ПРОГРАММА ЭКСПРЕСС ОБРАБОТКИ БОЛЬШИХ МАССИВОВ ГИДРОБИОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С КОМПЛЕКСА «САЛЬПА М»

ПРОГРАММА ЭКСПРЕСС ОБРАБОТКИ БОЛЬШИХ МАССИВОВ ГИДРОБИОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С КОМПЛЕКСА «САЛЬПА М»

Научная статья

Жук В.Ф. *

ORCID: 0000-0003-2654-296X,

ФГБУН ФИЦ Институт биологии южных морей  им. А.О. Ковалевского РАН (ФИЦ ИнБЮМ), Севастополь, Россия

* Корреспондирующий автор (vfzhuk[at]mail.ru)

Аннотация

В статье описывается программа для обработки массивов данных, полученных при работе с гидробиофизическим комплексом «Сальпа М». Программа  создана с целью оперативной оценки полученных данных и визуализации информации о биолюминесценции и фоновых характеристиках среды (температура, соленость) и подготовки данных в виде рисунков, текстовых файлов, файлов Excel и таблиц в Word для дальнейшей обработки. Программа использовалась при подготовки к печати «Атласа биолюминесценции Черного моря» по результатам экспедиций с 2010 по 2019г.

Ключевые слова: гидробиология, биолюминесценция, планктон.

PROGRAM OF EXPRESS PROCESSING OF LARGE BODIES OF HYDROBIOPHYSICAL DATA OBTAINED FROM THE SALPA M COMPLEX

Research article

Zhuk V.F. *

ORCID: 0000-0003-2654-296X,

Federal Publicly Funded Institution of Science Federal Research Centre A.O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS, RF, Sevastopol, Russia

* Corresponding author (vfzhuk[at]mail.ru)

Abstract

The article describes the program for processing bodies of data obtained when working with the Salpa M hydrobiophysical complex. The program was created with the aim of quickly evaluating the data and visualizing information on bioluminescence and background environmental characteristics (temperature, salinity) and preparing the data in the form of drawings, text files, Excel files and tables in Word for further processing. The program was used during the preparation of the “Atlas of Bioluminescence of the Black Sea” for printing based on the results of expeditions from 2010 to 2019.

Keywords: hydrobiology, bioluminescence, plankton.

Введение

Работы по изучению  биолюминесценции  были начаты в ИнБЮМ в 1965 г. под руководством к.б.н. Э.П. Битюкова. Были разработаны несколько поколений приборов, последние из них «Свеча» и «Сальпа» активно использовались до 2000г. В 2008 году в отделе биофизической экологии ИнБЮМ был разработан и собран комплекс «Сальпа М» на новой материальной базе, работающий в связке с персональным компьютером [3]. С 2010г. начались регулярные исследования биолюминесценции Черного моря на НИС «Профессор Водяницкий».

Материал и методы

Среди методов исследования пространственно-временной структуры планктона широкое распространение получил метод зондирования поля биолюминесценции, созданного его агрегациями, с помощью гидробиофизических комплексов. При этом выяснилось, что существует большая неоднородность распределения планктона и для выявления мелкомасштабной структурированности поля биолюминесценции на каждой станции выполняется от 10 до 30 зондирований. Глубина зондирования зависит от глубины места, где выполняется станция. Для Черного моря глубина зондирования не более 150 метров. После каждого зондирования создается текстовый файл. Пример такого файла приведен в таблице 1.

 

Таблица 1 – Данные одного зондирования комплексом «Сальпа М»

Глубина зонди- рования, м	Билюмине- сценция 10-12 Вт∙см-2·л-1	Температура оС	Соленость ‰	Чувстви- тельность прибора	Скорость зондирования М\сек
1	747,285	11,676	18,216	1	0,174
2	261,677	11,676	18,21	1	1,915
3	437,338	11,669	18,213	1	1,589
4	530,33	11,676	18,209	1	1,033
5	638,78	11,689	18,202	1	0,907
6	533,724	11,669	18,212	1	1,722
.	.	.	.	.	.
.	.	.	.	.	.
64	149,91	8,85	18,383	1	1,529
65	91,757	8,84	18,447	1	1,325

 

Результаты и обсуждение

Интерфейс программы обработки представлен на рисунке 1.

Для подготовки программы к работе  и обнуления всех вычисляемых и заносимых параметров мышкой выбирается кнопка «настройка».  Затем кнопкой «зонд+» выбираются файлы данных зондов, желательно во временной последовательности, т.к. дата и время выполнения станции выбирается по времени выполнения первого зонда.  Биолюминесценция, температура, соленость текущего зонда отображаются на графиках во втором ряду. Если текущий зонд по каким то причинам бракуется его можно удалить из дальнейшей обработки нажав кнопку «зонд-». В первом ряду графиков накапливаются и отображаются профили биолюминесценции, температуры, солености  всех выбранных зондов. После того как для обработки  выбраны все зонды необходимо в выделенные красным цветом графы занести номер рейса, номер станции,  координаты станции, скорость ветра, направление ветра, температуру воздуха, волнение моря, глубину места, где выполняется станция. Если введется в рейсе «дневник экспедиции», то эти данные заносятся автоматически из этого файла.

Рис. 1 – Интерфейс программы обработки данных

 

После нажатия кнопки «матрица» вычисляются средние значения биолюминесценции, температуры, солености для каждого метра по глубине зондирования и отображаются в третьем ряду графиков. Формируется файл EXCEL,  в котором в столбцах записаны глубина, средние значения биолюминесценции, температуры, солености для построения графиков. Пример графика представлен на рисунке 2.

 

Рис. 2 – Графики средних значений биолюминесценции, температуры, солености для выбранной совокупности зондов на одной станции

В программе WORD  заполняется таблица с вычисленными  и внесенными в программу данными, в которой указывается:

-  номер рейса, номер станции;

-   дата выполнения станции;

-  время выполнения станции;

-  координаты станции широта, долгота;

-  скорость ветра, направление ветра;

-  волнение моря;

-  температура воздуха;

-  глубина в точке, глубина зондирования;

-  количество выполненных зондов;

-  максимум биолюминесценции,  на какой глубине, в каком зонде. Вычисляется   биолюминесцентный  потенциал в слое 0 – максимальная глубина зондирования. Два статистических параметра: стандартное отклонение, коэффициент вариации характеризуют разброс биолюминесцентного потенциала в совокупности зондов.

Также вычисляется  биолюминесцентный  потенциал в стандартных слоях   0 – 10, 0 – 20, 0 -35, 0 – 50, 0 – 70 метров. Пример в таблице 2.

 

Таблица 2 – Вычисленные и занесенные параметры для одной станции

Рейс,   Станция	PV84     Ст.29
Дата	26.04.2016
Время	2:07:42
Координаты:     долгота широта	33,428E 44,626N
Ветер скорость\направление	5м/сек\210о
Температура воздуха	11,6 оС
Волнение моря, балл	2
Количество  зондов	10
Глубина зондирования\станции	65м \72м
Max  биолюминесценция  \ на глубине  \ номер зонда	2133,14 10-12 Вт∙см-2·л-1 37,0м \10,0
Биолюминесцентный  потенциал в слое 0-глубина зондирования Стандартное отклонение Коэффициент вариации	44551,81 10-12 Вт∙см-2·л-1   1981,17 4,45
Биолюм. Потенциал в слое 0-10м	4828,31 10-12 Вт∙см-2·л-1
Биолюм. Потенциал в слое 0-20м	12636,85 10-12 Вт∙см-2·л-1
Биолюм. Потенциал в слое 0-35м	27678,44 10-12 Вт∙см-2·л-1
Биолюм. Потенциал в слое 0-50м	39830,49 10-12 Вт∙см-2·л-1
Биолюм. Потенциал в слое 0-70м	0,0

  Заключение

Данная программа была написана и использовалась при подготовки к печати «Атласа биолюминесценции Черного моря» по результатам экспедиций с 2010 по 2019г. За это время состоялось 24 экспедиций, число станций, выполненных в них около 1000, число зондирований более 15000. Обработать такой большой массив информации без такой программы было бы затруднительно.

Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ ИнБЮМ РАН имени А. О. Ковалевского по теме «Структурно-функциональная организация, продуктивность и устойчивость морских пелагических экосистем», № АААА-А-18-118020790229-7.	Funding This work was carried out as part of the state assignment of the Federal State Budgetary Institution of Science and Technology of the A.O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS on the topic “Structural and Functional Organization, Productivity and Sustainability of Marine Pelagic Ecosystems,” No.AAAA-A-18-118020790229-7.
Благодарности Автор благодарен сотрудникам отдела биофизической экологии ФИЦ ИнБЮМ за помощь в сборе данных в экспедициях.	Acknowledgement The author is grateful to the staff of the Department of Biophysical Ecology of the A.O. Kovalevsky Institute of Marine Biological Research RAS for their help in collecting data on expeditions.
Конфликт интересов Не указан	Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Биолюминесценция океана / Гительзон И.И., Левин Л.А., Утюшев Р.Н. [и др.] Спб: Гидрометеоиздат. 1992. 283 c.
2. Токарев Ю.Н. Основы биофизической экологии гидробионтов. / Токарев Ю.Н. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. 2006. 342 с.
3. Токарев Ю.Н. Новый гидробиофизический комплекс для экспрессной оценки состояния прибрежных экосистем / Токарев Ю.Н., Василенко В.И., Жук В.Ф. // Современные методы и средства океанологических исследований: Материалы XI Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 3 (г. Москва, 25–27 ноября 2009 г.). М.: Изд-во РАН, 2009. С. 23–27.
4. Новый метод экпрессной обработки и анализа данных гидробиофизических съёмок в экспедиционных условиях / Ю.Н Токарев, В.В. Мельников, В.Ф. Жук [и др.] // Морской экологический журнал. 2013. № 2. Т. 12. С. 63–68.
5. Поле биолюминесценции - характерный показатель структуры планктонного сообщества Черного моря / Ю.Н. Токарев, Э.П. Битюков, В.И. Василенко [и др.] // Экология моря. 2000. Вып. 53. С. 20–
6. Токарев Ю.Н. Программный продукт «База данных Биолюминесценция Атлантического бассейна» / Токарев Ю.Н., Мельников В.В., Василенко В.И., Жук В.Ф. Св. № 52524 от 11.12.2013.
7. Биофизические исследования Жук В.Ф., Василенко В.И., Белогурова Ю.Б., Мельников В.В. // Геолого-океанологические исследования в Чёрном море / Гл. ред. академик НАНУ Е.Ф. Шнюков. – К.: Логос, 2014 – С. 96-106.
8. Токарев Ю.Н. Выявление пространственной неоднородности поля биолюминесценции с помощью буксируемого гидробиофизического комплекса «Сальпа-М» / Токарев Ю.Н., Василенко В.И., Жук В.Ф. // Морской экологический журнал. – 2014. – Т.13, №. 2. - С. 71-81.
9. Серикова И.М. Влияние гидрофизических параметров на интенсивность поля биолюминесценции в северо-западной части Черного моря в осенний период. / Серикова И.М., Токарев Ю.Н., Василенко В.И., Жук В.Ф. // Материалы VII Съезда Гидроэкологического общества Украины 5 - 8 октября 2015 г., Киев, 4 стр.
10. Мельник А. В. абиотических и биотических факторов в формировании сезонной изменчивости поля биолюминесценции Азовского моря / Мельник А. В., Токарев Ю. Н., Белогурова Ю. Б., Георгиева Е. Ю., Жук В. Ф., Силаков М. И. // Морской биологический журнал. 2018. Т. 3, № 2. С. 64-72. https://doi.org/10.21072/mbj.2018.03.2.05
11. Мельников В. В. Историческая база данных по морской биолюминесценции / Мельников В. В., Мельник А. В., Мельник Л. А., Белогурова Ю. Б., Жук В. Ф. // Системы контроля окружающей среды. 2018. Вып. 12 (32). С. 44-51. https://elibrary.ru/item.asp?id=35629189 [РИНЦ 0.099]

Список литературы на английском языке / References in English

1. Biolyuminestsentsiya okeana [Ocean Bioluminescence] / Gitelson I.I., Levin L.A., Utyushev R.N. [et al.] St. Petersburg: Hydrometeoizdat. – 1992. – 283 p. [in Russian]
2. Tokarev Yu.N. Osnovy biofizicheskoi ekologii gidrobiontov. [Fundamentals of Biophysical Ecology of Aquatic Organisms] / Tokarev Yu.N. Sevastopol: ECOSI-Hydrophysics. – 2006. – 342 p. [in Russian]
3. Tokarev YN. Novyi gidrobiofizicheskii kompleks dlya ekspressnoi otsenki sostoyaniya pribrezhnykh ekosistem [New Hydrobiophysical Complex for Rapid Assessment of Coastal Ecosystems] / Tokarev Yu.N., Vasilenko V.I., Zhuk V.F. // Sovremenniye metody I sredstva okeanologicheskogo issledovaniya [Modern Methods and Means of Oceanological Research]: Materials of the XI Intern. Scientific and Technical conf. Part 3 (Moscow, November 25–27, 2009). – M.: Publishing House of the Russian Academy of Sciences, – 2009. – P. 23–27. [in Russian]
4. Novyi metod ekpressnoi obrabotki i analiza dannykh gidrobiofizicheskikh syomok v ekspeditsionnykh usloviyakh [New Method of Express Processing and Analysis of Hydrobiophysical Survey Data under Field Conditions] / Yu.N Tokarev, V.V. Melnikov, V.F. Beetle [et al.] // Morskoy ekologicheskiy zhurnal [Marine Ecological Journal]. – 2013. – No. 2. – V. 12. – P. 63–68. [in Russian]
5. Pole biolyuminestsentsii - kharakternyi pokazatel struktury planktonnogo soobshchestva Chernogo morya [Bioluminescence Field - Characteristic Indicator of the Structure of Plankton Community of the Black Sea] / Yu.N. Tokarev, E.P. Bityukov, V.I. Vasilenko [et al.] // Ekologiya moria [Ecology of the Sea]. – 2000. – Issue. 53. – P. 20–25. [in Russian]
6. Tokarev Yu.N. Programmnyi produkt «Baza dannykh Biolyuminestsentsiya Atlanticheskogo basseina» [Software Product “Bioluminescence Database of the Atlantic Basin”]. / Tokarev Yu.N., Melnikov V.V., Vasilenko V.I., Zhuk V.F. St. No.52524 of December 11, 2013. [in Russian]
7. Biofizicheskie issledovaniya [Biophysical Studies] Zhuk V.F., Vasilenko V.I., Belogurova Yu.B., Melnikov V.V. // Geologicheskoye I Okeanograficheskoye issledovaniye v Chornom More [Geological and Oceanological Research in the Black Sea] / Ch. ed. Academician of NASU E.F. Shnyukov. – K.: Logos, 2014 – P. 96-106. [in Russian]
8. Tokarev Yu.N. Vyiavlenie prostranstvennoi neodnorodnosti polya biolyuminestsentsii s pomoshchyu buksiruemogo gidrobiofizicheskogo kompleksa «Salpa-M» [Identification of Spatial Heterogeneity of Bioluminescence Field using Towed Hydrobiophysical Complex “Salpa-M”] / Tokarev Yu.N., Vasilenko V.I., Zhuk V.F. // Morskoy ekologicheskiy zhurnal [Marine Ecological Journal] – 2014. – V.13. – 2. – P. 71-81. [in Russian]
9. Serikova I.M. Vliyanie gidrofizicheskikh parametrov na intensivnost polya biolyuminestsentsii v severo-zapadnoi chasti Chernogo morya v osennii period [Influence of Hydrophysical Parameters on the Intensity of Bioluminescence Field in Northwestern Part of the Black Sea in Autumn]. / Serikova I.M., Tokarev Yu.N., Vasilenko V.I., Zhuk V.F. Materials of the VII Congress of the Hydroecological Society of Ukraine October 5 - 8, 2015, Kyiv, 4 p. [in Russian]
10. Melnik A. V. Rol abioticheskikh i bioticheskikh faktorov v formirovanii sezonnoi izmenchivosti polya biolyuminestsentsii Azovskogo morya [Role of Abiotic and Biotic Factors in the Formation of Seasonal Variability of the Bioluminescence Field of the Sea of Azov] / Melnik A. V., Tokarev Yu. N., Belogurova Yu. B., et al. // Morskoy Biologicheskiy Zhurnal [Marine Biological Journal]. – 2018. – V. 3. – No. 2. – P. 64-72. https://doi.org/10.21072/mbj.2018.03.2.05 [in Russian]
11. Melnikov V. V. Istoricheskaya baza dannykh po morskoi biolyuminestsentsii [Historical Database on Marine Bioluminescence] / Melnikov V. V., Melnik A. V., Melnik L. A. et al. // Sistemy kontrolia okruzhayushchey sredy [Environmental Control Systems]. – 2018. – Issue. 12 (32). – P. 44-51. https://elibrary.ru/item.asp?id=35629189 [RSCI 0.099] [in Russian]