Ανάπτυξη και εφαρμογή συζευγμένου υδροδυναμικού-οικολογικού μοντέλου προσομοίωσης υψηλής ανάλυσης σε παράκτιο οικοσύστημα
Authors: Κολοβογιάννης Βασίλειος 
Published: August 2021

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.