شبيه سازی عددی تغييرات فصلی پلانكتون ها و مواد مغذی در شمال دريای عمان با استفاده از مدل جفت شده ROMS-NPZD

مطالعات ژئوفیزیک - پلانكتون

در اين تحقيق با استفاده از مدل سه بعدي ROMS، تغييرات فصلي پلانكتون ها در شمال درياي عمان بررسي شده است. مدل با استفاده از شرايط اوليه از داده هاي WOA5 با تفكيك پذيري افقي 25/0 درجه و گام زماني ٣٠٠ ثانيه به مدت يك سال انتخاب شده است. جهت کسب اطلاعات بیشتر درباره شبيه سازی عددی تغييرات فصلی پلانكتون ها و مواد مغذی در شمال دريای عمان با استفاده از مدل جفت شده ROMS-NPZD اکتشافات آب مطالعات ژئوفيزيک در آسیا ژئوفیزیک تماس بگیرید.

فهرست مطالب

شبيه سازی عددی تغييرات فصلی پلانكتون ها و مواد مغذی در شمال دريای عمان با استفاده از مدل جفت شده ROMS-NPZD

داده هاي مختصاتي با درون يابي در راستاي قائم دما و شوري، روي تراز سيگما (سي لايه) محاسبه شد. در اين بررسي به علت سازگاري بيشتر زيرمدل NPZD نسبت به ساير زيرمدل ها، مدل ROMSبا مدل NPZD جفت شده است.

نتايج شبيه سازي نشان داد:

(الف) تغيير دما از عوامل اصلي در فراواني ميزان فيتوپلانكتونها و زئوپلانكتونها است؛ (ب) پيچك هاي ساعتگرد و پادساعتگرد كه بيانگر به ترتيب پديده فرو و فراچاهي در درياي عمان و تنگه هرمز هستند،

باعث انتقال كلروفيل از مناطق جنوبي به شمالي ميشوند؛

(ج) مقدار كلروفيل در طول زمستان در مقايسه با تابستان بيشتر است كه علت اين مسئله ميتواند تغييرات ترموكلاين فصلي باشد. عليرغم در دسترس بودن مواد مغذي، لايه ترموكلاين مانع شكوفايي ميشود؛

(د) بررسي تغييرات فيتوپلانكتون ها در يك دوره يك ساله، بيشترين مقدار آنها را اواخر اسفند و اوايل بهار نشان ميدهد.

افزايش جمعيت فيتوپلانكتون ها

فروردين ماه به علت افزايش جمعيت فيتوپلانكتون ها، اوج شكوفايي زئوپلانكتون ها است. همچنين تمركز پلانكتون ها بيشتر به مواد مغذي وابسته است، به طوري كه در دسترس بودن مواد مغذي اغلب عاملي كليدي در رشد و سوخت وساز آنها است؛

(ه) مقدار كلروفيل در زمستان همبستگي مثبت  با دماي سطح آب نشان ميدهد، درحاليكه در تابستان، همبستگي منفي است

و غلظت كلروفيل در زمستان و تابستان اختلاف معنيداري نشان ميدهد  در زمستان و تابستان، مقدار كلروفيل با نيترات همبستگي مثبت نشان ميدهد

كه به ترتيب مقدار آن  است و اختلاف معني داري را نشان ميدهد  (و) در بيشتر موارد، نتايج ماهواره اي دما و كلروفيل با مقادير اندازه گيري شده در مدل سازي عددي سازگاري مناسبي داشته است.

تغييرات تراكم مواد مغذی

بررسي توزيع تراكم مواد مغذي در محدوده مورد مطالعه (شمال درياي عمان) نشان ميدهد به طوركلي غلظت مواد مغذي از سطح به عمق افزايش نسبي داشته است.

تراكم مواد مغذي در لايه هاي عمقي مختلف دريا تابع عوامل محيطي مانند بارندگي، جريان هاي دريايي، ورودي رودخانه ها، پساب هاي شهري و تراكم فيتوپلانكتون ها است (شكل ١٤ ).

از عواملي كه باعث كاهش مواد مغذي لايه هاي سطحي و مياني نسبت به لايه هاي زيرين شده است.

نحوه توزيع و تراكم فيتوپلانكتون ها

نحوه توزيع و تراكم فيتوپلانكتون ها است كه مصرف كنندگان اصلي در عمق هستند. اندازه گيري مواد مغذي نشان ميدهد ميزان نيتريت  و فسفات در دوره كشند قرمز از ميزان نيترات و سیلیکات  كمتر بوده است.

ازآنجاكه فيتوپلانكتون ها در شروع دوره شكوفايي مقدار زيادي نوترينت مصرف ميكنند و در هنگام از بين رفتن شكوفايي، ميزان توليد نوترينت ها زياد است، در مقدار نوترينت ها نوساناتي ديده ميشود.

بررسي همبستگي كلروفيل با دما و نيترات در زمستان و تابستان

براي بررسي ارتباط بين كلروفيل و دماي سطح آب و ارتباط كلروفيل و نيترات در عمق هاي مختلف در زمستان و تابستان، شش نقطه نمونه بين ٢٤ تا ٢٦ درجه شمالي و ٥٦ تا ٥٩ درجه شرقي در عمق هاي مختلف انتخاب شد (شكل ١٥ )

و نمودار همبستگي بين دو كميت براي هر نقطه بررسي شد. تغييرات كلروفيل با دما و نيترات در ماه بهمن در جدول ٢ و در ماه مرداد در جدول ٣ نشان داده شده است.

ميانگين نيترات

ميانگين نيترات در قسمت هاي مختلف نيمه شمالي عمان بيشتر از فسفات به دست آمده است.

علت بيشتر بودن غلظت نيترات نسبت به فسفات، مقدار بيشتر نيتروژن نسبت به فسفات و حلاليت بيشتر نمك هاي آن در آب دريا است.

نمك هاي نيتروژن در آب محلول هستند، اما بسياري از نمك هاي فسفات در آب دريا نامحلول هستند و اين موضوع با نتايج سازگار است.

براي مقايسه نتايج، از روش آماري همبستگي پيرسون جهت تجزيه و تحليل استفاده شد.

با توجه به دو نوع وضعيت محيطي گرم (تابستان) و سرد (زمستان)، تغييرات كلروفيل و نيترات در اين دو وضعيت بررسي ميشود.

طبق نتايج

طبق نتايج، بيشترين مقدار كلروفيل با 1/2 ميلي گرم بر مترمكعب در زمستان و كمترين مقدار آن در تابستان با 1/0 ميلي گرم بر مترمكعب به دست آمده است كه اختلاف معني داري را در زمستان و تابستان نشان ميدهد ( p<0.05)

(p معيار پايه معني داري است. اگر مقدار آن كمتر از 05/0 شود، احتمال تصادفي بودن، كم و اختلاف معني دار است

و اگر بيش از 05/0 باشد، اختلاف معني دار نيست.

مقدار كلروفيل در زمستان (تابستان) همبستگي مثبت  را با دماي سطح آب نشان ميدهد.

اين مسئله ميتواند به دليل وجود لايه ترموكلاين فصلي جزئي در فصل تابستان باشد.

در درياي عمان در طول سال ترموكلاين دائمي برقرار است و با تغييرات فصلي، فقط نقطه شروع و پهناي شكست لايه گرمايي تغيير مي يابد.

بحث و نتيجه گيري اکتشاف آب

در اين تحقيق  اکتشاف آب به بررسي تغييرات فصلي پلانكتون ها و مواد مغذي در شمال درياي عمان با استفاده از جفت كردن مدل ROMS با مدل زيست شناختي NPZD پرداخته شده است.

مدل NPZD اکتشاف آب

مدل NPZD كه شامل مواد مغذي، فيتوپلانكتون، زئوپلانكتون و ريزموجودات است، يك مدل ساده مواد مغذي است كه پلانكتون ها و ريزموجودات در آن، ردياب هايي هستند كه به صورت صريح رفتار ميكنند.

تغيير دما اکتشاف آب

تغيير دما از عوامل اصلي فراواني مقدار فيتوپلانكتون ها و زئوپلانكتون ها است. دماي مناسب براي رشد پلانكتون ها بين ٢٥ تا ٣٠ درجه سانتيگراد است.

بررسي نمودارها نشان ميدهد مقدار آنها در زمستان بيشتر بوده و در بهار و تابستان روند كاهشي داشته است.

در دماي ٣٠ درجه، رشد پلانكتون ها محدود شده است كه نشان ميدهد دما عامل محدودكننده در فصل گرما است. در پاييز و با سرد شدن هوا، مقدار آنها دوباره افزايش مي يابد.

نتايج مدل سازی عددی

نتايج مدل سازي عددي نشان ميدهد تغيير دما از متغيرهاي اصلي در فراواني ميزان پلانكتون ها است.

پيچك هاي سيكلوني و آنتيسيكلوني كه بيانگر فراچاهندگي در درياي عمان و تنگه هرمز هستند، اکتشاف آب باعث انتقال كلروفيل از مناطق جنوبي درياي عمان به نواحي شمالي و در نهايت، اکتشاف آب تنگه هرمز و خليج فارس ميشوند (شريفينيا و همكاران، 2015).

مقدار كلروفيل و مواد مغذي به هم وابسته هستند؛ مقدار كلروفيل با مواد مغذي كنترل ميشود.

مقدار كلروفيل اکتشاف آب

مقدار كلروفيل در طول زمستان در مقايسه با تابستان بيشتر است. علت اين مسئله ميتواند ترموكلاين فصلي باشد كه با وجود در دسترس بودن مواد مغذي در تابستان، لايه ترموكلاين مانع شكوفايي ميشود.

در تابستان لايه ترموكلاين در درياي عمان با شيب بيشتري نمايان ميشود و لايه بندي ضعيف تري نسبت به زمستان وجود دارد؛

لايه ترموكلاين قوی

بنابراين به نظر ميرسد با وجود لايه ترموكلاين قوي، پيچك هايي قوي لازم است تا سبب آميختگي مواد مغذي و آوردن آنها به سطح شود.

در زمستان كاهش عمق لايه ترموكلاين و نوتروكلاين و لايه بندي قوي بر جريانات همرفتي تأثير دارد. در اين حالت، پيچك هاي سرد قادر به انتقال مواد مغذي به لايه نوري سطح هستند و باعث شكوفايي فيتوپلانكتون ها ميشوند.

طول مانسون تابستانی

در طول مانسون تابستاني، فراچاهي ساحلي و واداشت هاي محيطي ميتواند جايگزين اثرهاي پيچك ها شود (الهاشمي و همكاران،٢٠١٠).

در طول مانسون زمستاني (شمال غربي) و سرد شدن پيچك ها طبق نتايج مدل، در زمستان تراكم مواد مغذي در اعماق ديده ميشود.

در اواخر بهار، به دليل شكوفايي، از مقدار مواد مغذي كاسته ميشود. تراكم مواد مغذي در ماه تير به كمترين مقدار خود ميرسد.

نتايج مدل سازی

براساس نتايج مدل سازي، از پايان فصل تابستان (شهريور)، تراكم مواد مغذي به تدريج افزايش پيدا ميكند،

غلظت نيترات ها احتمالاً  اکتشاف آب به دليل وجود جريان فراچاهي كه در بهار شكل گرفته است، افزايش مي يابد،

فيتوپلانكتون ها اکتشاف آب به تدريج در اواخر بهار كمتر ميشوند و اوايل تابستان به كمترين مقدار خود ميرسند.

مقدار كلروفيل

مقدار كلروفيل و توزيع پلانكتون ها با استفاده از مدلسازي و تصاوير ماهواره اي نشان ميدهد تراكم پلانكتون ها در نزديكي سواحل، بيشتر از مناطق دور از ساحل است

كه اين مسئله بيانگر آن است كه به علت وجود مواد مغذي و اكسيژن، شرايط رشد پلانكتون ها در آب هاي نزديك به خط ساحلي مناسب تر است.

عوامل مؤثر در ديناميك شبیه سازی عددی

عوامل مؤثر اکتشاف آب در ديناميك شبیه سازی عددی شكوفايي پلانكتوني در جنوب غربي جزيره ونكوور (اقيانوس آرام) با استفاده از مدل سه بعدی ROMS جفت شده با مدل زيست شناختي NPZD بررسي شد.

نتايج مدل اکتشاف آب

نتايج مدل نشان داد پيچك جان دفكا در توزيع فيتوپلانكتون ها مؤثر است و مواد مغذي، بيشتر در اطراف پيچك هاي آنتيسيكلوني تمركز يافته اند (پنا، 2009).

در دوره يك ساله بررسيشده، بيشترين مقدار فيتوپلانكتون ها در اواخر اسفند و اوايل بهار است و در اواخر بهار، از مقدار آنها كاسته ميشود.

اين كاهش ادامه مي يابد و در مرداد ماه به كمترين مقدار خود ميرسد. تحقيقات ربوردا و همكاران ( ٢٠١٤ ) مطالعات ژئوفیزیک

درباره مدل سه بعدي ROMS

درباره مدل سه بعدي ROMS جفت شده با مدل زيست شناختي NPZD جهت بررسي تغييرات فصلي فيتوپلانكتون ها و زئوپلانكتون ها.

در منطقه ايبرين (Iberian) واقع در شمال شرقي اقيانوس اطلس، بيانگر تراكم فيتوپلانكتون ها و كلروفيل در بهار و اوايل تابستان به دليل وجود فراچاهي در منطقه و شكوفايي دوباره در اواخر تابستان و اوايل پاييز است .

بررسي تغييرات زئوپلانكتون ها

بررسي تغييرات زئوپلانكتون ها در يك دوره يك ساله، بيشترين مقدار آنها را در فروردين ماه نشان ميدهد مطالعات ژئوفیزیک

كه تراكم آنها با گرم شدن هوا به شكل محسوسي كاهش مييابد. به نظر ميرسد يكي از عوامل مهم و مؤثر در افزايش مقدار پلانكتون ها، تأثيرگذاري جريانات جنوب شرقي در مونسون تابستاني است

دنبال اين جريانات مطالعات ژئوفیزیک شبیه سازی عددی

كه به دنبال اين جريانات، شبیه سازی عددی مواد مغذي و نوترينت ها از بستر جدا ميشوند و شرايط محيطي مناسب شبیه سازی عددی براي رشد و تكثير پلانكتون ها فراهم ميشود (پيونتكوسكي و همكاران، ٢٠١٤ ). مطالعات ژئوفیزیک

همچنين بادهای مانسون مطالعات ژئوفیزیک

همچنين بادهاي مانسون باعث اختلاط لايه هاي آب ميشوند و مواد غذايي را از لايه هاي عمقي به لايه هاي سطحي آب انتقال ميدهند.

علاوه براين، جريانات فراچاهي عامل ديگري جهت رشد و تكثير پلانكتون ها هستند. شكوفايي فيتوپلانكتون ها اندكي زودتر از شكوفايي زئوپلانكتون ها رخ ميدهد؛

بنابراين در اوايل بهار به علت افزايش فيتوپلانكتون ها و فراهم شدن غذاي كافي براي زئوپلانكتون ها، مقدار آنها نسبت به تابستان افزايش مييابد (ناقوي و همكاران، ٢٠١٠).

تغييرات عمودي كلروفيل مطالعات ژئوفیزیک

تغييرات عمودي مطالعات ژئوفیزیک كلروفيل و روند فصلي آن در نيمه شمالي درياي عمان نشان ميدهد بيشترين پراكنش و تراكم در لايه هاي سطحي است و با افزايش عمق از تراكم آن كاسته ميشود.

به نظر ميرسد كاهش دما و مقدار تابش نور خورشيد تأثير مستقيمي در كاهش مقدار كلروفيل دارد ژئوفیزیک .

به بيان ديگر، بيشترين پراكنش كلروفيل در لايه هايي است كه از نظر شرايط دمايي و نور خورشيد، بهترين شرايط زيستي را براي فتوسنتزكنندگان دريايي دارد (دورگام و مفتاح، 1989).

مقدار و نسبت مواد مغذی شبیه سازی عددی

مقدار و نسبت شبیه سازی عددی مواد مغذي و فيتوپلانكتون ها در منطقه شمال درياي عمان تحت تأثير پديده هاي طبيعي و فعاليت هاي انساني و تغييرات اقليمي است.

رشد فيتوپلانكتون ها به شدت تحت تأثير مواد معدني نيتروژن، فسفر و سيليسيوم است. شبیه سازی عددی

فراجوشي آب هاي غني از مواد مغذي ناشي از مانسون، طوفان ها، ورود مواد مغذي از مناطق ساحلي و ورود آب هاي شور از سمت تنگه هرمز از جمله اين عوامل هستند.

همبستگی كلروفيل

همبستگي كلروفيل با نيترات در تابستان بيانگر نقش مانسون تابستاني در تجديد مواد مغذي است. شبیه سازی عددی

پديده فراجوشي در امتداد سواحل ايران در اوايل فصل پاييز (در شرق تنگه هرمز) باعث افزايش آب هاي ساحلي از مواد مغذي به ويژه نيترات ميشود و به دنبال آن كلروفيل افزايش مي يابد.

آب هاي غنی از مواد مغذی شبیه سازی عددی

آب هاي غني از مواد مغذي كه در عمق ١٠ تا ٥٠ متر در زير لايه ترموكلاين هستند، از راه تنگه هرمز، از درياي عمان به جنوب خليج فارس نفوذ ميكنند.

يك لايه ترموكلاين دائمي

وجود يك لايه ترموكلاين دائمي و وجود فيتوپلانكتون ها در ناحيه نورگير euphotic))، دليل كاهش مواد مغذي در بالاي لايه ترموكلاين است.

تحقيقات نشان داده است نيترات ها بيشتر در لايه هاي پايين يافت ميشوند؛ بنابراين نيترات ميتواند عامل محدودكننده (limiting factor) براي توليدات اوليه فرض شود (سن گوپتا و همكاران، ١٩٨٠).

نيتروژن و فسفر

نيتروژن و فسفر، از نوترينت هاي مهم و از عوامل محدودكننده رشد در فيتوپلانكتون ها هستند. بر اساس نسبت ردفيلد، نسبت نيتروژن و فسفر مورد نياز (P:N) در يك سلول پلانكتوني ١:١٦ است.

به همين نسبت، تراكم آنها در آب هم متفاوت است به طوري كه نسبت فسفات كمتر از نيترات است (ريان و همكاران، ٢٠٠٥ ). تراكم فسفات و نيترات در زمان شكوفايي كاهش و دوباره افزايش مييابد.

تنوع گونه های فيتوپلانكتون

به دليل تنوع گونه هاي فيتوپلانكتون، بعضي از گونه ها با مواد مغذي نيترات و نيتريت و برخي ديگر با فسفات بستگي مثبتي نشان ميدهند كه اين موضوع باعث نوسانات توليد اوليه در منطقه مورد نظر ميشود (سلوين پيتچايكاني و همكاران، ٢٠١٦).

تغييرات كلروفيل

نتايج بيان ميكنند روند تغييرات كلروفيل حاصل از مدل سازي مشابه تصاوير ماهواره اي است و استفاده از اين مدل عددي براي بررسي تغييرپذيري فصلي حركت فيتوپلانكتون ها و زئوپلانكتون ها مناسب است.

تغييرات در مكان حركت پلانكتون ها از تغييرات در مكان پيچك ها ناشي ميشود و چون حركت پيچك ها پديده اي پيشبيني نشدني است، مغايرت هايي درخروجي مدل به دست مي آيد كه متفاوت از تصاوير ماهواره اي است.

اين مدل نشان داد پيچك ها بيشتر كلروفيل را در اطراف خودشان جمع ميكنند. اين كار سبب ميشود غلظت كلروفيل در اطراف لبه ها بيشتر از مركز پيچك شود.

پيچك ها

پيچك ها در اين منطقه باعث فراهم آوردن مواد مغذي ميشوند؛ پخش پيچكي، عامل مهمي در اين فرايند است. همچنين محدوديت مدل در شبيه سازي لايه بندي و ميزان نفوذ نور تابشي ميتواند دليل تفاوت ها باشد.

ازآنجاكه اندازه گيري هاي ميداني پارامترهاي بومشناسي بسيار وقت گير و پرهزينه است، امروزه كاربرد مدل هاي عددي در پيشبيني بسياري از پارامترهاي هيدروفيزيكي و زيستي رايج شده است.

عوامل فيزيكی

چون عوامل فيزيكي و فرايندهاي بيوژئوشيميايي به شدت بر جمعيت پلانكتون ها و ميزان توليد در درياها تأثيرگذار هستند، مدل سازي فرايندهاي بوم شناسي اهميت ويژهاي دارد.

فرايندهاي مطالعات ژئوفیزیک بومشناسي بسيار پيچيده هستند و اثرهاي تداخلي متعددي بر يكديگر دارند؛ لذا براي مدل سازي اين فرايندها به جمع آوري داده هاي محيطي بسيار زيادي نياز است.

جهت توسعه مطالعات ژئوفیزیک

جهت توسعه اين مدل عددي پيشنهاد ميشود با تصحيح اختلاط، ترموكلاين قويتري در مدل ايجاد شود كه بتواند مواد مغذي را به صورت واقعي تر مدل سازي كند. همچنين ورودي آب رودخانه ها بايد تصحيح شود تا وجود عناصر سطحي در مدل، باعث بروز مشكلات نشود.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با آسیا ژئوفیزیک و ژئوتکنیکی تماس بگیرید.

اینستاگرام آسیا ژئوفیزیک

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

    خانهخدماتتماسارتباط با ما