System SatBałtyk - kompleksowe narzędzie do badania i monitorowania Morza Bałtyckiego

Transkrypt

1 System SatBałtyk - kompleksowe narzędzie do badania i monitorowania Morza Bałtyckiego Mirosława Ostrowska, Mirosław Darecki, Adam Krężel, Dariusz Ficek, Kazimierz Furmańczyk, Marek Kowalewski, Jerzy Dera

2 GENEZA I PODSTAWY NAUKOWE SYSTEMU SATBAŁTYK Charakterystyki Morza Bałtyckiego 8 maja 2001 a) powierzchniowe oświetlenie PAR b) temperatura powierzchni morza c) powierzchniowa koncentracja chlorofilu a d) mapa całkowitej produkcji pierwotnej Woźniak B., Krężel A., Dera J., 2004, Development of a satellite method for Baltic ecosystem monitoring (DESAMBEM) - an ongoing project in Poland, Oceanologia, 46(3),

3 Metody teledetekcyjne opierają się na analizie wielu podstawowych procesów fizycznych algorytm DESAMBEM MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODELE KOLORU MORZA MODEL ŚWIATŁO - MORSKA FOTOSYNTEZA DESAMBEM DEvelopment of a SAtelite Method for Baltic Ecosystem Monitoring Projekt Badawczy Zamawiany BADANIE I OPRACOWANIE SYSTEMU SATELITARNEJ KONTROLI EKOSYSTEMU BAŁTYKU PBZ-KBN 056/P04/ Lider i kierownik naukowy: prof. dr hab. Bogdan Woźniak Koordynacja: Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk, Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego, Akademia Pomorska w Słupsku, Morski Instytut Rybacki

4 Wymiana energii między morzem i atmosferą PROMIENIOWANIE SŁONECZNE DOCHODZĄCE DO ATMOSFERY Promieniowanie skierowane Rozproszone do góry Promieniowanie rozproszone w atmosferze Promieniowanie zaabsorbowane w atmosferze Rozproszone w dół Całkowite promieniowanie dochodzące do powierzchni morza Promieniowanie wchodzące do toni wodnej Promieniowanie zaabsorbowane w morzu Zaabsorbowane przez wodę Odbite od powierzchni morza Rozproszone do góry przez wodę Zaabsorbowane przez pigmenty fitoplanktonu algorytm DESAMBEM MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODELE KOLORU MORZA MODEL ŚWIATŁO - MORSKA FOTOSYNTEZA Zaabsorbowane przez pozostałe składniki wody morskiej

5 KONSORCJUM SATBAŁTYK Satelitarna Kontrola Środowiska Morza Bałtyckiego Konsorcjum SatBałtyk kierownik projektu: prof. B. Woźniak od dr hab. M. Ostrowska Instytut Oceanologii PAN, Sopot (koordynator) odpowiedzialny: dr hab. Mirosław Darecki badania naukowe, uruchomienie, weryfikacja i praktyczne wykorzystanie Systemu SatBałtyk Instytut Oceanografii Uniwersytet Gdański odpowiedzialny: prof. Adam Krężel algorytmy wyznaczania pól fizycznych Instytut Fizyki Akademia Pomorska w Słupsku odpowiedzialny: dr hab. Dariusz Ficek algorytmy wyznaczania produkcji pierwotnej i bilansu promieniowania morza Instytut Nauk o Morzu Uniwersytet Szczeciński odpowiedzialny: prof. Kazimierz Furmańczyk procesy zachodzące w strefie brzegowej

6

7 Podstawowe funkcjonalności Systemu SatBałtyk Podstawowe funkcjonalności systemu na przykładzie mapy obrazującej bilans promieniowania radiacyjnego na powierzchni Bałtyku ( )

8 Podstawowe funkcjonalności Systemu SatBałtyk przybliżenie dowolnego obszaru i odczyt wartości bezwzględnych dla każdego piksela Bilans promieniowania radiacyjnego na powierzchni Bałtyku ( )

9 Podstawowe funkcjonalności Systemu SatBałtyk wykres w czasie wartości wybranych parametrów Bilans promieniowania radiacyjnego na powierzchni Bałtyku ( )

10 Schemat blokowy Systemu SatBałtyk

11 Schemat systemu SatBałtyk-Brzegi (patrz prezentacja Marka Kowalewskiego)

12 Modele prognostyczne referat Marka Kowalewskiego

13 Prognozy w Systemie SatBałtyk (prędkość i kierunek prądu, parametry falowania, skutki sztormów, zlodzenie...) Więcej: patrz referat Marka Kowalewskiego

14 Elementy Systemu SatBałtyk Dane Satelitarne referat Mirka Dareckiego Aqua, Aura, Cryosat-2, DMSP,F16-F20, Meteosat 10, Meteosat 9, Metop-A, Metop- B, NOAA 16-19, Oceansat-2, SARAL, Sentinel 1A, Terra

15 Infrastuktura badawcza Systemu SatBałtyk

16 Infrastuktura badawcza - Stacje Brzegowe

17 Infrastuktura badawcza - Stacje Brzegowe indeks UV, Sopot, czerwiec 2017

18 Zestawienie pomiarów meteorologicznych i aktynometrycznych wykonywanych na poszczególnych stacjach brzegowych

19 Infrastruktura badawcza boje i platformy pomiarowe Platforma Baltic Beta E, 'N Wyposażenie Piranometr CMP11 (Kipp & Zonnen) Pyrgeometr CGR4 (Kipp & Zonnen) Pyrgeometr CGR3 (Kipp & Zonnen) Stacja Meteorologiczna WXT 520 (Väisälä) Mierzone wielkości Oświetlenie odgórne krótkofalowe (zakres nm) Oświetlenie odgórne długofalowe Oświetlenie oddolne długofalowe Temperatura powietrza Prędkość i kierunek wiatru Ciśnienie atmosferyczne Wilgotność względna Ponad rekordów (co 5 min) od sierpnia

20 Infrastruktura badawcza boje i platformy pomiarowe Boja pomiarowa SatBałtyk (Zatoka Gdańska) 'E, ' N Wyposażenie (atmosfera) Stacja Meteorologiczna Väisälä MAWS420 Piranometr CMP6 (Kipp and Zonnen) Pyrgeometr CGR4 (Kipp & Zonnen) Satlantic HOCR - Es Mierzone wielkości (atmosfera) Oświetlenie odgórne krótkofalowe (w zakresie nm) Temperatura powietrza Prędkość i kierunek wiatru Ciśnienie atmosferyczne Wilgotność względna 20

21 Infrastruktura badawcza boje i platformy pomiarowe Boja pomiarowa SatBałtyk (Zatoka Gdańska) 'E, 'N Wyposażenie (morze) WQM (WetLabs) Satlantic SUNA Fluorymetr ECO-CDOM (WetLabs) Hyperspektralny spektrofotometr acs (Wet Labs) Hypespektralny radiometr do radiacji oddolnej Satlantic (HOCR L u, E d ) Sonda STD SeaBird SBE37 Mierzone wielkości na głębokości 0, 1 i 5 m Temperatura wody morskiej Zasolenie Stężenie rozpuszczonego w wodzie tlenu Koncentracja chlorofilu a Fluorescencja światła przez chromoforowe rozpuszczone związki organiczne Współczynniki osłabiania i absorpcji wiązki światła Strumienie odgórnego i oddolnego oświetlenia podwodnego 21

22 Przykładowe wyniki badań: Zmiany wartości zasolenia na tle kierunków i prędkości prądów od 10 do 17 lipca 2016 wartości zasolenia odczytane z map w Systemie SatBałtyk są zgodne z pomiarami in situ Dane z Boi SatBałtyk można przeanalizować zmiany wartości zasolenia wywołane zmianą kierunku i prędkości prądów

23 Elementy Zbierania danych Systemu SatBałtyk Program Agro Polska

24 Argo Polska w Systemie SatBałtyk

25 Argo Polska w Systemie SatBałtyk Dane z pływaków ARGO są cennym źródłem do weryfikacji wartości parametrów wyznaczanych za pomocą systemu SatBałtyk

26 Infrastruktura badawcza statki badawcze Urządzenia Piranometr CMP11 i CNR4 (Kipp & Zonnen) Pyrgeometr CGR4 (Kipp & Zonnen) Stacja Meteorologiczna Aethalometer, nethelometer r/v Oceania pomiary w atmosferze Mierzone wielkości Oświetlenie odgórne krótkofalowe (zakres nm) PAR (zakres nm) Oświetlenie odgórne długofalowe Oświetlenie oddolne długofalowe Temperatura powietrza Prędkość i kierunek wiatru Ciśnienie atmosferyczne Wilgotność względna Współczynniki rozpraszania i absorpcji aerozoli atmosferycznych 26

27 Infrastruktura badawcza statki badawcze r/v Oceania - pomiary w wodzie Wyposażenie sonda CTD wielokanałowy system mierników radiacji i oświetlenia C-OPS radiometry hyperspektralne Ramses (TriOS), mierniki oświetlenia wektorowego, skalarnego i radiacji, mierzących charakterystyki światła z wysoka rozdzielczością widmowąa (praktycznie widmo ciągle w zakresie od 320 do 950nm). zintegrowana Sonda Optyczno Hydrologiczna: wielokanałowy miernik absorpcji i osłabiana AC-9, miernik rozkładu rozmiarów zawiesiny w wodzie morskiej Lisst-100X, sonda STD SeaBird SB-47 i fluorymetr TRIOS MicrFlu_CDOM fluorymetr fluoroprobe Moldaenke bbe Mierzone wielkości temperatura, zasolenie oświetlenie i radiacja podwodna (oddolna i odgórna, skalarna i wektorowa) w 19 kanałach spektralnych od 305 do 765 nm profile oświetlenie odgórnego i radiacji oddolnej współczynniki absorpcji i osłabiania przez substancje zawieszone w toni w 9 kanałach spektralnych fluorescencja chlorofilu a i CDOM fluorescencja grup taksonomicznych fitoplanktonu r/v Oceania Przykładowe transekty zintegrowana Sonda Hyperspectral - Ramses, Optyczno Hydrologiczna Trios C-OPS C-OPS FluoroProbe bbe Moldaenke 27

28 Przykładowe wyniki badań r/v Oceania Powierzchniowy rozkład rozmiarów cząstek o rozmiarach odpowiadających klasom pico- nano- i mikroplanktonu wzdłuż transektu Bałtyk Skagerrak, (LISST)

29 Przykładowe wyniki badań r/v Oceania 4 VCmikro 3 VCpico VCnano Volume Conc. [ul/l] Jun 14, 18:00 Jun 15, 00:00 Jun 15, 06:00 Jun 15, 12:00 Jun 15, 18:00 Time light scatterintg coeff. 532 nm [1/m] bp(532nm) ap(676nm) Jun 14, 18:00 Jun 15, 00:00 Jun 15, 06:00 Jun 15, 12:00 Jun 15, 18:00 Time 2016 light absorption coeff. 676 nm [1/m] Zmienność wybranych parametrów wzdłuż transektu przez Cieśniny Duńskie z Morza Bałtyckiego do Morza Północnego

30 Infrastruktura badawcza r/v Oceania r/v Oceanograf-2 Parametry mierzone laboratoryjnie: współczynniki absorpcji światła przez cząstki a p (λ), fitoplankton a ph (λ), detrytus a nap (λ), chromoforowe związki rozpuszczone a CDOM (λ) stężenie barwników w komórkach fitoplanktonu: chlorofili, karotenoidów i fikobilin stężenie masowe zawiesin (SPM), frakcji organicznej SPM org i nieorganicznej SPM inorg produkcja pierwotna na głębokościach: 0,1,2,3,5,7,10,15,20,30m w czasie ekspozycji rozkład rozmiarów cząstek zawieszonych w wodzie określany metodą konduktometryczną stężenie cząsteczkowego węgla organicznego w próbkach (POC) stężenie soli biogenicznych: azotanów, azotynów, jonów amonowych, fosforanów, krzemianów skład taksonomiczny fitoplanktonu, liczebność, bioobjętość, biomasa glonów stężenia toksyn licznik Coultera Multisizer 4 chromatograf cieczowy Agilent HP1200 do 2015 UV/VIS spektrofotometr LAMBDA 650 Spektrofluorymetr Cary Eclipse 30

31 Zastosowanie i kierunki rozwoju Systemu SatBałtyk jako taniej i efektywnej metody oceny parametrów stanu środowiska morskiego, wspomagającej podejmowanie decyzji w zakresie gospodarowania w Bałtyku i u jego brzegów Podsystemy diagnostyczne dedykowane indywidualnym potrzebom kontroli określonych parametrów i cech środowiska w rejonach chronionych, wytypowanych jako podlegające systematycznej kontroli lub planowanych do działań inwestycyjnych Monitorowanie w wybranych akwenach i na obszarze całego Bałtyku bilansu energii oraz produkcji pierwotnej materii organicznej i uwalniania tlenu, które są podstawą funkcjonowania tych ekosystemów i wskaźnikiem stopnia eutrofizacji wód oraz ich zdolności do samooczyszczania Kontrolowanie mezoskalowych zjawisk hydrodynamicznych, termicznych (w tym zalodzenia akwenów) i niektórych zanieczyszczeń wód, warunkujących te procesy Monitorowanie odcinków brzegu pod kątem oceny zagrożeń związanych z lokalizacją, funkcjonowaniem i bezpieczeństwem różnych obiektów oraz ich wpływu na środowisko naturalne Obejmowanie wybranych obszarów specjalistycznym monitoringiem środowiskowym dostosowanym do indywidualnych potrzeb planowanych, realizowanych bądź istniejących inwestycji Adaptacja i rozwój możliwości systemu w kierunkach potrzeb rynku (np. wykorzystania odnawialnych form energii takich jak falowanie, promieniowanie słoneczne, prądy morskie)

32 Przykład analiz obejmujących cały obszar Morza Bałtyckiego wykonanych na podstawie danych zaczerpniętych z systemu SatBałtyk Średnie, przypowierzchniowe stężenie chlorofilu a w okresie wegetacyjnym (od 01 marca do 31 października 2013)

33 Polska Strategia Kosmiczna UCHWAŁA RADY MINISTRÓW z dnia 26 stycznia 2017 r.... wskazane jest bliższe rozpoznanie barier prawnych spowalniających lub uniemożliwiających wsparcie wykonywania zadań administracji monitoringiem satelitarnym. Problemem bywa brak chęci sięgnięcia po nowe metody realizacji bądź wsparcia wykonywania zadań statutowych służb i urzędów, jeśli nie są dopuszczone lub wymagane prawnie. Monitoring satelitarny wprowadzono jako obligatoryjne źródło informacji lub dopuszczono jako dobrą praktykę w szeregu przypadków, w tym m.in. w systemie wsparcia publicznego, z jakiego mogą korzystać producenci rolni w ramach Wspólnej Polityki Rolnej. Opracowane przez europejskie jednostki naukowe metody monitoringu satelitarnego są na podstawie europejskich wymagań stosowane także w Polsce. Przygotowywany obecnie Kodeks urbanistyczny budowlany wśród źródeł danych referencyjnych do prowadzenia monitorowania zagospodarowania przestrzennego wskazuje m.in. systemy satelitarnej obserwacji Ziemi. Należy jednak zauważyć, że obowiązujące prawo międzynarodowe i europejskie z zakresu ochrony środowiska nie uwzględnia możliwości stosowania technik satelitarnych jako obligatoryjnego źródła danych w procesie monitorowania i sprawozdawania mogą one być stosowane jedynie w charakterze pomocniczym.

34 Polska Strategia Kosmiczna UCHWAŁA RADY MINISTRÓW z dnia 26 stycznia 2017 r. Aby dane mogły być wykorzystywane do procesu monitorowania, powinny spełniać następujące zasady: kompletności (przekazywane dane muszą mieć charakter kompleksowy), spójności (dane muszą być porównywalne w określonych okresach czasowych), przejrzystości (musi być otwarty dostęp do przekazywanych danych), dokładności (dane muszą spełniać określoną dokładność, wielkość błędu musi być określona i ograniczona, a wszystkie urządzenia pomiarowe związane z monitorowaniem powinny być skalibrowane poddane weryfikacji). Wszystkie te zasady mają umożliwić porównywalność danych i mają na celu standaryzację procesu monitorowania Informacje w Systemie SatBałtyk spełniają wszystkie powyższe warunki!