Modelowane obszary z zaznaczonymi stacjami obserwacyjnymi

Transkrypt

1 Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego Jan Jędrasik Walidacja elu hydrodynamicznego i elu ProDeMo

2 elowane zary z zaznaczonymi stacjami erwacyjnymi Zatoka Gdañska W³ad P1 Gd_N ZN4 18 P116 Hel P11 P14 P11 NP ZN Œwib K Ba³t Ba³tyjsk Ba³tyk po³udniowy P P39 M3 P16 B1 Œwin Ko³ Ust P14 P P63 ZR4 P Zalew Wiœlany tacja pomiaru temperatury wody tacja pomiaru temperatury i zasolenia tacja pomiaru wahañ poziomu morza

3 Miary statystyczne zastosowane do weryfikacji elu Wielkości porównywane: y wartości elowane (MOD) i erwowane (OB) Różnice pomiędzy nimi y = y określono jako błąd elu Różnice pomiędzy średnimi Q m = y = y przyjęto za obciążenie bezwzględne elu Uśredniony kwadrat tej różnicy oznacza średni błąd kwadratowy E ( ) rs = y ( y y) y = Iloczyn standaryzowanych wielkości (OBL) N wyraża współczynnik korelacji ( ) ( y) r = = y i (OB) cov(, y) = y ( ) = N y y y

4 Średni błąd kwadratowy wyraża ( ) ) var( m rs Q y y E + = = po rozwinięciu o ) ( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) var( y y r y y N N y y N y N y + = Σ Σ + Σ = = Σ = o dodaniu i odjęciu r oraz uporządkowaniu wyraża związek ze współczynnikiem korelacji w postaci + + = ) (1 m y rs Q r r E Drugi człon w nawiasie oznaczymy = r C y jako obciążenie warunkowe równania opisujące współzależność między błędem elu i jego symulacją Trzeci człon równania wyraża obciążenie bezwarunkowe m Q B = zdefiniowane jako stosunek obciążenia bezwzględnego do odchylenia standardowego erwacji

5 Wyrażenie E rs podzielone przez z oznaczeniem 1 E rs = E oznacza współczynnik determinacji lub efektywności E = r C nazywany współczynnikiem Nasha i uttcliff a (Węglarczyk, 1998) Jeżeli nie ma żadnych obciążeń, to jest on równy kwadratowi współczynnika korelacji. Obciążenia wyników elu obniżają wartości współczynnika efektywności, który wskazuje realnie na charakter symulacji. B E Relacja współczynnika korelacji z całkowitym błędem kwadratowym E = rs rc prowadzi do współzależności tzw. specjalnego współczynnika korelacji Erc R s względem E rc w postaci Rs = 1 + Współczynnik ten jest równy jedności gdy średni błąd kwadratowy jest równy zero, a jego wartość maleje ze wzrostem E. rc y Błąd procentowy symulacji elu δ = 1% Klasy dokładności symulacji dla przedziałów procentowych błędu według Mayera (1979): bardzo dobra δ < 1%, dobra 1% < δ < %, dostateczna % < δ < 3% nie do przyjκcia δ > 3%. min

6 - - Depth [m] Depth [m] a) erved -1 b) erved Distance [km] Distance [km] Depth [m] Depth [m] a) elled -1 b) elled erwowane i elowane rozkłady tlenu rozpuszczonego O-O w przekroju od ujścia Wisły do stacji P1 poprzez P11 i P116 a) 4 marca 199 b) 8 sierpnia 199

7 Temperatura [ C] 1 1 a) Hel r =.98 Temperatura [ C] 1 1 b) Świbno r = [dni] [dni] Temperature [ C] 1 1 c) Bałtyjsk r = [dni] Przebieg temperatury wody powierzchniowej erwowanej i elowanej na stacjach brzegowych w a) Helu i b) Świbnie, w 199 oraz w Bałtyjsku w roku 1994

8 Temperatura [ C] P_1 r =.98 Temperatura [ C] P_ r =.97 Temperatura [ C] P_3 r = Temperatura [ C] P_4 r =.97 Temperatura [ C] P_ r =.9 Temperatura [ C] P_6 r = Temperatura [ C] P_7 r =.9 Temperatura [ C] P_8 r =.96 Temperatura [ C] P_9 r = Przebieg erwowanej (OB) i elowanej (MOD) temperatury wody powierzchniowej w punktach 1-1 Zalewu Wiślanego za okres

9 Tw [ C] 1 1 [psu] ] -1 P_ P_ Tw [ C] [psu] ] -1 P_ ] -1 P_ Tw [ C] 1 1 [psu] ] P_ ] P_

10 Temperatura wody [ C] Temperatura wody [ C] Punkt P Punkt P Temperatura wody [ C] Punkt P Temperatura wody [ C] Punkt ZN Temperatura wody [ C] Temperatura wody [ C] Punkt P Punkt ZN elowane i erwowane pionowe rozkłady temperatury wody w wybranych punktach Zatoki Gdańskiej: P1, P11, ZN4 w sezonie letnim 199_96

11 Zasolenie wody [psu] Punkt P Zasolenie wody [psu] Punkt P Zasolenie wody [psu] e -1 - Punkt P Zasolenie wody [ C] Punkt ZN Zasolenie wody [psu] Punkt P Zasolenie wody [ C] Punkt ZN elowane i erwowane pionowe rozkłady zasolenia w wybranych punktach Zatoki Gdańskiej: P1, P11, ZN4 w sezonach jesiennych 199_96

12 Tabela 1. Współczynniki korelacji i odchylenia standardowe dla temperatur wody i zasolenia w punktach erwacyjnych Zatoki Gdańskiej w okresie tacja T w Liczba R D R D erwacji P P P P ZN ZN NP K R P Tabela. Współczynniki korelacji i odchylenia standardowe dla temperatur wody i zasolenia na stacjach erwacyjnych Basenu Gdańskiego w okresie tacja R D R D erwacji T w Liczba P P P

13 Tw [ o C] z=m MOD OB r =.97 D = 1.43 Tw [ o C] 4. MOD z=3m OB r =.9 D =.43 Tw [ o C] 4. MOD z=6m OB r =.9 D = Tw [ o C] 4. z=1m 16. MOD 8.. OB r = -. D = Przebieg powierzchniowej zmienności erwowanych i elowanych temperatur wody T w na Głębi Gdańskiej, stacja P1 z = m z = 3 m z = 6 m z = 1 m w okresie 1994

14 Zasolenie [psu] 9 _MOD P1 z=m _OB 7 Zasolenie [psu] 9 _MOD P14 z=m _OB 7 Zasolenie [psu] 9 P z=m _MOD _OB Przebieg powierzchniowej zmienności erwowanych (OB) i elowanych (MOD) wartości zasolenia na Głębi Gdańskiej stacja P1, Basenie Gdańskim stacja P14, Basenie Bornholmskim stacja P, w okresie 1994

15 7 o MOD [ C] 6 Świ R=.81 D=6.1 N= OB [ o C] Tabela 4 Ocena symulacji poziomu morza wg klasyfikacji Mayera (1979) MOD [cm] 6 7 Wła R=.8 D=3.9 N= OB [cm] 7 o MOD [ C] 6 Gda R=.84 D=4.6 N= OB [ o C] 7 6 Klasa G9 H9 W9 Ś9 K9 U9 Ś W G

16 Poziom morza [cm] Świ r=.7 D=1.6 Poziom morza [cm] Koł r =.7 D= Poziom morza [cm] Ust r =.68 D=1.9 Poziom morza [cm] Wła r =.76 D=19.8 Poziom morza [cm] Poziom morza [cm] [dni] Hel r =.7 D=13. Bałt r =.83 D= Poziom morza [cm] Gda r =.71 D=13.9 Przebieg wahań poziomu morza erwowanego (OB) i elowanego (MOD) na polskich stacjach brzegowych w 199r oraz w Bałtyjsku 1994r

17 . a). b) sze r.ge ogr.n. 4. s ze r.ge ogr.n d³ug.geogr.e d³ug.geogr.e Pola temperatury wody powierzchniowej z 9 sierpnia 1996 a) erwowane b) elowane

18 . a). b) szer.geogr.n. 4. s ze r.ge ogr.n d³ug.geogr.e d³ug.geogr.e Pola temperatury wody powierzchniowej z 3 września 1996 a) erwowane b) elowane Tabela. Korelacja pól temperatury erwowanej na zdjęciach satelitarnych i elowanych Termin R

19 ZANIŻONE ZAWYŻONE Ś K U W H G 199 ZANIŻONE ZAWYŻONE T w B39 P P14 P63 R4 P1 P11 P116 P14 P11 NP ZN K Obciążenia bezwzględne symulacji wahań poziomu morza w roku 199 i oraz temperatury wody i zasolenia za okres Parametry Q m C B E rs E rc r r E R s T

20 a) 1.1 Współczynnik korelacji [Rs] 1. Bardzo dobry Bardzo dobry K_9 W_9 W_ Gd_9 U_9 Gd_ Ś_9 Ś_ Ś K U W Gd Całkowity błąd kwadratowy [Erc] b) Współczynnik korelacji [Rs] Temperatura wody Bardzo dobry Dobry Bardzo dobry Dobry B39 P P14 P63 R4 P1 P11 P116 P14 P11 NP ZN k c) Współczynnik korelacji [Rs] Zasolenie Bardzo dobry Dobry Bardzo dobry Dobry B39 P P14 P63 R4 P1 P11 P116 P14 P11 NP ZN k Całkowity błąd kwadratowy [Erc] Całkowity błąd kwadratowy [Erc] pecjalny współczynnik korelacji w funkcji całkowitego błędu kwadratowego a) dla poziomów morza b) temperatury wody c) zasolenia

21 el ProDeMo

22 - - Depth [m] Depth [m] a) erved -1 b) erved Distance [km] Distance [km] Depth [m] Depth [m] a) elled -1 b) elled erwowane i elowane rozkłady azotanów N-NO 3 w przekroju od ujścia Wisły do stacji P1 poprzez P11 i P116 a) 4 marca 199 b) 8 sierpnia 199

23 OB [g m -3 ] MOD [g m -3 ]..1. P1_NO 3 R=.8 D=.4 N=477 MOD [g m -3 ].1 P1_NH 4 R=.49 D=.3 N= MOD [g m -3 ].3. P1_PO 4.1 R=.8 D=.4 N= MOD [g m -3 ] P1_iO 4.3 R=.84 D=.31 N= MOD [g m -3 ] 1 6 P1_O R=.8 D=.9 N= MOD [ o C] 1 1 P1_T w R=.88 D=1.69 N= OB [ o C] Zależność pomiędzy wartościami erwowanymi (OB) i elowanymi (MOD) parametrów chemicznych i fizycznych w południowej części Bałtyku stacja: P1 w okresie (R współczynnik korelacji, D odchylenie standardowe, N liczba erwacji)

24 N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ] Depth [m] Feb -11 Depth [m] Apr -11 Depth [m] Aug -11 Depth [m] Nov -11 N-NH 4 [gm -3 ] Feb - N-NH 4 [gm -3 ] Apr - N-NH 4 [gm -3 ] Aug - N-NH 4 [gm -3 ] Nov P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ] Feb Apr Aug -3 1 Nov ezonowa zmienność (w roku ), pionowych rozkładów erwowanych (OB) i elowanych (MOD) parametrów fizyko-chemicznych wód Głębi Gdańskiej w punkcie P1: azotanów, amoniaku, fosforanów

25 NO 3 [gm 3 ].3 MOD..1. OB r =.69 D =.3 NH 4 [gm -3 ].9 MOD.6.3. OB r =.33 D =.6 PO 4 [gm -3 ].3.. MOD OB r =.64 D =.8 io 4 [gm -3 ] O [gm -3 ] Tw [ o C].4 MOD OB r =.7 D = MOD OB r =.79 D = 1.8 MOD OB r =.97 D = Przebieg powierzchniowej zmienności erwowanych i elowanych parametrów fizyko chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH4, fosforanów P-PO4, krzemianów i-io4, tlenu rozpuszczonego O-O, temperatury wody Tw na Głębi Gdańskiej (stacja P1) w okresie 1994

26 NO 3 [gm 3 ].3..1 MOD OB r =.18 D =.6. NH 4 [gm -3 ] MOD OB r =.16 D =.9 PO 4 [gm -3 ].3 MOD..1. OB r =.33 D =.61 io 4 [gm -3 ] O [gm -3 ] Tw [ o C] MOD OB r =.4 D =.469 MOD OB r =.3 D = MOD 16. OB r = -. D = Przebieg zmienności erwowanych i elowanych parametrów fizyko chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH 4, fosforanów P-PO 4, krzemianów i-io 4, tlenu rozpuszczonego O-O, temperatury wody T w na Głębi Gdańskiej (stacja P1 z = 1 m) w okresie 1994

27 zaniżone wartości zawyżone NO 3 O io 4 NO 3 N tot NH 4 O T O NH 4 T N tot T N tot O T N NH 4 PO tot io 4 P io io PO PO P tot 4 tot 4 PO P P 4 tot tot P1 P14 P Wszystkie punkty Punkty NH 4 NO 3 NO 3 PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4 Obciążenia bezwarunkowe elu obliczone dla zmiennych stanu elu ProDeMO dla okresu 1994-

28 a) 1..8 P1 b) P c) 1. R_współczynnik korelacji liniowej R _współczynnik determinacji E_współczynnik efektywności Nasha utcliffes'a C _obciążenie warunkowe B _obciążenie bezwarunkowe PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH d) 1. R_współczynnik korelacji liniowej R _współczynnik determinacji E_współczynnik efektywności Nasha utcliffes'a C _obciążenie warunkowe B _obciążenie bezwarunkowe PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4.8 P R_współczynnik korelacji liniowej R _współczynnik determinacji E_współczynnik efektywności Nasha utcliffes'a C _obciążenie warunkowe B _obciążenie bezwarunkowe PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH R_współczynnik korelacji liniowej R _współczynnik determinacji E_współczynnik Nasha utcliffes'a C _obciążenie warunkowe B _obciążenie bezwarunkowe Wszystkie stacje PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4 Współczynniki korelacji, determinacji i efektywności oraz obciążenia dla zmiennych stanu na stacjach: a) P1, b) P14, c) P, d) wszystkie stacje, w okresie 1994-

29 a) Współczynnik korelacji [Rs] Całkowity błąd kwadratowy [Erc] Bardzo dobry Dobry N tot io 4 T O PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4 P tot NO 3 PO 4 NH 4 Bardzo dobry Dobry b) Współczynnik korelacji [Rs] Całkowity błąd kwadratowy [Erc] O Bardzo dobry T Dobry N tot P tot PO 4 P tot PO 4 io 4 O T NO 3 N tot NH 4 NO 3 Bardzo dobry io 4 Dobry NH 4 c) Współczynnik korelacji [Rs] Bardzo dobry T Dobry O N tot io4 PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4 NO 3 PO 4 Bardzo dobry Dobry P tot NH 4 d) Współczynnik korelacji [Rs] P14P1 P P P1 Bardzo dobry Dobry P1 P P P1 P14 PO 4 P tot io 4 O T NO 3 N tot NH 4 P1 P1 P1 P P P P1 P P14 Bardzo dobry Dobry P Całkowity błąd kwadratowy [Erc] Całkowity błąd kwadratowy [Erc] pecjalne współczynniki korelacji w funkcji całkowitego błędu kwadratowego a) dla zmiennych stanu ze wszystkich pomiarów b) dla warstwy powierzchniowej c) dla warstwy przydennej d) dla punktów P1, P14, P z okresu 1994-

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

31 el ProDeMo elowane 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 elowane przebiegi soli biogenicznych w odniesieniu do związków azotowych były zawyżone, a dla fosforowych i krzemowych zaniżone. elowany tlen rozpuszczony wysoko korelował z wartościami pomierzonymi w górnych warstwach toni wodnej, jednak w przydennych nie symulował deficytów tlenu, które były erwowane. Wprowadzona metodyka oceny eli wskazała ich zalety oraz niedomagania Wskazane obciążenia elu korygowały wysokie korelacje pokazując efektywność związków pomiędzy wartościami elowanymi i erwowanymi. Zastosowane miary statystyczne pozwoliły na oceny każdej zmiennej stanu na dowolnym poziomie głębokości, dowolnej stacji oraz wszystkich zmiennych łącznie w całym akwenie.