Influence of Regional Warming on Primary Production of the Kara Sea during the Last Two Decades (2002–2021)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Inter-annual (2002–2021) variability of the Kara Sea PP and associated environmental factors was assessed by MODIS-Aqua data and model calculations. Warming in the Kara Sea region during the last two decades was characterized by the pronounced positive trend of surface water temperature (T0) and weak positive trend of free-ice area (S) averaged for the growing season (April – October). During the investigated period T0 increased by 3.55°C with a trend of 10% y–1 and S increased by 110×103 km2 with a trend of 1.4% y–1, on average. The values of water column PP (IPP) statistically significant (p < 0.05) decreased in the all of the Kara Sea regions (R2 = 0.22 – 0.59). For the entire Kara Sea the IPP declined by 38 mgC m–2 d–1 with a moderate trend of 1.1% y–1 (R2 = 0.37). The growing season averaged value of photosynthetically available radiation (PAR) weak, but statistically significant (p < 0.05), decreased in the all of the Kara Sea areas (R2 = 0.20 – 0.31). Also, in the all regions the significant (R2 = 0.24 – 0.38) weak or moderate negative trends of surface chlorophyll a (Chl) were specified. The total annual PP (PPtot) increased insignificantly in accordance with increase of S (0.7% y–1, R2 = 0.08). The most significant decline of IPP was specified for spring (R2 = 0.28). In autumn the statistically significant positive trend of S (R2 = 0.24) was observed. Due to such increase of S, the strongest growth of PPtot was noted in autumn. In the present work was shown that decrease of IPP, resulting from decline of PAR and Chl, was the reason of moderation of PPtot. Weak increase in PPtot was observed in autumn and in the north area of the sea. It should be concluded that during the period of intense warming, the decrease in the IPP of the Kara Sea should affect the productivity of the higher trophic levels of the food web.

About the authors

A. B. Demidov

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: demspa@rambler.ru
Russia, Moscow

V. I. Gagarin

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Science

Email: demspa@rambler.ru
Russia, Moscow

S. V. Sheberstov

Shirshov Institute of Oceanology Russian Academy of Science

Email: demspa@rambler.ru
Russia, Moscow

References

  1. Антонов Н.П., Кузнецов В.В., Кузнецова Е.Н. и др. Сайка Boreogadus saida (Gadiformes, Gadidae) как ключевой вид и потенциальный объект рыбного промысла в Карском море // Вопросы рыболовства. 2016. Т. 17. № 2. С. 203–212.
  2. Ветров А.А., Романкевич Е.А. Первичная продукция и потоки органического углерода на дно в арктических морях Евразии в 2003–2012 гг. // Докл. РАН. 2014. Т. 454. № 1. С. 97–99.
  3. Галкин С.В. Исследования макробентоса Карского моря в 49м рейсе НИС “Дмитрий Менделеев” // Бентос высокоширотных районов / Отв. ред. Кузнецов А.П., Зезина О.Н. М.: ИОРАН, 1998. С. 34–41.
  4. Демидов А.Б., Гагарин В.И., Шеберстов С.В. Межгодовая изменчивость первичной продукции Восточно-Сибирского моря // Океанология. 2020. Т. 60. № 6. С. 876–888. https://doi.org/10.31857/S0030157420050044
  5. Демидов А.Б., Шеберстов С.В., Гагарин В.И. Межгодовая изменчивость ледового покрова и первичной продукции Карского моря // Океанология. 2018. Т. 58. № 4. С. 578–592. https://doi.org/10.1134/S0030157418040019
  6. Демидов А.Б., Шеберстов С.В., Гагарин В.И. Межгодовая изменчивость первичной продукции моря Лаптевых // Океанология. 2020. Т. 60. № 1. С. 60–73. https://doi.org/10.31857/S0030157420010074
  7. Демидов А.Б., Шеберстов С.В., Гагарин В.И., Хлебопашев П.В. Сезонная изменчивость первичной продукции фитопланктона Карского моря по спутниковым данным // Океанология. 2017. Т. 57. № 1. С. 103–117. https://doi.org/10.7868/S0030157417010026
  8. Зацепин А.Г., Завьялов П.О., Кременецкий В.В. и др. Поверхностный опресненный слой в Карском море // Океанология. 2010. Т. 50. № 5. С. 698–708.
  9. Кузин В.И., Платов Г.А., Лаптева Н.А. Оценка влияния межгодовой изменчивости стока сибирских рек на циркуляцию Северного ледовитого океана // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 4. С. 437–447. https://doi.org/10.7868/S0002351515040069
  10. Кузнецов А.П. Трофическая структура донной фауны Карского моря // Донная фауна краевых морей СССР / Отв. ред. Кузнецов А.П. М.: ИОАН, 1976. С. 32–60.
  11. Кузнецова О.А., Копелевич О.В., Шеберстов С.В. и др. Оценка концентрации хлорофилла в Карском море по данным спутникового сканера MODIS-AQUA // Исслед. Земли из космоса. 2013. № 5. С. 21–31.
  12. Маккавеев П.Н., Стунжас П.А. Гидрохимическая характеристика вод Карского моря // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 662–667.
  13. Флинт М.В., Анисимов И.М., Арашкевич Е.Г. и др. Экосистемы Карского моря и моря Лаптевых. Материалы экспедиционных исследований 2016 и 2018 гг. / ИО РАН, М.: 2021. 368 с.
  14. Шалина Е.В. Сокращение ледяного покрова Арктики по данным спутникового пассивного микроволнового зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 1. С. 328–336.
  15. Шеберстов С.В. Система пакетной обработки океанологических спутниковых данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 6. С. 154–161.
  16. Юлин А.В., Вязигина Н.А., Егорова Е.С. Межгодовая и сезонная изменчивость площади льдов в Северном ледовитом океане по данным спутниковых наблюдений // Российская Арктика. 2019. Т. 7. С. 28–40. https://doi.org/10.24411/2658-4255-2019-10073
  17. Ardyna M., Gosselin M., Michel C. et al. Environmental forcing of phytoplankton community structure and function in the Canadian High Arctic: contrasting oligotrophic and eutrophic regions // Mar. Ecol. Progr. Ser. 2011. V. 442. P. 37–57.
  18. Arrigo K.R., van Dijken G.L. Secular trends in Arctic Ocean net primary production // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. C09011. 15 p. https://doi.org/10.1029/2011JC007151
  19. Arrigo K.R., van Dijken G.L. Continued increases in Arctic Ocean primary production // Progr. in Oceanogr. 2015. V. 136. P. 60–70.
  20. Arrigo K.R., van Dijken G.L., Pabi S. Impact of a shrinking Arctic ice cover on marine primary production // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. № 19. L19603. 6 p. https://doi.org/10.1029/2008GL035028
  21. Bélanger S., Babin M., Tremblay J.-E. Increasing cloudiness in Arctic damps the increase in phytoplankton primary production due to sea ice receding // Biogeosciences. 2013. V. 10. № 6. P. 4087–4101.
  22. Brugel S., Nozais C., Poulin M. et al. Phytoplankton biomass and production in the southeastern Beaufort Sea in autumn 2002 and 2003 // Mar. Ecol. Progr. Ser. 2009. V. 377. P. 63–77.
  23. Campbell J., Antoine D., Armstrong R. et al. Comparison of algorithms for estimating ocean primary production from surface chlorophyll, temperature, and irradiance // Global Biogeochemical Cycles. 2002. V. 16. 1035. 9 p. https://doi.org/10.1029/2001GB001444
  24. Cavalieri D.J., Parkinson C.L., Gloersen P., Zwally H.J. Arctic and Antarctic Sea Ice Concentrations from Multichannel Passive-Microwave Satellite Data Sets: October 1978-September 1995 // User’s Guide. NASA TM 104647. 1997. Goddard Space Flight Center, Greenbelt. 17 p.
  25. Cavalieri D.J., Parkinson C.L. Arctic sea ice variability and trends, 1979–2010 // Cryosphere. 2012. V. 6. P. 881–889.
  26. Chernokulsky A., Mokhov I. Climatology of Total Cloudiness in the Arctic: An Intercomparison of Observations and Reanalyses // Advances in Meteorology. 2012. Art. ID 542093, 15 p. https://doi.org/10.1155/2012/542093
  27. Comiso J.C. The rapid decline of multiyear ice cover // J. Clim. 2012. V. 25. № 4. P. 1176–1193. https://doi.org/10.1175/JCLI-D11-00113.1
  28. Comiso J.C., Nishio F. Trends in the Sea Ice Cover Using Enhanced and Compatible AMSR-E, SSM/I, and SMMR Data // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. C02S07. https://doi.org/10.1029/2007JC0043257
  29. Comiso J.C., Parkinson C.L., Gersten R., Stock L. Accelerated decline in the Arctic sea ice cover // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L01703. https://doi.org/10.1029/2007GL031972
  30. Cooper L.W., Benner R., McClelland J.W. et al. Linkages among runoff, dissolved organic carbon and the stable oxygen isotope composition of seawater and other water mass indicators in the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. G02013. https://doi.org/10.1029/2005JG000031
  31. Demidov A.B., Kopelevich O.V., Mosharov S.A., Sheberstov S.V., Vazyulya S.V. Modelling Kara Sea phytoplankton primary production: development and skill assessment of regional algorithms // J. Sea Res. 2017. V. 125. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.seares.2017.05.004
  32. Demidov A.B., Mosharov S.A., Makkaveev P.N. Patterns of the Kara Sea primary production in autumn: Biotic and abiotic forcing of subsurface layer // J. Mar. Sys. 2014. V. 132. P. 130–149.
  33. Dupont F. Impact of sea-ice biology on overall primary production in a biophysical model of the pan-Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. C00D17, https://doi.org/10.1029/2011JC006983
  34. Falkowski P. Light-shade adaptation and assimilation numbers // J. Plankton Res. 1981. V. 3. P. 203–216.
  35. Frouin R., McPherson J., Ueyoshi K., Franz B.A. A time series of photosynthetically available radiation at the ocean surface from SeaWiFS and MODIS data // Proc. SPIE 12. https://doi.org/10.1117/1112.981264
  36. Gibson G., Weijer W., Jeffery N., Wang S. Relative impact of sea ice and temperature changes on Arctic marine production // J. Geophys. Res.: Biogeosciences. 2020. V. 125. https://doi.org/10.1029/2019JG005343
  37. Gordeev V.V., Martin J.M., Sidorov I.S., Sidorova M.V. A reassessment of the Eurasian river input of water, sediment, major elements and nutrients to the Arctic Ocean // Am. J. Sci. 1996. V. 296. № 6. P. 664–691.
  38. Hansell D.A., Kadko D., Bates N.R. Degradation of terrigenous dissolved organic carbon in the Western Arctic Ocean // Science. 2004. V. 304. P. 858–861.
  39. Hanzlick D., Aagaard K. Freshwater and Atlantic water in the Kara Sea // J. Geophys. Res. 1980. V. 85. № C9. P. 4937–4942.
  40. He M., Hu Y., Chen N. et al. High cloud coverage over melted areas dominates the impact of clouds on the albedo feedback in the Arctic // Scientific Reports. 2019. https://doi.org/10.1038/s41598-019-44155-w
  41. Hegseth E.N. Phytoplankton of the Barents Sea–the end of a growth season // Pol. Biol. 1997. V. 17. № 3. P. 235–241.
  42. Holmes R.M., McClelland J.W., Peterson B.J. et al. Seasonal and annual fluxes of nutrients and organic matter from large rivers to the Arctic Ocean and surrounding seas // Estuaries and Coasts. 2012. V. 35. P. 369–382.
  43. Holmes R.M., McClelland J.W., Raymond P.A. et al. Lability of DOC transported by Alaskan rivers to the Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L03402. https://doi.org/10.1029/2007GL032837
  44. Hill V., Cota G. Spatial patterns of primary production on the shelf, slope and basin of the Western Arctic in 2002 // Deep-Sea Res. II. 2005. V. 57. № 24–26. P. 3344–3354.
  45. Hill V.J., Matrai P.A., Olson E. et al. Synthesis of integrated primary production in the Arctic Ocean: II. In situ and remotely sensed estimates // Progr. in Oceanogr. 2013. V. 110. P. 107–125.
  46. IOCCG, 2000. Remote sensing of ocean colour in coastal and other opticall-complex waters. Sathyendranath, S. (Ed.). Reports of the International Ocean-Colour Coordinating Group. 3, IOCCG, Dartmouth, Canada. 140 p.
  47. IOCCG, 2015. Ocean Colour Remote Sensing in Polar Seas. Babin M. et al. (Eds.) Reports of the International Ocean-Colour Coordinating Group. 16, IOCCG, Dartmouth, Canada. 130 p.
  48. Kahru M., Lee Z., Mitchell G., Nevison C. Effects of sea ice cover on satellite detected primary production in the Arctic Ocean // Biol. Lett. 2016. V. 12. https://doi.org/10.1098/rsbl.2016.0223
  49. Kubryakov A., Stanichny S., Zatsepin A. River plume dynamics in the Kara Sea from altimetry-based lagrangian model, satellite salinity and chlorophyll data // Rem. Sens. Env. 2016. V. 176. P. 177–187.
  50. Kwok R., Cunningham G.F., Wensnahan M. et al. Thinning and volume loss of Arctic sea ice: 2003–2008 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. C07005. https://doi.org/10.1029/2009JC005312
  51. Lee Y.J., Matrai P.A., Friedrichs M.A.M. et al. An assessment of phytoplankton primary productivity in the Arctic Ocean from satellite ocean color/in situ chlorophyll-a based models // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. https://doi.org/10.1002/2015/JC11018
  52. Lee S.H., Whitledge T.E. Primary and new production in the deep Canada Basin during summer 2002 // Pol. Biol. 2005. V. 28. № 3. P. 190–197.
  53. Le Fouest V., Babin M., Trembley J.-É. The fate of riverine nutrients on Arctic shelves // Biogeosciences. 2013. V. 10. № 6. P. 3661–3677.
  54. Leu E., Søreide J.E., Hessen D.O. et al. Consequences of changing sea-ice cover for primary and secondary producers in the European Arctic shelf seas: Timing, quantity, and quality // Progr. Oceanogr. 2011. V. 90. P. 18–32.
  55. Lewis K.M., Mitchell B.G., van Dijken G.L., Arrigo K.R. Regional chlorophyll a algorithms in the Arctic Ocean and their effect on satellite-derived primary production estimates // Deep-Sea Res. II. 2016. V. 130. P. 14–27.
  56. Lewis K.M., van Dijken G.L., Arrigo K.R. Changes in phytoplankton concentration now drive increased Arctic Ocean primary production // Science. 2020. V. 369. P. 198–202.
  57. Mewes B., Jacobi C. Heat transport pathways into the Arctic and their connections to surface air temperatures // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 3927–3937. https://doi.org/10.5194/acp-19-3927-2019
  58. Opsahl S., Benner R., Amon R.W. Major flux of terrigenous dissolved organic matter through the Arctic Ocean // Limnol. Ocenogr. 1999. V. 44. № 8. P. 2017–2023.
  59. Osburn C.L., Retamal L., Vincent W.F. Photoreactivity of chromophoric dissolved organic matter transported by the Mackenzie River to the Beaufort Sea // Mar. Chem. 2009. V. 115. № 1–2. P. 10–20.
  60. Pabi S., van Dijken G.L., Arrigo K.R. Primary production in the Arctic Ocean, 1998–2006 // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. C08005. https://doi.org/10.1029/2007/JC004578
  61. Petrenko D., Pozdnyakov D., Johannessen J. et al. Satellite-derived multi-year trend in primary production in the Arctic Ocean // Inter. J. Rem. Sens. 2013. V. 34. P. 3903–3937.
  62. Pivovarov S., Schlitzer R., Novikhin A. River run-off influence on the water mass formation in the Kara Sea // Siberian river run-off in the Kara Sea / Eds. Stein R. et al. Amsterdam: Elsevier, 2003. P. 9–25.
  63. Platt T., Harrison W.G., Horne E.P.W., Irwin B. Carbon fixation and oxygen evolution by phytoplankton in the Canadian High Arctic // Pol. Biol. 1987. V. 8. № 2. P. 103–113.
  64. Polyakov I.V., Alkire M.B., Bluhm B.A. et al. Borealization of the Arctic Ocean in response to anomalous advection from sub-arctic seas // Front. Mar. Sci. 2020. V. 7. № 491.https://doi.org/10.3389/fmars.2020.00491
  65. Shiklomanov A.I., Holmes R.M., McClelland J.W. et al. Arctic Great Rivers Observatory // Discharge Dataset, Version 20220425. 2021.
  66. Reynolds R.W., Smith T.M., Liu C. et al. Daily High-Resolution-Blended Analyses for Sea Surface Temperature // J. Clim. 2007. V. 20. № 22. P.5473–5496.
  67. Stein R. Circum Arctic river discharge and its geological record // Int. J. Earth Science. 2000. V. 89. P. 447–449.
  68. Stroeve J., Holland M., Meier W. et al. Arctic sea ice decline: Faster than forecast // Geophys. Res. Lett. 2007. V. 34. L09501. https://doi.org/10.1029/2007GL029703
  69. Stroeve J.C., Kattsov V., Barrett A.P. et al. Trends in Arctic sea ice extent from CMIP5, CMIP3 and observations // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. L16502. https://doi.org/10.1029/2012GL052676
  70. Stroeve J.C., Serreze M.C., Holland M.M. et al. The Arctic’s rapidly shrinking sea ice cover: A research synthesis // Clim. Change. 2012. V. 110. P. 1005–1027.
  71. Timmermans M.-L., Ladd C. Sea surface temperature // Arctic Report Card: Update for 2018 https://arctic.noaa.gov/Report-Card-2018/ArtMID/7878/ArticleID/779/Sea-Surface-Temperature.
  72. Vancoppenolle M., Bopp L., Madec G. et al. Future Arctic Ocean primary productivity from CMIP5 simulations: Uncertain outcome, but consistent mechanisms // Global Biogeochem. Cycle. 2013. V. 27. P. 605–619. https://doi.org/10.1002/gbc.20055
  73. Vavrus S., Holland M.M., Bailey D.A. Changes in Arctic clouds during intervals of rapid sea ice loss // Clim. Dyn. 2011. V. 36. P. 1475–1489. https://doi.org/10.1007/s00382-010-0816-0
  74. Wu Z., Wang X. Variability of Arctic Sea Ice (1979–2016) // Water. 2019. V. 11. № 23. https://doi.org/10.3390/w11010023
  75. Yun M.S., Chung K.H., Zimmermann S. et al. Phytoplankton productivity and its response to higher light levels in the Canada Basin // Pol. Biol. 2012. V. 35. № 2. P. 257–268.
  76. Zalota A.K., Spiridonov V.A., Vedenin A.A. Development of snow crab Chionoecetes opilio (Crustacea: Decapoda: Oregonidae) invasion in the Kara Sea // Pol. Biol. 2018. doi.org/.https://doi.org/10.1007/s00300-018-2337-y
  77. Zhang J., Spitz Y.H., Steele M. et al. Modeling the impact of declining sea ice on the Arctic marine planktonic ecosystem // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. C10015. https://doi.org/10.1029/2009/JC005387

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1MB)
Indexing metadata
3.

Download (198KB)
Indexing metadata
4.

Download (413KB)
Indexing metadata
5.

Download (252KB)
Indexing metadata
6.

Download (66KB)
Indexing metadata
7.

Download (293KB)
Indexing metadata
8.

Download (265KB)
Indexing metadata
9.

Download (189KB)
Indexing metadata
10.

Download (335KB)
Indexing metadata
11.

Download (388KB)
Indexing metadata
12.

Download (392KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.Б. Демидов, В.И. Гагарин, С.В. Шеберстов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».