Многолетняя изменчивость фенологических характеристик весеннего «цветения» морского фитопланктона в Баренцевом море в 1998-2022 гг.

«Цветение» фитопланктона наращивает биомассу морской трофической цепи. Во время весеннего «цветения» морского фитопланктона в Баренцевом море формируется более половины годовой первичной продукции (Qu, Gabric, Matrai, 2006). У каждого «цветения» есть конкретные фенологические параметры (сроки, продолжительность, величина), изменения которых влияют на поток энергии в экосистеме, что, в свою очередь, оказывает воздействие на рост и воспроизводство более высоких трофических уровней в пищевой цепи.
Последние десятилетия наблюдается феномен сдвигов дат ежегодного «цветения» на более ранние сроки, что приписывают эффекту потепления условий океана (D’Ortenzio et al., 2012; Friedland et al., 2018; Qu, Gabric, Matrai, 2006). Ранние даты начала «цветения» определяют изменения во многих морских экосистемах. В морях Северного Ледовитого океана максимумы «цветения» за 10 лет могут сдвинуться примерно на пятьдесят дней в результате изменений сезонного ледяного покрова (Kahru, Elmgren, 2014). Целью данной работы являлась оценка фенологических параметров весеннего «цветения» морского фитопланктона по концентрации хлорофилла-а (Хл-а) и их многолетней изменчивости в водах Баренцева моря.
В данном исследовании весеннее «цветение» фитопланктона определялось как заметное повышение концентрации Хл-а, заключенное в отдельные начальные и конечные точки временных рядов, определенные с помощью алгоритма точек изменения (Rodionov, 2004; Rodionov, 2006), происходящее в течение 5-месячного периода времени (с марта по июль).
В работе использовались 8-дневные данные концентрации Хл-а, взятые из базы объединенных данных модели GSM (Garver, Siegel, Maritorena Model) с пространственным разрешением 4 км и временным разрешением 8-дней, полученные с веб-сайта Hermes GlobColour (https://hermes.acri.fr/index.php). Точность модели GSM при восстановлении Хл-а составляет R2=0.678, n=778 (Maritorena et al., 2010). Объединённые данные включают в себя спутниковые измерения, выполненные с помощью датчика SeaWiFS, спектрорадиометра MODIS (спутник Aqua), спектрометра MERIS и радиометра VIIRS. Измерения с этих четырех датчиков представляют собой перекрывающиеся временные ряды Хл-а, объединеные на основе алгоритма инверсии биооптической модели (Maritorena et al., 2010). Рассматривался период с 1998 по 2022 год, ежегодно с марта по июль – временной ряд состоял из 475 8-дневных наблюдений для каждой ячейки сетки.
Весеннее «цветение» морского фитопланктона было обнаружено с помощью алгоритма последовательного усреднения под названием Sequential T-test Analysis of Regime Shifts (STARS) (Rodionov, 2004; Rodionov, 2006), основанного на последовательном анализе t-критерия Стьюдента, который фиксирует изменения режима в реальном времени. Данная функция была использована при расчете фенологических характеристик в Matlab R2022b: дата начала «цветения» – день года, в который было обнаружено «цветение» (дата начала осредненного 8-дневного срока). Промежуток времени между положительной и отрицательной точками смены режима (смены средних значений во временном ряду) записывался как продолжительность «цветения» в днях. Интенсивность «цветения» вычислялась как среднее значение концентрации Хл-а за весь период «цветения», (мг м-3). Величина «цветения» – суммарная концентрация Хл-а во время «цветения», (мг м-3).
Анализ показал, что для Баренцева моря в среднем весеннее «цветение» начиналось 24 апреля, однако вариации составили 81-169 дней (22 марта – 16 июня). Раньше всего (конец марта – начало апреля) «цветение» начиналось в южных районах моря и вдоль западного побережья Новой Земли. Позже «цветение» начиналось в центральном и западном районах Баренцева моря, а также у южных берегов Земли Франца-Иосифа. Средняя продолжительность весеннего «цветения» составила 61 день, минимально длилось 32 дня, максимально – 104 дня, что характерно для прибрежных районов материка и островов. Интенсивность «цветения» изменялась в диапазоне 0-30 мг м-3, в среднем за 25 лет по морю была 2 мг м-3. Величина «цветения» могла достигать 98 мг м-3 в Печорском море и северу от Новой Земли, в среднем была 13 мг м-3. Наиболее интенсивными «цветения» были в центральной и северо-западной частях Баренцева моря. Для конкретных ячеек частота цветения (% лет от 25 исследуемых лет, когда происходило «цветение») была ежегодной – 100% (южная часть Баренцева моря севернее побережья Кольского п-ова), в среднем была 11%. В северной части моря низкая частота повторяемости «цветения» обусловлена частыми пропусками в данных. Площадь Баренцева моря была покрыта цветением максимально на 20% в 2006 и 2016 гг., в среднем – 11%.
За период 1998-2022 гг. наблюдается тенденция к уменьшению продолжительности весеннего «цветения» морского фитопланктона. При этом, начало «цветения» сместилось на ранние даты. Интенсивность за 25 лет уменьшилась незначительно, тогда как величина «цветения» имела тенденцию к увеличению концентраций хлорофилла-а.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта СПбГУ №94033410.