Петербургской модели эвтрофикации Балтийского моря (St. Petersburg Baltic Eutrophication Model-SPBEM) 2. Разработать сценарии изменения климата в Балтийском регионе и биогенных нагрузок с суши на Балтийское море и Финский залив на ближайшие десятилетия 3. Оценить возможное влияние изменений климата на эвтрофикацию Балтийского моря путем сценарных расчетов будущего климата 4. Оценить уровень эвтрофирования Балтийского моря, Финского и Гданьского заливов в близком будущем при изменениях биогенной нагрузки с суши с учетом возможных изменений климата

Гидродинамический модуль (SPBEM) Neelov et al., Proc. Estonian Acad. Sci. Biol. Ecol., 52(3): Гидродинамический модуль Санкт-Петербургской модели эвтрофикации Балтийского моря (SPBEM) Neelov et al., Proc. Estonian Acad. Sci. Biol. Ecol., 52(3): Основан на полных уравнениях движения, переноса тепла и Основан на полных уравнениях движения, переноса тепла и соли и уравнении состояния морской воды Миллеро и соли и уравнении состояния морской воды Миллеро и Кремлинга (Millero and Kremling, 1976). Кремлинга (Millero and Kremling, 1976). Включает оригинальную замыкания для описания Включает оригинальную b-l замыкания для описания вертикальной турбулентности вертикальной турбулентности Объединен с моделью льда, Объединен с моделью льда, описывающей динамику и термодинамику снежно-ледяного покрова Модель реализована Модель реализована на 5-ти мильной сетке (10´×5´), 35 уровней с dz=2м в слое на 5-ти мильной сетке (10´×5´), 35 уровней с dz=2м в слое (0,20м), dz=5м в слое (20,40м) и dz=10м ниже 40м. (0,20м), dz=5м в слое (20,40м) и dz=10м ниже 40м.

Si P Детрит N Цианобактерии Диатомовые Гетеротрофы Летние виды. Автотрофы Минерализация, удержание фосфора, денитрификация Выедание Смертность Минерализация Экскреция Неорганические N, P и Si Оседание Выход со дна Захоронение Биогеохимический модуль в SPBEM основан на модели Савчука (O.Savchuk, 2002, J.Mar.Systems, 32, 253– 280) Модуль описывает циклы биогенных элементов во взаимодействующих пелагической и бентосной подсистемах. Потребление биогенов

1) По воспроизведению современного состояния Балтийского моря в гг. Атмосферные физические воздействия: из модели общей циркуляции атмосферы и океана ECHAM5/MPI-OM 2) По сценариям изменения климата в гг. Атмосферные физические воздействия: из той же модели для сценария A2 (максимальная эмиссия парниковых газов) Другие условия На границе с Северным морем: климатические средние месячные значения уровня моря, температуры и солености воды, биогеохимических переменных из расчетов по гидродинамико-биогеохимической модели Северной Атлантики и Арктического океана (И.А.Неелов). Гидрологический форсинг : климатические средние месячные расходы основных (51) Балтийских рек Биогенные нагрузки: оценки по программе MARE (Savchuk and Wulff, 2007). Начальные условия: из базы данных BED Стокгольмского Университета для зимы 2000г. Модельные расчеты Период: 2000 – 2100гг.

Вертикальное распределение растворённого кислорода (мл/л) на осевом разрезе Финский залив – открытая Балтика в августе 2004 г. Модель Данные летней экспедиции РГГМУ

Модель Данные летней экспедиции РГГМУ Вертикальное распределение фосфатов (мкг/л) на осевом разрезе Финский залив – открытая Балтика в августе 2004 г.

Средние годовые, осредненные по площади температура и соленость на поверхности Балтийского моря в гг. Температура, ºC T=3.5 ºC dT/dt=0.35 ºC /10лет Соленость, S= -0.3 dS/dt= /10лет Сценарный расчет при форсинге из модели ECHAM5 для максимальной эмиссии парниковых газов (сценарий А2)

Хроноизоплеты температуры и солености на станции BY15 (Готландская впадина) для периода 1 января 2000г. – 31 декабря 2100г. Температура, ºC Средняя годовая ТПМ Соленость, Средняя годовая СПМ T=2.95 ºC, dT/dt=0.29 ºC /10лет S=- 0.2, dS/dt=-0.02 /10лет

Станция BY15 dPO4/dt=-0.2 dPO4/dt=-0.2mmol/m3/10лет dNO3/dt=+0.1 dNO3/dt=+0.1mmol/m3/10лет dO2/dt=-0.1ml/l /10лет Придонные концентрации

Диатомовые Флагелятты Сине-зеленые Среднегодовая, осредненная по площади первичная продукция в г N/(м 2 год) Балтийского моря для различных типов водорослей

Выводы об изменениях экосистемы под влиянием изменений климата 1. М 1. Модель адекватно описывает изменчивость физических характеристик и компонентов экосистемы, как в Центральной Балтике, так и в Финском заливе в современный период и может быть использована для сценарных расчетов. 2. Как следует из сценарного расчета с максимальной эмиссией CO2 в атмосферу, 2. Как следует из сценарного расчета с максимальной эмиссией CO2 в атмосферу, средняя годовая, горизонтально-осредненная температура поверхности Балтийского моря в течение ХХI века в среднем растет и к концу столетия увеличивается на 3.5 ºС. 3. Согласно модельным расчетам, суммарная первичная продукции Балтийского моря будет в среднем расти и к концу столетия может увеличиться на 40%. Разные виды водорослей будут по-разному реагировать на рост температуры в верхнем слое моря. В частности, продукция диатомовых водорослей в среднем будет понижаться, что объясняется увеличением температуры воды, лимитирующей рост хладолюбивых диатомовых.

Расчеты изменений характеристик экосистемы Балтийского моря до 2040г., вызванные сценарными изменениями климата и биогенной нагрузки с суши.НазваниеСценарий Изменение климатаИзменение нагрузок A2KA2KА2 (максимальная эмиссия CO 2 )Климатологические значения, A2ЦА2Целевой A2ОА2Оптимистический B1KB1 (минимальная эмиссия CO 2 )Климатологические значения, B1ЦB1B1Целевой B1ОB1B1Оптимистический Сценарии изменения климата и биогенных нагрузок на Балтийское море Целевой сценарий: сокращение нагрузок, гарантирующее достижение хорошего экологического статуса моря Оптимистический сценарий: сокращения нагрузок в случае выполнения рекомендаций ХЕЛКОМ по очистке сточных вод

Рассчитанные изменения показателей эвтрофикации между гг. и гг. для Центральной Балтики (станция BY15), Финского залива (станция LL7) и Гданьского залива (станция Gdansk Deep) при изменениях нагрузки по целевому сценарию (А2Ц), климатической нагрузке (А2К) и их разности (А2Ц-А2К), характеризующей эффект изменения нагрузки. СтанцияТ sum, ºCDIN, ммоль м -3 DIP, ммоль м -3 Chl-a, мг м -3 О2 bot, мл л -1 BY15 А2Ц А2К, климат (83%)-0.67 (67%)4.53 (93%) (А2Ц - А2К), нагрузки (17%)-0.33 (33%)0.36 (7%) LL7 А2Ц А2К, климат (62%)-0.28 (53%)0.52 (81%) (А2Ц - А2К), нагрузки (38%)-0.25 (47%)0.12 (19%) Gdansk Deep А2Ц А2К, климат (82%)-1.15 (75%)2.3 (88%) (А2Ц - А2К), нагрузки (18%)-0.39 (25%)0.3 (12%)

Выводы об изменениях экосистемы под влиянием Выводы об изменениях экосистемы под влиянием изменений климата и биогенной нагрузки с суши. Согласно результатам расчетов, в случае реализации сценария А2Ц к 2040г. произойдут следующие изменения статуса эвтрофикации в отдельных бассейнах моря: В Центральной Балтике средняя летняя концентрация хлорофилла Chl- a понизится на 1 мг м-3, но останется выше порогового уровня, соответствующего хорошему экологическому статусу. Минимальная придонная концентрация кислорода О2bot повысится на 4.9 мл л-1, однако этот район останется областью со слабой гипоксией. В Центральной Балтике средняя летняя концентрация хлорофилла Chl- a понизится на 1 мг м-3, но останется выше порогового уровня, соответствующего хорошему экологическому статусу. Минимальная придонная концентрация кислорода О2bot повысится на 4.9 мл л-1, однако этот район останется областью со слабой гипоксией. Финский залив будет оставаться проблемной областью, несмотря на уменьшение Chl-a на 0.5 мг м-3. Финский залив будет оставаться проблемной областью, несмотря на уменьшение Chl-a на 0.5 мг м-3. В Гданьском заливе Chl-a станет ниже порогового уровня, однако, несмотря на рост О2bot, этот район останется областью со слабой гипоксией. В Гданьском заливе Chl-a станет ниже порогового уровня, однако, несмотря на рост О2bot, этот район останется областью со слабой гипоксией. Вклад климатических изменений в улучшение показателей эвтрофикации Chl-a и О2bot составит 53-75% и 81-93%, соответственно., т.е. будет преобладающим.

Перспективы Национальная модель Балтийского моря SPBEM - патентоспособна. Это подтверждается получением патента на часть указанной модели Национальная модель Балтийского моря SPBEM - патентоспособна. Это подтверждается получением патента на часть указанной модели ( И.А.Неелов и А.В.Исаев, Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ «GOFM2009» для расчета общей циркуляции Финского залива, включая ледовый покров). ( И.А.Неелов и А.В.Исаев, Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ «GOFM2009» для расчета общей циркуляции Финского залива, включая ледовый покров). Модель может быть использована на всех этапах разработки и реализации Национального Плана действий по Балтийскому морю (ПДБМ). Подробный проект использования модели дается в форме 537. Модель может быть использована на всех этапах разработки и реализации Национального Плана действий по Балтийскому морю (ПДБМ). Подробный проект использования модели дается в форме 537. Появляется также принципиальная возможность решения ряда других экологических задач (оценки экологических рисков) в СЗР России, таких как: Появляется также принципиальная возможность решения ряда других экологических задач (оценки экологических рисков) в СЗР России, таких как: -оценка экологических последствий наводнений в Невской губе и Санкт- Петербурге, -оценка экологических последствий наводнений в Невской губе и Санкт- Петербурге, -распространения нефтяного и других загрязняющих веществ на акватории Балтийского моря. -распространения нефтяного и других загрязняющих веществ на акватории Балтийского моря.

Station BY15 (Gotland Deep) RUN 2 black lines – data averaged over ; red lines – model results averaged over DATA: Validation data set compiled from BED(2010), B. Gustafsson and M. R. Medina Temperature, ºCSalinity,Nitrates mmol/m 3 Phosphates, mmol/m 3 Oxygen, ml/lChlorophyll-a, mg/m3