System SatBałtyk jako narzędzie do oceny stanu środowiska Bałtyku Marek Kowalewski Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk, ul. Powstańców Warszawy 55, 81-712 Sopot e-mail: ocemk@iopan.gda.pl Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański, ul. Marszałka Piłsudskiego 46, 81-378 Gdynia e-mail: ocemk@ug.edu.pl 1. Wstęp Monitoring satelitarny stanowi istotne źródło aktualnych informacji o morzu zarówno dla odbiorców instytucjonalnych, jak i dla jednostek naukowych i pojedynczych zainteresowanych osób. Dostarcza on wielu informacji potrzebnych do oceny stanu środowiska, jakości wód akwenu, prognozowania zagrożeń, wpływu zmian klimatu na ekosystemy morskie i in. Umożliwia też zwiększenie bezpieczeństwa na morzu i zmniejszenie skutków klęsk żywiołowych. Monitoring satelitarny akwenów morskich jest znacznie tańszy i bardziej efektywny w porównaniu z monitoringiem prowadzonym metodami tradycyjnej oceanografii z wykorzystaniem statków badawczych. Celem budowy Systemu SatBałtyk było stworzenie sprawnego, satelitarnego systemu rejestracji, gromadzenia, przetwarzania i udostępniania, kompleksowych danych o stanie i trendach zmian środowiska Morza Bałtyckiego. Oprócz informacji pochodzących z satelitów, system ten wspomagany jest obserwacjami prowadzonymi na stacjach brzegowych, platformach wiertniczych i bojach pomiarowych. Bezpośrednie pomiary wykonywane na tych stacjach pozwalają na bieżącą kontrolę jakości pozyskiwanych danych z satelitów i innych źródeł. Dodatkowo system wspierany jest wynikami modeli numerycznych asymilujących dane satelitarne, które umożliwiają uzupełnianie informacji w obszarach i w czasie, w których bezpośrednie obserwacje nie są możliwe. 2. Architektura systemu System SatBałtyk składa się z trzech podsystemów: obliczeniowego, repozytorium danych i serwisu ich udostępniania (Rys. 1). Źródłem danych satelitarnych są wyniki rejestracji z urządzeń pracujących na pokładach kilkunastu satelitów meteorologicznych, środowiskowych i specjalnych: TIROS N/NOAA, MSG, EOS, AQUA, ENVISAT, MeTop i inne. Ponadto system wzbogacają informacje płynące z matematycznych modeli zjawisk zachodzących w wodach i nadwodnej atmosferze. Dodatkowo, w celu kalibracji stosowanych algorytmów i modeli, informacje satelitarne uzupełniane są danymi pozyskiwanymi z pomiarów wykonywanych na statkach, autonomicznych bojach pomiarowych i stacjach brzegowych.
Rys. 1. Schemat ideowy elementów Systemu Operacyjnego SatBałtyk. Część obliczeniowa systemu ma charakter rozproszony. Przetwarzanie danych satelitarnych oraz obliczenia modeli numerycznych są wykonywane w placówkach Konsorcjantów SatBałtyk położonych w Sopocie (Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk IOPAN), Gdyni (Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego, IO UG), Słupsku (Instytut Fizyki Akademii Pomorskiej w Słupsku, IF AP), i w Szczecinie (Instytut Nauk o Morzu Uniwersytetu Szczecińskiego, INoM US). Obliczenia algorytmów i symulacje modelowe wykonywane są na podstawie danych rejestrowanych za pomocą odbiorników satelitarnych będących na wyposażeniu Systemu SatBałtyk lub pozyskiwanych poprzez sieć Internet od instytucji, których własnością są te satelity i które nadzorują ich działanie, takich jak: National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, USA), National Aeronautics and Space Administration (NASA, USA), European Space Agency (ESA, UE), European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) i inne. W ramach projektu SatBałtyk opracowano metodę łączenia przestrzennych danych satelitarnych z wynikami numerycznych modeli. Jest to oryginalne rozwiązanie, niestosowane dotychczas w podobnych systemach. Polega ono na uzupełnianiu informacji satelitarnej w sytuacjach, gdy nie jest ona dostępna, (np. z powodu zachmurzenia atmosfery) wynikami modeli prognostycznych asymilującymi dane satelitarne. Z tego powodu system obliczeniowy składa się z dwóch głównych komponentów (Rys. 2). Pierwszy z nich, nazwany został DESAMBEM od tytułu wcześniej realizowanego projektu DEvelopment of a SAtellite Method for Baltic Ecosystem Monitoring (Woźniak i in. 2004, Woźniak i in. 2008, Darecki i in. 2008). Jest on zbiorem szeregu szczegółowych algorytmów, formuł statystycznych i modeli różnych zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w toni wodnej Bałtyku, a także w atmosferze nadbałtyckiej. DESAMBEM pozwala na określanie wielu parametrów charakteryzujących stan i funkcjonowanie ekosystemu Bałtyku z wykorzystaniem dostępnych danych satelitarnych.
Rys. 2. Schemat części obliczeniowej Systemu SatBałtyk. Drugi blok obliczeniowy BALTFOS (BALTic FOrecasting System) to zbiór prognostycznych modeli: pogody, hydrodynamicznych, lodu morskiego i ekohydrodynamicznych i innych. Modele te uzupełniają system diagnostyczny w przypadku zachmurzenia atmosfery, kiedy dane satelitarne w pewnych rejonach Bałtyku są niedostępne. Zastosowanie prognostycznych modeli matematycznych zapewnia znacznie lepszą dokładność w stosunku do metod statystycznych wykorzystujących np. wyniki interpolacji (pomiędzy punktami w czasoprzestrzeni) rezultatów uzyskanych satelitarnie w rejonach bez chmur. Wynika to z faktu, że modele hydrodynamiczne i ekohydrodynamiczne uwzględniają prawa fizyczne i biochemiczne, kształtujące rozkłady przestrzenne badanych właściwości środowiska. System BALTFOS wzbogaca także zestaw charakterystyk środowiska monitorowanych przez System SatBałtyk o takie, które nie mogą być obserwowane metodami teledetekcji satelitarnej. W ramach projektu SatBałtyk rozwijane były dwa modele ekohydrodynamiczne: EcoSat - zmodyfikowana wersja modelu ProDeMo (Ołdakowski i in. 2005, Kowalewski 2015) oraz 3D CEMBS (Dzierzbicka-Głowacka i in. 2013, Dzierzbicka- Głowacka i in. 2014). Dane satelitarne oraz wyniki modeli numerycznych, przetworzone w poszczególnych ośrodkach Konsorcjum SatBałtyk, są następnie zapisywane w jednolitym formacie i systematycznie gromadzone w centralnym repozytorium danych, zlokalizowanym w
Instytucie Oceanologii PAN (IO PAN) w Sopocie. Do tego celu wykorzystana została infrastruktura informatyczna zbudowana wcześniej w ramach projektu: Zintegrowany System Przetwarzania Danych Oceanograficznych (ZSPDO), realizowanego w latach 2008-2012 w IO PAN, która umożliwia gromadzenie i bezpieczne przechowywanie pozyskiwanych informacji. Dane przestrzenne są archiwizowane są w postaci map cyfrowych o jednolitym formacie, umożliwiającym szybkie przetwarzanie ich zarówno w postaci przestrzennej, jak i obrazującej zmiany w czasie. Aktualnie w Systemie SatBałtyk zgromadzono ponad 3,5 mln map obejmujących ponad 70 różnych charakterystyk środowiska Bałtyku, określających jego stany fizyczne, biologiczne, chemiczne i in.. W repozytorium systemu gromadzonych jest przeciętnie ok. 1,6 tys. nowych map rozkładów tych charakterystyk na całym obszarze Bałtyku w ciągu doby, co oznacza ok. 600 tys. map rocznie. Dane gromadzone w Systemie SatBałtyk są udostępnianie przez Internet w formie map rozkładów charakterystyk środowiska Bałtyku i atmosfery nadbałtyckiej (Rys. 3). Opracowano w tym celu specjalny serwis internetowy bazujący na serwerze GIS (GeoServer). Podstawową formą prezentacji tych charakterystyk (parametrów stanu środowiska) są mapy Bałtyku, z naniesionymi na nie rozkładami ich wartości. Są one udostępniane na bieżąco, w miarę dopływu danych satelitarnych, raz na dobę lub częściej w przypadku parametrów szybkozmiennych (np. zachmurzenia). Większość map jest prezentowana z rozdzielczością 1 km, którą przyjęto jako podstawową w Systemie SatBałtyk. Rys. 3. Widok przykładowej mapy temperatury powierzchni morza w Systemie SatBałtyk.
Serwis pozwala także prezentować pola wektorowe (np. rozkłady prądów, lub wiatrów) przedstawiając wektory wskazujące kierunek przepływu wód (lub wiatru), których barwa informuje o prędkości przepływy stosownie do zamieszczonej obok skali. (Rys. 4). Rys. 4. Mapa prądów morskich w Systemie SatBałtyk. Zastosowana technologia umożliwia odczyt wartości wyświetlanego parametru w dowolnym punkcie, a także wizualizację zmian danej charakterystyki w czasie, w postaci szeregu czasowego (Rys. 5). Pozwala także użytkownikowi na porównanie przebiegów czasowych dwóch różnych charakterystyk. Możliwy jest eksport widocznych szeregów czasowych do plików tekstowych lub arkusza kalkulacyjnego, w celu dalszych analiz.
Rys. 5 Przykładowy wykres zmian czasowych temperatury powierzchni morza (czerwone punkty) oraz temperatury wody na 20 m z modelu hydrodynamicznego PM3D (niebieskie punkty) w okresie od 1 stycznia do 31 sierpnia 2015 roku, uzyskany w Systemie SatBałtyk. W Systemie SatBałtyk prezentowane są również podsatelitarne dane pomiarowe pozyskiwane bezpośrednio w środowisku in situ, między innymi z dwóch boi pomiarowych (Rys. 6) oraz 5 stacji brzegowych (Sopot, Hel, Gać, Słupsk, Międzyzdroje). Dane te pozwalają kontrolować poprawność wyników modeli w czasie rzeczywistym. Serwis pozwala na ich prezentację w formie wykresu czasowego i porównanie z danymi satelitarnymi lub modelowanymi w danym miejscu. Rys. 6 Prezentacja temperatury wody mierzonej na boi pomiarowej w Zatoce Gdańskiej na tle mapy temperatury powierzchniowej morza.
System SatBałtyk umożliwia wizualizację parametrów charakteryzujących różne zagrożenia (występowanie prądów rozrywających, stopień zalewania plaży, wielkość erozji wydmy oraz pozwala określać ilość materiału wyerodowanego ze strefy brzegowej i ilość materiału zawieszonego w wodzie) wzdłuż linii brzegowej, zobrazowane w postaci kolorowej wstęgi. Rys. 7 Sposób prezentacji zagrożeń w strefie brzegowej w Systemie SatBałtyk. 3. Podsumowanie System SatBałtyk jest narzędziem, które umożliwia rutynowe monitorowanie ponad 70 charakterystyk środowiska całego obszaru Bałtyku, takich jak: temperatura i zasolenie wód powierzchniowych, prędkości i kierunki prądów powierzchniowych, prądy wznoszące upwellingi, wskaźniki przezroczystości wody, zalodzenie powierzchni morza, koncentracje pigmentów, wydajność i szybkość fotosyntezy materii organicznej, dobowe wartości całkowitej produkcji materii organicznej, bilanse strumieni energii promieniowania i wiele innych. Dodatkowo System umożliwia prognozowanie i ewidencjonowanie skutków i zagrożeń w strefie brzegowej morza, spowodowanych bieżącymi i spodziewanymi stanami sztormowymi. Zdublowanie najważniejszych źródeł danych satelitarnych i modelowych gwarantuje jego operacyjne działanie. Taka architektura Systemu zapewnia ciągły dopływ informacji satelitarnych, modelowych i pomiarowych, systematyczne ich gromadzenie i archiwizację. Zbudowany w ramach projektu SatBałtyk serwis internetowy umożliwia prezentację przestrzennych charakterystyk środowiska Bałtyku w postaci map, na których wartości skalarne tych charakterystyk przedstawione są za pomocą skali barwnej, a wartości wektorowe, takie jak prądy morskie lub wiatr, są prezentowane za pomocą strzałek. Dowolny obszar mapy z charakterystyką Bałtyku można powiększyć celem dokładniejszej analizy stanu tego obszaru. W dowolnym punkcie mapy można też uwidaczniać współrzędne geograficzne i wartości liczbowe danej charakterystyki w tym miejscu. System pozwala również na przedstawianie aktualnych i archiwalnych danych punktowych z obserwacji na bojach, statkach, platformach i stacjach brzegowych. Ponadto serwis umożliwia prezentację danych liniowych (np. wzdłuż linii brzegowej) w postaci linii złożonej z barwnych odcinków. Serwis ten bazuje na technologii GIS. Pozwala na udostępnianie danych o stanie środowiska Bałtyku szerokiemu kręgowi odbiorców indywidualnych, instytucji i organizacji oraz służbom odpowiedzialnym za bezpieczeństwo.
4. Podziękowania Badania wspierane przez projekt UDA-POIG.01.01.02-22-011/09 Satelitarna Kontrola Środowiska Morza Bałtyckiego (SatBałtyk), współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Literatura Darecki M., Ficek D., Krężel A., Ostrowska M., Majchrowski R, Woźniak S.B., Bradtke K., Dera J., Woźniak B., Algorithms for the remote sensing of the Baltic ecosystem (DESAMBEM). Part 2: Empirical validation, Oceanologia, 2008, 50(4), 509 538. Dzierzbicka-Głowacka L., Janecki M., Nowicki A., Jakacki J., 2013, Activation of the operation-al ecohydrodynamic model (3D CEMBS) the ecosystem module, Oceanologia, 55(3), 543-572. Dzierzbicka-Głowacka L., Nowicki A., Janecki M., 2014, The Automatic Monitoring System for 3D- CEMBSv2 in the Operational Version, Journal of Environmental Science and Engineering Technology 1, 1-9, Savvy Science Publisher, ISSN (online): 2311-8741. Kowalewski M., 2015, The flow of nitrogen into the euphotic zone of the Baltic Proper as a result of the vertical migration of phytoplankton: An analysis of the long-term observations and ecohydrodynamic model simulation, Journal of Marine Systems, 145, 53-68. Ołdakowski B., Kowalewski M., Jędrasik J. Szymelfenig M., 2005, Ecohydrodynamic Model of the Baltic Sea, Part I: Description of the ProDeMo model, Oceanologia, 47 (4), 477-516. Woźniak, A. Krężel, J. Dera, Development of a satellite method for Baltic ecosystem monitoring (DESAMBEM) - an ongoing project in Poland, Oceanologia, 2004, 46(3), 445-455. Woźniak B., Krężel A., Darecki M., Woźniak S.B., Majchrowski R., Ostrowska M., Kozłowski Ł., Ficek D., Olszewski J., Dera J., Algorithm for the remote sensing of the Baltic ekosystem (DESAMBEM), Part 1: Mathematical apparatus, OCEANOLOGIA, 2008, 50(4), 451 508.