hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2025.18(4)-7MFYUFYhydrophysics-1481Research ArticleГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ПРОЦЕССЫHYDROPHYSICAL AND BIOGEOCHEMICAL FIELDS AND PROCESSESМодельные оценки вкладов изменений климата и биогенной нагрузки в изменения экосистемы Ладожского озера в 1980–2020 гг.Model estimates of the contributions of interannual changes of climate and nutrient load to changes in the Lake Ladoga ecosystem in 1980–2020https://orcid.org/0000-0003-2005-4949ИсаевА. В.IsaevA. V.

Исаев Алексей Владимирович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник

WoS ResearcherID: C-1370-2014, Scopus Author ID: 25641182000 

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, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник 

WoS Researcher ID: R-3877-2016, Scopus Author ID: 7005479766

117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36 

WoS Researcher ID: R-3877-2016, Scopus Author ID: 7005479766 

36 Nakhimovsky Prosp., Moscow, 117997 

vla-ryabchenko@yandex.ruИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology RASRussian Federation20252212202518494104Copyright © Исаев А.В., Рябченко В.А., 20252025Исаев А.В., Рябченко В.А.Isaev A.V., Ryabchenko V.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/1481

Получены количественные оценки реакции экосистемы Ладожского озера на изменения климатических атмосферных воздействий и внешней биогенной нагрузки в период 1980–2020 гг. Для их получения использована трехмерная модель гидротермодинамики MITgcm, объединенная с биогеохимическим модулем SPBEM, адаптированным для фосфоро-лимитированных условий озера.

Численные эксперименты проведены по трем следующим сценариям: 1) опорному с заданием реалистичных изменений внешней биогенной нагрузки и атмосферных воздействий в 1980–2020 гг.; 2) с заданием реалистичных изменений внешней биогенной нагрузки и «среднего» внутригодового хода атмосферных воздействий для этого периода; 3) с заданием реалистичных изменений атмосферных воздействий и постоянной внешней биогенной нагрузки, равной среднему за рассматриваемый период значению.Результаты работы демонстрируют выраженное доминирование внешней биогенной нагрузки как основного фактора, определяющего динамику характеристик экосистемы озера в 1980–2020 гг.

Вклад изменений климата в высоко детерминированные линейные тренды изменения зимней концентрации фосфатов, летней биомассы фитопланктона и годовой продукции фитопланктона в фотическом слое составил всего лишь соответственно 24 %, 10 % и 21 %. Согласно результатам расчётов, происходит заметное уменьшение указанных характеристик экосистемы озера во второй половине рассматриваемого периода 1980–2020 гг. При этом для продукции фитопланктона отмечается заметное (более 20 %) компенсирующее влияние климатических изменений, нивелирующее часть эффекта от снижения биогенной нагрузки.

Показано, что недиатомовые водоросли, вносящие основной вклад (63 %) в суммарную продукцию фитопланктона, сильно реагируют на климатические изменения температуры воды в рассматриваемый период. Диатомовые водоросли демонстрируют меньшую зависимость от климатических изменений, сохраняя тесную связь с зимними запасами фосфатов.

Quantitative estimates of the Lake Ladoga ecosystem response to changes in climatic atmospheric forcing and external nutrient loads were obtained for the period 1980–2020. The estimates were obtained using the MITgcm three-dimensional hydrothermodynamic model combined with the SPBEM biogeochemical module adapted to the phosphorus-limited conditions of the lake.

Numerical experiments were conducted using the following three scenarios: 1) a reference scenario with realistic changes in the external nutrient load and atmospheric forcing for 1980–2020, 2) with realistic changes in the external nutrient load and the “average” intra-annual course of atmospheric forcing for this period, and 3) with realistic changes in atmospheric forcing and a constant external nutrient load equal to the average value for the period under consideration.

The results of the study demonstrate a pronounced dominance of the external nutrient load as the main factor determining the dynamics of the lake ecosystem characteristics in 1980–2020. The contribution of climate change to the highly deterministic linear trends of the change in winter phosphate concentrations, summer phytoplankton biomass, and annual phytoplankton production in the photic layer amounted to only 24 %, 10 %, and 21 %, respectively. According to the calculation results, there is a noticeable decrease in these characteristics of the lake ecosystem in the second half of the considered period 1980-–2020. At the same time, a noticeable (more than 20 %) compensating effect of climate change is noted for phytoplankton production, leveling out part of the effect of the decrease in nutrient load.

It is shown that non-diatoms, which make the main contribution (63 %) to the total phytoplankton production, strongly respond to climatic changes in water temperature in the considered period. Diatoms show less dependence on climate change, maintaining a close relationship with winter phosphate reserves.

озерная экосистемаклиматвнешняя биогенная нагрузкаматематическое моделированиеЛадожское озероlake ecosystemclimateexternal nutrient loadmathematical modelingLake LadogaРабота выполнена при поддержке грантов Российского научного фонда (проект № 23-17-20010) и Санкт-Петербургского научного фонда (проект № 23-17-20010).This work 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).ReferencesЛадога / Под ред. В.А. Румянцева и С.А. Кондратьева. СПб.: Нестор-История, 2013. 467 с.Ladoga. Rumyantsev VA, Kondratiev SA, editors. St. Petersburg: Nestor-Istoriya; 2013. 467 p. (In Russ).Ладожское озеро и достопримечательности его побережья. Атлас / Под ред. В.А. Румянцева. СПб.: НесторИстория, 2015. 200 с.Lake Ladoga and Sights of its Coast. Atlas. Rumyantsev VA, editor. St. Petersburg: Nestor-Istoriya; 2015. 200 p. (In Russ).Современное состояние и проблемы антропогенной трансформации экосистемы Ладожского озера в условиях изменяющегося климата // Под ред. С.А. Кондратьева, Ш.Р. Позднякова и В.А. Румянцева. М.: Изд. РАН, 2021. 640 с.Current State and Problems of Anthropogenic Transformation of Lake Ladoga’s Ecosystem in a Changing Climate. Kondratiev SA, Pozdnyakov ShR, Rumyantsev VA, editors. Moscow: Russian Academy of Sciences Press; 2021. 640 p. (In Russ).Летанская Г.И., Протопопова Е.В. Современное состояние фитопланктона Ладожского озера (2005–2009 гг.) // Биология внутренних вод. 2012. № 4. C. 17–24. EDN PFEZMXLetanskaya GI, Protopopova EV. The current state of phytoplankton in Lake Ladoga (2005–2009). Inland Water Biology. 2012;5:310–316. https://doi.org/10.1134/S1995082912040104Петрова Н.А., Петрова Т.Н., Сусарева О.М., Иофина И.В. Особенности эволюции экосистемы Ладожского озера под влиянием антропогенного эвтрофирования // Водные ресурсы. 2010. Т. 37, № 5. C. 580–589. EDN MVNXUZPetrova NA, Petrova TN, Susareva OM, et al. Specific features of Lake Ladoga ecosystem under the effect of anthropogenic eutrophication. Water Resources. 2010;37(5):674–683. https://doi.org/10.1134/S0097807810050076Marshall 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, No. C3. P. 5753–5766. https://doi.org/10.1029/96JC02775Marshall J, Adcroft 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. https://doi.org/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, No. C3. P. 5733–5752. https://doi.org/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. https://doi.org/10.1029/96JC02776Исаев А.В., Рябченко В.А., Коник А.А. Воспроизведение современного климатического состояния экосистемы Ладожского озера // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 2. С. 50–65. EDN MWTIKC. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(2)-5Isaev AV, Ryabchenko VA, Konik AA. Reproduction of the current climatic state of the Lake Ladoga ecosystem. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2024;17(2):50–65. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(2)-5Savchuk 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, No. 4. P. 253–280. EDN LZXGTP. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(02)00039-8Savchuk OP. 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. https://doi.org/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, No. 5. P. 1307. EDN NSXOTT. https://doi.org/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. https://doi.org/10.3390/w12051307Isaev A.V., Savchuk O.P., Filatov N.N. Three-Dimensional Hindcast of Nitrogen and Phosphorus Biogeochemical Dynamics in Lake Onego Ecosystem, 1985–2015. Part I: Long-Term Dynamics and Spatial Distribution // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022. Vol. 15, No. 2. P. 76–97. EDN BOSGAU. https://doi.org/10.48612/fpg/e1m2-63b5-rhvgIsaev AV, Savchuk OP, Filatov NN. Three-dimensional hindcast of nitrogen and phosphorus biogeochemical dynamics in Lake Onego ecosystem, 1985–2015. Part I: long-term dynamics and spatial distribution. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022;15(2):76–97. https://doi.org/10.48612/fpg/e1m2-63b5-rhvgECMWF: ECMWF Reanalysis v5 (ERA5). URL: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5 (дата обращения: 19.09.2025).European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. ECMWF Reanalysis v5 (ERA5). Available from: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5. (Accessed September 19, 2025).Исаев А.В., Рябченко В.А. Модельные оценки межгодовой изменчивости характеристик экосистемы Ладожского озера в период с 1980 по 2020 годы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024. Т. 17, № 4. С. 32–42. EDN EHTXVP. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-2Isaev AV, Ryabchenko VA. Model estimates of interannual variability of the Lake Ladoga ecosystem characteristics in the period from 1980 to 2020. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2024;17(4):32–42. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-2 (In Russ).

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