Översikt av ekologiska tredimensionella modeller som beskriver Skagerrak

Översikt av ekologiska tredimensionella modeller som beskriver Skagerrak

UTGIVET AV Forum Skagerrak II Projektgrupp: Arbetsgrupp WP1, Övergödning i havet

FÖRFATTARE Johan Söderkvist Danmarks Miljøundersøgelser Box 358, Fredriksborg vej 399; 4000 Roskilde

LAYOUT Steve Hidinger Foto: ToreRolf Lund

TRYCKERI

TRYCKÅR 2006

UPPLAGA

ISBN-nr

Webbadress: www.forumskagerrak.com

Översikt av ekologiska tredimensionella modeller som beskriver Skagerrak

2005-10-05 Johan Söderkvist

Danmarks Miljøundersøgelser Box 358, Fredriksborg vej 399; 4000 Roskilde

1. Introduktion Flera institut har under de senaste åren implementerat tredimensionella ocean-modeller som beskriver det hydrografiska och ekologiska tillståndet i Skagerrak. Med ökad kunskap sker det en utveckling i hur de hydrografiska och kemisk-biologiska processerna beskrivs i modellerna. Snabbare datorer och parallellisering av modellkoden har gjort det möjligt att beskriva processerna mer i detalj samt att öka den rumliga och tidsmässiga upplösningen. De oceanografiska modellerna är oftast en vidareutveckling av en redan existerande hydrografisk modell. Instituterna har däremot utvecklat en egen ekologisk modell. Vidareutveckling på de olika instituten har lett till det finns flera olika typer av tredimensionella hydrografiska-ekologiska modeller. Hur blandningen i havet beskrivs samt topografins påverkan bestäms till en viss del av modellens vertikalkoordinat. Den ges antingen av avstånd från havsytan (z-koordinat), bottentopografin (sigma-koordinat), av densitetsytor i vattenmassan (isopyknisk koordinat) eller en kombination av de tre ovannämnda koordinatsystemen (hybrid-koordinatsystem). I ett hybrid-koordinatsystem ges den vertikala upplösningen nära kust, botten och havsytan av topografin. I det öppna havet där skiktning är viktig ges den vertikala koordinaten av densiteten. Om skiktningen är svag i det öppna havet ges det vertikala koordinatsystemet av avstånd från havsytan. En mer generell variant av sigma-koordinatsystemet är s-koordinat. Där kan man sätta en högre upplösning i vissa skikt, till exempel nära ytan och nära botten. Det är vanligt att man löser den barotropa delen av de hydrodynamiska ekvationerna separat på ett kort tidssteg. Den baroklina lösningen beräknas då cirka vart trettionde beräkning. Om det barotropa tidssteget till exempel är 4 sekunder så skulle det baroklina tidssteget vara 120 sekunder. De prognostiska variablerna i de oceanografiska tredimensionella modellerna är salthalt, temperatur, strömhastighet samt vattenstånd. De flesta modellerna kan köras i tre olika moder: 1) operationell, 2) ”hind cast” och 3) scenarier. I operationella körningar använder man sig av observationer och väderprognoser för att göra prognoser på havets tillstånd. Några modeller assimilerar in observationer i körningarna. En exempel på assimilering är att tvinga värdet på modellparametern mot observationer för vissa givna koordinater. På närliggande gridpunkter relaxeras modellvärdena mot observationsvärdet. På senare år har det blivit möjligt att assimilera satellitobservationer, till exempel yttemperatur. I ”hind cast mode” driver man en modell med observationer för att studera ett områdes tillstånd bakåt i tiden. Slutligen ger scenario-körningarna information om hur ett områdes tillstånd ändras givet en yttre förändring, till exempel ökat koldioxidutstläpp i atmosfären eller minskad tillförsel av närsalter till Skagerrak. De ekologiska modellerna innehåller många fler parametrar än de oceanografiska modellerna. Som bas beskriver modellerna kväve, syrgaskoncentration, ett växtplankton och ett djurplankton. De mer avancerade ekologiska modellerna beskriver successionen i planktonsamhället genom att utöka de prognostiska variablerna till fosfat, kisel, bakterier, flera växt- och djur-plankton av olika storlekar. Närsalterna i vattenmassan kan förekomma som partikulärt eller upplöst organiskt och oorganiskt material. Vissa ekologiska modeller har även en bentisk modul.

I sektion 2 presenteras de tredimensionella oceanografiska-ekologiska modellerna, samt vilka körningar av dessa modeller som finns tillgängliga. I sektion 3 presenteras en sammanfattning.

2. Modellpresentation

2.1 DHI Dansk Hydraulisk Instituts (DHI's) hydrografiska/ekologiska 3D modell, MIKE3/Eutrofieringsmodellen, har satts upp i ett flertal områden med varierande upplösning. MIKE3 använder sig av ett z-koordinatsystem. DHI's ekologiska modell, Eutrofieringsmodellen, beskriver koncentrationen av ammonium (NH4), nitrat (NO3), totalkväve (Tot-N), fosfat (PO4), syrgas (O2), upplöst syre (DO), kol (C), klorofyll (Chl). Vidare ger modellen koncentration av en växtplanktontyp, en zooplanktontyp samt detritus (e.g. Hansen et al., 2003). Det finns även en modul som beskriver den kemiska sammansättningen i sedimenten och dess koppling till den fria vattenmassan. MIKE3 kan köras operationellt, i hind cast mode, och som scenarions. Inom NO COMMENTS undersöktes effekten av minskad närsaltstillförsel från floder. En standardkörning, då man drev modellen med observationer från år 2000, jämfördes med de tre stycken scenariokörningar: 1) 30% mindre än år 2000's utsläpp av oorganiskt kväve (DIN) från floder inom

modellområdet (Nordsjön – Östersjön). 2) 30% mindre än år 2000's utsläpp av oorganiskt fosfor (DIP) från floder inom

modellområdet (Nordsjön – Östersjön). 3) 30% mindre än år 2000's atmosfärisk deposition av kväve över hela

modellområdet. Följande modelluppsättning användes inom NO COMMENTS: Modellen täckte området mellan östra Nordsjön och Östersjön. Den horisontella upplösningen var i huvudsak 16 km men i området mellan Nordsjön och Östersjön var upplösningen 5.5 km. Den temporära upplösningen i den baroklina delen var 300 sekunder. För ytterligare information se www.imr.no/~morten/nocomments/publications.html DHI har för samma modelluppsättning gjort ytterligare fem scenarior. Miljöeffekter i Skagerrak är dock ej rapporterade. De fem scenariorna är: 4) En reduktion av utsläpp av kväve från de danska lantbruken med 75%, samt en minskning av atmosfärisk deposition med 5% över havsområdet Skagerrak – Nordsjön. 5) Utsläppsnivåer i de danska farvattnen motsvarande observerat utsläpp av närsalter år 1989. Jämfört med år 2000 motsvarar det en minskning av kväve och fosfor med 32% respektive 76%. 6) ”Naturbelastning+50%”, svarende till en uppskattad natursituation utan mänsklig påverkan samt med ett tillägg på extra 50% belastning. Förändringen av utsläpp gäller för hela modellområdet, det vill säga från Östersjön till Nordsjön. Atmosfärisk deposition av kväve minskades med 5%. 7) ”HELCOM/OSPAR”-scenariot, som uppfyller det internationella avtalet om reduktion av belastningen av kväve och forsfor ned till 50% av 1989's nivå. Närsaltsutsläppen har minskats över området Östersjön – Nordsjön. 8) Scenariot: "Intensifierat polsk landbruk” är baserat på antagandet att Polens lantbruk kommer att öka utsläpp av kväve och fosfor per kvadratmeter till Danmarks nivå år 2000. Det motsvarar en ökning av kväveutsläpp från 7 till 19.1 kg totalkväve per hektar och år, samt en ökning av fosforutsläpp från 0,46 till 0.58 kg totalfosfor

per hektar och år. Utsläpp av närsalter från andra länder är oförändrat, det vill säga enligt år 2000's observationer. DHI vill samarbeta med Forum Skagerrak.

2.2 DMI Dansk Meterologiskt Institut (DMI) använder BSH c-modell för att leverera två hydrografiska prognoser per dygn. Den horisontella upplösningen är 11 km i Skagerrak, 900 meter i området Kattegatt – Bornholm. Tidsupplösningen är 90 sekunder. DMI planerar att öka upplösningen till 5.5 km, inkludera assimilering av observationer samt att koppla på en ekologisk modell. DMI kan utföra modellkörningar beställda av Forum Skagerrak.

2.3 DMU Danmarks Miljøundersøgelser (DMU) använder den hydrografiska modellen COHERENS (Luyten et al., 1999). Modellen är tillgänglig för alla och det finns en utförlig dokumentation på modellen. Den horisontella upplösningen är 7.5 km. Modellen har ett sigma-koordinatsystem. Tidssteget är 10 sekunder i den barotropa delen och 400 sekunder i den baroklina delen. Den ekologiska modellen i COHERENS är presenterad i Tett (1998). De prognostiska variablerna är nitrat, fosfor, kisel, autotrofa och heterotrofa flagellater. Effekten av zooplankton är inkluderat genom att lägga på att betningstryck på mikroplanktonen. Modellen kan köras operationellt, för olika scenarier och i ”hind cast mode”. DMU planerar att öka den horisontella upplösningen till cirka 900 meter samt att byta koordinatsystem till s-koordinat. Vidare kommer den ekologiska modellen bytas ut till en avancerad generell biologisk modell där det är möjligt att beskriva successionen över året mellan olika plankonarter

2.4 FIMR Finnish Institute of Marine Research (FIMR) använder den hydrografiska modellen MIT GCM model. Modellen sträcker sig från gränsen Nordsjön/Skagerrak till Östersjön. Modellen har ett z-koordinatsystem, den den horisontella upplösningen är 11 km och tidssteget i den baroklina delen är 15 min. Den ekologiska modellen, FIMR HAB, beskriver variationer i fosfat, upplöst oorganiskt kväve (DIN), nitrat, kisel, två typer av cyanobakterier, två typer av växtplankton (diatoméer och flagellater). Modellen är dokumenterad i och validerad i Hense and Stipa (2003), Large et al. (1994), Marchall et al. (1997), Stipa et al. (2003) och Stipa et al. (in prep). Modellen körs i operationell mode och den har använts för scenariokörningar. FIMR var med i projektet NO COMMENTS (se avsnitt 2.1). Modellområdet i NO-COMMENTS sträcker sig från Bottenviken till Skagerrak. Den västliga randens läge gör att Skagerrak är starkt påverkat av randvillkoren mot Nordsjön. Författaren anser därför att man inte kan använda nuvarande modellområde i FIMR's modell för att studera Skagerrak.

2.5 IMR Den hydrografisk-ekologiska modellen på Institute of Marine research (IMR) i Bergen, heter NORWegian ECOlogical Model (Norwecom), Skogen et al. (2002, 2004). Modellen täcker Nordsjön, Skagerrak och Kattegatt. Modellen har en nästad

grid med en upplösning på 20x20 km i Nordsjön och 4x4 km i Kattegatt och Skagerrak. Tidssteget är 10 minuter. Den fysiska modellen är en vidareutveckling av Princeton Ocean Model (POM), Blumberg and Mellor (1987). Modellen har 12 vertikala lager med sigma-koordinatsystem. De prognostiska variablerna i den ekologiska delen av modellen är upplöst organiskt kväve (DIN), fosfor, kisel, och två växtplankton (diatoméer och flagellater), detritus, kisel skal från diatoméer, oorganiskt upplöst partikulärt material (DOP). Modellen används för att studera primärproduktion, närsaltsbudget och dispersion av partiklar som till exempel larver och giftutsläpp. Modellen kan köras i olika scenarier och i ”hind cast mode”. Modellen har körts i hind cast mode för åren 1987-1989 och 2000-2002. Resultaten från modellkörningarna har jämförts med ett antal scenariokörningar där närsaltstillförseln från modellområdets (Kattegat-Nordsjön) floder har ändrats. För perioden 1987-1989 har tre scenarior gjorts: 1) Under perioden 1987-1991 reducera tillförseln av kväve och fosfor från alla floder

i modellområdet med 50%. 2) Under perioden 1987-1991 reducera tillförseln av fosfor från alla floder i

modellområdet med 50%. 3) Under perioden 1987-1991 reducera tillförseln av kväve och fosfor med 50% från

de Skandinaviska floderna inom modellområdet. IMR var med i projektet NO COMMENTS. Scenariokörningar från detta projektet är presenterade i avsnitt 2.1. IMR vill samarbeta med Forum Skagerrak.

2.6 Institut für Ostseeforschung Warnemünde Den oceanografiska modellen Modular Ocean Model (MOM 3), Pacanowski and Griffies (2000) används på Institut für Ostseeforschung Warnemünde. Modellen täcker området Skagerrak-Östersjön. Tidssteget är 60 sekunder, den horisontella upplösningen är 5.5 km. i sydvästra delen av Östersjön och minskas upp till 17 km. vid modellens ränder. Modellen har en z-koordinat och med en vertikala upplösning på tre meter i de översta 100 meterna. De prognostiska variablerna i den ekologiska modellen är ammonium, nitrat, fosfat, DIN, DIP, tre växtplankton (diatoméer, flagellater och cyanobakterier), en zooplanktontyp och detritus. Modellen har körts i hindcast mellan 1979 och 1991. Denna körning har jämförts med två scenariokörningar som sträcker sig över perioden 1979-1991: 1) 50% minskning av fosfat och kväve från floderna i modellområdet 2) Kostnadseffektiv minskning av flodburen kväve och fosfat föreslagen av Gren

(2000). I scenariet har tillförseln av närsalter minskats från observerat månadsmedel under perioden 1979-1991 med procentsats angiven i tabell 1.

Eftersom modellområdets västra rand tangerar Skagerrak rekommenderar författaren att man inte använder existerande modelluppsättning av MOM3 för att studera Skagerrak. En viss del av Nordsjön måste inkluderas för att Skagerrak's tillstånd inte skall vara föreskrivna enligt modellens västra randvillkor. Tabell 1 Reducering för en konstnadseffektiv approach efter Gren (2000) Region Kväve-reducering [%] Fosfat-reducering [%] Danmark 46 60 Estland 54 10 Finland 41 32

Tyskland 15 55 Lettland 66 55 Litauen 58 52 Polen 59 58 Ryssland 57 65 Sverige 42 19

2.7 Metno Meterologiska Institutet i Norge (Metno) använder sig av en modell som baserar sig på Princeton Ocean Model (POM). Metno's version av modellen kallas MIPOM (=Meterological Institute Princeton Ocean Model). Modellen har en sigma-koordinat i vertikalled. Metno har två uppsättningar av modellen, den ena har en horisontell upplösning på 4 km, i den andra är upplösningen 1.5 km i Skagerrak och 4 km i den övriga modell-domänen. Tidssteget i den baroklina delen av den oceangrafiska modellen är mellan 120-150 sekunder. Modellen är utvecklad för att köras operationellt, men den fungerar även bra för scenarions och hind cast. Metno använder ytterligare en oceanografisk modell: ROMS/TOMS-modell. Den ekologiska modellen är hämtad från Norwecom (se sektion 2.6 för beskrivning) är kopplad till MIPOM. Metnos modell kan användas av Forum Skagerrak, antingen på konsultbasis eller drivas som ett forskningsprojekt.

2.8 Metoffice Metoffice i England använder sig av två hydrodynamiska-ekologiska modeller: Medium-Resoloution-Continental-Shelf (MRCS) model och Atlantic Margin Model (AMM). De två modellerna baserar sig på den hydrografiska-ekologiska modellen: POLCOM – ERSEM. POLCOM är utvecklad på Proudman Oceanographic Laboratory och den ekologiska modellen, ERSEM, är utvecklad på Plymoth Marine Laboratory (PML). Modellområdet sträcker sig från Nordsjöns rand mot Atlanten till södra Östersjön. Beroende på vilken modelluppsättning som används varerar den horisontella upplösningen från 1.8 km till 12 km. Tidsteget i modellen minskar med den rumsliga upplösingen från en timma till fyra minuter. Vertikalkoordinaten de översta 150 meter är sigma-koordinatsystem. för större djup är är vertikalkoordinaten s-koordinat. MRCS är beskriven i detalj i Holt and James (2001), Holt et al. (2004), Baretta et al. (1995) samt Blackford et al. (in press). Den ekologiska modellen har bakterier, fyra olika sorters växtplankton (diatoméer och tre sorters flagellater) och tre sorters zooplankton. Modellen beskriver även variationer av kol/klorofyll-kvoten, kol, kväve, fosfor och kisel. Den ekologiska modellen har även en bentisk modul. Metoffice planerar bland annat att göra en 50 år lång hind cast (1955-2005) av miljötillståndet i Nordsjön. Modellpresentation finns på: http://www.pml.ac.uk/ecomodels/ersem.htm. Validering av modellen är bland annat presenterat på Metoffice's hemsida: www.metoffice.gov.uk.research/ncof/mrcs/index.html; htpp://cobs.pol.ac.uk/modl. Modellen kan köras som scenarior, operationellt och i hind cast mode. Metoffice vill samarbeta med Forum Skagerrak.

2.9 NERSC Den hydrografiska modellen som används på Nansen Environmental Remote Scensing Center (NERSC) i Norge är HYbrid Coordinate Model (HYCOM). Den senaste versionen är dokumenterad i Bleck (2002). I vertikalled ges variationerna av ett hybrid-koordinatsystem. Tidssteget för den baroklina delen är 180 sekunder och 5 sekunder för den barotropa. Den horisontella upplösningen i Skagerrak varierar

mellan 2 och 4 km. I CONMAN-projektet är modellen satt upp för Nordiska haven, Nordsjön, Skagerrak, Kattegatt och Öresund/Bältsjön samt södra Östersjön. Det finns två ekologiska modeller som är implementerade i HYCOM: FADM02 och CN-REcoM. FADM02 är presenterad i Drange (1994, 1996). Modellen är en vidareutveckling av FDM-modellen (Fasham, Ducklow and McKelvie, 1990) och Peng et al. (1987). Modellen beskriver variationer av ett växtplankton, bakterier, ett zooplankton, klorofyll, ammonium, nitrat, upplöst och partikullärt kväve och kol, detritus, samt alkalinitet. CN-REcoM är utvecklad av Shartau Carbon Group and Inverse modelling group på AWI i Bremerhaven. CN-REcoM modellerar i stort sett samma parametrar som FADM02 men även kol-kvävekvoten och kol-klorofyllkvoten. CN-REcoM modellerar dock ej bakterier. Inom projektet TOPAZ körs modellen i realtid samt 10-dagars prognoser. Det finns körningar från juni 2003 och framåt. Insitu observationer och satellitobservationer assimileras i körningarna. NERSC är intresserad av att samarbeta med Forum Skagerrak. Rapporter kan laddas ned elektroniskt på http://topaz.nersc.no/reports.html. NERSC vill samarbeta med Forum Skagerrak.

2.10 SMHI Bundesamt fur Seeshiffahrt und Hydrographie (BSH) har tillsammans med Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut (SMHI) utvecklat en operationell oceanografisk modell för maritim service: BSH circulation model (BSH c-mod). Den vidareutvecklade modellversionen som används på SMHI heter High Resoloution Ocean Model (HIROMB). Modellen är utvecklad för att göra prognoser av det hydrografiska tillståndet från Nordsjön till Östersjön. Upplösningen i området Skagerrak – Östersjön är 1.8 km. Modellen har ett z-koordinatsystem i vertikalled. Modelldokumentationen är sparsam. Det finns en validering av modellen. Den ekologiska modellen Swedish Coastal/Ocean Biogeochemical (SCOBI) har utvecklats på SMHI. Modellens prognostiska variabler är nitrat, ammonium, fosfat, klorofyll, ett växt- och ett zooplankton samt detritus. Det finns även en modul som behandlar kopplingen mellan havsbotten och den fria vattenmassan. Inom projektet NO COMMENTS (se avsnitt 2.2) kördes modellen i ”hind cast mode” för perioden 1999-2001. Inga scenarior med förändrad närsaltstillförsel gjordes inte. Inom projektet Habile kördes HIROMB/SCOBI i hind cast mode för perioden 1997-2003. I denna version av SCOBI modellerades tre stycken växtplankton: diatoméer, flagellater och blågröna alger för Östersjön samt diatoméer, flagellater och en giftalg för västerhavet. Under Habile var den västra randen snittet Hirthals-Torungen, alltså endast halva Skagerrak modellerades. SMHI planerar att köra HIROMB/SCOBI operationellt från slutet av 2005, eller i början av 2006. SMHI utvecklar även ett grovupplöst modellsystem som beskriver området Kattegatt-Skagerrak. Inom detta projekt kopplas SCOBI till den endimensionella oceanografiska modellen PROBE. Den horisontella upplösningen löses upp genom att koppla ett flertal endimensionella kolumner till varandra genom diffusion och geostrofi. SMHI vill samarbeta med Forum Skagerrak.

2.11 SMHI/Rossby Rossbycentret på SMHI planerar att inkludera Skagerrak i sin klimatmodell, RCO (Meier et al., 1999), samt att koppla på SMHIs ekologiska modell, SCOBI. Utvecklingsarbetet förväntas vara klart i december 2005.

2.12 SOC Southampton Oceanography Centre (SOC) i England använder den globala modellen OCCAM. Den högsta horisontella upplösningen i modellen är 5 km. Variationerna i vertikalled ges av z-koordinat. Tidssteget för den baroklina delen av den oceanografiska modellen är fyra minuter. Den biologiska modellen som är kopplad till OCCAM heter OB1. De prognostiska variablerna är ammonium, nitrat, ett fytoplankton, ett zooplankton, detritus, och klorofyll. Under 2005 kommer det att publiceras en uppdaterad version av modellbeskrivingen. Modellen har körts i hind cast mode under perioden 1985-2003. Den rumsliga upplösningen i denna version av modellen var ¼ grad. Modellkörningarna kan laddas ned med ftp från SOCs hemsida. Det finns inga planer att göra scenarier.

2.13 SYKE Finnish Environment Institute (SYKE) använder HIROMB kopplad till SYKES ekologiska modell: 3-D Baltic Sea ecosystem model. Dokumentation samt validering är sparsam.

2.14 ULG Universite de Liege (ULG) i Belgien var en av de första instituten som utvecklade en ekologisk modell som var kopplad till en tredimensionell hydrodynamisk modell: Geo-Hydrodynamics and Environment Research Model (GHER). I den senaste versionen är de prognostiska variablerna nitrat, ammonium, tre växtplankton, hetereotrofa flagellater, bakterier, ett djurplankton, detritus och upplöst organsikt material (DOM) (Delhez, 1998). Det är även möjligt att inkludera en variabel C/N-kvot. Modellen har körts i hind cast mod för 1989 för området mellan Nordsjöns västra rand till södra Östersjön.

3. Sammanfattning Fjorton ekologiska modeller har presenterats och inom en snar framtid kommer ännu fler hydrodynamiska modeller inkludera en ekologisk modell. Det är en stor skillnad hur mellan de olika modellerna beskriver havets rörelser och ekologin. Även validering och modellbeskrivning varierar mycket mellan de olika modellerna. Modellresultat där modeller körts i ”hind cast mode” finns dokumenterad för flera år. Det finns ett fåtal rapporter som presenterar scenarier med förändrat utsläpp av närsalter från floder eller förändrad klimat. Den mest omfattande scenario-studien är NO COMMENTS. Där gjorde DHI, FIMR och IMR scenariokörningar för Skagerrak och intilliggande havsområden. Den västra randen på FIMR's och Institut für Ostseeforsschung's modeller befinner sig mellan Skagerrak och Nordsjön. Det betyder att modellberäkningarna för Skagerrak är starkt influerade av de givna randvärdena. De övriga två modelluppsättningarna passar bättre för att studera miljöeffekter i Skagerrak. IMR's modell är utvecklad för att studera just området Skagerrak-Nordsjön och det Norska havet. Den validerad och har körts operationellt för flera år. DHI's modell används sätts ofta upp för mindre områden, till exempel Sveriges västkust och de danska fjordarna. Modell-uppsättningen ”Nordsjön-Östersjön” har endast körts för åren 2000 och 2002. Det skulle kunna betyda att IMR's modell ger mer trovärdiga resultat för Skagerrak. Modellen som används på Institut für Ostseeforschung Warnemünde sträcker sig från Östersjön till gränsen mellan Skagerrak och Nordsjön. Det betyder att effekterna i Skagerrak på grund av ändrad närsaltstillförsel i deras modell är starkt randvärdena mot Nordsjön.

Tabell 2. Översikt av de hydrodynamiska-ekologiska modeller som beskriver Skagerrak där man gjort scenariokörningar. Modell-beskrivelse Ekologiska parametrar Modellområde Scenario-beskrivelser Värdering av

scenarier

Inst. DHI;

Modellnamn: MIKE3/Eutrofierings-modellen

z-koordinat

Upplösning: Rum: 5.6 km. Tid: 300 sekunder

Mode:hindcast/

scenarier/operationell

NH4, NO3, Tot-N, DIN, PO4,DOP, O2, DO, C, klorofyll, en växt-planktontyp, en zooplanktontyp, detritus, samt bentisk modul

Nordsjön-Östersjön

Under år 2000 en 30% minskning av tillförd:

1) minskning av DIN från alla floder i modellområdet med 30% 2) minskning av DIP från alla floder i modellområdet med 30% 3) minskning av atmosfärisk deposition av kväve med 30%

4) En reduktion av utsläpp av kväve från de danska lantbruken med 75%, samt en minskning av atmosfärisk deposition med 5% över havsområdet Skagerrak – Nordsjön.

5) Utsläppsnivåer i de danska farvattnen modsvarande utsläppen för år 1989. Det motsvarar en minskning av kväve och fosfor med 32% respektive 76%.

6) ”Naturbelastning+50%”, svarende till en uppskattad natursituation utan mänsklig påverkan samt med ett tillägg på extra 50% belastning. Förändringen av utsläpp gäller för hela modellområdet, det vill säga från Östersjön till Nordsjön. Atmosfärisk deposition av kväve minskades med 5%. 7) ”HELCOM/OSPAR”-scenariot, som uppfyller det internationella avtalet om reduktion av belastningen av kväve och forsfor ned till 50% av 1989's nivå. Närsaltsutsläppen har minskats över området Östersjön – Nordsjön. 8) Scenariot: "Intensifierat polsk landbruk” är baserat på antagandet att Polens lantbruk kommer att öka utsläpp av kväve och fosfor per kvadratmeter till Danmarks nivå år 2000. Det motsvarar en ökning av kväveutsläpp från 7 till 19.1 kg totalkväve per hektar och år, samt en ökning av fosforutsläpp från 0,46 till 0.58 kg totalfosfor per hektar och år. Utsläpp av närsalter från andra länder är oförändrat.

Författaren anser att DHI's scenariokörningar kan användas. Resultaten baserar sig på en modern modellversion (2002 eller senare), samt modellens ränder befinner sig tillräckligt långt bort från Skagerrak.

Modell-beskrivelse Ekologiska parametrar Modellområde Scenario-beskrivelser Värdering av scenarier

Inst. FIMR

Modellnamn MIT GCM/FINECO-1

z-koordinat,

Upplösning: Rum 11 km. Tid 15 minuter

Mode:Hindcast/Scenarier

NH4, NO3, Tot-N, PO4,O2, C, DIN, nitrat, kisel, två typer av cyanobakterier, diatoméer och flagellater

Skagerrak-Östersjön

Under år 2000 en 30% minskning av tillförd:

1) minskning av DIN från alla floder i modellområdet med 30% 2) minskning av DIP från alla floder i modellområdet med 30% 3) minskning av atmosfärisk deposition av kväve med 30%

Författaren anser att FIMR's scenariokörningar inte kan användas för att studera Skagerrak. Randvärdena vid Nordsjöns västra del har för stor påverkan på resultaten.

Inst. IMR

Modellnamn: Norwecom

s-koordinat

Upplösning: Rum 4km. Tid 10 minuter

Mode:Hindcast/Scenarier

NH4, NO3, Tot-N, PO4,Si, O2, C, DIN, diatoméer och flagellater, detritus, DOP

Nordsjön-Bältsjön/Öresund

Modellkörningar för perioden 1987-1989: 1) Reducera tillförseln av kväve och fosfor från alla floder i modellområdet med 50% 2) Reducera tillförseln av fosfor från alla floder med 50% 3) Reducera tillförseln av kväve och fosfor med 50% från de Skandinaviska floderna inom modellområdet. Under år 2000 en 30% minskning av tillförd: 4) minskning av DIN från alla floder i modellområdet med 30% 5) minskning av DIP från alla floder i modellområdet med 30% 6) minskning av atmosfärisk deposition av kväve med 30%

Författaren anser att IMR's scenariokörningar kan användas. Resultaten baserar sig på en modern modellversion (2002 eller senare), samt modellens ränder befinner sig tillräckligt långt bort från Skagerrak.

Inst. Warnemünde

Modellnamn: MOM3/ERGOM

z-koordinat

Upplösning: Rum: 5.5-17 km. Tid 1 minut

Mode:Hindcast/Scenarier

NH4, NO3, PO4, Diatoméer, flagellater, cyanobakterier, ett zooplankton och detritus

Skagerrak-Östersjön

Minska tillförsel från floder av kväve och fosfat med:

1) 50%

2) enligt Tabell 1.

Författaren anser att Warnemündes scenariokörningar inte kan användas för att studera Skagerrak. Randvärdena vid Nordsjöns västra del har för stor påverkan på resultaten.

Tabell 3. Översikt av de hydrodynamiska-ekologiska modeller som beskriver Skagerrak där man inte gjort scenariokörningar. Institut Ekologiska parametrar

Inst. DMU. Modellnamn: COHERENS/Tett et al.

sigma-koordinat

Upplösning: Rum: 7.5 km. Tid 10 sekunder

Mode: Hindcast/Scenarier

NH4, NO3, Tot-N, PO4,O2, C, klorofyll, autotrofa och heterotrofa flagellater

Inst. Metno. Modellnamn: MIPOM/Norwecom

s-koordinat.

Upplösning: Rum: 4 km. Tid 2 minuter

Mode: Hindcast/Operationell

NH4, NO3, Tot-N, PO4,Si, O2, C, DIN, diatoméer och flagellater, detritus, DOP

Inst. Metoffice. Modellnamn: Pol3d/ERSEM

s-koordinat.

Upplösning: Rum: 6km. Tid: 4 minuter

Mode: Operationell

NH4, NO3, PO4,O2, C, diatoméer, tre flagellater, tre zooplankton

Inst. NERSC

Modellnamn:MICOM/FADM02 & MICOM/CN-REcoM

s-koordinat.

Upplösning: Rum: 2-4 km. Tid: 15/180 sekunder

Mode: Hindcast/Operationell

NH4, NO3, PO4,O2, C, fytoplankton, bakterier, ett zooplankton, klorofyll, DIP, detritus, samt alkalinitet

Inst. SMHI. Modellnamn: HIROMB/SCOBI

z-koordinat.

Upplösning: Rum: 1.8-5.6 km.

Mode: Operationell

NH4, NO3, PO4,O2, C, ett växt- och ett zooplankton samt detritus

Institut Ekologiska parametrar

Inst. SOC. Modellnamn: OCCAM/OB1

z-koordinat

Upplösning: Rum: 5 km. Tid 4 minuter

Mode: Hindcast

NH4, NO3, PO4,O2, C,, ett fytoplankton, ett zooplankton, detritus, och klorofyll

Inst. SYKE

Modellnamn: HIROMB/3-D Baltic Sea ecosystem model

z-koordinat. Upplösning: ? Mode:?

okänd

Inst. ULG. Modellnamn: GHER

Upplösning: Rum: 18 km. Tid 1 minut

Mode: Hindcast

NH4, NO3, PO4,O2, C tre växtplankton, hetereotrofa flagellater, bakterier, ett djurplankton, detritus och DOP

Referenser: Aksnes, D.L. and U. Lie. 1990. A coupled Physical-Biological Pelagic model of a shallow Sill Fjord. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 31: 459-486. Aksnes D.L, Ulvestad K.B, Balino B.M, Berntsen J., Egge J.K., and Svendsen E.. Ecological modelling in coastal waters: towards predictive physicalchemical- biological simulation models. Ophelia, 41:5–36, 1995a. Blumberg, A.F. and G.L Mellor. 1987. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. In: Three-Dimensional Coastal Ocean Models. N.S. Heaps (ed.) Washington D.C: American Geophysical Union, pp. 1-16. Cox, M.D. and K. Bryan. 1984. A Numerical Model of the Ventilated Thermocline. J. Physical Oceanography 14:674-687. Fasham, M. J. R., H. W. Ducklow, and S. M. McKelvie, A nitrogen-based one-D model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer, J. Marine. Res., 48, 591-639, 1990. Gren, I.-M., 2000. Managing a sea. Cost-Effective Nutrient Reduction To The Baltic Sea. Earthscan Publ., London, pp. 43 56. Hansen, Ian Sehested, Uhrenholdt, Thomas & Dahl-Madsen, Karl Iver 2003. Miljøeffektvurdering for Havmiljøet Del 2: 3D procesbaseret modellering af miljøtilstanden i de åbne indre farvande. Rapport fra Institut for Miljøvurdering Hense I., and Stipa, T. Factors controlling phytoplankton and cyanobacteria bloom development in the Gulf of Finland. Boreal Environment Research, 2003. (submitted). W. G. Large, J. C. McWilliams, and S. C. Doney. Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization. Rev. of Geophysics, 32(4): 363–403, 1994. Luyten P.J. (Editor), 1999. COHERENS Dissemination and exploitation of a coupled hydrodynamical-ecological model for regional and shelf seas, MAS3-CT97-0088. Final Report. MUMM Internal Report, Management Unit of the Mathematical Models, 76 pp. Marshall J., Hill C., Perelman L., and Adcroft A.. Hydrostatic, quasihydrostatic, and non-hydrostatic ocean modeling. Journal of Geophysical Research, 102(C3):5733–5752, 1997. Martinsen, E.A. and H. Engedahl. 1987. Implementation and testing of a lateral boundary scheme as an open boundary condition in a barotropic ocean model. Coastal Engineering 11:603-627. Meier, H.E.M., R. Döscher, A.C. Coward, J. Nycander and K. Döös, 1999: RCO - Rossby Centre regional Ocean climate model: model description (version 1.0) and first results from the hindcast period 1992/93.\it Reports Oceanography No.\,26, SMHI, Norrköping, Sweden}, 102 pp. Mellor, G.L. and T. Yamada. 1982. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems. Reviews in Geophysics and Space Physics 20:851-875. Pacanowski, R.C., Griffies, S.M., 2000. Mom 3.0 manual. Tech. Rep., Geophysical Fluid Dynamics Laboratory. Skogen, M. D. and H. Soiland. 1998. A user’s guide to NORWECOM V2.0. The Norwegian Ecological Model System. Fisken og Havet, 18:42 pp. Skogen, M. D., H. Söiland and E. Svendsen, 2004, Effects of changing nutrient loads to the North Sea, J. of Marine Systems, 46, 23-38. Stipa et al. Short-term effects of nutrient reductions in the North Sea and the Baltic Sea as seen by an ensemble of numerical models. Meri 49, 2003. Stipa et al. Parameterisation of temperature- and salinity-dependent growth rates for Nodularia and Aphanizomenon spp. 2004. (in prep.). Tett P 1998 Parameterising a microplankton model, Napier University, Edinburgh, 54

SAMARBEJDE OM RENERE HAV OG KYSTERRegionerne omkring Skagerrak, i Danmark, Sverige ogNorge, samarbejder i EU-projektet Forum Skagerrak II.Formålet er at få mere viden og gennemføre konkrete til-tag for et renere og mere attraktivt hav med omgivendekyster. Projektet foregår i samarbejde med statslige orga-nisationer og andre interesserede.

PROJEKTET ARBEJDER INDEN FOR FØLGENDE SYV OMRÅDER:● Tilførslen af næringsstoffer til Skagerrak● Miljøfarlige stoffer, affald og oliespild● Fisk og skaldyr● Planlægning i kystzonen● Koordineret miljøovervågning● Øget kendskab til bundforhold i de dybe dele af Skagerrak● Formidling af ny viden om Skagerrak

LINKED FOR A LIVING SEA AND COASTLANDSThe regions in Sweden, Norway and Denmark borderingSkagerrak collaborate in the EU project Forum Skager-rak II. The aim is to widen the knowledge of and deliverconcrete actions for a cleaner and more attractive sea andcoasts. The project work involves governmental and regio-nal organisations as well as other interested parties.

THE PROJECT INCLUDES WORK IN SEVEN AREAS:● Eutrophication● Hazardous substances, marine litter and oil spills● Fish and shellfish issues● Integrated coastal zone management and planning● Coordinated environmental monitoring● Mapping for increased knowledge on sensitive deep

sea beds● Dissemination of information.

SAMARBETE FÖR RENARE HAV OCH KUSTERRegionerna runt Skagerrak, i Sverige, Norge och Danmark,samarbetar i EU-projektet Forum Skagerrak II. Syftet äratt öka kunskapen och genomföra konkreta åtgärder förett renare och attraktivare hav med omgivande kuster.Arbetet bedrivs tillsammans med statliga organisationeroch andra intresserade.

PROJEKTET OMFATTAR SJU OMRÅDEN:● Övergödning i havet● Miljöfarliga ämnen, nedskräpning och oljeutsläpp● Fisk- och skaldjursfrågor● Planeringsfrågor för kusten● Samordnad miljöövervakning● Ökad kunskap om känsliga djupa havsbottnar● Informationsarbete.

SAMARBEID OM RENERE HAV OG KYSTERRegionene rundt Skagerrak, i Norge, Sverige og Danmark,samarbeider i EU-prosjektet Forum Skagerrak II. Hensik-ten er å øke kunnskapen og gjennomføre konkrete tiltakfor et renere og mer attraktivt hav med omkringliggendekyster. Arbeidet foregår i samarbeid med statlige organisa-sjoner og andre intresserte.

PROSJEKTET OMFATTER SYV ULIKE OMRÅDER:● Overgjødsling i havet● Miljøfarlige stoffer, forsøpling og oljeutsipp● Fisk- og skalldyr● Planlegging av kystsonen● Samordnet miljøovervåking● Økt kunnskap om utsatte dype havbunner● Informasjonsarbeid.

FORUM SKAGERRAK II

www.forumskagerrak.com

SWEDEN Länsstyrelsen Västra Götalands länVästra GötalandsregionenFiskeriverketTjärnö Marinbiologiska LaboratoriumSMHI

PARTNERS

DENMARKNordjyllands Amt

NORWAYØstfold fylkeskommuneFylkesmannen i Østfold Fylkesmannen I VestfoldTelemark fylkeskommune Fylkesmannen i Telemark Aust-Agder fylkeskommune Fylkesmannen i Aust-AgderVest-Agder fylkeskommune Fylkesmannen i Vest-AgderFiskeridirektoratet, RegionSkagerrakkysten Fagrådet Yttre Oslofjord

Forum Skagerrak ll ● Fyrbodals kommunalförbundBox 305 ● SE-451 18 Uddevalla ● Sweden

Telefon +46 (0)522 44 08 20 ● info@forumskagerrak.com

LINKED FOR A LIVING SEA AND COASTLANDS