Zasadniczym celem Cyfrowego Systemu Informacji o środowisku polskich obszarów morskich (CSI-POM www.csipom.pl) jest określenie struktur, dynamiki i zmienności czasowo-przestrzennej procesów fizycznych zachodzących w środowisku morskim południowego Bałtyku przy użyciu opracowanych w ramach projektu CSI-POM modułów/aplikacji opartych na modelowaniu numerycznym.
Nowatorstwo tego projektu polega na opracowaniu nowych narzędzi dla rozpoznania procesów fizycznych w południowym Bałtyku:
i) wyznaczania termokliny, halokliny i piknokliny dla całej domeny modelu,
ii) czasowo-przestrzennej analizy struktury kolumny wody dla badanych parametrów, tj. temperatury, zasolenia i prądów;
iii) automatycznej detekcji wirów morskich;
iv) badania bezwładności mas wodnych przy prognozowanych wymuszeniach wiatrowych,
v) automatycznego wykrywania prądu wznoszącego-upwellingu brzegowego.
Serwis CSI-POM stanowi odpowiedź na problemy występujące w gospodarce morskiej i rybołówstwie, które związane są z potrzebą posiadania niezawodnego i dokładnego narzędzia do obserwowania zmian zachodzących w środowisku morskim.
Należą do nich m.in. działania dotyczące:
- planowania i oceniania optymalnych warunków hydrodynamicznych do realizowanych przedsięwzięć,
- podejmowania optymalnych decyzji podczas planowania przedsięwzięć w poszczególnych sektorach gospodarki morskiej,
- wzrostu bezpieczeństwa i efektywności wykonywanych prac.
Świadome zarządzanie inwestycją pozwoli uniknąć niepotrzebnych strat i zmian w harmonogramie.
Wizualizacji wyników modelowych i udostępniania ich w formie map w czasie rzeczywistym i z 48+ godzinną prognozą dla szerokiego grona użytkowników odbywa się poprzez internetowy portal/serwis CSI-POM (www.csipom.pl).
MODEL CEMBS-PolSea
Celem głównym projektu "Cyfrowy System Informacji dla Polskich Obszarów Morskich (CSI-POM)" jest opracowanie zaawansowanego narzędzia numerycznego, umożliwiającego efektywne monitorowanie i prognozowanie warunków hydrodynamicznych(CSI-POM Etap 1) i biochemicznych (CSI-POM Etap 2) południowego Bałtyku. CSI-POM Etap 1 (Rysunek 1) ma na celu dostarczenie kompleksowego rozwiązania, integrującego modelowanie numeryczne z nowoczesnymi narzędziami analizy procesów fizycznych, celem zapewnienia pełniejszej informacji o stanie środowiska morskiego.
Opracowany w ramach projektu CSI-POM model 3D CEMBS-PolSea wywodzi się z Community Earth System Model (CESM) z konfiguracją typu G, który jest sprzężonym globalnym modelem klimatycznym opracowanym przez NCAR. Na potrzeby projektu CSI-POM, model CESM został przeskalowany i przystosowany dla rejonu Polskich Obszarów Morskich i dalej rozwijany w Instytucie Oceanologii PAN. Rozdzielczość pozioma modelu 3D CEMBS-PolSea to 575 m (1/192°). W pionie model ma 66 warstw (poziomów), o grubościach od 5 do 83 metrów.
Domena modelu 3D CEMBS-PolSea od zachodu i północy graniczy z otwartym Bałtykiem, co stwarza konieczność dostarczenia modelowi warunków brzegowych. Dane na granicę modelu dostarczane są z modelu 3D CEMBS dla Morza Bałtyckiego o rozdzielczości horyzontalnej 2 km. Na granicy woda-atmosfera model 3D CEMBS-PolSea jest zasilany meteorologicznymi siłami wymuszającymi. Wymuszenia te pochodzą z modelu UM (Unified Model) rozwijanego w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Uniwersytetu Warszawskiego.
W modelu 3D CEMBS-PolSea wykorzystano dane o przepływach rzecznych pochodzące z trzech źródeł:
- Modelu hydrologicznego SWAT, który był rozwijany w ramach projektu „Zintegrowany Serwis Informacyjno-Predykcyjny WaterPUCK” (Dybowski i inni 2020, 2022, Dzierzbicka-Głowacka i inni 2022);
- Modelu hydrologicznego HYPE, z którego pochodzą ogólnodostępne historyczne dane dotyczące przepływów rzek;
- Danych operacyjnych przepływów rzek, pochodzących z bazy Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW), zakupionych ze środków projektu CSI-POM.
W modelu 3D CEMBS-PolSea zaimplementowano 21 rzek uchodzących do Morza Bałtyckiego z terytorium Polski.
Model posiada także moduł asymilacji danych satelitarnych dla powierzchniowej temperatury morza. Szczegółowy opis modelu wraz z walidacją przedstawiono w artykule Dybowski i inni ( 2024).
Rysunek 1. Struktura Digital Information System for Polish Maritime Areas (CSI-POM)
W ramach projektu opracowano nowe narzędzia/moduły numeryczne, umożliwiające określanie struktur, dynamiki i zmienności procesów fizycznych w południowym Bałtyku.
Nierozerwalną częścią „Cyfrowego Systemu Informacji dla polskich obszarów morskich” jest wizualizacja wyników i ich udostępnianie dla społeczeństwa. Opracowany system CSI-POM pozwala na tworzenie map oraz charakterystyk przestrzennych, czasowych i punktowych dla badanych parametrów i procesów fizycznych. Wyniki te są prezentowane na portalu internetowym w czasie rzeczywistym oraz w formie prognoz na najbliższe dwa dni. Informują one o bieżącym stanie środowiska i możliwości zagrożeń na otwartym morzu i w strefie przybrzeżnej Polski.
System CSI-POM
Dostęp do wszystkich usług odbywa się poprzez witrynę internetową umieszczoną na domenie www.csipom.pl w zakładce PRODUKTY (Rysunek 2):
a. PARAMETRY HYDRODYNAMICZNE
b. ZMIENNOŚĆ CZASOWA
c. PRZEKROJE PIONOWE
d. WARSTWY SPECYFICZNE
e. DETEKCJA WIRÓW
f. BEZWŁADNOŚĆ MAS WODNYCH
g. DETEKCJA UPWELLINGU
Szczegółowy opis portalu/systemu CSI-POM przedstawiono w artykule(Dzierzbicka-Głowacka i inni, 2024) w czasopiśmie Oceanologia.
Rysunek 2. Widok okna strony CSI-POM
Poniżej zaprezentowano przykładowe parametry dla wszystkich PRODUKTU portalu/serwisu CSI-POM.
Produkt: PARAMETRY HYDRODYNAMICZNE– parametry:
- Temperatura
- Zasolenie
- Prądy
- Poziom morza
Rysunek 3. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Parametry hydrodynamiczne” i parametru „Temperatura” oraz daty i głębokości warstwy.
Produkt: ZMIENNOŚĆ CZASOWA – parametry:
- Temperatura
- Zasolenie
- Prądy
- Poziom morza
Rysunek 4. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Zmienność czasowa”, parametru „Temperatura”, okresu czasowego i zaznaczeniu punktu na mapie, dla którego został wygenerowany wykres zmienności czasowej.
Produkt: PRZEKROJE PIONOWE – parametry:
- Temperatura
- Zasolenie
- Prądy
Rysunek 5. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Przekrój pionowy”, parametru „Temperatura”, daty i narysowaniu profilu, wzdłuż którego został wygenerowany przekrój pionowy.
Produkt: WARSTWY SPECYFICZNE – parametry:
- Szczyt głębokości termokliny
- Szczyt głębokości halokliny
- Szczyt głębokości piknokliny
- Dno głębokości termokliny
- Dno głębokości halokliny
- Dno głębokości piknokliny
- Miąższość głębokości termokliny
- Miąższość głębokości halokliny
- Miąższość głębokości piknokliny
Rysunek 6. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Warstwy specyficzne”, parametru „Szczyt głębokości termokliny” i daty.
Produkt: DETEKCJA WIRÓW – parametry:
- Prądy
- Poziom morza
- Gamma 1
Rysunek 7. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Detekcja wirów” i parametru „Prądy” oraz daty.
Parametry: BEZWŁADNOŚĆ MAS WODNYCH – parametry:
- Trend
- Czas reakcji
- Spiętrzenia
Rysunek 8. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Bezwładność mas wodnych”, parametru „czas reakcji” i daty.
Produkt: DETEKCJA UPWELLINGU
Rysunek 9. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu produktu „Detekcja upwellingu” i daty.
Każdy produkt opatrzony jest ikoną „Info” na górnym pasku. Kliknięcie jej wyświetli informacje o produkcie i jego parametrach (patrz dla przykładu Rysunek 10).
Rysunek 10. Widok okna strony CSI-POM po wybraniu ikony „Info” dla produktu „Bezwładność mas wodnych”.
Podsumowanie
W badaniach oceanograficznych Oceanu Światowego ważne miejsce zajmują systemy mórz wewnętrznych. Funkcjonowanie takich systemów jest procesem złożonym, z którego wynika potrzeba badań środowiska Morza Bałtyckiego, zarówno ze względów poznawczych, jak i ze względu na jego gospodarczo-polityczne znaczenie dla naszego kraju.
Fenomen Morza Bałtyckiego wynika z równowagi zasolenia w jego wodach, co związane jest ze znacznym dopływem wód słodkich i ograniczonym zasilaniem go słonymi masami wodnymi z Morza Północnego. Dlatego Bałtyk jest jednym z największych zbiorników wód słonawych na świecie. Dopływ gęstych, słonych wód z Morza Północnego jest nierównomierny, a wody rozprzestrzeniają się w przydennych warstwach Bałtyku. Skutkuje to zarówno silną halokliną, jak i powstawaniem znacznych gradientów zasolenia w kolumnie wody. Zasolenie maleje wraz z odległością od Cieśnin Duńskich, wzdłuż strefy tranzytowej, czyli osi głębokich basenów Bałtyku, gdzie rozprzestrzeniają się wody wlewowe. Ze względu na spływ rzeczny, wody powierzchniowe charakteryzują się obniżonym zasoleniem, zaś przydenne, ze względu na wpływ wlewów z Morza Północnego – zwiększonym. Ponadto procesy mieszania pomiędzy warstwą górną i dolną zmniejszają pionowy gradient zasolenia i dlatego wielu badaczy traktuje Morze Bałtyckie jako estuarium, dla którego ten proces jest charakterystyczny (Marmefelt, 1993; Stigebrandt, 1983).
Średnie zasolenie wód powierzchniowych w Bałtyku jest aż pięciokrotnie mniejsze niż w oceanie i wynosi około 7.5 PSU (Leppäranta, 2009).
Ze względu na swoje położenie geograficzne Bałtyk jest morzem relatywnie chłodnym. Znajduje się w północnej strefie klimatu umiarkowanego i jest podatny na wpływ wschodnich, kontynentalnych mas powietrza. Specyficzna batymetria, która sprawia iż Bałtyk jest odseparowany od wpływu ciepłej wody pochodzącej z Prądu Zatokowego, wraz z powyższymi czynnikami sprawiają, iż zimą temperatura wody powierzchniowej jest niższa niż temperatura występująca na Morzu Północnym. Temperatura w warstwie powierzchniowej waha się pomiędzy 0 a 18°C.
Specyficzne warunki środowiskowe Bałtyku wpływają na jego ekosystem. Charakterystyczne dla Bałtyku jest występowanie fauny typowej dla środowiska o małym zasoleniu. Ponadto, cechą charakterystyczną tego morza są regularne wiosenno-letnie zakwity glonów, które stały się poważnym problemem środowiskowym i gospodarczym. Ponad trzydzieści gatunków fitoplanktonu w Bałtyku jest zakwalifikowanych jako szkodliwe dla zdrowia ludzkiego (Öberg, 2016).
Badanie stale zmieniającego się środowiska stanowi, olbrzymie wyzwanie dla badaczy z różnych dyscyplin naukowych. Pojawiające się nowe rozwiązania techniczne z jednej strony ułatwiają pracę naukowców, z drugiej zaś nie stanowią rozwiązania idealnego.
Efektywność badań numerycznych jest nieporównywalnie większa niż efektywność badań polowych z wykorzystaniem boi, statków, czy pomiarów satelitarnych. Wyjaśnia to powszechne w dobie cyfryzacji stosowanie modeli matematycznych i symulacji komputerowych jako nowych metod poznawania praw rządzących światem przyrody. Dotyczy to zwłaszcza zagadnień na styku kilku dyscyplin, co jest regułą w badaniach oceanograficznych.
Modelowanie numeryczne zjawisk hydrodynamicznych oraz biochemicznych badanego akwenu jest skomplikowanym zadaniem. Trzeba wziąć pod uwagę dopływy słodkiej (bogatej w substancje odżywcze) wody z rzek oraz wlewy słonej wody z Morza Północnego docierające do tych rejonów przy dnie. Dane wejściowe do modelu, takie jak informacja o dopływach rzecznych, dane atmosferyczne oraz warunki na granicach modelu, muszą być wysokiej jakości. Są to główne czynniki wymuszające dla modelu. Ich jakość ma ogromny wpływ na dokładność otrzymywanych wyników i ich zgodność z rzeczywistością. Ze względu na fakt, iż w środowisku zachodzą bardzo dynamiczne zmiany, tylko równoczesne badania środowiskowe/pomiarowe i modelowe mogą dać najbardziej wiarygodny obraz rzeczywistego stanu badanego akwenu. Wyniki o wysokiej rozdzielczości czasowo-przestrzennej mogą dostarczyć informacji w skali lokalnej na temat tworzenia się wirów, mieszania się wód o różnej gęstości czy tworzenia się intruzji. Ponadto, badanie podstawowych parametrów środowiska wodnego i procesów w nich zachodzących, stanowi podstawę do powstania nowych hipotez badawczych i upowszechniania wiedzy w celu budowania współpracy między podmiotami działającymi w obszarze nauki a podmiotami działającymi w sferze społeczno-gospodarczej.
W Pracowni Modelowania Procesów Ekohydrodynamicznych Instytutu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie opracowano model ekosystemu 3D CEMBS wyznaczający podstawowe parametry hydrodynamiczne i biochemiczne środowiska Morza Bałtyckiego.
Jakość przedstawionych wyników jest zróżnicowana w zależności od rodzaju parametru, regionu geograficznego czy głębokości, co w dużym stopniu oddaje aktualny stan wiedzy na temat funkcjonowania ekosystemu morskiego. Model wymaga dalszych usprawnień i dopracowania do zawężonych obszarów, aby mógł stać się możliwie najbardziej wiarygodnym narzędziem do oceny stanu środowiska Bałtyku czy do prognozowania jego zmian. Dalsze udoskonalanie i rozbudowa modelu 3D CEMBS o rozdzielczości 2 km poprzez implementację go na znacznie wyższą rozdzielczość (0,5 km) i budowa nowych innowacyjnych narzędzi opisujących procesy zachodzące w środowisku morskim pozwolą rozszerzyć zakres jego zastosowań.
Obecnie w Europie modelowaniem parametrów hydrodynamicznych Morza Bałtyckiego zajmuje się kilka instytucji naukowych w Szwecji, Danii, Finlandii i Polsce (istniejące modele HIROMB, RCO, NEMO, SCOBI, DMI/ERGOM, HIRLAM, BALTSEM, CEMBS, M3D i inne). Wszystkie modele wyznaczają tylko podstawowe parametry hydrodynamiczne środowiska morskiego. Żaden z nich nie prowadzi jednak w sposób kompleksowy, w trybie operacyjnym, jednoczesnego prognozowania podstawowych parametrów hydrodynamicznych, jak i narzędzi proponowanych projekcie CSI-POM (Digital Information System on the environment of Polish maritime areas) określających czasowo-przestrzenną silnie uwarstwioną strukturę badanego obszaru. W artykule Dzierzbicka-Głowacka i inni (2024) szczegółowo przestawiono działanie systemu CSI-POM Digital Information System on the environment of Polish maritime areas – Etap 1, który umożliwia śledzenie warunków hydrodynamicznych, co znacznie ułatwi prognozowanie zagrożeń (jak detekcja wirów morskich, wykrywanie prądu wznoszącego) i działań gospodarczych (jak morska energetyka odnawialna, aktywność transportowo-logistyczna) w polskich obszarach morskich.
Polityka ochrony środowiska musi być zintegrowana z polityką gospodarki. W tym celu należy stworzyć odpowiednie programy zarządzania oparte na idei zrównoważonego rozwoju, które mają na celu rozwój ekonomiczny sektora przy równoczesnym utrzymaniu stanu środowiska. Należy również promować wiedzę dotyczącą funkcjonowania systemów wodnych oraz efektów prowadzenia działalności gospodarczej na środowisko naturalne, aby w przyszłości zminimalizować wpływ gospodarki na środowisko.
Istnieje wiele grup społecznych, do których skierowany jest proponowany projekt. Głównym i bezpośrednim celem jest, aby proponowane działania były środkiem do przekonania decydentów związanych z gospodarką morską do współpracy oraz korzystania z umiejętności i wiedzy naukowców.
Opracowany system CSI-POM jest dostępny bezpłatnie (poprzez portal internetowy www.csipom.pl) dla wszystkich i da możliwość zainteresowanemu użytkownikowi do pozyskania informacji o stanie środowiska morskiego. Będzie źródłem cennych informacji dla naukowców, studentów i uczniów, turystów ale również decydentów, służb morskich i lokalnych środowisk. Ponadto system przyczyni się do wzrostu świadomości ekologicznej społeczeństwa i poczucia odpowiedzialności za stan środowiska.
Planowane efekty realizacji projektu CSI-POM
- Wzrost efektywności pracy przedsiębiorstw;
- Wzrost bezpieczeństwa pracy na morzu;
- Wzmocnienie własnej kontroli pracy na morzu;
- Zrównoważony rozwój gospodarki morskiej;
- Wzrost poziomu wiedzy o środowisku południowego Bałtyku;
- Ochrona obszarów chronionych i Natura 2000 poprzez edukację społeczeństwa;
- Spadek zanieczyszczenia wód;
- Nawiązanie sieci współpracy pomiędzy naukowcami a MŚP.
Naukowcy, społeczeństwo i państwo są zobowiązani do ochrony naturalnego środowiska Morza Bałtyckiego oraz do przestrzegania odpowiednich międzynarodowych konwencji i regulacji prawnych, takich jak Ramowa Dyrektywa Wodna, Ramowa Dyrektywa Strategii Morskiej UE, Europejski program monitoringu Ziemi GMES Global Monitoring for Environment and Security i inne.
Prof. dr hab. Lidia Dzierzbicka-Głowacka
Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk
Publikacja dofinansowana ze środków budżetu państwa w ramach programu Ministra Edukacji i Nauki pod nazwą „Nauka dla Społeczeństwa” nr NdS/546027/2022/2022 kwota dofinansowania 1 702 130,65 zł całkowita wartość projektu 1 702 130,65 zł”.
