CC BY
32
УДК 597.562(265.51 ):639.2.081.1
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ МИГРАЦИЙ ЗООПЛАНКТОНА
В БЕРИНГОВОМ МОРЕ (ЗОНА РОССИИ) В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД
М.Ю. Кузнецов; А.В. Николаев, ТИНРО-Центр, Владивосток
Приводятся результаты использования гидроакустического метода для оценок пространственного распределения и суточных вертикальных миграций крупной фракции зоопланктона на основе многочастотного алгоритма.
В настоящее время гидроакустический метод оценки запасов рыб получил широкое применение в мировой рыбохозяйственной науке. Использование гидроакустической информации, регистрируемой в процессе съемок непрерывно, дает дополнительные возможности по детализации пространственного распределения гидробионтов, выявления тонкой структуры вертикального распределения и суточных вертикальных миграций морских объектов.
Гидроакустические исследования в ТИНРО-Центре как элемент комплексных экосистемных исследований биоресурсов в настоящее время сконцентрированы на развитии методической основы и технологий гидроакустического метода оценки запасов гидробионтов; создании новых информационных технологий сбора, накопления и первичной обработки акустических измерений; методов и моделей тематической обработки ретроспективной гидроакустической, биологической и океанологической информации; ведении архивов и интегрированных баз данных гидроакустических и сопутствующих измерений.
Последовательное выполнение работ по гидроакустическому мониторингу гидробионтов, накопление многочастотных акустических данных, развитие алгоритмических и программных средств обработки этих данных позволяют ставить и развивать исследования в области видовой идентификации и эхоинтеграционных оценок не только традиционных объектов, но и нерыбных объектов, например макропланктона и медуз. Для решения этих задач используются соответствующие математические методы. Существенный интерес здесь представляют исследования характеристик пространственного распределения, особенностей поведения и суточных вертикальных миграций зоопланктона, являющегося основным объектом питания многих промысловых рыб.
В 2003 г., впервые в ТИНРО-Центре были спланированы и проведены экспериментальные работы по оценкам зоопланктона с использованием эхолотов СИМРАД ЕК-500. Целью этих работ являлось исследование возможностей научного эхолота ЕК-500 для регистрации
и оценки пространственного распределения и суточных вертикальных миграций крупной фракции зоопланктона по результатам гидроакустических измерений на частотах 120 и 38 кГц и их комбинирования на основе многочастотного алгоритма.
Акустические эхоинтеграционные измерения выполнялись непрерывно в период рейса НиС «ТИНРО» при проведении летней и осенней комплексной съемки верхней эпипелагиали западной и северозападной части Берингова моря. Измерения выполнялись в российской экономической зоне за пределами 12-мильной территориальной зоны.
Алгоритм двухчастотного метода [1] реализован в программе многочастотного анализа эхограмм FAMAS_MF и позволяет производить оценку средней длины, мм, и плотности, экз./м3, крупноразмерных фракций зоопланктона. В данном рейсе при обработке акустических данных использовалась модель акустического рассеяния для эвфаузиид [2].
При использовании данной модели предполагается, что одноразмерный состав планктона доминирует в общем рассеянии, но размер его неизвестен и может изменяться. Радиус эквивалентной сферы а для доминирующих рассеивателей определяется в этом случае как:
(М^|
г4 - И
г 2(И-1)
где к = ^—— - волновое число, с-скорость звука, м/с;
г Зу020)-Зу(ЪЪ)
^ = <20и /? = Ю 10
^38
Размер организмов рассчитывается с использованием регрессионного выражения для эвфаузиид [2], мм:
_ а-0,095 “ 0,134 '
Для рассчитанного радиуса эквивалентной сферы а акустическое сечение обратного рассеяния оа доминирующих рассеивателей определяется как
о6= 1,5-10“2 ~2
2 + 3^:а‘
а эквивалентная сила цели вычисляется из выражения
Численность рассеивателей определяется из выражения, связывающего силу цели ТБ и величину объемного рассеяния Бу для каждой из частот и определяется как геометрическое среднее для результатов по обеим частотам Nf.
Л/, =10 10 .
Двухчастотный алгоритм может быть успешно применен для оценки зоопланктона больших размеров - порядка 10 мм и выше. К таким объектам относятся в первую очередь эвфаузииды, а также крупные амфиподы, копеподы и сагитты. Как известно, макропланктон совершает крупномасштабные суточные вертикальные миграции, при этом наиболее активными мигрантами являются эвфаузииды и амфиподы [3]. Особенно явными суточные перемещения макропланктона становятся в летний период, когда ночью планктон обитает в приповерхностных горизонтах, а днем уходит из верхних слоев. При этом если на шельфе весь планктон регистрируется эхолотом в любое время суток, то в глубоководных котловинах значительная часть планктеров в светлое время суток опускается из эпипелагиали на глубины более 200 м, где возможности регистрации планктона на частоте 120 кГц ограничены маскирующим шумом. С учетом столь широкого диапазона вертикальных миграций макропланктона горизонтальные распределения плотности зоопланктона в глубоководной части моря построены на основе данных акустических измерений, выполненных только в темное время суток. Необходимо отметить, что приведенные в статье результаты являются экспериментальными, направленными большей частью на изучение возможностей использования гидроакустического метода для оценок распределения и миграций крупных фракций зоопланктона.
Пространственное распределение планктона. В глубоководной части обследованной акватории Берингова моря наиболее высокие концентрации макропланктона были зарегистрированы в эпипелагиали океанских вод (рис. 1, А), что, очевидно, связано с высокой
продуктивностью этого района, вызванной подъемом вод в области циклонического круговорота к юго-западу от Командорских островов. Кроме этого, области с высокой плотностью зоопланктона зарегистрированы над материковым склоном и в прилегающих участках Командорской котловины. Значительные концентрации планктона тяготели к шельфу Карагинского и Олюторского заливов и южной части Корякского
побережья. Такое распределение плотности планктона, очевидно, связано с высокой динамикой вод Камчатского течения, которое обеспечивает шельф и прилегающие глубоководные районы биогенными веществами, вызывающими обильное развитие фито- и зоопланктона с последующей концентрацией в водах шельфа и в циклонических круговоротах, способствующих формированию зон повышенной концентрации зоопланктона над глубоководной частью акватории съемки.
Пространственное распределение планктона на шельфе в северозападной части Берингова моря в значительной степени определялось водами теплого Наваринского течения. Основные концентрации планктона были расположены в области затока вод Наваринского течения в Анадырский залив с центром концентрации к востоку от мыса Наварин (рис. 1, Б, В). При этом часть скоплений с максимальной плотностью планктона оказалась в зоне конвергенции основной ветви Наваринского течения и северо-западного потока. Другая - совпадала с вдольбереговой ветвью Наваринского течения, направленной на север к заливу Креста, где планктон накапливался в циклонических вихрях северных прибрежных районов Анадырского залива. Такое тяготение повышенных концентраций зоопланктона к водам Наваринского течения означает, что либо планктон заносится этими водами из глубоководной части моря, либо здесь образуются собственные зоны повышенной продуктивности, связанные с динамикой относительно теплых вод Наваринского течения.
Помимо пятнистости горизонтального распределения, планктон в северо-западной части Берингова моря был неравномерно распределен и по глубине. В приповерхностном слое 0-50 м плотность планктона была невелика, примерно того же порядка, что и в Алеутской котловине (рис. 1, А, Б). Основная часть планктеров была сосредоточена ниже 50 м от поверхности (рис. 1, В). Структура вертикального распределения плотности демонстрирует тяготение основных концентраций зоопланктона к придонным горизонтам (рис. 1, Г). В водах внешнего шельфа планктон держался преимущественно в нижней части пелагиали в слое 60-150 м; на среднем и верхнем шельфе планктон был сконцентрирован непосредственно у дна в достаточно узком диапазоне глубин 35-40 м.
5
Рис. 1. Пространственное распределение плотности зоопланктона, экз./м3: А - западная часть Берингова моря (темное время суток, усреднение в слое 0-100 м); Б - северо-западная часть Берингова моря, слой 0-50 м;
В - то же, слой 50 м-дно; Г - то же, вертикальное распределение
Распределение макропланктона в глубоководной части акватории съемки по результатам акустических измерений в общих чертах неплохо согласуется с аналогичным распределением биомассы крупной фракции зоопланктона, построенной по результатам планктонных станций, сетью БСД в слое 0-50 м. Некоторые различия, например, отсутствие плотных концентраций макропланктона в океанских водах по уловам сетью БСД, могут быть связаны с временем взятия проб, часто приходящимся на светлое время суток, тогда как для построения акустического распределения планктона брались данные только ночных измерений. Кроме этого, распределение планктона по акустическим оценкам имеет более контрастную пространственную структуру из-за большего количества точек, по которым выполнялись построения.
На шельфе северо-западной части Берингова моря пространственное распределение планктона в слое 0-50 м по измерениям эхолота было в общем сходно с результатами облова сетью. Однако в диапазоне 0-200 м на распределении по уловам сетью БСД не было таких концентраций планктона, как по данным акустических измерений в слое ниже 50 м. Это объясняется, видимо, тем, что большая часть планктона на акватории Анадырского залива была зарегистрирована эхолотом непосредственно в придонном слое, где его облов вертикальной сетью затруднен технически.
Сравнение пространственных распределений макропланктона, построенных обоими методами, показывает, что в некоторых ситуациях метод акустических измерений обладает определенными преимуществами по сравнению с возможностями планктонных станций, например, в части непрерывности регистрации и учета придонных скоплений планктона, поэтому есть основания полагать, что после соответствующих калибровок оба метода могли бы взаимно дополнять друг друга.
Вертикальные миграции. Возможности эхолота ЕК-500 и программного обеспечения FAMAS позволяют достаточно точно оценить пространственную структуру и параметры вертикальных 6 миграций зоопланктона в реальном масштабе времени (рис. 2). Единственным ограничением является диапазон глубин, в котором уровень шума на антеннах эхолота не превышает порог обнаружения эхосигналов планктона. Для частоты 120 кГц он достаточно мал: при движении судна на полном ходу максимальная глубина регистрации зоопланктона на фоне шумов составляет около 120 м.
Для исследования особенностей вертикального распределения зоопланктона на границе светлого и темного времени суток использовалась средневзвешенная по плотности глубина местоположения планктона с интервалом интегрирования 0,1 мили и с шагом по глубине 5 м. Распределение средневзвешенных глубин достаточно хорошо аппроксимируется полиномиальной зависимостью, по которой рассчитывалась скорость подъема (спуска) планктона.
7
Отметки лага, мили
•40 *0* . . ЛТ'ІІ РШ
•80 -76.6 -76.8 -77.2 -77.8 -77.6
■80' ; ; , : | шкі Ü И|
10:08 10:15 10:22 10:29 10:36
Время, GMT
Рис. 2. Акустические изображения суточных вертикальных миграций зоопланктона в океанских водах (южнее Командорских островов).
Переход день-ночь, июль 2003 г.
Вертикальные миграции зоопланктона подчинялись строгой суточной цикличности. На границе дня и ночи была характерна степенная зависимость глубины местоположения планктона от времени суток (рис. 3). Скорость подъема планктона, максимальная в нижних горизонтах (около 2 м/м), по мере приближения к поверхности
замедлялась и становилась минимальной в пределах верхнего термически квазиоднородного слоя.
9:00
9:10
9:20
Время суток, СМТ
9:30 9:40 9:50 10:00 10:10 10:20 10:30
и
О
9:00 9:10 9:20 9:30 9:40 9:50 10:00
Время суток, 0МТ
10:10 10:20 10:30
Рис. 3. Вертикальные миграции зоопланктона на границе светлого и темного времени суток по данным акустических измерений в районе Командорских островов, июль 2003 г.
Спуск планктона был более сложен и подчинялся полиномиальной зависимости. На рассвете опускающийся планктон задерживался у верхней границы слоя термоклина. Скорость спуска при этом уменьшалась до нуля, а затем плавно нарастала до максимального значения и в нижних слоях снова снижалась (рис. 4). Таким образом, во
время опускания скорость планктеров варьировала от 0 до 2 м/м, однако в среднем скорость погружения в горизонтах до 100 м была выше, чем скорость подъема.
На глубинах 100-120 м и более планктон опять задерживался, образуя при этом плотные скопления, частично маскируемые шумом, которые могли находиться на этих глубинах довольно продолжительное время (20-60 м) и затем медленно уходили в нижние горизонты. При благоприятных условиях плотные слои планктона можно было наблюдать на фоне шумов на глубинах до 150 м.
Время суток, ОМТ
15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 16:30 16:40 16:50
15:30 15:40 15:50 16:00 16:10 16:20 16:30 16:40 16:50
Время суток, С51МТ
Рис. 4. Вертикальные миграции зоопланктона на границе темного и светлого времени суток (переход ночь-день). Район Командорских островов, июль 2003 г.
10
Библиографический список
1. Greenlaw C.F. Acoustical estimation of zooplankton populations // Limnol. Oceanogr., 1979. V. 24(2). P. 226-242.
2. Greenlaw C.F. Backscattering spectra of preserved zooplankton // J. Acoust. Soc. Am., 1977. V. 62. P. 44-52.
3. Шунтов В.П., Волков А.Ф., Темных О.С., Дулепова Е.П. Минтай в экосистемах дальневосточных морей. Владивосток: ТИНРО, 1993.
