Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego Jan Jędrasik Walidacja elu hydrodynamicznego i elu ProDeMo
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 P1 8 9 7 1 6 1 3 4 Zalew Wiœlany tacja pomiaru temperatury wody tacja pomiaru temperatury i zasolenia tacja pomiaru wahañ poziomu morza
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
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
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
- - Depth [m] -4-6 -8 Depth [m] -4-6 -8-1 a) erved -1 b) erved 1 3 4 Distance [km] 1 3 4 1 3 4 Distance [km] 1 3 4 - - Depth [m] -4-6 -8 Depth [m] -4-6 -8-1 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
Temperatura [ C] 1 1 a) Hel r =.98 Temperatura [ C] 1 1 b) Świbno r =.96 1 1 3 3 [dni] 1 1 3 3 [dni] Temperature [ C] 1 1 c) Bałtyjsk r =.97 1 1 3 3 [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
Temperatura [ C] 3 1 1 P_1 r =.98 Temperatura [ C] 3 1 1 P_ r =.97 Temperatura [ C] 3 1 1 P_3 r =.97 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 Temperatura [ C] 3 1 1 P_4 r =.97 Temperatura [ C] 3 1 1 P_ r =.9 Temperatura [ C] 3 1 1 P_6 r =.9 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 Temperatura [ C] 3 1 1 P_7 r =.9 Temperatura [ C] 3 1 1 P_8 r =.96 Temperatura [ C] 3 1 1 P_9 r =.9 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 4 8 1 16 4 8 3 36 1994 199 1996 Przebieg erwowanej (OB) i elowanej (MOD) temperatury wody powierzchniowej w punktach 1-1 Zalewu Wiślanego za okres 1994-96
Tw [ C] 1 1 [psu] 1 1 - ] -1 P_18 19.3.1996 - -3 - -1 P_18 19.3.1996 - -3-4 -4 - Tw [ C] 1 1 - [psu] 1 1 - ] -1 P_18 8..1996 - -3 - ] -1 P_18 8..1996 - -3-4 -4 - - Tw [ C] 1 1 [psu] 1 1 - - -1 - -3-4 - ] P_18 9.8.1996-1 - -3-4 - ] P_18 9.8.1996
Temperatura wody [ C] 4 8 1 16 - Temperatura wody [ C] 4 8 1 16 - -4-6 -8-1 Punkt P1 8-8-9-4 -6-8 -1 Punkt P1 4-8-96-1 - -1 - -3-4 - -6-7 Temperatura wody [ C] 4 8 1 16 Punkt P11 8-8-199 Temperatura wody [ C] 4 8 1 16-1 - -3-4 - -6-7 Punkt ZN4 13-8-9-1 - -1 - -3-4 - -6-7 Temperatura wody [ C] 4 8 1 16 Temperatura wody [ C] Punkt P11 3-8-1996 4 8 1 16-1 - -3-4 - -6-7 Punkt ZN4 1-8-1996 elowane i erwowane pionowe rozkłady temperatury wody w wybranych punktach Zatoki Gdańskiej: P1, P11, ZN4 w sezonie letnim 199_96
Zasolenie wody [psu] 3 6 9 1 1 - Punkt P1-4 -1-9 -6-8 Zasolenie wody [psu] 3 6 9 1 1 - Punkt P1-4 1-1-96-6 -8-1 -1-1 -3-4 - -6-7 Zasolenie wody [psu] 3 6 9 1 1 - e -1 - Punkt P11-11-96 Zasolenie wody [ C] 3 6 9 1 1-1 - -3-4 - -6-7 Punkt ZN4 13-8-9-1 -3-4 - -6-7 Zasolenie wody [psu] 3 6 9 1 1 - -1 Punkt P11 - -11-96 Zasolenie wody [ C] 3 6 9 1 1-1 - -3-4 - -6-7 Punkt ZN4 1-8-1996 elowane i erwowane pionowe rozkłady zasolenia w wybranych punktach Zatoki Gdańskiej: P1, P11, ZN4 w sezonach jesiennych 199_96
Tabela 1. Współczynniki korelacji i odchylenia standardowe dla temperatur wody i zasolenia w punktach erwacyjnych Zatoki Gdańskiej w okresie 1994-1996 tacja T w Liczba R D R D erwacji P11.1.6.38. P14.6.4.. 81 P11.4.6.31.1 11 P116.83.3.18.1 111 ZN4.43..84.1 17 ZN.8.6.69.7 71 NP.3.7.6. 4 K.84.8.61. R4.8.4.4.1 P63.68.3..8 Tabela. Współczynniki korelacji i odchylenia standardowe dla temperatur wody i zasolenia na stacjach erwacyjnych Basenu Gdańskiego w okresie 1994- tacja R D R D erwacji T w Liczba P1.888 1.69.876 1.1 394 P14.964 1.44.7.3 18 P.9 1.7.91 1.7 3
Tw [ o C] 4. 16. 8.. 1994 199 1996 1998 1999 z=m MOD OB r =.97 D = 1.43 Tw [ o C] 4. MOD 16. 8.. z=3m OB r =.9 D =.43 Tw [ o C] 4. MOD 16. 8.. z=6m OB r =.9 D = 1.818 Tw [ o C] 4. z=1m 16. MOD 8.. OB r = -. D = 1.877 1994 199 1996 1998 1999 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
1994 199 1996 1998 1999 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 7 1994 199 1996 1998 1999 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
7 o MOD [ C] 6 Świ R=.81 D=6.1 N=19 47 4 4 47 7 6 OB [ o C] Tabela 4 Ocena symulacji poziomu morza wg klasyfikacji Mayera (1979) MOD [cm] 6 7 Wła R=.8 D=3.9 N=19 47 4 4 47 7 6 OB [cm] 7 o MOD [ C] 6 Gda R=.84 D=4.6 N=19 47 4 4 47 OB [ o C] 7 6 Klasa G9 H9 W9 Ś9 K9 U9 Ś W G 1 6. 6.4 4.8 64.6 69.3 1.3 9.3.1 4.3 8.6.8 3.6 7..4 3.1 4.1 6. 7.1 3 11.8 9. 7.6 6.7 4.3 11.4 9.8 1.4 14.4 4 3.1 4.6. 1.7 1.. 6.8 9. 13. 1++3 96.9 9.4 9. 98.3 99. 94.8 93. 91. 86.8
Poziom morza [cm] 6 7 47 1 1 3 3 Świ r=.7 D=1.6 Poziom morza [cm] 6 7 47 Koł r =.7 D=14. 4 4 Poziom morza [cm] 6 7 47 Ust r =.68 D=1.9 Poziom morza [cm] 6 7 47 Wła r =.76 D=19.8 Poziom morza [cm] Poziom morza [cm] 4 6 7 47 4 6 7 47 [dni] Hel r =.7 D=13. Bałt r =.83 D=16. 4 1 1 3 3 Poziom morza [cm] 4 6 7 47 4 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
. a). b) sze r.ge ogr.n. 4. s ze r.ge ogr.n. 4. 17. 18. 18. 19. 19... 1. d³ug.geogr.e 17. 18. 18. 19. 19... 1. d³ug.geogr.e 4 6 8 1 1 14 16 18 4 Pola temperatury wody powierzchniowej z 9 sierpnia 1996 a) erwowane b) elowane
. a). b) szer.geogr.n. 4. s ze r.ge ogr.n. 4. 17. 18. 18. 19. 19... 1. d³ug.geogr.e 17. 18. 18. 19. 19... 1. d³ug.geogr.e 4 6 8 1 1 14 16 18 4 Pola temperatury wody powierzchniowej z 3 września 1996 a) erwowane b) elowane Tabela. Korelacja pól temperatury erwowanej na zdjęciach satelitarnych i elowanych Termin 1.4.9 3..9 3..9 19.3.96 16.4.96 3.8.96 4.8.96.8.96 6.8.96 7.8.96 8.8.96 9.8.96 19.8.96.8.96 3.9.96 R.19.66.14.6.363.367.43.344.9.44.47.43..33.
ZANIŻONE ZAWYŻONE 1.3 1..97 Ś K U W H G 199 ZANIŻONE ZAWYŻONE 1.1 1. 1..9.9 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 1994- Parametry Q m C B E rs E rc r r E R s T -.13.4.4.816.6.97.89.88.977 -.687.1.73.891.19.98.861.687.994
a) 1.1 Współczynnik korelacji [Rs] 1. Bardzo dobry Bardzo dobry K_9 W_9 W_ Gd_9 U_9 Gd_ Ś_9 Ś_.99..3.4. Ś K U W Gd Całkowity błąd kwadratowy [Erc] b) Współczynnik korelacji [Rs] 1. 1..9 Temperatura wody Bardzo dobry Dobry Bardzo dobry Dobry B39 P P14 P63 R4 P1 P11 P116 P14 P11 NP ZN k.9..1..3.4. c) Współczynnik korelacji [Rs] 1. 1..9 Zasolenie Bardzo dobry Dobry Bardzo dobry Dobry B39 P P14 P63 R4 P1 P11 P116 P14 P11 NP ZN k.9..1..3.4. 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
el ProDeMo
- - Depth [m] -4-6 -8 Depth [m] -4-6 -8-1 a) erved -1 b) erved 1 3 4 Distance [km] 1 3 4 1 3 4 Distance [km] 1 3 4 - - Depth [m] -4-6 -8 Depth [m] -4-6 -8-1 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
OB [g m -3 ]..1..3.3...4 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=6...1. MOD [g m -3 ].3. P1_PO 4.1 R=.8 D=.4 N=396...1..3.4. 1.8 18 1. 14 MOD [g m -3 ] 1..9.6 P1_iO 4.3 R=.84 D=.31 N=61...3.6.9 1. 1. 1.8 MOD [g m -3 ] 1 6 P1_O R=.8 D=.9 N=394 - - 3 8 13 18 MOD [ o C] 1 1 P1_T w R=.88 D=1.69 N=394 1 1 OB [ o C] Zależność pomiędzy wartościami erwowanymi (OB) i elowanymi (MOD) parametrów chemicznych i fizycznych w południowej części Bałtyku stacja: P1 w okresie 1994 - (R współczynnik korelacji, D odchylenie standardowe, N liczba erwacji)
N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ] N-NO 3 [gm -3 ]...1.1...1.1...1.1...1.1-1 -1-1 -1-3 -3-3 -3 Depth [m] - -7-9 1 Feb -11 Depth [m] - -7-9 16 Apr -11 Depth [m] - -7-9 17 Aug -11 Depth [m] - -7-9 1 Nov -11 N-NH 4 [gm -3 ]..3.6.9-1 -3 1 Feb - N-NH 4 [gm -3 ]..3.6.9-1 -3 16 Apr - N-NH 4 [gm -3 ]..3.6.9-1 -3 17 Aug - N-NH 4 [gm -3 ]..3.6.9-1 -3 1 Nov - -7-7 -7-7 -9-9 -9-9 -11-11 -11-11 P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ] P-PO 4 [gm -3 ]...1.1-1...1.1-1...1.1-1...1.1-1 -3 1 Feb -3 16 Apr -3 17 Aug -3 1 Nov - - - - -7-7 -7-7 -9-9 -9-9 -11-11 -11-11 ezonowa zmienność (w roku ), pionowych rozkładów erwowanych (OB) i elowanych (MOD) parametrów fizyko-chemicznych wód Głębi Gdańskiej w punkcie P1: azotanów, amoniaku, fosforanów
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.3.1. 14. 11. 8. OB r =.7 D =.61 17. MOD 4. 16. 8.. OB r =.79 D = 1.8 MOD OB r =.97 D = 1.43 1994 199 1996 1998 1999 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
NO 3 [gm 3 ].3..1 MOD OB r =.18 D =.6. NH 4 [gm -3 ].9.6.3. 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].4 1.6.8. 14. 1. 6.. -. MOD OB r =.4 D =.469 MOD OB r =.3 D = 3.49 4. MOD 16. OB r = -. D = 1.877 8.. 1994 199 1996 1998 1999 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
zaniżone wartości zawyżone.. 1. 1... 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 4 4 4 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-
a) 1..8 P1 b) 1.6 1. P14.6.8.4..4. -.4. -. -.4 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 4 -.8-1. -1.6 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.8.6.4.6.4.... -. -.4 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 -. -.4 -.6 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-
a) Współczynnik korelacji [Rs] 1..9.8.7.6..4 Całkowity błąd kwadratowy [Erc]...4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8. 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] 1..9.8.7.6..4 Całkowity błąd kwadratowy [Erc]...4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8. 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] 1..9.8.7.6. 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.4...4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8. P tot NH 4 d) Współczynnik korelacji [Rs] 1..9.8.7.6. 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 P14.4...4.6.8 1. 1. 1.4 1.6 1.8. 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-
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
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.