Modelowanie retrospektywne i prognozowanie hydrodynamiki Morza Bałtyckiego

W odpowiedzi na zapotrzebowanie badań środowiska morskiego, konieczność zapewnienia bezpiecznej aktywności człowieka w tym środowisku, rozwija się trójwymiarowe modele ekohydrodynamiczne oraz buduje systemy prognoz operacyjnych i prognoz długookresowych. Poza prognozami operacyjnymi, powstają prognozy w przód oraz opisy zachowania morza w przeszłości.
Głównym celem tej pracy jest prezentacja nowych mechanizmów poznania środowiska Morza Bałtyckiego poprzez modelowanie i prognozowanie na bazie modelowania retrospektywnego z zastosowaniem hydrodynamicznego modelu M3D.

Spis treści

Od Autora 7 Wstęp 9 Rozdział 1. Wprowadzenie do modelowania i prognozowania hydrodynamiki morza 13 1.1. Modelowanie a prognozowanie hydrodynamiki 14 1.1.1. Modelowanie retrospektywne i prognozowanie 15 1.1.2. Rodzaje prognoz 16 1.2. Metoda modelowania retrospektywnego 17 1.2.1. Inicjalizacja modelu hydrodynamicznego 18 1.2.2. Kalibracja, weryfikacja i walidacja modelu 20 1.2.3. Downscaling dynamiczny 24 1.3. Modelowanie hydrodynamiki Bałtyku 28 1.3.1. Modele jednowymiarowe 29 1.3.2. Modele dwuwymiarowe 29 1.3.3. Modele trójwymiarowe 30 1.4. Prognozowanie hydrodynamiki Bałtyku na tle współczesnych programów badawczych 32 1.4.1. Modele i prognozy hydrodynamiki w skali oceanicznej 32 1.4.2. Europejska oceanografia operacyjna 33 1.4.3. Prognozowanie hydrodynamiki Bałtyku 36 Rozdział 2. Metody prognozowania operacyjnego oraz ze scenariuszem (na przykładzie M3D i ProDeMo) 37 2.1. Metoda prognozowania operacyjnego 37 2.1.1. Zintegrowany system operacyjny 37 2.1.2. Asymilacja danych w czasie rzeczywistym 38 2.1.3. Sieć obserwacyjna 44 2.1.4. Bieżąca walidacja prognoz 47 2.1.5. Udostępnianie i dostarczanie prognoz użytkownikom 48 2.2. Metoda prognozowania ze scenariuszem 48 2.2.1. Scenariusz Bałtyckiego Programu Działania (BPD) 49 Rozdział 3. Model ekohydrodynamiczny (M3D i ProDeMO) 53 3.1. Model hydrodynamiczny M3D – równania i warunki brzegowe 53 3.2. Rozwijanie modelu ekohydrodynamicznego (M3D i ProDeMO) 57 3.3. Analiza retrospektywnych symulacji zmian poziomu Bałtyku 60 3.3.1. Analiza spektralna wahań poziomu morza 60 3.3.2. Trendy zmian poziomu morza 60 3.3.3. Zastosowanie metody PCA do wyróżnienia wzorców przestrzennej zmienności poziomów morza 61 Rozdział 4. Wybrane rezultaty modelowania retrospektywnego i prognozowania hydrodynamiki Bałtyku 63 4.1. Długookresowe zmiany poziomu Bałtyku i ich związek z sytuacją anemobaryczną 64 4.1.1. Zgodność obserwowanych i modelowanych szeregów czasowych wahań poziomu morza 64 4.1.2. Charakterystyki ciśnienia atmosferycznego i pól wiatrów sezonowych nad Bałtykiem 67 4.1.3. Sezonowa zmienność modelowanych zmian powierzchni swobodnej Morza Bałtyckiego 68 4.1.4. Podstawowe składowe przestrzenne modelowanych zmian poziomu morza 72 4.2. Modelowane prądy w Bałtyku 75 4.2.1. Prądy powierzchniowe i podpowierzchniowe 76 4.2.2. Sezonowa zmienność cyrkulacji powierzchniowej 78 4.2.3. Wieloletnia zmienność prądów powierzchniowych – odniesienie do Oscylacji Północnoatlantyckiej (NAO) 87 4.2.4. Główne cechy prądów powierzchniowych 93 4.3. Modelowane zjawiska lodowe w Bałtyku 94 4.3.1. Temperatura wody powierzchniowej 94 4.3.2. Grubość pokrywy lodowej 96 4.3.3. Koncentracja lodu 98 4.3.4. Zasięg pokrywy lodowej 101 4.4. Modelowane rozpływy wód rzecznych na polskim wybrzeżu 103 4.4.1. Rozpływy wód rzek Pomorza 103 4.4.2. Rozpływy wód wiślanych w Zatoce Gdańskiej 109 4.5. Modelowana wymiana wód w strefie brzegowej 115 4.5.1. Wlewy wód morskich do jeziora Sarbsko 115 4.5.2. Wlewy wód morskich do jeziora Jamno 119 4.6. Regionalna prognoza operacyjna Bałtyku 121 4.7. Subregionalna prognoza operacyjna południowo-wschodniego Bałtyku 131 4.8. Prognoza zmian w ekosystemie Bałtyku 2000–2030, scenariusz BPD 134 Rozdział 5. Kierunki rozwoju modelowania i prognozowania hydrodynamiki morza 139 5.1. Potrzeba rozwoju metod modelowania i prognozowania 139 5.2. Globalizacja systemu prognoz 141 Podsumowanie 145 Bibliografia 153 Glosariusz 167 Spis akronimów 171 Spis tabel 173 Spis rysunków 175 Modelling and forecasting of the Baltic Sea hydrodynamics (summary) 179 List of tables 185 List of figures 187