Model ekohydrodynamiczny Morza Bałtyckiego

Transkrypt

1 UNIWERSYTET GDAŃSKI INSTYTUT OCEANOGRAFII ROLA UPWELLINGÓW W KSZTAŁTOWANIU PRODUKTYWNOŚCI BIOLOGICZNEJ WZDŁUŻ POLSKIEGO WYBRZEŻA MORZA BAŁTYCKIEGO RAPORT Projekt KBN 6 P04G Kerownk projektu: Mara Szymelfeng MAREK KOWALEWSKI, JAN JĘDRASIK, BOGDAN OŁDAKOWSKI Model ekohydrodynamczny Morza Bałtyckego GDYNIA 2002

2 Cytowane do celów bblografcznych: Kowalewsk M., Jędrask J., Ołdakowsk B., 2002, Model ekohydronamczny Morza Bałtyckego, [w:] Rola upwellngów w kształtowanu produktywnośc bologcznej wzdłuż polskego wybrzeża Morza Bałtyckego, Szymelfeng M. (red.), Raporty Instytutu Oceanograf Unwersytetu Gdańskego, Gdyna, 77 s.

3 Sps treśc WSTĘP OPIS ELU EL PRODEMO INTEGRACJA Z ELEM HYDRODYNAMICZNYM DANE WYKORZYSTANE DO SYMULACJI ELOWYCH METODYKA BADAŃ KALIBRACJA ELU MIARY STATYSTYCZNE ZASTOSOWANE DO WERYFIKACJI I WALIDACJI ELU WERYFIKACJA ELU PIONOWE ROZKŁADY ZMIENNYCH W UJĘCIU SEZONOWYM DLA OKRESU WERYFIKACJA ELU W PRZEKROJU GŁĘBOKOŚCIOWYM OD UJŚCIA WISŁY DO GŁĘBI GDAŃSKIEJ WERYFIKACJA ELU W UJĘCIU PRZESTRZENNYM WALIDACJA ELU PIONOWE ROZKŁADY ZMIENNYCH W UJĘCIU SEZONOWYM DLA OKRESU WALIDACJA ELU W UJĘCIU PRZESTRZENNYM STATYSTYCZNA CHARAKTERYSTYKA JAKOŚCI ELU WYNIKI SYMULACJI ELOWEJ DYSKUSJA WYNIKÓW I WNIOSKI...62 PODZIĘKOWANIA...65 BIBLIOGRAFIA...66 ZAŁĄCZNIK I...70 ZAŁĄCZNIK II...70 ZAŁĄCZNIK III. RÓWNANIA ELU FITOPLANKTON ZOOPLANKTON MINERALIZACJA WĘGLA, AZOTU, FOSFORU I KRZEMU WĘGIEL W DETRYTUSIE AZOT FOSFOR KRZEM TLEN ROZPUSZCZONY...77

4

5 Wstęp Modelowane matematyczne jest metodą badawczą pozwalającą na analzę loścową jakoścową procesów zachodzących w środowsku naturalnym. Modele matematyczne ekosystemów można wykorzystywać równeż jako narzędze prognostyczne pozwalające na ocenę wpływu ngerencj dzałalnośc człoweka, czy też na analzę przyszłych zman w ekosysteme zachodzących po wpływem czynnków zewnętrznych. Modelowane ekologczne obejmuje procesy fzyczne, chemczne bologczne w środowsku morskm oraz ch nterakcje (Nhoul, 1975; Jorgensen, 1988; Fransz n., 1991). Procesy fzyczne to neustanny, skomplkowany ruch wody opsany równanam przepływu pędu, masy energ. Procesy chemczne obejmują reakcje zwązków chemcznych w wodze osadze dennym oraz na ch styku, natomast procesy bologczne pokazują zachowane aktorów bologcznych na różnych pozomach trofcznych na scene fzyczno-chemcznej (Shuert Walsh, 1993). Modelowanem o charakterze ekologcznym zaczęto sę nteresować w latach dwudzestych ubegłego weku (Streeter Phelps, 1925), gdy ekologa ne artykułowała jeszcze zagrożeń tak wyraźne jak współcześne. Impulsem przyspeszającym rozwój metodolog badań było wzrastające zagrożene środowska morskego wskutek dopływu zaneczyszczeń oraz potrzeba rozumena funkcjonowana mechanzmu ekosystemu dla przewdzena kerunków oraz skutków jego transformacj. Fundamentalne opracowana metodologczne powstały w latach sedemdzesątych osemdzesątych (Nhoul, 1975; Jorgensen, 1988). Obecne modelowane ekologczne obejmuje szeroke spektrum zagadneń od krótkookresowych zakwtów ftoplanktonu do zman długookresowych oraz od badań lokalnych do rozległych akwenów morskch (Lauenroth n., 1983; Fransz n., 1991). Szczególnym przykładem było zastosowane modelowana opsującego obeg strumen bogencznych w strefe brzegowej. W strefe nterakcj oddzaływana lądu morza, modelowane cykl węgla, azotu fosforu jest konecznym wymogem wobec występujących problemów oraz celów do rozwązana stawanych w programe LOICZ (Gordon n., 1995). W latach 90-tych powstało wele prac ponerskch dotyczących modelowana ekosystemu Morza Północnego (Baretta n., 1995; Blackford Radford, 1995; Radach Lenhart, 1995; Varela n., 1995; Moll, 1997; Moll, 1998; Delhez, 1998; Hoch Garreau, 1998). Fransz (1991) dokonał przeglądu model zastosowanych w badanach tego akwenu. Jedna z najstotnejszych prac prezentuje model ERSEM (Barretta n., 1995), który opsuje dynamkę sezonowej zmennośc organzmów występujących na różnych pozomach trofcznych łańcucha pokarmowego, od bakter do ryb oraz zwązane z tym cykle obegu substancj bogencznych. Potrzeba głębszego rozumena procesów transformacj ekosystemu wynkała z zagrożeń środowska morskego różnych akwenów morskch np. Morza Śródzemnego (Levy n., 1998; Skrls n., 2001). Szczególne zanteresowane budzł welk defcyt tlenowy w Morzu Czarnym (Gregore n., 1998; Sokołowa n., 2001; Stanew n., 2001). Poza morzam strefy klmatów umarkowanych, modelowano procesy bogeochemczne w akwenach subpolarnych (Nhoul n., 1993; Shuert Walsh, 1993). W ostatnch dwu dekadach zaznaczyła sę tendencja łączena trójwymarowych model hydrodynamcznych z modelam ekosystemu środowska wód morskch (Nhoul, 1975; Fransz, n., 1991; Shuert Wals, 1993; Blackford Radford, 1995; Baretta n., 1995). Równeż Morze Bałtycke, jako akwen szczególne narażony na procesy eutrofzacj, było przedmotem szeregu prac badawczych z zakresu modelowana ekosystemu (Suursaar Astok, 1996; Savchuk Wulff, 1996; Tamsalu, 1996; Fennel Neumann, 1996; Elken, 1996; Jędrask, 1997; Ołdakowsk Renk, 1997; Marmefelt n., 2000; Fennel n., 2001). Jeszcze wcześnej pojawły sę prace opsujące wybrane aspekty ekosystemu z zastosowanem modelowana ekologcznego np. dotyczącego cyklu obegu azotu oraz warunków tlenowych w Bałtyku 5

6 Właścwym (Stgebrandt Wulff, 1987). Savchuk Wulff (1993) dokonal rozwnęca modelu opsującego nterakcje auto- heterotrofów w strefe pelagcznej. W pracy Semowskego Woźnaka (1995) zastosowano asymlację danych sateltarnych z Północnego Atlantyku Morza Bałtyckego do modelu ekologcznego. Adaptację modelu DELWAQ równeż dla Zatok Gdańskej przedstawł van der Vat (1994). Korzystając z danych obserwacyjnych na tym samym akwene Wtek n., (1993) porównal je z symulacją modelu Sjöberga. Wykazal także wpływ temperatury wody na tempo produkcj perwotnej na rozkład zooplanktonu. Slny wzrost dopływu zaneczyszczeń z lądu do wód Bałtyku, w szczególnośc do jego strefy brzegowej sprawł, że pojawały sę prace wskazujące na potrzebę rozwązywana tego problemu (Rybńsk n., 1969; Zedler, 1980; Renk, 1990). W celu poszukwana rozwązań organzowano konferencje sympozja pośwęcone zaneczyszczenom, odnowe wód oraz sposobom rozwązywana problemów środowska morskego (Błażejowsk Schuller, 1994; Sobol, 1995; Szymelfeng, 1997). W celu całoścowego zgłębonego rozpoznana problemu opracowano szereg monograf wybranych akwenów (Łomnewsk n., 1975; Majewsk Łazarenko, 1970; Majewsk, 1980; Korzenewsk, 1993). Pojawły sę także prace z modelowana ekosystemu wód strefy brzegowej w szczególnośc Zatok Gdańskej (Jędrask Kowalewsk, 1993; Ołdakowsk n., 1994). W wynku zastosowana trójwymarowego modelu hydrodynamcznego TRISULA w połączenu z modelem jakośc wody DELWAQ powstały prace dotyczące Zatok Gdańskej z warunkem wypromenowana na grancy otwartej (Van der Vat, 1994; Robakewcz Karelse, 1994). Borąc pod uwagę aktualny stan wedzy na temat modelowana ekologcznego można zauważyć, ż wększość klasycznych model ekologcznych przyjmuje, że zachowane ndywdualne wszystkch osobnków danej grupy funkcjonalnej (np. grupy ftoplanktonu) jest dentyczne, (np. wszystke reagują dentyczne na promenowane słoneczne). Grupy funkcjonalne są reprezentowane przez stężene chloroflu lub węgla organcznego. Na początku lat dzewęćdzesątych pojawł sę także nurt w modelowanu zakładający, że wszystke osobnk różną sę wymaram wekem oraz, że mogą wybrać własną drogę (Judson, 1994). Babovc Barreta (1996) badal wpływ dynamk procesów na lokalne sezonowe nterakcje trzech grup: ftoplanktonu, wszystkożernych drapeżnków. Celem nnejszej pracy jest przedstawene modelu opsującego dynamkę produkcj destrukcj mater organcznej (ProDeMo) z uwzględnenem obegu substancj bogencznych w Bałtyku. Model jest rozwnęcem prac: Ołdakowskego n., (1994), Ołdakowskego Renka (1997). Obecna wersja modelu parametryzuje podstawowe procesy przydenne mneralzację substancj bogencznych oraz przyjmuje klasyczne grupy funkcjonalne. Struktura modelu jest otwarta umożlwa dodawane kolejnych grup funkcjonalnych (np. ryb) lub ch podzał na podgrupy. Celem weryfkacj waldacj modelu było określene jego przydatnośc do modelowana bologcznych chemcznych procesów zachodzących w trakce trwana upwellngów w Bałtyku. Praca obejmuje ops algorytmu, warunk aplkacj oraz wynk modelu dla Morza Bałtyckego. Prezentowany model przeszedł kolejne stopne proceduralne modelowana: kalbrację, weryfkację waldację. Porównując symulacje wybranych zmennych stanu z obserwacjam wykonanym w latach , uzyskano zbór współczynnków kalbracyjnych potrzebnych do rozwązana równań opsujących procesy bogeochemczne. Etap weryfkacj obejmował sprawdzene spójnośc przyjętych założeń oraz zgodnośc modelu z prawem zachowana masy. Symulacje przeprowadzone dla lat potwerdzły stablność modelu w cyklu weloletnm. Waldacja modelu polegała na przeprowadzenu symulacj dla okresu porównanu jej wynków z pomaram. Otrzymana zgodność modelu z obserwacjam potwerdzła, ż jest on narzędzem pozwalającym na warygodne prognozy zachowań ekosystemu morskego w połudnowym Bałtyku. W dalszej częśc pracy przedstawono wybrane przebeg zmennośc czasowo-przestrzennej najważnejszych parametrów bologcznych chemcznych. Uzyskane rezultaty porównano z wynkam nnych badań modelowych na Bałtyku. 6

7 1. Ops modelu 1.1. Model ProDeMo Matematyczny model produkcj destrukcj mater organcznej (ProDeMo) opsuje podstawowe procesy bologczne chemczne zachodzące w ton wodnej. Model obejmuje 15 zmennych stanu (Załącznk I), które można podzelć na klka grup funkcyjnych: ftoplankton, zooplankton, sole bogenczne, martwa matera organczna (detrytus), tlen rozpuszczony oraz zwązk azotu, fosforu krzemu w osadze (Rys. 1). Ftoplankton obejmuje organzmy autotrofczne, które podzelono na dwe grupy: perwsza okrzemk, druga - pozostałe grupy ftoplanktonu. Zooplankton ogranczono do grupy organzmów żywących sę ftoplanktonem. ATMOSFERA SUBSTANCJE BIOGENICZNIE N-NO 3 N-NH 4 P-PO 4 S-SO 4 TLEN ROZPUSZCZONY DETRYTUS C DETR N DETR P DETR S DETR FITOPLANKTON okrzemk C:N:P:SI nne C:N:P ZOOPLANKTON zooplankton C:N:P WODA OSAD N SED P SED S SED Rys. 1. Schemat powązań pomędzy poszczególnym grupam funkcjonalnym w modelu ProDeMo Detrytus obejmuje całą martwą materę (martwy ftoplankton zooplankton oraz ekskrementy), które podlegają procesom mneralzacj. Neorganczne sole mneralne obejmują: azot azotanowy (N-NO 3 ), azot amonowy (N-NH 4 ), fosfor fosforanowy (P-PO 4 ) oraz krzem krzemanowy (S-SO 4 ). Neorganczne formy węgla ne zostały włączone w strukturę modelu ProDeMo, gdyż ne lmtują one wzrostu ftoplanktonu. Z tego też powodu w modelu ProDeMo uwzględnono tylko częścowy cykl obegu węgla, obejmujący ftoplankton, zooplankton detrytus. Cykle obegu dla azotu, fosforu krzemu są zamknęte z uwzględnenem wymany z osadem dennym atmosferą. Podobne w przypadku tlenu rozpuszczonego (O 2 ), blans masy obejmuje procesy zachodzące w ton wodnej, zużyce tlenu na mneralzację zwązków zawartych w osadze dennym, jak wymanę poprzez powerzchnę morza. 7

8 Procesy, które wpływają na zmanę stężeń poszczególnych zmennych stanu zostały sparametryzowane w postac odpowednch formuł matematycznych. W rezultace uzyskano zestaw równań zawerających 96 współczynnków, dla których wartośc ustalono w procese kalbracj (Załącznk II). Blans zman bomasy ftoplanktonu obejmuje procesy: wzrostu ftoplanktonu (w zależnośc od temperatury, ośwetlena), respracj, wyżerana przez zooplankton, obumerana oraz jego opadana. W przypadku zooplanktonu uwzględnono procesy asymlacj, respracj, ekskrekcj I obumerana. Cykl obegu azotu obejmuje: mneralzację, ntryfkację, dentryfkację pobór przez ftoplankton. Zmany stężeń fosforu opsane są poprzez procesy: mneralzacj, poboru przez ftoplankton oraz adsorpcj-desorpcj fosforu na zawesne. Cykl obegu krzemu obejmuje mneralzację pobór przez ftoplankton. Detrytus obejmuje cztery zmenne stanu opsujące stężena azotu, fosforu, krzemu węgla. Dla wszystkch zmennych uwzględnono take procesy jak: obumerane ftoplanktonu zooplanktonu, wydalane przez zooplankton, mneralzację oraz sedymentację. Blans tlenu obejmuje: reaerację, fotosyntezę, resprację fto- zooplanktonu, mneralzację, ntryfkację oraz dentryfkację. Ponadto model ProDeMo opsuje przenkane śwatła w głąb morza w zależnośc od koncentracj ftoplanktonu detrytusu. Kompletny zestaw formuł matematycznych opsujących wszystke uwzględnane procesy zawarty jest w załącznku III Integracja z modelem hydrodynamcznym Matematyczne sformułowane procesów bogeochemcznych zachodzących w morzu pozwala na połączene modelu ekologcznego hydrodynamcznego w celu uwzględnena procesów adwekcj dyfuzj (Vested n., 1996). Model ekologczny (ProDeMo) został połączony z trójwymarowym modelem hydrodynamcznym Morza Bałtyckego (Kowalewsk, 1997). Połączene obu model zostało zrealzowane poprzez rozwązane równana adwekcjdyfuzj w prostokątnym układze współrzędnych (x, y, z) dla dowolnej zmennej stanu (C ): C t C C C + ( uc ) + ( vc ) + ( wc ) = K H + K H + K Z + S( C ) x y z x x y y z z Składowe prędkośc przepływu: u, v, w oraz współczynnk pozomej ponowej dyfuzj masy K H K Z oblczano w modelu hydrodynamcznym. Bogeochemczne procesy, które powodują zmany stężeń poszczególnych zmennych stanu (C ) zostały zapsane w powyższym równanu jako funkcja źródeł S(C ). Rozwązane równana (1) polega na wyznaczenu lokalnej zmany stężena C w czase t, którą reprezentuje perwszy człon równana (1), a także pozwala na równoczesne uwzględnene zarówno procesów dyfuzj adwekcj, jak procesów bologcznych chemcznych zachodzących w ton wodnej. Model hydrodynamczny oparty jest na modelu Blumberga Mellora (1987) POM (Prnceton Ocean Model), a zmany koneczne do zastosowana go na obszarze Bałtyku zwązane były z modyfkacjam schematu numerycznego dla oblczeń adwekcj (Kowalewsk, 1997). Obszar, w którym wykonywano oblczena obejmował Morze Bałtycke wraz z ceśnnam duńskm. Pomędzy Kattegatem Skagerrakem usytuowano otwartą grancę, przez którą odbywała sę wymana wód z Morzem Północnym. Zastosowano radacyjny warunek brzegowy dla uśrednonych w pone przepływów, przy założenu stałego pozomu morza w Skagerraku. W sytuacj gdy chwlowa wartość wychylena powerzchn swobodnej jest wększa od przyjętej stałej wartośc następuje odpływ wód z Bałtyku proporcjonalny do różncy tych wartośc. W przypadku przecwnym, tzn. gdy pozom morza w Kattegace jest nższy napływ wód ze Skagerraku. Na grancy otwartej zastosowano stały warunek brzegowy dla zasolena, tzn. wody napływające do Bałtyku z Morza Północnego mają stały w czase rozkład ponowy zasolena. Natomast zasolene wód wypływających z Bałtyku jest zmenne w czase, tzn. przyjmowana jest wartość zasolena oblczona w węzłach satk sąsadujących z otwartą grancą. Dla temperatury zmennych stanu modelu ProDeMo, jako warunek brzegowy na otwartej grancy, przyjęto założene, ż gradent pozomy w kerunku normalnym do grancy jest równy zero. Oznacza to, 8 (1)

9 ż zarówno woda wypływająca z obszaru oblczeń, jak napływająca do nego, ma taką temperaturę lub wartość zmennej stanu, jaka została wylczona w wynku symulacj modelowej w poblżu otwartej grancy. R4 Zatoka Gdańska P1 Gdańsk NP ZN4 P104 P101 ZN2 Wsła P110 P116 K P39 P5 P140 P63 Morze Bałtycke Rys. 2. Modelowane obszary (Bałtyk oraz Zatoka Gdańska) z zaznaczonym stacjam obserwacyjnym przekrojem (lna przerywana) od ujśca Wsły do Głęb Gdańskej Model obejmuje dwa obszary o różnych krokach przestrzennych: Bałtyk, z krokem ok. 5 ml morskch oraz Zatokę Gdańską z krokem ok. 1 ml morskej (Rys. 2.). Oblczena w obu obszarach odbywają sę równolegle, a wymana nformacj na wspólnej grancy odbywa sę na każdym kroku czasowym. Wszystke zmenne modelu wylczone na grancy jednego obszaru służą jako warunek brzegowy dla drugego obszaru. Algorytm realzujący połączene zapewna zachowane masy energ. δ = 0 H δ =-1 Rys. 3. Podzał głębokośc (H) na warstwy w przypadku transformacj sgma W modelu zastosowano transformację sgma, co powoduje, ż w każdym punkce morza, profl ponowy nezależne od jego głębokośc, można podzelć na jednakową lczbę warstw (Rys. 3.). Pozwala to na lepsze odwzorowane przydennej warstwy przyścennej, a także 9

10 upraszcza numeryczny schemat oblczenowy. Z drugej jednak strony poszczególne warstwy ne są położone dokładne pozomo, co powoduje nedokładnośc przy oblczanu pozomych gradentów cśnena (Haney, 1991) dyfuzj pozomej, a to w konsekwencj prowadz do błędów oblczenowych. W celu zmnmalzowana tego typu błędów zastosowano technkę polegającą na odejmowanu uśrednonej obszarowo wartośc klmatycznej przed oblczenem gradentu pozomego danego parametru (Gary, 1973; Mellor n., 1994). Metoda ta ma charakter relaksacyjny, tzn. po długm okrese symulacj, w przypadku braku nnych czynnków, trójwymarowe pola zmennych stanu dążyłyby do swoch klmatycznych rozkładów. Zastosowano podzał na 18 warstw o nerównej grubośc. W celu lepszego odwzorowana powerzchnowej przydennej warstwy przyścennej przyjęto warstwy o mnejszej mąższośc nż pozostałe Dane wykorzystane do symulacj modelowych Symulacje modelowe przeprowadzono dla lat oraz Uwzględnono dopływy z 125 najwększych rzek wpadających do Morza Bałtyckego. Dla Wsły uwzględnono wartośc przepływu temperatury wody obserwowane codzenne oraz pomary stężeń: azotanów, amonaku, fosforanów, azotu całkowtego, fosforu całkowtego tlenu rozpuszczonego, które były wykonywane dwa razy w tygodnu, a wartośc dobowe pochodzły z nterpolacj. Dla pozostałych rzek przepływy temperatury wody dla każdego dna w roku są wylczane z szeregów trygonometrycznych opsujących sezonową zmenność odpływów rzecznych, a ustalonych na podstawe weloletnch danych (Cybersk, 1997). Stężena sol bogencznych oraz tlenu przyjęto jako stałe na podstawe dostępnych danych (Stalnacke, 1996). Dopływy zwązków azotu fosforu z atmosfery zostały oszacowane na podstawe lteratury (Falkowska, 1985) Strumene energ słonecznej były wylczane dla każdego kroku czasowego na podstawe danych astronomcznych (wysokość Słońca) oraz warunków meteorologcznych (Krężel, 1997). Pozostałe składnk blansu cepła na powerzchn morza zostały sparametryzowane (Jędrask, 1997) w oparcu o dane meteorologczne symulowaną temperaturę powerzchn morza. Dane meteorologczne: pole watru, temperatury powetrza, cśnene atmosferyczne prężność pary wodnej, pochodzły z mezoskalowego operacyjnego modelu pogody UMPL (Herman-Iżyck n., 2002). Warunk początkowe dla pól hydrologcznych przyjęto na podstawe klmatycznych rozkładów temperatury zasolena wód Morza Bałtyckego. Po uruchomenu modelu zmany temperatur zasolena kształtowały sę wyłączne w wynku oddzaływana zmennych w czase warunków meteorologcznych oraz dopływów rzecznych, ne dokonywano asymlacj danych hydrologcznych. 10

11 2. Metodyka badań Do kalbracj weryfkacj modelu wykorzystano sere obserwacyjne montorngu wód połudnowego Bałtyku prowadzonego w latach przez Instytut Meteorolog Gospodark Wodnej w Gdyn (Rys. 2). Pomary te dotyczyły poza parametram hydrologcznym temperatury zasolena wód morskch, stężeń zwązków sol bogencznych (azotanów N-NO 3, amonaku N-NH 4, azotu całkowtego N-N Tot, fosforanów P-PO 4, fosforu całkowtego P-P Tot, krzemanów S-SO 4 ) tlenu rozpuszczonego w wodze (O-O 2 ). Materał obserwacyjny obejmował akweny płytke głęboke, przybrzeżne na otwartym morzu oraz w poblżu ujść rzecznych. Dane z okresu wykorzystano do kalbracj weryfkacj modelu ProDeMo, natomast z okresu do jego waldacj Kalbracja modelu Kalbracja modelu polegała na porównywanu wynków symulacj z danym pomerzonym w okrese przy uwzględnenu warunków środowskowych (meteorologcznych, hydrologcznych dopływu ładunków substancj bogencznych z lądu atmosfery). Przyjmowano wartośc współczynnków, z którym rozwązywane równana dawały symulacje coraz blższe obserwacjom w zakrese odwzorowana sezonowych rozkładów substancj bogencznych, rocznego cyklu produkcj perwotnej rocznej zmennośc zooplanktonu. Proces kalbracj podzelono na dwa zasadncze etapy, perwszy oparty na modelu jednowymarowym (1D) zarówno hydrodynamcznym jak ekosystemowym, pozwalającym na szybką realzację oblczeń, drug z wykorzystanem modelu trójwymarowego (3D), który wymagał 60 godzn oblczeń dla symulacj okresu trzech lat. Do celów kalbracj zostały wykorzystane dane pomarowe udostępnone przez IMGW w Gdyn. Podstawową stacją pomarową w perwszym etape kalbracj była stacja P1 na Głęb Gdańskej, a dla symulacj trójwymarowej wykorzystano wele stacj obserwacyjnych w Zatoce Gdańskej oraz stacje: P140, P63, P5 na otwartych wodach Basenu Gdańskego Bornholmskego (Rys. 2). Parametram przyjętym do porównań były stężena: N-NO 3, N-NH 4, N-N tot, P-PO 4, P-P tot, O-O 2, S-SO 4 oraz temperatura wody, merzone na głębokoścach standardowych: 2.5 m, 7.5 m, 10 m, 15 m, 20 m, 30 m, 40 m, 50 m, 60 m, 70 m, 80 m, 90 m, 100 m, w odstępach mesęcznych podczas okresu wymenonych trzech lat. Rezultatem perwszego etapu kalbracj, w oparcu o model jednowymarowy, była analza czułośc współczynnków. Zmany mnmalnych optymalnych wartośc temperatury śwatła wpływały na czas wystąpena oraz ntensywność zakwtów ftoplanktonu, tempo wyczerpywana substancj bogencznych oraz welkość bomasy ftoplanktonu. Uwzględnene adwekcj dyfuzj horyzontalnej oraz dopływu rzecznego w modelu trójwymarowym zmenło stotne współczynnk uzyskane wskutek kalbracj w modelu jednowymarowym. Fnalne uzyskano tablcę współczynnków (Załącznk II) uzupełnających równana opsujące procesy bogeochemczne (Załącznk III) w wodach połudnowego Bałtyku Mary statystyczne zastosowane do weryfkacj waldacj modelu W celu oceny jakośc modelu określono szereg mar statystycznych takch jak: współczynnk korelacj, odchylena standardowe, obcążene modelu, średn całkowty błąd kwadratowy predykcj, współczynnk efektywnośc oraz specjalny współczynnk korelacj. Rezultaty porównań przedstawono w postac grafcznej tabelarycznej jako śwadectwo weryfkacj. Uzyskane parametry statystyczne pozwolły na weryfkację waldację modelu w aspekce sezonowej przestrzennej zmennośc symulowanych zmennych stanu opsujących stan środowska. Podstawowym welkoścam porównywanym są wartośc modelowane y obserwowane x. Różnce pomędzy nm określono jako błąd modelu: xy = y x (2) 11

12 Marą opartą na welkośc błędu jest średn błąd kwadratowy: E ( ) 2 rs = xy (3) Obcążene bezwzględne modelu wyrażono poprzez: Q m = xy = y x (4) Jest to welkość wymarowa, która pokazuje w jakm stopnu wartośc modelowane są zanżane lub zawyżane w stosunku do obserwowanych. Współczynnk korelacj jest loczynem standaryzowanych welkośc oblczonych obserwowanych: ( x x) ( x y) cov( x, y) r = = = S S S S x y x y xy x y S S x y gdze: x, wartość obserwowana zmennej stanu; y, wartość modelowana zmennej stanu; cov(x,y), kowarancja wartośc obserwowanych modelowanych; y, wartość średna modelowanej zmennej stanu; x, wartość średna obserwowanej zmennej stanu; 2 2 ( x x) ( y y) S x =, odchylene standardowe wartośc obserwowanych; S y =, N N odchylene standardowe wartośc modelowanych. Jeśl nanesemy na układ współrzędnych punkty zmennych modelowanych obserwowanych, to współczynnk korelacj lnowej będze wyrażał koncentrację punktów wokół prostej regresj. Jeśl jej nachylene wynos 45, to współczynnk korelacj reprezentuje efektywne tę zależność. W przecwnym przypadku, gdy mamy do czynena z systematycznym zanżanem lub zawyżanem wartośc modelowanych, dobrze jest zastosować mary wspomagające ocenę jakośc modelu, gdyż współczynnk korelacj ne jest wrażlwy na charakterystykę zwaną obcążenem modelu (Węglarczyk, 1998). Analza zwązku pomędzy średnm błędem kwadratowym współczynnkem korelacj pozwala na wykazane głębszej współzależnośc zmennych modelowanych obserwowanych. Średn błąd kwadratowy (3) można wyrazć jako (Węglarczyk, 1998) 2 2 ( xy ) = var( xy) + Q m Po rozpsanu na składnk oraz uwzględnenu formuły dla współczynnka korelacj (5), warancja w powyższym wyrażenu (6) przyjmuje postać: 1 2 var( xy) = Σ( y x) = N = Σ( y y) + Σ( x x) N N 2 2 N 2 Σ( y y) ( x x) = S 2 y 2rS S Jeżel powyższe wyrażene (7) wstawmy w mejsce warancj w wyrażenu (6), a następne 2 dodamy odejmemy r, to otrzymamy formułę składowych średnego błędu kwadratowego: 2 2 S 2 2 y Qm E rs = S x (1 r ) + r + (8) 2 S x S x x y + S 2 x (5) (6) (7) 12

13 Drug człon równana (8) opsujący współzależność mędzy błędem modelu jego symulacją, określmy jako obcążene warunkowe oznaczymy go poprzez C 2 C 2 S y = r S x 2 Z kole trzec człon równana (8) wyraża obcążene bezwarunkowe B 2 zdefnowane jako stosunek obcążena bezwzględnego do odchylena standardowego obserwacj: 2 2 Qm B = (10) 2 S x 2 Wyrażene (8) podzelone przez S x, przy zachowanu wprowadzonych oznaczeń (9, 10) z uwzględnenem wyrażena: E rs 1 = E S 2 (11) x oznacza współczynnk determnacj lub efektywnośc E, który otrzymal Nash Sutclff (Węglarczyk, 1998) w postac: E r C B = (12) Jeżel ne ma żadnych obcążeń, to jest on równy kwadratow współczynnka korelacj. Obcążena wynków modelu obnżają wartośc współczynnka efektywnośc, który wskazuje realne na charakter symulacj. W wynku analz symulacj obserwacj obecnego opracowana, uznano ten współczynnk jako przydatny do optymalzacj kalbracj modelu. Z kole relacja współczynnka korelacj z całkowtym błędem kwadratowym: Ers Erc = (13) x prowadz do współzależnośc tzw. specjalnego współczynnka korelacj R względem E : s rc (9) R s Erc = 1 (14) 2 S + x 2 x Współczynnk ten jest równy jednośc gdy średn błąd kwadratowy jest równy zero, a jego 2 wartość maleje ze wzrostem E rc. Jednak w przypadkach Erc > S x + x współczynnk R s ne może być stosowany z uwag na jego wartość ujemną. Współczynnk R s wyraża lepej dopasowane symulacj modelowych do obserwowanych nż całkowty błąd kwadratowy, poneważ manownk formuły (14) jest wększy nż manownk w (10), a współczynnk jest blższy jednośc nż błąd blższy zera. Jako marę dopasowana symulacj do wartośc bezpośredno merzonych n stu przyjęto współczynnk korelacj oraz odchylene standardowe różnc pomędzy wartoścam zmerzonym oblczonym. Dla uzupełnena analzy korelacj wyznaczono wskaźnk pomocncze obcążena modelu. Określena jakośc symulacj dokonano przy pomocy specjalnego współczynnka korelacj w funkcj całkowtego błędu kwadratowego. Uzyskane wynk z okresu posłużyły do weryfkacj modelu. Sere obserwacyjne z lat , które ne były wykorzystane do kalbracj, umożlwły jego waldację. Poza porównanam ponowych rozkładów symulowanych obserwowanych zmennych przedstawono ponowe rozkłady współczynnków korelacj pomędzy nm. Wykorzystując oblczone obcążena modelu 2 13

14 określono efektywne korelacje oraz specjalny współczynnk korelacj w zależnośc od całkowtego błędu kwadratowego. 14

15 3. Weryfkacja modelu Celem weryfkacj modelu było określene zależnośc pomędzy obserwacjam symulacjam wybranych zmennych: bomasy ftoplanktonu, stężeń azotu azotanowego [N-NO 3 ], azotu amonowego [N-NH 4 ], azotu całkowtego [N-N Tot ], fosforu fosforanowego [P-PO 4 ], fosforu całkowtego [P-P Tot ], krzemu krzemanowego [S-SO 4 ] oraz tlenu rozpuszczonego [O-O 2 ] w połudnowej częśc Morza Bałtyckego. Porównano wartośc modelowane zmerzone na standardowych pozomach głębokośc w wybranych punktach obserwacyjnych. Uzyskano w ten sposób mary statystyczne mówące o poprawnośc funkcjonowana modelu. Istotnych nformacj o jakośc modelu dostarcza analza zależnośc wartośc merzonych modelowanych (Rys. 4). Porównane wartośc pomerzonych oblczonych z okresów oraz dla trzech stacj obserwacyjnych P1, P140 P5 położonych w Zatoce Gdańskej, Basene Gdańskm Bornholmskm wykazało dodatne korelacje dla wszystkch zmennych, jednak o zróżncowanych wartoścach. Najwyższe współczynnk uzyskano dla temperatury wody ( ), stężeń tlenu rozpuszczonego ( ) oraz fosforu fosforanowego ( ). Nższe wartośc współczynnka korelacj odnotowano dla krzemanów: azotu azotanowego: , a najnższe wartośc otrzymano dla azotu amonowego: Przedstawone chmury punktów z prostym regresj dla wartośc modelowanych obserwowanych oraz obserwowanych względem modelowanych obrazują ch wzajemne zwązk (Rys. 4) Ponowe rozkłady zmennych w ujęcu sezonowym dla okresu Ponowe rozkłady wybranych parametrów oblczonych pomerzonych analzowano w przebegu sezonowym na przykładze stacj P1 w roku 1995 (Rys. 5a,b). W warstwe powerzchnowej do termoklny letnej modelowane stężena azotanów były zgodne z pomaram. Obserwacje w okrese letnm wskazały jednak na ch pełne wyczerpane aż do 60 m głębokośc natomast symulacje modelowe, jedyne do około 30 m (Rys. 5a). Oblczone rozkłady stężeń azotu amonowego w poszczególnych sezonach roku 1995 były zgodne z wartoścam pomerzonym. Stężena fosforu fosforanowego osągały wartośc zblżone do zmerzonych w okrese wosny lata w warstwe do 80 m, a w okrese późnej jesen do 60 m głębokośc (Rys. 5a). Podobne było w przypadku krzemu krzemanowego tlenu rozpuszczonego. W warstwe przydennej ponżej haloklny, oblczone wartośc stężeń krzemanów fosforanów były zanżone, a tlenu zawyżone wobec obserwowanych. Ponowe rozkłady temperatury wody wykazały dobrą zgodność z obserwacjam (Rys. 5b). Oblczone rozkłady stężeń azotu azotanowego podczas stratyfkacj letnch wykazały podobne przebeg zmennośc w poszczególnych latach (Rys. 6a). Symulacje modelowe wskazywały na znaczne płytsze wyczerpywane azotanów nż pokazywały to obserwacje. Według pomarów rzeczywste wyczerpane sęgało do 60 m głębokośc w punkce P1 do 50 m w punktach P140 P5. Rozkłady stężeń fosforu fosforanowego prezentowały dużą zgodność z pomaram, zwłaszcza do głębokośc haloklny 60 m (Rys. 6b). Wększe różnce występowały jedyne w warstwe przydennej. 15

16 P1_NO 3 R=0.58 SD=0.04 N= P140_NO 3 R=0.65 SD=0.034 N= P5_NO 3 R=0.64 SD=0.04 N= P1_NH 4 R=0.49 SD=0.03 N= P140_NH 4 R=0.29 SD=0.012 N= P5_NH 4 R=0.46 SD=0.02 N= P1_PO R=0.80 SD=0.04 N= P140_PO R=0.78 SD=0.02 N= P5_PO 4 R= SD=0.044 N= P1_SO 4 R= SD=0.31 N= P140_SO 4 R= SD=0.107 N= P5_SO 4 R= SD=0.39 N= P1_O 2 R=0.85 SD=2.95 N= P140_O 2 R=0.68 SD=1.94 N= P5_O 2 R=0.93 SD=1.72 N= [ o C] P1_T w R= SD=1.69 N= [ o C] P140_T w R= SD=1.69 N= [ o C] 10 P5_T w R= SD=1.75 N= [ o C] Rys. 4. Zależność pomędzy wartoścam obserwowanym () modelowanym () parametrów chemcznych fzycznych w połudnowej częśc Bałtyku (stacje: P1, P140, P5) w okrese (R współczynnk korelacj, SD odchylene standardowe, N lczba obserwacj) 16 15

17 N-NO 3 N-NH P-PO N-NO 3 N-NH P-PO N-NO 3 N-NH P-PO Rys. 5a. Zmenność sezonowa w roku 1995 ponowych rozkładów obserwowanych () modelowanych () parametrów chemcznych: azotanów, amonaku, fosforanów oraz krzemanów wód Głęb Gdańskej na stacj P Weryfkacja modelu w przekroju głębokoścowym od ujśca Wsły do Głęb Gdańskej Porównano przekroje od ujśca Wsły do Głęb Gdańskej (P1) dla stężeń azotu azotanowego, fosforu fosforanowego oraz tlenu rozpuszczonego w okrese wczesnej wosny lata (Rys.7, 8, 9). Rozkłady zmerzonych oblczonych stężeń azotu azotanowego w okrese wosennym (Rys. 8a) wykazały duże podobeństwo zarówno co do wartośc, jak przestrzennego ch rozkładu. W sąsedztwe ujśca Wsły występowały wysoke stężena, a ze wzrostem odległośc w kerunku stacj P1 malały osągając wartośc 0.1 g m -3. Podobne wystąpły lokalne wzrosty w warstwe przydennej w odległośc pomędzy 30 km, a 50 km od brzegu. W okrese letnm wystąpł w warstwe przydennej wyraźny lokalny wzrost stężeń azotu azotanowego poza ujścem Wsły (Rys. 7). W okrese wosennym pojawło sę znaczne zróżncowane horyzontalne, a w czase lata - stratyfkacja ponowa. Rezultat ten można określć jako zgodny z oczekwanem, potwerdzający prawdłowośc obserwowane w rejone Zatok Gdańskej (Trzosńska, 1990). Przekroje prezentujące stężena fosforu fosforanowego przedstawają duże ch gradenty ponowe ponżej haloklny oraz newelke zróżncowane w warstwe meszana, poza rejonem ujśca Wsły (Rys. 8). Przestrzenny rozkład stężeń tlenu rozpuszczonego (Rys. 9) wykazał podobeństwo do stratyfkacj termcznej wody. Wosną zaobserwować można jednorodną dobrze natlenoną warstwę górną sęgającą aż do haloklny oraz ubogą w tlen warstwę ponżej 17

18 haloklny. W czase lata zaznacza sę także oddzaływane stratyfkacj termcznej, zwązanej z występowanem termoklny (Rys. 9b). S-SO O-O T-T w S-SO O-O T-T w [ o C] S-SO O-O T-T w Rys. 5b. Zmenność sezonowa w roku 1995 ponowych rozkładów obserwowanych () modelowanych () parametrów fzycznych chemcznych: krzemanów, tlenu rozpuszczonego oraz temperatury wód Głęb Gdańskej na stacj P Weryfkacja modelu w ujęcu przestrzennym Dla zbadana jakośc symulacj w Zatoce Gdańskej określono współczynnk korelacj odchylena standardowe (Tab. 1) dla 10 stacj położonych (Rys. 2) w tym akwene. Zdecydowane najsłabej skorelowanym parametrem, poza głębokowodną stacją P116, był krzem krzemanowy. Wynk te wskazują, że na stacjach zlokalzowanych w blskej strefe brzegowej zwązk krzemu ne zostały dobrze opsane lub też różnce te wynkały z nedokładne oszacowanych wartośc dopływów krzemanów z lądu. Na stacjach (ZN2, K, NP) reprezentujących akweny płytsze położone w sąsedztwe ujśca Wsły wystąpły stosunkowo wysoke wartośc współczynnków korelacj, ponad 0.6 dla azotu amonowego oraz fosforu fosforanowego azotu azotanowego. Najwyższe wartośc współczynnków korelacj odnotowano w przypadku tlenu rozpuszczonego wynosły one od 0.64 do 0.84 (Tab. 1). Porównując wynk uzyskane w strefe przybrzeżnej Zatok Gdańskej (Tab. 1) z wartoścam współczynnków korelacj na stacjach głębokowodnych: P1, P140 P5 (Tab. 2) zauważono, że w akwenach oddalonych od brzegu występują wyższe wartośc. Zdecydowane wdoczne to było w przypadku krzemu krzemanowego, dla którego wartośc wzrosły od ujemnych na stacj P101 do 0.85 na Głęb Gdańskej (P1). Dla fosforu fosforanowego azotu azotanowego wartośc 18

19 współczynnków korelacj na stacjach położonych w Zatoce Gdańskej wykazały wększe zróżncowane nż w wodach otwartych. N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 N-NO N-NO 3 N-NO P P P5 Rys. 6a. Ponowe rozkłady azotu azotanowego N-NO3 obserwowanego modelowanego w serpnu w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) Uwzględnając wszystke stacje we wszystkch termnach w okrese dokonano porównań symulacj z obserwacjam na standardowych głębokoścach (Tab. 3). Prawdłowośc, które wystąpły cechuje spadek korelacj poczynając od powerzchn do dna dla wszystkch parametrów, a dla krzemu krzemanowego fosforu fosforanowego ogólnego wystąpły nawet wartośc ujemne. Warstwy od powerzchn do 20 m dla fosforu fosforanowego, do 50 m dla azotu azotanowego całkowtego oraz do 80 m dla tlenu rozpuszczonego, krzemu krzemanowego fosforu całkowtego, cechowały dość dobra korelacją powyżej 0.6. Wydaje sę, że pommo nezgodnośc w strefe brzegowej oraz w warstwach głębokch, model symulował wększość zmennych z zadawalającą zbeżnoścą z obserwacjam w okrese trzech lat. W szczególnośc tlen rozpuszczony fosfor całkowty, osągnęły dobrą zgodność wartośc oblczonych z pomerzonym w rozkładze ponowym. Przyjmując okres jako okres weryfkacyjny, należy stwerdzć, że dla podstawowych zmennych wartośc korelacj od 0.62 do 0.94 śwadczą o dobrej jakośc modelu. Uzyskane wynk korelacj neco słabsze dla azotu azotanowego, tlenu rozpuszczonego temperatury wody, a neznaczne wyższe dla fosforu fosforanowego krzemu krzemanowego potwerdzają pozytywne jakość kalbracj są pomyślnym testem dla modelu. Wynk ten śwadczy także o tym, że warunk środowskowe ne uległy stotnej zmane, a procesy przebegają regularne. 19

20 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 Rys. 6b. Ponowe rozkłady fosforu fosforanowego P-PO 4 obserwowanego modelowanego w serpnu w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) Tabela 1. Współczynnk korelacj odchylena standardowe wybranych zmennych stanu modelu ProDeMo na stacjach obserwacyjnych Zatok Gdańskej w okrese Stacja NO 3 NH 4 PO 4 S O 2 R SD R SD R SD R SD R SD Lczba obserwacj P P P P ZN * * ZN NP K * * R * * P *) gwazdką oznaczono sytuacje, w których ze względu na newelką lczbę pomarów ne oblczono parametrów statystycznych 20

21 a) 0 b) Odległość [km] Odległość [km] Odległość [m] a) 0 b) Rys. 7. Obserwowane () modelowane () rozkłady azotanów N-NO 3 w przekroju od ujśca Wsły do stacj P1 poprzez P110 P116: a) 4 marca 1995, b) 8 serpna a) 0 b) Odległość [km] Odległość [km] a) 0 b) Rys. 8. Obserwowane () modelowane () rozkłady fosforanów P-PO 4 w przekroju od ujśca Wsły do stacj P1 poprzez P110 P116: a) 4 marca, 1995 b) 8 serpna

22 a) Odległość [km] b) Odległość [km] b) 0 b) Rys. 9. Obserwowane () modelowane () rozkłady tlenu rozpuszczonego O-O 2 w przekroju od ujśca Wsły do stacj P1 poprzez P110 P116: a) 4 marca 1995, b) 8 serpna 1995 Tabela 2. Współczynnk korelacj odchylena standardowe wybranych zmennych stanu modelu ProDeMo na stacjach obserwacyjnych połudnowego Bałtyku w okrese Stacja NO 3 NH 4 N tot PO 4 P tot S O 2 Lczba R SD R SD R SD R SD R SD R SD R SD obserwacj P P P Tabela 3. Współczynnk korelacj odchylena standardowe wybranych zmennych stanu modelu ProDeMo na stacjach obserwacyjnych Zatok Gdańskej w okrese Z NO 3 NH 4 N tot PO 4 P tot S O 2 [m] R SD R SD R SD R SD R SD R SD R SD Lczba obserwacj

23 Oblczone współczynnk korelacj odchylena standardowe dla dwóch okresów: oraz (Tab. 3 4) na każdym pozome standardowej głębokośc wykazały różnce. W okrese perwszym przyjęto do oblczeń 13 stacj pomarowych (Tab. 3), w drugm tylko trzy (z uwag na dostępność materałów). Spośród parametrów symulowanych w perwszym okrese najlepej prezentowały sę tlen rozpuszczony, krzem fosfor całkowty. Pozostałe parametry mały dość wysoke korelacją jedyne w warstwe powerzchnowej (Tab. 3). W drugm okrese dobre korelacje osągnęły na głębokoścach standardowych tlen rozpuszczony do haloklny oraz fosfor fosforanowy azot azotanowy do termoklny (Tab. 4). Tabela 4. Współczynnk korelacj odchylena standardowe wybranych zmennych stanu modelu ProDeMo na stacjach obserwacyjnych połudnowego Bałtyku w okrese Stacja NO 3 NH 4 N tot PO 4 P tot S O 2 R SD R S R S R S R S R S r S Lczba obserwacj P P P Porównane dla tych okresów w odnesenu do stacj pomarowych, wskazuje na przestrzenne zróżncowane jakośc symulacj (Tab. 1, 2, 4). W perwszym okrese na stacj P1 dobrze koreluje symulacja tlenu rozpuszczonego, krzemu fosforu całkowtego (Tab. 2). Równeż dobre wynk uzyskano dla stacj P116 w odnesenu do azotu azotanowego, fosforu fosforanowego, krzemu krzemanowego tlenu rozpuszczonego. Na uwagę zasługuje także stacja K, wykazująca wysoką korelację dla azotu azotanowego, fosforu fosforanowego tlenu rozpuszczonego (Tab. 1). Spośród stacj otwartego morza wysoke współczynnk wystąpły dla stacj P5 (Basen Bornholmsk) w odnesenu do fosforu całkowtego, krzemu krzemowego tlenu rozpuszczonego. Stacje położone w zachodnej częśc Zatok Gdańskej ne wykazały wysokch współczynnków korelacj. Lepsze wartośc uzyskano na stacjach K ZN4 (Rys. 2), które są położone wzdłuż Merze Wślanej Merze Helskej (Tab.1). 23

24 4. Waldacja modelu 4.1. Ponowe rozkłady zmennych w ujęcu sezonowym dla okresu Waldacja modelu polegała na przeprowadzenu porównana wynków modelu z pomaram dla okresu Dane z tego okresu ne były wykorzystane do kalbracj modelu, a celem waldacj było sprawdzene, czy dla nowego okresu ne nastąp obnżene jakośc symulacj. Pomary w roku 2000 obejmowały wszystke sezony. Modelowane wartośc azotu azotanowego były zawyżone, podczas gdy rozkład kwetnowy wykazał dużą zgodność symulacj z wartoścam zmerzonym (Rys. 10a). Ponowe rozkłady stężeń azotu amonowego na wosnę do głębokośc 80 m należy uznać za poprawne, w zme symulacje były zawyżone, a w sezone letnm ponżej 30 m głębokośc zanżone. Symulacje fosforu fosforanowego, N-NO 3 N-NH P-PO N-NO 3 N-NH P-PO N-NO 3 N-NH P-PO 4 obs mod N-NO 3 N-NH 4 P-PO Rys. 10a. Zmenność sezonowa w roku 2000 ponowych rozkładów obserwowanych () modelowanych () parametrów chemcznych: azotanów, amonaku, fosforanów wód Głęb Gdańskej na stacj P1 24

25 podobne jak w roku 1995, do głębokośc 70 m (haloklny) są opsane dobrze, a ponżej nej późną jeseną (21 lstopada 2000) - zanżone (Rys. 10a). Modelowane wartośc krzemu krzemanowego dla okresu zmowego wykazały zbeżność z obserwacjam do głębokośc 80 m, jednak w pozostałych okresach były zanżone, w szczególnośc w warstwach przydennych. Spośród rozkładów tlenu rozpuszczonego najlepej opsany jest profl późnojesenny, a termka wód poza letnm uwarstwenem naśladuje pomary (Rys. 10b). S-SO 4 O-O 2 T-Tw [ o C] S-SO 4 O-O 2 [gm -3 ] T-Tw [ o C] S-SO 4 O-O 2 [gm -3 ] T-Tw [ o C] S-SO 4 O-O 2 [gm -3 ] T-Tw [ o C] Rys. 10b. Zmenność sezonowa w roku 2000 ponowych rozkładów obserwowanych () modelowanych () parametrów fzycznych chemcznych: krzemanów, tlenu rozpuszczonego oraz temperatury wody wód Głęb Gdańskej na stacj P1 Porównane ponowych rozkładów stężeń azotanów na trzech stacjach P1, P140 P5 reprezentujących Zatokę Gdańską, Basen Gdańsk Basen Bornholmsk, w ujęcu sezonowym roku 1999, wykazało najlepsze odwzorowane dla wosny (Rys. 11a), brak wyczerpana do 60 m w sezone letnm oraz zawyżone wartośc w górnej warstwe zohalnowej, a zanżone ponżej haloklny. Identyczne rozkłady w czase dla stężeń fosforu fosforanowego potwerdzły bardzo 25

26 N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO 3 głębokość [m] P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO 3 głębokość [m] P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO 3 głębokość [m] P P P5 Rys. 11a. Zmenność sezonowa w roku 1999 ponowych rozkładów azotanów obserwowanych () modelowanych () w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) dobrą symulację do 60 m głębokośc oraz sygnalzowane w latach jego zanżone wartośc przy dne (Rys. 11b). Jako trzec parametr w ujęcu sezonowej zmennośc przyjęto tlen rozpuszczony, którego modelowane rozkłady zmowe (8 9 luty 1999) do 70 m znakomce zgadzały sę z pomerzonym, a na stacjach P140 P5 zgodność ta wystąpła nemal do dna (Rys. 11c). Bardzo duże podobeństwo wartośc modelowanych z obserwowanym wystąpło w pozostałych sezonach dla tych stacj. Generalne, ponowe rozkłady tlenu rozpuszczonego w każdym okrese charakteryzowały sę dużą zgodnoścą z pomaram spośród wszystkch parametrów były modelowane najlepej. 26

27 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO 4 Głęokość [m] P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO P P P5 Rys. 11b. Zmenność sezonowa w roku 1999 ponowych rozkładów fosforanów obserwowanych () modelowanych () w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) 27

28 O-O O-O O-O P P P5 O-O O-O O-O P P P5 O-O O-O O-O P P P5 O-O O-O O-O P P P5 Rys. 11c. Zmenność sezonowa w roku 1999 ponowych rozkładów tlenu rozpuszczonego obserwowanych () modelowanych () w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) 28

29 Przeanalzowano ponowe rozkłady azotu azotanowego fosforu fosforanowego podczas sezonów letnch w okrese (Rys. 12a, b). Wartośc azotu azotanowego na stacj P1 były dobrze odwzorowane aż do haloklny. Wyczerpane ch wystąpło w obydwu okresach. W perwszym okrese zawartośc azotu azotanowego podczas lata były wyraźne zawyżone (Rys. 6a). Generalne, rozkłady azotu azotanowego okrese do haloklny były dość dobrze symulowane na każdej stacj, natomast w okrese były zawyżone. Dla stacj P140 P5 w roku modelowane wartośc azotu azotanowego w górnej warstwe do termoklny odpowadały pomerzonym (Rys. 6). Ponowe letne rozkłady stężeń fosforanów w okrese reprezentują tę samą cechę ponżej termoklny występuje wyraźne zanżene wartośc (Rys. 12b). W okrese tym modelowane rozkłady były zadowalające w porównanach z pomaram. N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 N-NO 3 N-NO 3 N-NO P P P5 Rys. 12a. Zmenność w serpnu wrześnu ponowych rozkładów azotanów obserwowanych () modelowanych () w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) 29

30 P-PO 4 P-PO 4 P-PO 4 głębokość [m] P P P5 P-PO 4 P-PO 4 P-PO 4 głębokość [m] P P P5 P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 P-PO 4 głębokość [m] P P P5 Rys. 12b. Zmenność w serpnu wrześnu ponowych rozkładów fosforanów obserwowanych () modelowanych () w Basene Gdańskm (stacje P1 P140) oraz Bornholmskm (stacja P5) 4.2. Waldacja modelu w ujęcu przestrzennym Dla posadanych obserwacj z okresu dla punktów P1, P140 P5 dokonano oblczeń korelacj odchyleń standardowych (Tab. 5). Na tych głębokowodnych stacjach wystąpły wysoke zwązk korelacyjne. Najnższe wartośc współczynnków korelacj, ponżej 0.2 dotyczyły azotu całkowtego. Stwerdzono, że w welu przypadkach np. tlenu azotu azotanowego ze wzrostem współczynnka korelacj malały odchylena standardowe taka zależność była oczekwana. Ne uzyskano jej jednak dla pozostałych zmennych. Rezultat ten poddano analze statystycznej obcążeń, które wyjaśnają tę nezgodność. Analza podobeństwa symulacj obserwacj na głębokoścach standardowych (Tab. 5) wykazała, że dla azotu azotanowego fosforu fosforanowego tlenu rozpuszczonego korelacja maleje w kerunku od powerzchn do dna. Dla krzemu krzemanowego azotu amonowego na głębokośc haloklny zanotowano lepszą zgodność w porównanu z pozostałym pozomam głębokośc. Brak korelacj wystąpł dla azotu amonowego, azotu całkowtego fosforu fosforanowego w warstwach powerzchnowych. 30