Tlen (model 3D CEMBS)

Autor: Maciej Janecki, ostatnia aktualizacja: 2 lutego 2016

Tlen (model 3D CEMBS)

Rozpuszczony tlen obliczony za pomocą modelu ekosystemu Morza Bałtyckiego 3D CEMBS (3D Coupled Ecosystem Model of the Baltic Sea). W serwisie SO SatBałtyk rozkłady stężeń rozpuszczonego tlenu na powierzchni oraz na różnych głębokościach podawane są w gramach na metr sześcienny [g/m³], cztery razy na dobę, w postaci map o rozdzielczości 1 km.

Metodyka wyznaczania tlenu w modelu 3D CEMBS

Rozpuszczony tlen jest obliczany 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 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 2010-2014. Błąd statystyczny, wyrażony jako odchylenie standardowe różnic, oszacowano na 0,98 g/m³. Natomiast błąd systematyczny (średnia różnica) wynosił 0,07 g/m³. Zależność między wartościami obliczonymi przez model oraz zmierzonymi w morzu podczas rejsów monitoringowych przedstawiono na rysunku.

Interesujące zjawiska dotyczące rozpuszczonego tlenu

Strefy martwych wód

W związku z ograniczoną wymianą wód z Morzem Północnym oraz stałą, silną stratyfikacją halinową w centralnej części Bałtyku, na wodach głębinowych występują regularne okresy stagnacji. Takie okresy charakteryzuje wyczerpywanie się azotanów, rosnące stężenie fosforanów i amoniaku, a także obniżenie się zasolenia i zawartości rozpuszczonego tlenu na dużych głębokościach, co często skutkuje w pojawianiu się trującego siarkowodoru. Poprawa tej sytuacji może nastąpić jedynie podczas ekstremalnych zjawisk napływu słonych i bogatych w tlen wód z Morza Północnego. Takie silne wlewy występują jednak bardzo rzadko (pojedyncze zjawiska w ciągu dekady).

Hypoksja, czyli spadek stężenia tlenu w wodach głębinowych poniżej 2 g/m³ (zaznaczony na rysunku na czerwono) lub anoksja (całkowite wyczerpanie tlenu, zaznaczone na czarno) silnie postępowały w minionym stuleciu obejmując coraz większe rejony Morza Bałtyckiego prowadząc do zaniku obecności wyższych form życia w strefach głębinowych [4]. Prognozuje się, że spadek nasycenia tlenem będzie narastał wraz z rosnącymi temperaturami mórz spowodowanymi zmianami klimatycznymi [5].