Badanie i modelowanie procesów zachodzących w środowisku morskim w kontekście operacyjnego Systemu SatBałtyk

Transkrypt

1 Badanie i modelowanie procesów zachodzących w środowisku morskim w kontekście operacyjnego Systemu SatBałtyk Mirosława Ostrowska, Mirosław Darecki, Adam Krężel, Dariusz Ficek, Roman Majchrowski, Tomasz Zapadka, Joanna Stoń-Egiert, Sławomir Sagan, Sławomir Woźniak, Marek Kowalewski

2 Cel naukowy rozszerzenie wiedzy o zjawiskach i procesach przenoszenia materii i energii zachodzących w systemie atmosfera - morze - strefa brzegowa, niezbędnych do tworzenia, modyfikacji i kalibracji algorytmów wykorzystywanych do skutecznego monitoringu satelitarnego i modelowania tych procesów 1. Rozwój istniejących zależności i modeli oraz ocena zakresu ich stosowalności w Morzu Bałtyckim 2. Rozszerzenie listy charakterystyk możliwych do określania w trybie operacyjnym na podstawie dostępnych strumieni danych i informacji pochodzących z różnych źródeł

3 Rozszerzenie zakresu informacji i liczby charakterystyk PROMIENIOWANIE SŁONECZNE DOCHODZĄCE DO ATMOSFERY Rozproszone do góry Promieniowanie rozproszone w atmosferze Całkowita energia zaabsorbowana i wyemitowana przez atmosferę Promieniowanie skierowane Promieniowanie zaabsorbowane w atmosferze Rozproszone w dół Całkowite promieniowanie dochodzące do powierzchni morza Promieniowanie wchodzące do toni wodnej Odbite od powierzchni morza Rozproszone do góry przez wodę Ciepło utajone Parowanie i kondensacja Efektywne promieniowanie podczerwone morza długofalowe składowe bilansu promieniowania morza Efekt cieplarniany Adwekcja Promieniowanie zaabsorbowane w morzu Zaabsorbowane przez wodę strefa brzegowa Zaabsorbowane przez pigmenty fitoplanktonu Zaabsorbowane przez pozostałe składniki wody morskiej

4 Badania INoM US Zalewanie plaży (model statystyczny)... rejestracja zjawisk hydro i morfo dynamicznych w strefie brzegowe pomiary okresowej zmienności profilu strefy brzegowej w Międzyzdrojach, pomiary nadwodnej części profili plaży, rejestracja obrazu z kamer Kamery Mobotix M12 w Dziwnówku i Międzyzdrojach, pomiary charakterystyk spektralnych toni wodnej i dna radiometrem hyperspektralnyn, pomiary parametrów falowania ADCP, systematyczne oznaczenia laboratoryjne w pobranych próbach wody morskiej, gromadzenie i archiwizacja zdjęć satelitarnych i lotniczych...

5 Badania INoM US Zalewanie plaży (model statystyczny)... kalibracja i walidacja zasięgu zalewania plaży oraz prądów rozrywających walidacja erozji wydmy i zmian w profilu, walidacja modelu falowania WAM walidacja wskaźnika koncentracji zawiesiny nieorganicznej, analizy niejednorodności pól optycznych, analizy zmienności wskaźnika użytkowania plaży, opracowanie technologii określania batymetrii...

6 DESAMBEM 2008 Formuły modelowe MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODEL STANU I WŁAŚCIWOSCI OPTYCZNYCH POWIERZCHNI MORZA MODELE KOLORU MORZA BIO-OPTYCZNY MODEL MORZA MODEL ABSORPCJI ŚWIATŁA PRZEZ FITOPLANKTON MODEL WYDAJNOŚCI KWANTOWEJ FOTOSYNTEZY Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR 1 i IR 2 Obliczenia temperatura powierzchni, T(0); upwellingi przybrzeżne; zakres wlewów rzecznych; termalne optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... ; rozkład spektralny oświetlenia na powierzchni E Optyczny model atmosfery d (0); oświetlenie PAR(0) na powierzchni; rozkład albeda powierzchni morza rozkład nachyleń powierzchni morza; stopień pokrycia powierzchni pianą; transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię; oświetlenie E d (0) i oświetlenie PAR(0) pod powierzchnią; rozkład spektralny reflektancji R rs pod powierzchnią, kolor morza przypowierzchniowa koncentracja głównych składników Model wody koloru morskiej, morzaw tym chlorofilu a, C a (0) Rozkłady pionowe koncentracji chlorofilu a, C a (z) i oświetlenia PAR; pionowe i spektralne rozkłady oświetlenia, E d (z,λ) i osłabiania oświetlenia, K d ( z,λ) Rozkłady pionowe koncentracji pigmentów fitoplanktonu, C i (z); rozkłady spektralne i pionowe współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, a pl (z,λ) fronty Rozkłady pionowe kwantowej wydajności fotosyntezy, Φ(z) i produkcji pierwotnej, P(z); całkowita produkcja pierwotna P tot

7 DESAMBEM 2008 Formuły modelowe MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODEL STANU I WŁAŚCIWOSCI OPTYCZNYCH POWIERZCHNI MORZA MODELE KOLORU MORZA BIO-OPTYCZNY MODEL MORZA MODEL ABSORPCJI ŚWIATŁA PRZEZ FITOPLANKTON MODEL WYDAJNOŚCI KWANTOWEJ FOTOSYNTEZY Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR 1 i IR 2 Obliczenia temperatura powierzchni, T(0); upwellingi przybrzeżne; zakres wlewów rzecznych; termalne optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... ; rozkład spektralny oświetlenia na powierzchni E Optyczny model atmosfery d (0); oświetlenie PAR(0) na powierzchni; rozkład albeda powierzchni morza rozkład nachyleń powierzchni morza; stopień pokrycia powierzchni pianą; transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię; oświetlenie E d (0) i oświetlenie PAR(0) pod powierzchnią; rozkład spektralny reflektancji R rs pod powierzchnią, kolor morza przypowierzchniowa koncentracja głównych składników Model wody koloru morskiej, morzaw tym chlorofilu a, C a (0) Rozkłady pionowe koncentracji chlorofilu a, C a (z) i oświetlenia PAR; pionowe i spektralne rozkłady oświetlenia, E d (z,λ) i osłabiania oświetlenia, K d ( z,λ) Rozkłady pionowe koncentracji pigmentów fitoplanktonu, C i (z); rozkłady spektralne i pionowe współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, a pl (z,λ) fronty Rozkłady pionowe kwantowej wydajności fotosyntezy, Φ(z) i produkcji pierwotnej, P(z); całkowita produkcja pierwotna P tot

8 Schemat związków między optycznymi właściwościami morza i czynnikami środowiskowymi

9 DESAMBEM 2008 Formuły modelowe MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODEL STANU I WŁAŚCIWOSCI OPTYCZNYCH POWIERZCHNI MORZA MODELE KOLORU MORZA BIO-OPTYCZNY MODEL MORZA MODEL ABSORPCJI ŚWIATŁA PRZEZ FITOPLANKTON MODEL WYDAJNOŚCI KWANTOWEJ FOTOSYNTEZY Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR 1 i IR 2 Obliczenia temperatura powierzchni, T(0); upwellingi przybrzeżne; zakres wlewów rzecznych; termalne optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... ; rozkład spektralny oświetlenia na powierzchni E Optyczny model atmosfery d (0); oświetlenie PAR(0) na powierzchni; rozkład albeda powierzchni morza rozkład nachyleń powierzchni morza; stopień pokrycia powierzchni pianą; transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię; oświetlenie E d (0) i oświetlenie PAR(0) pod powierzchnią; rozkład spektralny reflektancji R rs pod powierzchnią, kolor morza przypowierzchniowa koncentracja głównych składników Model wody koloru morskiej, morzaw tym chlorofilu a, C a (0) Rozkłady pionowe koncentracji chlorofilu a, C a (z) i oświetlenia PAR; pionowe i spektralne rozkłady oświetlenia, E d (z,λ) i osłabiania oświetlenia, K d ( z,λ) Rozkłady pionowe koncentracji pigmentów fitoplanktonu, C i (z); rozkłady spektralne i pionowe współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, a pl (z,λ) fronty Rozkłady pionowe kwantowej wydajności fotosyntezy, Φ(z) i produkcji pierwotnej, P(z); całkowita produkcja pierwotna P tot

10 Nowe "lokalne" zależności statystyczne do wykorzystania w rozwoju zdalnych optycznych metod badania południowego Bałtyku - stężenia SPM, POC oraz Chl a = f(iop) (do wykorzystania w algorytmach "dwu-stopniowych") SPM = f(b bp (λ i )) (stand. czynnik błędu X od 1.26) POC = f(a n (λ i )) lub f(b bp (λ i )) (X od 1.47) Chl a = f(a n (λ i )) (X od 1.35) przykład wg S.B. Woźniak (2014, Oceanologia) - stężenia SPM oraz POC = f(r rs (λ)) (do wykorzystania bezpośredniego) przykład wg S.B. Woźniak et al. (2016, Oceanologia) SPM = f(r rs (λ i )) lub f(r rs (λ i )/R rs (λ j )) (X od 1.23) POC = f(r rs (λ i )/R rs (λ j )) (X od 1.37)

11 DESAMBEM 2008 Formuły modelowe MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODEL STANU I WŁAŚCIWOSCI OPTYCZNYCH POWIERZCHNI MORZA MODELE KOLORU MORZA BIO-OPTYCZNY MODEL MORZA MODEL ABSORPCJI ŚWIATŁA PRZEZ FITOPLANKTON MODEL WYDAJNOŚCI KWANTOWEJ FOTOSYNTEZY Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR 1 i IR 2 Obliczenia temperatura powierzchni, T(0); upwellingi przybrzeżne; zakres wlewów rzecznych; termalne optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... ; rozkład spektralny oświetlenia na powierzchni E Optyczny model atmosfery d (0); oświetlenie PAR(0) na powierzchni; rozkład albeda powierzchni morza rozkład nachyleń powierzchni morza; stopień pokrycia powierzchni pianą; transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię; oświetlenie E d (0) i oświetlenie PAR(0) pod powierzchnią; rozkład spektralny reflektancji R rs pod powierzchnią, kolor morza przypowierzchniowa koncentracja głównych składników Model wody koloru morskiej, morzaw tym chlorofilu a, C a (0) Rozkłady pionowe koncentracji chlorofilu a, C a (z) i oświetlenia PAR; pionowe i spektralne rozkłady oświetlenia, E d (z,λ) i osłabiania oświetlenia, K d ( z,λ) Rozkłady pionowe koncentracji pigmentów fitoplanktonu, C i (z); rozkłady spektralne i pionowe współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, a pl (z,λ) fronty Rozkłady pionowe kwantowej wydajności fotosyntezy, Φ(z) i produkcji pierwotnej, P(z); całkowita produkcja pierwotna P tot

12 Średni specyficzny (na jednostkę chlorofilu a) współczynnik absorpcji światła przez fitoplankton (pigmenty fotosyntetyczne i fotoochronne) ważony po długości fali w zakresie PAR ( nm) na wybranych głębokościach [m 2 (mg chl a) -1 ]

13 Przestrzenne rozkłady poszczególnych grup barwników chlorofilu a chlorofilu b chlorofilu c karotenoidów fotosyntetycznych PSC karotenoidów fotoochronnych PPC

14 Rozkłady pionowe barwników fitoplanktonu - nowe formuły dane empiryczne z lat formuły oparte na funkcjach dopasowania spektralnego F b, F c, F PSC oraz potencjalnie destruktywnej radiacji PDR uśrednionych dla warstw mieszania wody w strefie ponad termokliną Porównanie standardowego czynnika błędu x Formuła DESAMBEM nowy DESAMBEM Oceaniczna MCM C PPC C PSC C b C c

15 Dlaczego fikobiliproteiny? Widma specyficznych współczynników absorpcji światła przez różne pigmenty fitoplanktonu UP unidentified pigment adaptacja wg Ficek i in Rekonstrukcja widma specyficznego współczynnika absorpcji światła przez pigmenty fitoplanktonu wykazała istnienie piku pomiędzy nm odpowiadająca widmom absorpcji fikobiliprotein

16 Fikobiliny w Morzu Bałtyckim w latach Przestrzenny rozkład punktów pomiarowych Unikatowy bank danych empirycznych

17 Możliwości wykorzystania wyników stężeń fikobilin 1. Biooptyczna charakterystyka wybranych szczepów sinic Anabaena sp. 10 gatunków cyanobakterii występujących w Bałtyku i jeziorach Pomorza, w tym tworzące zakwity Cel badań - znalezienie metody biooptycznej dającej możliwość rozróżnienia szczepów toksycznych i nietoksycznych Nodularia spumigena ccala.butbn.cas.cz Synechocystis salina cyano.genome.ad.jp Phormidium sp. Właściwości absorpcyjne i rozpraszające badanych sinic chlorofile i karotenoidy chlorofile fikocyjanina fikoerytryna nordicmicroalgae.org Pseudoanabena cf. galeata Aphanizomen on flos-aque Microcystis aeruginosa pinkava.asu.edu Synechococcus sp. /Choices/Cyanobacteria romaniancyanobacteria.blogsp ot.com Wojtasiewicz i Stoń-Egiert 2016

18 Możliwości wykorzystania wyników stężeń fikobilin 2. Identyfikacja grup organizmów dominujących w zakwitach fitoplanktonu w wodach Morza Bałtyckiego (rozprawa doktorska Moniki Woźniak ) Rozkład przestrzenny fikocyjaniny na powierzchni morza Zdjęcie RGB Stężenie PC Dane satelitarne z radiometru MERIS Stężenie chlorofilu a

19 DESAMBEM 2008 Formuły modelowe MODELE I ALGORYTMY PRZETWARZANIA DANYCH SATELITARNYCH OPTYCZNE MODELE ATMOSFERY MODEL STANU I WŁAŚCIWOSCI OPTYCZNYCH POWIERZCHNI MORZA MODELE KOLORU MORZA BIO-OPTYCZNY MODEL MORZA MODEL ABSORPCJI ŚWIATŁA PRZEZ FITOPLANKTON MODEL WYDAJNOŚCI KWANTOWEJ FOTOSYNTEZY Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR 1 i IR 2 Obliczenia temperatura powierzchni, T(0); upwellingi przybrzeżne; zakres wlewów rzecznych; termalne optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... ; rozkład spektralny oświetlenia na powierzchni E Optyczny model atmosfery d (0); oświetlenie PAR(0) na powierzchni; rozkład albeda powierzchni morza rozkład nachyleń powierzchni morza; stopień pokrycia powierzchni pianą; transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię; oświetlenie E d (0) i oświetlenie PAR(0) pod powierzchnią; rozkład spektralny reflektancji R rs pod powierzchnią, kolor morza przypowierzchniowa koncentracja głównych składników Model wody koloru morskiej, morzaw tym chlorofilu a, C a (0) Rozkłady pionowe koncentracji chlorofilu a, C a (z) i oświetlenia PAR; pionowe i spektralne rozkłady oświetlenia, E d (z,λ) i osłabiania oświetlenia, K d ( z,λ) Rozkłady pionowe koncentracji pigmentów fitoplanktonu, C i (z); rozkłady spektralne i pionowe współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, a pl (z,λ) fronty Rozkłady pionowe kwantowej wydajności fotosyntezy, Φ(z) i produkcji pierwotnej, P(z); całkowita produkcja pierwotna P tot MODEL BIOLOGICZNIE JEDNORODNY fitocenoza TRAKTOWANA sumarycznie Czy jest możliwe wprowadzenie wyrażenia na wydajność kwantową fotosyntezy dla wybranych grup gatunkowych glonów?

20 Uśrednione profile wydajności fotosyntezy w różnych grupach gatunkowych fitoplanktonu z [m] a głębokość optyczna b P( z) = i C P( z) C org, i org, tot ( z) ( z) n C ( z) = C ( z) org i= 1 org, i ,0001 0,001 0,01 0,1 1 Φ fot 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 Φ fot Cała fitocenoza Sinice Cyanobacteria Kryptofity Cryptophyceae Bruzdnice Dinophyceae + Okrzemki Zielenice Chlorophyceae C org,i (z) [mg m -3 ] - stężenie węgla organicznego w i-tej grupie gatunkowej fitoplanktonu na głębokości z w morzu C org (z) [mg m -3 ] - sumaryczne stężenie węgla organicznego we wszystkich grupach

21 Podsumowanie dane pozyskiwane na podstawie pomiarów środowiskowych mogą służyć w różnych konfiguracjach do realizacji wielu celów badawczych ciągła analiza związków między fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi charakterystykami środowiska morskiego prowadzi do rozwoju wiedzy o mechanizmach procesów w nim zachodzących uwzględnienie tej wiedzy w opisach matematycznych tych związków umożliwia poprawianie dokładność już istniejących algorytmów oraz dopasowywanie ich do specyfiki Morza Batyckiego