hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(2)-5hydrophysics-1325Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESВоспроизведение современного климатического состояния экосистемы Ладожского озераReproduction of the Current Climatic State of the Lake Ladoga Ecosystemhttps://orcid.org/0000-0003-2005-4949ИсаевА. В.IsaevA. V.

Исаев Алексей Владимирович, старший научный сотрудник, кандидат географических наук

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36

WoS ResearcherID: C‑1370–2014

Scopus Author ID: 25641182000

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997

isaev1975@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3909-537XРябченкоВ. А.RyabchenkoV. A.

Рябченко Владимир Алексеевич, главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36

WoS Researcher ID: R‑3877–2016

Scopus Author ID: 7005479766

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997

vla-ryabchenko@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2089-158XКоникА. А.KonikA. A.

Коник Александр Александрович, научный сотрудник, кандидат географических наук

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36

Scopus AuthorID: 57203864647

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow 117997

konikrshu@gmail.comИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation2024210720241725065Copyright © Исаев А.В., Рябченко В.А., Коник А.А., 20242024Исаев А.В., Рябченко В.А., Коник А.А.Isaev A.V., Ryabchenko V.A., Konik A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1325

Предлагается трехмерная эко-гидродинамическая модель Ладожского озера, основанная на Санкт-Петербургской модели эвтрофикации Балтийского моря (SPBEM). В отличие от существующих моделей экосистемы Ладожского озера, предлагаемая модель реализована на сферической сетке высокого разрешения (шаг сетки по горизонтали ≈1 км), содержит модуль бентосного слоя и описывает циклы азота и фосфора в водной толще и донных отложениях. Выполнен расчет сезонной и межгодовой изменчивости состояния Ладожского озера в период 1979–2018 гг. при задании в качестве форсинга атмосферного воздействия и стока рек, впадающих в Ладожское озеро, для гидротермодинамического модуля и поступления биогенных элементов из атмосферы и с суши для биогеохимического модуля. Сравнение результатов расчета современного климатического состояния Ладожского озера с имеющимися данными спутниковых и экспедиционных наблюдений показало, что модель правильно воспроизводит климатический сезонный ход поля поверхностной температуры, её вертикальное распределение, средние значения и диапазон изменений основных характеристик экосистемы озера. Предложенная модель может быть использована для исследования влияния внешних естественных и антропогенных факторов на биогеохимические процессы и функционирование экосистемы Ладожского озера.

A three-dimensional ecohydrodynamic model of Lake Ladoga based on the St. Petersburg Baltic Eutrophication Model (SPBEM) is proposed. Unlike existing models of the Lake Ladoga ecosystem, the proposed model is implemented on a high-resolution spherical grid (horizontal grid size ≈1 km), contains a benthic layer module and describes the cycles of nitrogen and phosphorus in the water column and bottom sediments. A run of the seasonal and interannual variability of the state of Lake Ladoga in the period 1979–2018 was carried out when setting as forcing the atmospheric influence and runoff of rivers flowing into Lake Ladoga for the hydrothermodynamic module and the supply of nutrients from the atmosphere and from land for the biogeochemical module. A comparison of the results of calculating the current climatic state of Lake Ladoga with the available satellite andexpeditionary observation data showed that the model correctly reproduces the climatic seasonal variation of the surface temperature field, its vertical distribution, average values and range of changes in the main characteristics of the lake’s ecosystem. The proposed model can be used to study the influence of external natural and anthropogenic factors on biogeochemical processes and the functioning of the Lake Ladoga ecosystem.

озерная экосистемациркуляцияклиматсезонные и межгодовые колебаниямоделированиеЛадожское озероlake ecosystemcirculationclimateseasonal and interannual fluctuationsmodelingLake LadogaИсследование выполнено при поддержке грантов Российского научного фонда (проект № 23-17-20010) и Санкт-Петербургского научного фонда (проект № 23-17-20010)The research was supported by grants from the Russian Science Foundation (project No. 23-17-20010) and the St. Petersburg Science Foundation (project No. 23-17-20010).ReferencesDi Toro D.M., Connolly J.P. Mathematical models of water quality in large lakes. Lake Erie eutrophication of waters: Monitoring. Assessment and control. Paris: OECD, 1982. 154 p.Di Toro D.M., Connolly J.P. Mathematical models of water quality in large lakes. Lake Erie eutrophication of waters: Monitoring. Assessment and control. Paris: OECD, 1982, 154 p.Straskraba M., Gnauck A. Freshwater ecosystems. Modelling and simulation. Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1985. 309 p.Straskraba M., Gnauck A. Freshwater ecosystems. Modelling and simulation. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 1985, 309 p.Mooij W.M., Trolle D., Arhonditsis G. et al. Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches // Aquatic Ecology. 2010. Vol. 44 (3). P. 633–667. doi:10.1007/s10452-010-9339-3Mooij W.M., Trolle D., Arhonditsis G. et al. Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches. Aquatic Ecology. 2010, 44, 3, 633–667. doi:10.1007/s10452-010-9339-3Zhang W., Watson S.B., Rao Y.R., et al. A linked hydrodynamic, water quality and algal biomass model for a large, multi-basin lake: A working management tool // Ecological Modelling. 2013. Vol. 269. P. 37–50. doi:10.1016/j.ecolmodel.2013.08.018Zhang W., Watson S.B., Rao Y.R., et al. A linked hydrodynamic, water quality and algal biomass model for a large, multibasin lake: A working management tool. Ecological Modelling. 2013, 269, 37–50. doi:10.1016/j.ecolmodel.2013.08.018Scavia D., DePinto J.V., Bertani I. A multi-model approach to evaluating target phosphorus loads for Lake Erie // Journal of Great Lakes Research. 2016. Vol. 42 (6). P. 1139–1150. doi:10.1016/j.jglr.2016.09.007Scavia D., DePinto J.V., Bertani I. A multi-model approach to evaluating target phosphorus loads for Lake Erie. Journal of Great Lakes Research. 2016, 42, 6, 1139–1150. doi:10.1016/j.jglr.2016.09.007Vinçon-Leite B., Casenave C. Modelling eutrophication in lake ecosystems: A review // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 651. P. 2985–3001. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.09.139Vinçon-Leite B., Casenave C. Modelling eutrophication in lake ecosystems: A review. Science of the Total Environment. 2019, 651, 2985–3001. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.09.139Ménesguen A., Lacroix G. Modelling the marine eutrophication: a review // Science of The Total Environment. 2018. Vol. 636. P. 339–354. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.04.183Ménesguen A., Lacroix G. Modelling the marine eutrophication: a review. Science of the Total Environment. 2018, 636, 339–354. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.04.183Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. Модель экологической системы Ладожского озера // Современное состояние Ладожского озера / Под ред. Н.А. Петровой и Г.Ф. Растлепиной. Л.: Наука, 1987. C. 187–200.Menshutkin V.V., Vorobieva O.N. A model of the ecological system of Lake Ladoga. The current state of the ecosystem of Lake Ladoga. Ed. N.A. Petrova, G.F. Raspletina. Leningrad, Nauka, 1987, 187–200 (In Russian).Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., et al. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I. // Ecological Modelling. 2003. Vol. 165(1). P. 49–77. doi:10.1016/S0304-3800(03)00061-9Rukhovets L.A., Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., et al. Development of Lake Ladoga ecosystem models: modeling of the phytoplankton succession in the eutrophication process. I. Ecological Modelling. 2003, 165, 1, 49–77. doi:10.1016/S0304-3800(03)00061-9Астраханцев Г.П. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер / Г.П. Астраханцев, В.В. Меншуткин, Н.А. Петрова, Л.А. Руховец. СПб.: Наука, 2003. 363 с.Astrakhantsev G.P., Menshutkin V.V., Petrova L.A., et.al. Modeling ecosystems of large stratified lakes. SPb., Nauka, 2003, 363 p. (In Russian).Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B., et.al. Mathematical modelling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem // Ecological Modelling. 1998. Vol. 107. P. 1–24. doi:10.1016/S0304-3800(97)00184-1Menshutkin V.V., Astrakhantsev G.P., Yegorova N.B., et al. Mathematical modelling of the evolution and current conditions of the Ladoga Lake ecosystem. Ecological Modelling. 1998, 107, 1–24. doi:10.1016/S0304-3800(97)00184-1Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling / Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8Rukhovets L., Filatov N. Ladoga and Onego — Great European Lakes: Observations and modeling. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag, 2010. doi:10.1007/978-3-540-68145-8Современное состояние и проблемы антропогенной трансформации экосистемы Ладожского озера в условиях изменяющегося климата // Под редакцией С.А. Кондратьева, Ш.Р. Позднякова и В.А. Румянцева. М.: Изд. РАН, 2021. 640 с.Current state and problems of anthropogenic transformation of the ecosystem of Lake Ladoga in a changing climate / Ed. by S.A. Kondratev, Sh.R. Pozdniakov, V.A. Rumiantsev, Moskva, RAS, 2021. 640 p. (In Russian).Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model // Journal of Marine Systems. 2002. Vol. 32(4). P. 253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8Savchuk O.P. Nutrient biogeochemical cycles in the Gulf of Riga: scaling up field studies with a mathematical model. Journal of Marine Systems. 2002, 32, 4, 253–280. doi:10.1016/S0924-7963(02)00039-8Isaev A., Vladimirova O., Eremina T., et al. Accounting for dissolved organic nutrients in an SPBEM‐2 model: Validation and verification // Water. 2020. Vol. 12(5). P. 1307. doi:10.3390/w12051307Isaev A., Vladimirova O., Eremina T., et al. Accounting for dissolved organic nutrients in an SPBEM‐2 model: Validation and verification. Water. 2020, 12, 5, 1307. doi:10.3390/w12051307Рябченко В.А., Карлин Л.Н., Исаев А.В. и др. Модельные оценки эвтрофикации Балтийского моря в современном и будущем климате // Океанология. 2016. Т. 56, № 1. C. 41–50. doi:10.1134/S0001437016010161Ryabchenkoоd future climate. Oceanology. 2016, 56, 1, 36–45. doi:10.1134/S0001437016010161Meier H.E.M., Edman M.K., Eilola K.J., et al. Assessment of eutrophication abatement scenarios for the Baltic Sea by multi-model ensemble simulations // Frontiers in Marine Science. 2018. Vol. 5. P. 440. doi:10.3389/fmars.2018.00440Meier H.E.M., Edman M.K., Eilola K.J., et al. Assessment of eutrophication abatement scenarios for the Baltic Sea by multi-model ensemble simulations. Frontiers in Marine Science. 2018, 5, 440. doi:10.3389/fmars.2018.00440Meier H.E.M., Edman M., Eiola K., et al. Assessment of uncertainties in scenario simulations of biogeochemical cycles in the Baltic Sea // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 6. P. 46. doi:10.3389/fmars.2019.00046Meier H.E.M., Edman M., Eiola K., et al. Assessment of uncertainties in scenario simulations of biogeochemical cycles in the Baltic Sea. Frontiers in Marine Science. 2019, 6, 46. doi:10.3389/fmars.2019.00046Исаев А.В., Савчук О.П., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть I: Межгодовая изменчивость и пространственное распределение // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 76–97. doi:10.59887/fpg/e1m2-63b5-rhvgIsaev A.оake Onego Ecosystem, 1985–2015. Part I: Long-Term Dynamics and Spatial Distribution. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022, 15, 2, 76–97. doi:10.48612/fpg/e1m2-63b5-rhvgСавчук О.П., Исаев А.В., Филатов Н.Н. Трехмерная ретроспективная оценка биогеохимической динамики азота и фосфора в экосистеме Онежского озера за период с 1985 по 2015 гг. Часть II: Сезонная динамика и пространственные особенности; интегральные потоки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15, № 2. С. 98–109. doi:10.59887/fpg/9mg5-run6-4zr8Savchuk O.P., Isaev A.V., Filatov N.N. Three-Dimensional Hindcast of Nitrogen and Phosphorus Biogeochemical Dynamics in Lake Onego Ecosystem, 1985–2015. Part II: Seasonal Dynamics and Spatial Features; Integral Fluxes. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022, 15, 2, 98–109. doi:10.48612/fpg/9mg5-run6-4zr8Ладога / Под ред. В.А. Румянцева, С.А. Кондратьева. СПб.: Нестор-История, 2013. 468 с.Ladoga / Ed. by V.A. Rumiantsev, S.A. Kondratev. SPb., Nestor-History, 2013, 468 p. (In Russian).Patten B.S. Mathematical models of plankton production // Internationale Revue der gesamten Hydrobiologie und Hydrographie. 1968. Vol. 53. P. 357–408.Patten B.S. Mathematical models of plankton production. Internationale Revue der gesamten Hydrobiologie und Hydrographie. 1968, 53, 357–408.Modeling of Marine Systems / Nihoul, J.C.J. (Ed.). Amsterdam: Elsevier, 1975. 272 p.Modeling of Marine Systems / Ed. by Nihoul, J.C.J., Elsevier, 1975, 272 p.Сергеев Ю.Н., Колодочка А.А., Круммель Х.Д. и др. Моделирование процессов переноса и трансформации вещества в море Л.: Издательство Ленинградского университета, 1979. 292 с.Modeling the processes of transfer and transformation of matter in the sea / Ed. by Iu.N. Sergeev. Leningrad State University, 1979, 292 p. (In Russian).Savchuk O., Wulff F. A model of the biogeochemical cycles of nitrogen and phosphorus in the Baltic. A systems analysis of the Baltic Sea / ed. Wulff F.V., Rahm L.A., Larsson P. Berlin: Heidelberg, Springer, 2001. P. 373–415. doi:10.1007/978-3-662-04453-7_14Savchuk O., Wulff F. A model of the biogeochemical cycles of nitrogen and phosphorus in the Baltic. A systems analysis of the Baltic Sea ed. Wulff F.V., Rahm L.A., Larsson P. Berlin, Heidelberg, Springer, 2001, 373–415. doi:10.1007/978-3-662-04453-7_14Marshall J., Adcrof A., Hill C., et al. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5753–5766. doi:10.1029/96JC02775Marshall J., Adcrof A., Hill C., et al. A finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computers. Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997, 102(C3), 5753–5766. doi:10.1029/96JC02775Marshall J., Hill C., Perelman L., et al. Hydrostatic, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, N C3. P. 5733–5752. doi:10.1029/96JC02776Marshall J., Hill C., Perelman L., et al. Hydrostatic, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling. Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997, 102(C3), 5733–5752. doi:10.1029/96JC02776Pilcher D.J., McKinley G.A., Bootsma H.A., et al. Physical and biogeochemical mechanisms of internal carbon cycling in Lake Michigan // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, N 3. P. 2112–2128. doi:10.1002/2014JC010594Pilcher D.J., McKinley G.A., Bootsma H.A., et al. Physical and biogeochemical mechanisms of internal carbon cycling in Lake Michigan. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015, 120, 3, 2112–2128. doi:10.1002/2014JC010594Gloege L., McKinley G.A., Mooney R.J., et al. Lake hydrodynamics intensify the potential impact of watershed pollutants on coastal ecosystem services // Environmental Research Letters IOP Publishing. 2020. Vol. 15, N 6. P. 064028. doi:10.1088/1748-9326/ab7f62Gloege L., McKinley G.A., Mooney R.J., et al. Lake hydrodynamics intensify the potential impact of watershed pollutants on coastal ecosystem services. Environmental Research Letters. IOP Publishing. 2020, 15, 6, 064028. doi:10.1088/1748-9326/ab7f62Bennington V., McKinley G.A., Kimura N., et al. General circulation of Lake Superior: Mean, variability, and trends from 1979 to 2006 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, N C12. doi:10.1029/2010JC006261Bennington V., McKinley G.A., Kimura N., et al. General circulation of Lake Superior: Mean, variability, and trends from 1979 to 2006. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010, 115, C12015. doi:10.1029/2010JC006261Gaspar P., Grégoris Y., Lefevre J.-M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing: Tests at station Papa and long-term upper ocean study site // Journal of Geophysical Research. 1990. Vol. 95(C9), P. 16179. doi:10.1029/JC095iC09p16179Gaspar P., Grégoris Y., Lefevre J.-M. A simple eddy kinetic energy model for simulations of the oceanic vertical mixing: Tests at station Papa and long-term upper ocean study site. Journal of Geophysical Research. 1990, 95(C9), 16179. doi:10.1029/JC095iC09p16179Smagorinsky J., Manade S., Holloway J.I. Numerical results from a ninelevel general circulation model of the atmosphere // Monthly Weather Review Vol. 93. 1965. P. 727–768.Smagorinsky J., Manade S., Holloway J.I. Numerical results from a ninelevel general circulation model of the atmosphere. Monthly Weather Review, 1965, 93, 727–768.Кондратьев С.А., Ефремова Л.В., Расплетина Г.Ф., и др. Оценка внешней нагрузки на Ладожское озеро // Экологическая химия. 1997. Т. 6, № 2. С. 73–84.Kondratev S.A., Efremova L.V., Raspletina G.F. et.al. Assessment of external load on Lake Ladoga. Environmental Chemistry. 1997, 6(2), 73–84 (In Russian).Кондратьев С.А. Формирование внешней нагрузки на водоемы: проблемы моделирования. СПб.: Наука, 2007. 255 с.Kondratev S. A formation of external load on reservoirs: modeling problems. / Ed. by Kondratev S.A., SPb., Nauka, 2007, 255 p. (In Russian).Лозовик П.А., Галахина Н.Е., Кравченко И.Ю. Современное состояние водных объектов Карелии в результате воздействия природных, климатических и антропогенных факторов // Водное хозяйство России. 2017. № 3. С. 24–39.Lozovik P.A., Galakhina N.Y., Kravchenko I.Y. Current status of water bodies of Karelia as a result of natural, climatic and anthropogenic factors’ impact. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2017, 3, 24–39 (In Russian).Ефремова Л.В. Оценка атмосферной составляющей внешней нагрузки на Финский залив // Тез. докл. конф. «Экологические проблемы Севера Европейской территории России», Апатиты, 1996. С. 149–150.Efremova L.V. Assessment of the atmospheric component of the external load on the Gulf of Finland. Proceedings “Ecological problems of the North of the European territory of Russia”, Apatity, 1996, 149–150 (In Russian).Eilola K., Gustafsson B.G., Kuznetsov I., et. al. Evaluation of biogeochemical cycles in an ensemble of three state-of-the-art numerical models of the Baltic Sea // Journal of Marine Systems. 2011. Vol. 88. P. 267–284. doi:10.1016/j.jmarsys.2011.05.004.Eilola K., Gustafsson B.G., Kuznetsov I., et. al. Evaluation of biogeochemical cycles in an ensemble of three state-of-theart numerical models of the Baltic Sea. Journal of Marine Systems. 2011, 88, 267–284. doi:10.1016/j.jmarsys.2011.05.004

The authors declare that there are no conflicts of interest present.