Institute of Oceanogphy Gdańsk University J an J ę drasik

1. Institute of Oceanogphy Gdańsk University Jan Jędrasik The Ecohydrodynamic Model of the Southern Baltic Sea GDYNIA 2003

2. The hydrodynamic model • Based on Princeton Ocean Model (Blumberg and Mellor 1987) • Vertical mixing processes are parameterized by the scheme of second order turbulence closure (Mellor and Yamada 1982) • In order to apply the model for the Baltic Sea some modifications were done (Kowalewski 1997)

3. Opis modelu hydrodynamicznegoRównania i warunki brzegowe gdzie: u, v, w, składowe wektora prędkości; f, parametr Coriolis'a; , 0, gęstość wody in situ i odniesienia; g, przyspieszenie ziemskie; p, ciśnienie; KM, AM, współczynniki pionowej i poziomej wymiany pędu gdzie: patm, ciśnienie atmosferyczne; , wychylenie powierzchni swobodnej gdzie: T, temperatura wody; S, zasolenie; KH, AH, współczynniki pionowej i poziomej wymiany masy i ciepła; T, źródła ciepła gdzie: AC, współczynnik empiryczny; x, y, krok przestrzenny w kierunku x i y. gdzie: q2, turbulentna energia kinetyczna; , turbulentna makroskala; Kq, współczynnik pionowej wymiany energii kinetycznej; , stała Karman'a; H, głębokość morza; B1, E1, E2, stałe empiryczne.

4. na powierzchni swobodnej strumienie ciepła strumienie energii warunek kinematyczny na powierzchni przy dnie z = H które sparametryzowano jako ; Strumienie energii przy dnie warunek kinematyczny przy dnie gdzie: ox, oy, naprężenia styczne wiatru; H0, atmosferyczny strumień ciepła; bx, by, tarcie przydenne; CD, współczynnik oporu (CD=0.0025); , prędkość tarciowa; u, ub, v, vb, w, wb, składowe prędkości przy powierzchni (bez indeksu) i przy dnie (z indeksem b). na granicy bocznej (rzeka) u(x,y,z) = 0, v(x,y,z) = 0, w(x,y,z) = 0 warunki początkowe T = T(x,y,z), S = S(x,y,z).

5. Aplikacja modelu kryterium rotacyjne gdzie: , prędkość kątowa Ziemi; , szerokość geograficzna kryterium związane z dyfuzją horyzontalną gdzie: AH, współczynnik dyfuzji horyzontalnej warunek Couranta-Fridrichsa-Levy gdzie: , prędkość fundamentalnej fali długiej, Umax , maksymalna wartość prędkości prądu; lub Ct = 2Ci + umax, Ci , prędkość podstawowej fali wewnętrznej, umax , maksymalna prędkość adwekcyjna. warunek wypromieniowania współrzędne układu sigma (x*, y*, , t*), x* = x,    y* = y,    ,   t* = t, gdzie: D = H + , dla z =  = 0, dla z = -H  = -1

6. The modelled areas • The inflows from 85 rivers • The fields of wind speed over the sea surface were taken from 48-hours ICM forecast model

7. Area I Area II Area III Numerical grids Vertical grid • based on -transformation defined as: Horizontal grid • Model allows to define subareas with different grid density

8. Temporal and spatial steps in the modelled areas

9. Modelowane obszary z zaznaczonymi stacjami obserwacyjnymi

10. Miary statystyczne zastosowane do weryfikacji modelu

29. Model ProDeMo

30. NUTRIENTS PHYTOPLANKTON N-NO3 Diatoms C:N:P:Si N-NH4 Others C:N:P P-PO4 DETRITUS Si-SiO4 C-Detr N-Detr ZOOPLANKTON Zooplankton C:N:P P-Detr Si-Detr N-Sed P-Sed Si-Sed ProDeMo model scheme Atmosphere Dissolved Oxygen Water Sediment

31. Algorithm

32. Algorithm

33. Algorithm

34. Algorithm

35. Algorithm

36. Algorithm

37. Calibration • Three-years period (January 1994 – December 1996) was used for the calibrtion • Firstly the 1-D simulation runs were done in order to make a first step calibration • 50 runs of three-years period were carried out (each run lasted 108 hours) • Finally, the set of model parameters (about 80) was adjusted

40. Zależność pomiędzy wartościami obserwowanymi (OBS) i modelowanymi (MOD) parametrów chemicznych i fizycznych w południowej części Bałtyku stacja: P1w okresie 1994 ‑ 2000 (R – współczynnik korelacji, SD – odchylenie standardowe, N – liczba obserwacji)

43. Przebieg powierzchniowej zmienności obserwowanych i modelowanych parametrów fizyko – chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH4, fosforanów P-PO4, krzemianów Si-SiO4, tlenu rozpuszczonego O-O2, temperatury wody Tw na Głębi Gdańskiej (stacja P1) w okresie 1994 – 2000

44. Przebieg zmienności obserwowanych i modelowanych parametrów fizyko–chemicznych: azotanów N-NO3, amoniaku N-NH4, fosforanów P-PO4, krzemianów Si-SiO4, tlenu rozpuszczonego O-O2, temperatury wody Tw na Głębi Gdańskiej (stacja P1 z = 100 m) w okresie 1994 – 2000

46. Współczynniki korelacji, determinacji i efektywności oraz obciążenia dla zmiennych stanuna stacjach: a) P1, b) P140, c) P5, d) wszystkie stacje, w okresie 1994-2000

48. Simulation of phytoplankton blooms

49. Simulation of phytoplankton blooms

50. Simulation of phytoplankton blooms