Ανάπτυξη και εφαρμογή συζευγμένου υδροδυναμικού-οικολογικού μοντέλου προσομοίωσης υψηλής ανάλυσης σε παράκτιο οικοσύστημα

Abstract

The present study deals with the development, application and evaluation of a deterministic modelling tool, implemented along with a field sampling program, in a limited coastal area in the Northeast Aegean, the coastal area off the city of Mytilene, Lesvos Island. The aim was to study, understand and quantify physical circulation and water column ecological processes in a high resolution simulation of a past annual cycle. A marine ecosystem model was developed taking into consideration (1) the need to downscale the marine modelling effort to high resolution implementations in order to address small scale environmental issues of local character, (2) the scarcity of important “good practice” methodological steps such as parameter calibration/optimization or model uncertainty evaluation and error quantification in the published literature and (3) the debate about the degree of complexity an ecosystem model should incorporate. The model consists of a three dimensional hydrodynamic component suitable for coastal areas (Princeton Ocean Model) coupled to a relatively simple ecological model of five variables, namely, phytoplankton, nitrate, ammonia, phosphate and dissolved organic carbon concentrations. The ecological parameters (e.g. half saturation constants and maximum uptake rates for nutrients) were calibrated with an automated procedure developed for this purpose. Emphasis was placed on the evaluation of model performance: model errors were evaluated using qualitative, graphic techniques and were quantified with a number of goodness-of-fit measures. The assessment of model performance indicated a decrease of simulation skill from physical to biological/chemical variables. Temperature, salinity and velocity fields were reproduced successfully, with degrees of goodness-of-fit to field data varying from fairly to quite good. Indicatively, the cost function, expressed as mean value per sampling station, ranged from 0.15 to 0.23 for temperature and 0.81 to 3.70 for current speed. The annual cycle of phytoplankton biomass was simulated with sufficient accuracy (e.g. mean cost function ranging from 0.49 to 2.67), partly attributed to the adequate reproduction of the dynamics of growth limiting nutrients, nitrate, ammonia and the main limiting nutrient, phosphate, whose mean cost function ranged from 0.97 to 1.88. Model results and field data provided insight to physical processes such as the development of a wind-driven, coastal jet type of surface alongshore flow with a subsurface countercurrent flowing towards opposite direction and the formation of rotational flows in the embayments of the coastline when the offshore coastal current speed approaches values of about 0.1 m/s. The percentage of field measurements where the N:P ratio was found over 16:1 varied between stations from 57 and 65%, demonstrating the importance of phosphate as a limiting nutrient for phytoplankton growth. The model also successfully reproduced phytoplankton gradients, e.g. those developed almost all year round between the most eutrophic areas (city harbour with mean chlorophyll-a concentration of 1.08 μg/L) and the oligotrophic open waters (mean chlorophyll-a concentration of 0.14 μg/L). Having built on these bases, integration with other fields of coastal sciences (e.g. watershed modelling, sediment dynamics, remote sensing) is highly desirable, and a linkage to already existing forecasting models that cover wider areas is envisioned, so as to develop an operational modelling system able to resolve processes in a variety of spatial scales and aiming to routinely provide prognostic information about coastal ecosystems.

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός ντετερμινιστικού εργαλείου αριθμητικής προσομοίωσης που εφαρμόστηκε σε συνδυασμό με ένα πρόγραμμα συλλογής δεδομένων πεδίου σε μια μικρή παράκτια περιοχή στο Βόρειο-ανατολικό Αιγαίο (παράκτια περιοχή ανοιχτά της πόλης της Μυτιλήνης, Νήσος Λέσβος). Στόχος ήταν η μελέτη, κατανόηση και ποσοτικοποίηση διεργασιών φυσικής κυκλοφορίας και οικολογικών διεργασιών στη στήλη του νερού μέσω προσομοίωσης υψηλής διακριτικής ικανότητας ενός ετήσιου κύκλου (hind-casting). Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο παράκτιου οικοσυστήματος λαμβάνοντας υπόψη (1) την ανάγκη για αύξηση της διακριτικής ικανότητας στην προσομοίωση παράκτιων θαλάσσιων διεργασιών για τη διερεύνηση περιβαλλοντικών ζητημάτων τοπικού χαρακτήρα, (2) την τάση για συστηματική απουσία από τη βιβλιογραφία μεθοδολογικών βημάτων ‘καλής πρακτικής’ στην ανάπτυξη και εφαρμογή μοντέλων οικοσυστήματος όπως η βαθμονόμηση/βελτιστοποίηση οικολογικών παραμέτρων ή η εκτίμηση αβεβαιότητας και η ποσοτικοποίηση σφάλματος και (3) τη συζήτηση σχετικά με το βαθμό πολυπλοκότητας που πρέπει να ενσωματώνει ένα μοντέλο οικοσυστήματος. Το μοντέλο αποτελείται από ένα τρισδιάστατο υδροδυναμικό σκέλος κατάλληλο για παράκτιες περιοχές (Princeton Ocean Model), συζευγμένο με ένα σχετικά απλό οικολογικό μοντέλο στήλης νερού πέντε μεταβλητών και συγκεκριμένα, των συγκεντρώσεων φυτοπλαγκτού, νιτρικών, αμμωνιακών, φωσφορικών αλάτων και διαλυμένου οργανικού άνθρακα. Οι οικολογικές παράμετροι (π.χ. σταθερές ημικορεσμού, μέγιστοι ρυθμοί πρόσληψης θρεπτικών) βαθμονομήθηκαν με τη βοήθεια αυτοματοποιημένης διαδικασίας που αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό. Δόθηκε έμφαση στην εκτίμηση της ικανότητας του μοντέλου: τα σφάλματα προσομοίωσης εκτιμήθηκαν με χρήση ποιοτικών, γραφικών τεχνικών και ποσοτικοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας σειρά από μέτρα καλής προσαρμογής. Η παραπάνω διαδικασία έδειξε ότι οι φυσικές μεταβλητές προσομοιώνονται καλύτερα από τις οικολογικές. Η θερμοκρασία, η αλατότητα και το πεδίο ταχυτήτων αναπαράγονται πολύ ικανοποιητικά, με επιτυχία προσαρμογής στα δεδομένα πεδίου που κυμαίνεται από καλή έως πολύ καλή. Ενδεικτικά, η συνάρτηση κόστους (μέση τιμή ανά σταθμό δειγματοληψίας) κυμάνθηκε από 0.15 έως 0.23 για τη θερμοκρασία και από 0.81 έως 3.70 για το μέτρο ταχύτητας ρεύματος. Ο ετήσιος κύκλος της φυτοπλαγκτονικής βιομάζας προσομοιώνεται με ικανοποιητική ακρίβεια (π.χ. μέση συνάρτηση κόστους μεταξύ 0.49 και 2.67), εκτός της περιοχής του λιμένα Μυτιλήνης, και μέρος αυτής της επιτυχίας αποδίδεται στην επαρκή αναπαραγωγή της δυναμικής των ανόργανων θρεπτικών αζώτου και κυρίως των φωσφορικών, που υποδεικνύονται ως ο κύριος περιοριστικός παράγοντας για τη φυτοπλαγκτονική ανάπτυξη και των οποίων η μέση συνάρτηση κόστους κυμαίνεται μεταξύ 0.97 και 1.88. Τα αποτελέσματα του μοντέλου και τα δεδομένα πεδίου ανέδειξαν δομές και παρείχαν πληροφορία για φυσικές διεργασίες όπως η ανάπτυξη ανεμογενούς παράκτιου ρεύματος σε συνδυασμό με ένα υποεπιφανειακό στρώμα πάνω από τον πυθμένα κινούμενο προς την αντίθετη κατεύθυνση και η ανάπτυξη στροβιλώδους κυκλοφορίας στις εγκολπώσεις της ακτογραμμής όταν η ταχύτητα ρεύματος στα ανοιχτά προσεγγίζει τα 0.1m/s. Το ποσοστό μετρήσεων πεδίου όπου ο λόγος N:P βρέθηκε πάνω από 16:1 κυμαίνεται μεταξύ 57% και 65% αναδεικνύοντας τη σημασία των ορθοφωσφορικών αλάτων ως περιοριστικό παράγοντα φυτοπλαγκτονικής αύξησης. Το μοντέλο αναπαρήγαγε τις βαθμίδες φυτοπλαγκτονικής βιομάζας που αναπτύσσονται σχεδόν καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους μεταξύ της εύτροφης περιοχής του λιμένα Μυτιλήνης (μέση συγκέντρωση χλωροφύλλης-α 1.08 μg/L) και των ολιγότροφων νερών ανοιχτά του στενού (μέση συγκέντρωση χλωροφύλλης-α 0.14 μg/L). Ως επόμενο βήμα προτείνεται η ανάπτυξη ενός διευρυμένου συστήματος προσομοίωσης περιλαμβάνοντας και άλλους τομείς των παράκτιων θαλάσσιων επιστημών (π.χ. δυναμική ιζημάτων, τηλεπισκόπηση, υδρολογικά μοντέλα και χερσαίες απορροές), ενώ η σύνδεση με μοντέλα πρόγνωσης που καλύπτουν ευρύτερες περιοχές θα δημιουργήσει επιχειρησιακά συστήματα με δυνατότητα ταυτόχρονης επίλυσης διεργασιών σε ποικίλες χωρικές κλίμακες και διάθεσης της αντίστοιχης προγνωστικής πληροφορίας για το θαλάσσιο περιβάλλον σε πραγματικό χρόνο.