• EnglishEnglish
  • Fosforany (model 3D CEMBS)

    Fosforany (model 3D CEMBS)

    sb_fosforany_fig1Stężenie fosforanów (PO4) obliczone za pomocą modelu ekosystemu Morza Bałtyckiego 3D CEMBS (3D Coupled Ecosystem Model of the Baltic Sea). W serwisie SO SatBałtyk rozkłady stężeń fosforanów na powierzchni oraz na różnych głębokościach podawane są w miligramach na metr sześcienny [mg/m3], cztery razy na dobę, w postaci map o rozdzielczości 1 km.

    Metodyka wyznaczania stężenia fosforanów w modelu 3D CEMBS

    Stężenie fosforanów jest obliczane z wykorzystaniem prognostycznego modelu ekohydrodynamicznego 3D CEMBS [1] [2]. Jako warunki brzegowe na powierzchni morza wykorzystywane są dane atmosferyczne z prognostycznego modelu UM (ICM Uniwersytetu Warszawskiego). Model posiada otwartą granicę z Morzem Północnym w celu lepszego odwzorowania zmian związanych z wlewami wód z tego regionu. Model 3D CEMBS jest wyposażony w moduł dopływów rzecznych, który dostarcza informacji na temat ilości słodkiej wody dostarczanej z 72 rzek oraz ilości substancji biogenicznych (w tym również fosforanów) przez nią niesionych. Dodatkowo moduł atmosferyczny dostarcza informacji o substancjach biogenicznych dostających się do Morza Bałtyckiego wraz z opadami. W celu zapewnienia jak najdokładniejszego odwzorowania mieszania w pionie zastosowano parametryzację KPP. Wyniki modelowe mają rozdzielczość poziomą ok. 2 km. W pionie model jest podzielony na 21 warstw. Pierwsze cztery warstwy mają grubość 5 metrów. Grubość pozostałych warstw rośnie wraz z głębokością. Wyniki dostarczane do systemu SO SatBałtyk zostały interpolowane na siatkę o rozdzielczości 1 km. Model posiada moduł asymilacji danych satelitarnych (temperatury powierzchni morza oraz stężenia chlorofilu-a), pochodzących z czujnika MODIS umieszczonego na satelicie Aqua (EOS PM). Do asymilacji wykorzystywana jest metoda Cressmana [3]. Polega ona na obliczeniu, dla każdego punktu na siatce modelowej, wartości temperatury oraz stężenia chlorofilu-a na podstawie danych z poprzedniej prognozy modelu oraz danych satelitarnych uwzględnianych z wagą zależną od odległości między tymi danymi oraz od dokładności wyników. Algorytm pomija obszary zachmurzone oraz dane satelitarne znacznie odbiegające od wartości modelowych. W związku z tym, że chlorofil-a ma rozkład logarytmicznie normalny, wszystkie operacje w procesie jego asymilacji wykonywane są dla zlogarytmowanych wartości.

    Walidacja (ocena dokładności)

    Dokładność wyników modelowych została oszacowana poprzez ich porównanie z dostępnymi pomiarami wykonanymi w ramach monitoringu prowadzonego w ramach ICES w latach 2010-2013. Błąd statystyczny, wyrażony jako odchylenie standardowe różnic, oszacowano na 17,96 mg/m3. Natomiast błąd systematyczny (średnia różnica) wynosił 0,31 mg/m3.

    Interesujące zjawiska dotyczące fosforanów

    Eutrofizacja

    Eutrofizacja, czyli zwiększony dopływ pierwiastków biogennych do wód skutkuje wzrostem produktywności ekosystemów wodnych. To prowadzi do degradacji jakości wód, powodując między innymi zmniejszenie przenikania światła, deficyt tlenu czy śnięcie ryb. Zjawisko to, początkowo powszechne dla ekosystemów słodkowodnych, obecnie stało się problemem globalnym, obejmującym obszary morskie w tym również Morze Bałtyckie. Fosforany należą do grupy substancji biogenicznych, a ich wysokie stężenie wywołuje eutrofizację przyczyniając się do tzw. „zakwitów wody”, czyli intensywnego wzrostu biomasy fitoplanktonu. Do Morza Bałtyckiego fosforany dostają się głównie przez dopływy rzeczne oraz tzw. bezpośrednie zrzuty z wodami. W ten sposób do Bałtyku wprowadzane jest około 95% ogólnego ładunku fosforu [4]. W związku z tym na mapach rozkładu stężeń, największe ich ilości można dostrzec w rejonach ujść rzek oraz obszarach przybrzeżnych (Rysunek). Pozostała część ładunku fosforu dostaje się przez spływy rozproszone, opad atmosferyczny, jednostki pływające, jak również poprzez uwalnianie z osadów dennych. Fosforany są najważniejszym składnikiem limitującym biomasę sinic.

    W ostatnich 20 latach nastąpiła poprawa jakości wód powierzchniowych, głównie w wyniku wdrożenia Dyrektywy 91/271/EEC [5] z 21 maja 1991r. dotyczącej oczyszczania ścieków komunalnych. Jednak mimo sukcesywnego spadku ilości substancji biogenicznych wprowadzanych do Bałtyku jego obecny stan ekologiczny jest uważany w przeważającej części, za słaby do złego [6].

    sb_fosforany_fig2

    Cykl sezonowy substancji biogenicznych

    sb_fosforany_fig3Substancje biogeniczne cechuje charakterystyczny sezonowy cykl obecności w wodach Morza Bałtyckiego, powiązany bezpośrednio z zakwitem fitoplanktonu [7]. Etapy rozwoju fitoplanktonu są podobne na całym Morzu Bałtyckim. Charakteryzują się intensywnym, ale krótkim zakwitem wiosennym, następnie zakwitem glonów począwszy od połowy lata aż do jesieni. Substancje biogeniczne są wyczerpywane (konsumowane) w trakcie zakwitu wiosennego, co skutkuje ich bardzo niskimi stężeniami zaraz po nim. Słabe mieszanie w pionie utrzymuje niską zawartość substancji biogenicznych w wodzie morskiej aż do jesieni, kiedy to zostają wynoszone z głębszych warstw ponownie zasilając strefę eufotyczną. Ten proces jest na tyle silny, że nawet mniej intensywny niż wiosną zakwit fitoplanktonu nie powoduje wyczerpywania się substancji biogenicznych. Zahamowanie produkcji pierwotnej zimą pozwala na pełną regenerację składników odżywczych w strefie eufotycznej (Rysunek).

    Odnośnik do parametru w Systemie SatBałtyk:

    Fosforany (model 3D CEMBS)

    Literatura:

    [1] Dzierzbicka-Głowacka L., Jakacki J., Janecki M., Nowicki A., 2013, Activation of the operational ecohydrodynamic model (3D CEMBS) - the hydrodynamic part, Oceanologia, 55(3), 519-541, doi:10.5697/oc.55-3.519

    [2] Dzierzbicka-Głowacka L., Janecki M., Nowicki A., Jakacki J., 2013, Activation of the operational ecohydrodynamic model (3D CEMBS) - the ecosystem module, Oceanologia, 55(3), 543-572, doi:10.5697/oc.55-3.543

    [3] Nowicki A., Dzierzbicka-Głowacka L., Janecki M., Kałas M., 2014, Assimilation of the satellite SST data in the 3D CEMBS model, Oceanologia, 57(1), 17-27, doi:10.1016/j.oceano.2014.07.001

    [4] Ministerstwo Środowiska, 2010, Wstępny Krajowy Program Wdrażania Bałtyckiego Planu Działań

    [5] Council Directive 91/271/EEC of 21 May 1991 concerning urban waste-water treatment

    [6] Helcom, 2009, Eutrophication in the Baltic Sea – An integrated thematic assessment of the effects of nutrient enrichment and eutrophication in the Baltic Sea region. Balt. Sea Environ. Proc. No. 115B.

    [7] Dzierzbicka-Głowacka L., Janecki M., 2013, Dynamics of Nutrients Pool in the Baltic Sea Using the Ecosystem Model 3D-CEMBS, International Journal of Environmental, Earth Science and Engineering Vol:7 No:8