Institute of Oceanogphy Gdańsk University Jan Jędrasik The Ecohydrodynamic Model of the Southern Baltic Sea GDYNIA 2003

The hydrodynamic model Based on Princeton Ocean Model (Blumberg and Mellor 1987)Based on Princeton Ocean Model (Blumberg and Mellor 1987) Vertical mixing processes are parameterized by the scheme of second order turbulence closure (Mellor and Yamada 1982)Vertical mixing processes are parameterized by the scheme of second order turbulence closure (Mellor and Yamada 1982) In order to apply the model for the Baltic Sea some modifications were done (Kowalewski 1997)In order to apply the model for the Baltic Sea some modifications were done (Kowalewski 1997)

Opis modelu hydrodynamicznego Równania i warunki brzegowe gdzie: u, v, w, składowe wektora prędkości; f, parametr Coriolis'a;, 0, gęstość wody in situ i odniesienia; g, przyspieszenie ziemskie; p, ciśnienie; K M, A M, współczynniki pionowej i poziomej wymiany pędu gdzie: p atm, ciśnienie atmosferyczne;, wychylenie powierzchni swobodnej gdzie: T, temperatura wody; S, zasolenie; K H, A H, współczynniki pionowej i poziomej wymiany masy i ciepła; T, źródła ciepła gdzie: A C, współczynnik empiryczny; x, y, krok przestrzenny w kierunku x i y. gdzie: q 2, turbulentna energia kinetyczna;, turbulentna makroskala; K q, współczynnik pionowej wymiany energii kinetycznej;, stała Karman'a; H, głębokość morza; B 1, E 1, E 2, stałe empiryczne.

na powierzchni swobodnej strumienie ciepła strumienie energii warunek kinematyczny na powierzchni przy dnie z = H które sparametryzowano jako Strumienie energii przy dnie warunek kinematyczny przy dnie gdzie: ox, oy, naprężenia styczne wiatru; H 0, atmosferyczny strumień ciepła; bx, by, tarcie przydenne; C D, współczynnik oporu (C D =0.0025);, prędkość tarciowa; u, u b, v, v b, w, w b, składowe prędkości przy powierzchni (bez indeksu) i przy dnie (z indeksem b). na granicy bocznej (rzeka) warunki początkowe u(x,y,z) = 0,v(x,y,z) = 0,w(x,y,z) = 0 ; T = T(x,y,z), S = S(x,y,z).

Aplikacja modelu kryterium rotacyjne gdzie:, prędkość kątowa Ziemi;, szerokość geograficzna kryterium związane z dyfuzją horyzontalną gdzie: A H, współczynnik dyfuzji horyzontalnej warunek Couranta-Fridrichsa-Levy gdzie:, prędkość fundamentalnej fali długiej, U max, maksymalna wartość prędkości prądu; lub C t = 2C i + u max, C i, prędkość podstawowej fali wewnętrznej, u max, maksymalna prędkość adwekcyjna. warunek wypromieniowania współrzędne układu sigma (x *, y *,, t * ), x * = x, y * = y,, t * = t, gdzie: D = H +, dla z = = 0, dla z = -H = -1

The modelled areas The inflows from 85 riversThe inflows from 85 rivers The fields of wind speed over the sea surface were taken from 48-hours ICM forecast modelThe fields of wind speed over the sea surface were taken from 48-hours ICM forecast model

Numerical grids Horizontal grid Model allows to define subareas with different grid density Area I Area II Area III Vertical grid based on -transformation defined as:

Temporal and spatial steps in the modelled areas

Modelowane obszary z zaznaczonymi stacjami obserwacyjnymi

Miary statystyczne zastosowane do weryfikacji modelu

Model ProDeMo

NUTRIENTS N-NO3 P-PO4 Si-SiO4 N-NH4 PHYTOPLANKTON Diatoms C:N:P:Si Others C:N:P DETRITUS C-Detr P-Detr Si-Detr N-Detr ZOOPLANKTON Zooplankton C:N:P N-SedP-SedSi-Sed Dissolved Oxygen Sediment Water Atmosphere ProDeMo model scheme

Algorithm

Algorithm

Algorithm

Algorithm

Algorithm

Algorithm

Calibration Three-years period (January 1994 – December 1996) was used for the calibrtion Finally, the set of model parameters (about 80) was adjusted 50 runs of three-years period were carried out (each run lasted 108 hours) Firstly the 1-D simulation runs were done in order to make a first step calibration

Zależność pomiędzy wartościami obserwowanymi (OBS) i modelowanymi (MOD) parametrów chemicznych i fizycznych w południowej części Bałtyku stacja: P1 w okresie (R – współczynnik korelacji, SD – odchylenie standardowe, N – liczba obserwacji)

Przebieg powierzchniowej zmienności obserwowanych i modelowanych parametrów fizyko – chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH4, fosforanów P-PO4, krzemianów Si-SiO4, tlenu rozpuszczonego O-O2, temperatury wody Tw na Głębi Gdańskiej (stacja P1) w okresie 1994 – 2000

Przebieg zmienności obserwowanych i modelowanych parametrów fizyko–chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH 4, fosforanów P-PO 4, krzemianów Si-SiO 4, tlenu rozpuszczonego O-O 2, temperatury wody T w na Głębi Gdańskiej (stacja P1 z = 100 m) w okresie 1994 – 2000

Współczynniki korelacji, determinacji i efektywności oraz obciążenia dla zmiennych stanu na stacjach: a) P1, b) P140, c) P5, d) wszystkie stacje, w okresie

Simulation of phytoplankton blooms

Podsumowanie: Model hydrodynamiczny weryfikowany według: wahań poziomu morza, rozkładów temperatury wody i jej zasolenia oraz obrazów satelitarnch temperatury uzyskał wysokie oceny statystyczne potwierdzające zgodność wartości modelowanych i obserwowanych we wszystkich akwenach dla 6 letniego okresu porównań. Model hd wskazał rejon występowania, wielkość i kształt upwellingów na powierzchni morza potwierdzonych zdjęciami satelitarnymi. Model odwzorowywał także strukturę kolumny wody. Bezpośrednie rejsy obserwacyjne wskazały na potrzebę zwiększenia rozdzielczości siatek numerycznych dla akwenów występowania upwellingów. Obecna rozdzielczość z oczkiem 1mM 2 pozwala na ocenę zgrubną. Model hd zaniżał wartości temperatury wody, zawyżał zasolenie, a także w niektórych okresach wahania poziomu morza

Model ProDeMo Modelowane wartości zmiennych stanu opisujące procesy biogeochemiczne konfrontowane z rzeczywistymi wartościami pomierzonymi wykazały generalnie dużą zgodność przestrzennych i czasowych rozkładów w zakresie soli biogenicznych oraz miejsca i czasu zakwitów fitoplanktonu Modelowane przebiegi soli biogenicznych w odniesieniu do związków azotowych były zawyżone, a dla fosforowych i krzemowych – zaniżone. Modelowany tlen rozpuszczony wysoko korelował z wartościami pomierzonymi w górnych warstwach toni wodnej, jednak w przydennych nie symulował deficytów tlenu, które były obserwowane. Wprowadzona metodyka oceny modeli wskazała ich zalety oraz niedomagania Wskazane obciążenia modelu korygowały wysokie korelacje pokazując efektywność związków pomiędzy wartościami modelowanymi i obserwowanymi. Zastosowane miary statystyczne pozwoliły na oceny każdej zmiennej stanu na dowolnym poziomie głębokości, dowolnej stacji oraz wszystkich zmiennych łącznie w całym akwenie.