A Three-layer model of plankton productivity in the Black Sea

Abstract

ÖZ SALİHOĞLU Barış Yüksek lisans tezi, Deniz Bilimleri Enstitüsü Tez yöneticisi: Prof. Dr. Temel OĞUZ Orta Doğu Teknik Üniversitesi Haziran 1998, 92 sayfa Bu çalışma Karadenizde üç boyutlu üç tabakalı plankton üretkenlii ve besin döngüsü modeli ile ilgilidir. Model yaklaşık olarak, karışmış tabaka, mevsimsel termokılin ve ışıklı bölgenin arsındaki ara tabaka ve nitrat deposu olan kemokılin bölgesi olmak üzere üst tabakayı etkileşimli üç tabaka olarak kabul etmiştir. Batan partikül maddenin anında remineralize olduğu ve inorganik nitrojen forma dönüştürüldüğü üçüncü tabaka ışıklı tabakanın tabanından oksijensiz sınıra kadar uzanmaktad?r. Modelin biyolojik yapısında iki grup fitoplankton (diatom ve flajellat) ve eto bur/otobur zooplankton (mikrozoo ve mezozooplankton) la birlikte pelajik de tritus, nitrat ve amonyum kompartmanları bulunmaktadır. Bunun ötesinde mod eldeki karışmış tabakanın tabanındaki girişim mekanizması Kraus-Turner girişim modeli ile hesaplanmktadır. Buna ek olarak model tabakalar arası düşey difüzyonu da içermektedir. Çalışmamızda, kısaca, dört değişik benzeşim (simulasyon) sunulmaktadır. Bu deneylerde tüm biyolojok yapı sabit tutulmuş fakat karışmış tabaka ve ışıklı tabaka formları değiştirilmiştir. Birinci deney havza genelindeki plankton yapısının modele dışarıdan belirtilmiş karışmış tabaka ve sabit ışıklı tabakaya göre mod ellenmiş halidir. Bu deney karışmış tabakanın Kraus - Turner girişim mod eli ile hesaplandığı ikinci deney ile karşılaştırılmıştır. Bu deneyler dahada geliştirilip değişken ışıklı tabaka eklenmiştir. Bu basit model ile yapılmış benzeşimler elde.bulunan gözlemlerle genelde paralellik göstermektedirler. Bu model sonuçlarının temel bulgusu ikinci ve üçüncü tabakaların; yaz zamanı yüzeyaltı klorofil tabakasının başarılı olarak benzeştirilebilmesi için varolması gerekliliğini sayısal olarak göstermektedir, ikinci tabaka olmaksızın yaz zamanı üretimin belirlenebilmesi mümkün değildir. Üçüncü tabaka da nitrojen deposu olduğundan ve bu bölgeye batan katı parçacıkların remineralize olup, nitrifikasy ona uğrayıp sonuçtada girişim ve difüzyon yolu ile ışıklı tabaka birincil üretimine katılmasından oldukça önemlidir. ivModel bulguları geç kış-erken yaz dönemi karışık tabaka değişimlerinin bahar periyodu plankton üretimi üzerindeki rolünün önemini göstermektedir. Bu da karışık tabakanın doğru gösterilmesinin doğru yıllık plankton gösterimi üzerindeki önemini göstermektedir. Karadeniz gibi bir havzada (orta ölçekli yapıların baskın olduğu) kompleks, basen boyutunda karışık tabaka değişimleri yörel plankton yapılarının gözlenmesini sağlayacaktır. Anahtar Kelimeler: Karadeniz, ekosistem, karışmış tabaka, modelleme, fîtoplank ton, besin tuzu.

ABSTRACT SAUHO?LU Barış M. Sc. in Marine Sciences Supervisor: Prof. Temel O?UZ Middle East Technical University June 1998, 92 pages The present study deals with a three dimensional modeling of the plankton produc tivity and nitrogen cycling in the upper layer water column of the Black Sea. The model implemented here represents the upper layer water column by three interac tive layers, signifying the surface mixed layer, the intermediate layer between the seasonal thermocline and the base of the euphotic zone, and the chemocline region acting as a nitrogen pool of the subsurface layers. The last layer, where the sinking particulate materials are constantly reminerilized and converted to the inorganic nitrogen form, comprises effectively the zone below the base of the euphotic layer to the anoxic interface. The biological structure includes two groups of phytoplankton (diatoms and flagellates) and of omnivorous/carnivorous zooplankton (microzoo- and mesozooplankton) as well as lcbile pelagic detritus, nitrate and ammonium compartments. The model further incorporates the entrainment mechanism at the base of the mixed layer, which is parameterized using a simple Kraus-Turner entrainment model. In addition, the model includes vertical diffusion between the layers. Basically, four different simulations are presented in this work. In these experi ments, the biological setting was kept unchanged but the form of the mixed and euphotic layers are altered slightly. The first experiment describes the basin- wide plankton structure in response to an externally-specified mixed layer and the constant euphotic zone depth. This is compared in the second experiment with the results from the mixed layer structure computed using the Kraus-Turner en trainment model. These experiments are further elaborated by including variable euphotic zone thi6kness by incorporating the self-shading effect on the plankton productivity. The simulations carried out with such a simplified model generally agree with the available observations. A major finding of the model results is quantitative demon stration for the necessity of the second and third layers for successful simulations of the summertime subsurface chlorophyll layer. The model shows that without in clusion of the second layer, the enhanced productivity during the summer months iiwill not be predicted. The third layer is also shown to be crucially important because it acts as a nitrogen pool where sinking detrital particles are reminer ilized, nitrified and subsequently made available for the euphotic zone primary production through entrainment and vertical diffusion processes. The model findings suggest crucial role of the mixed layer depth variations during the late winter-early spring period for the plankton productivity during the rest of the year. This suggests fundamental importance of the correct representation of the mixed layer (either from the observations or from models) for correct rep resentation of the annual plankton structure. It also implies that, in a basin (like the Black Sea) dominated by enhanced mesoscale structure, complex basinwide mixed layer variability should induce a considerable pacthiness in the phytoplank ton structure. Keywords: Black Sea, ecosystem, mixed layer, modeling, phytoplankton, nutrient. m