Soome lahe sinivetikate õitsengute põhjustestja hägusloogika mudel.

Jaan LaanemetsMeresüsteemide Instituut, Tallinna Tehnikaülikool

Koostööpartnerid: Soome Mereuurimise Instituut, Eesti Mereinstituut ja Eesti Mereakadeemia

Põhilised sinivetika liigid

Foto: Soome Mereuuringute Instituut

Nodularia spumigenaFoto: Inga Lips, TÜ EMI

Aphanizomenon f.-aquae Foto: Seija Hällfors, SMI

Satelliidipilt sinivetikate massilisest õitsengust 2002 a. suvel. Punane – kõrge biomassi kontsentratsioon.Pildi töödelnud Liis Sipelgas, TTÜ MSI

Foto: Madis-Jaak Lilover

Soome

Eesti

Pinnakogumid

Sinivetikad on võimelised tarbima õhulämmastikku, seega õitsengu biomassi määrab mere ülakihis olev lahustunudanorgaanilise fosfori hulk.

Traditsiooniliselt nimetatakse kolme fosfori allikat:

• kevadisest õitsengust ülejääv fosfor, mida loetakse põhiliseks fosfori allikaks kuna bioproduktsioon on Läänemeres tugevalt lämmastiku poolt limiteeritud • mere ülakihis orgaanilise aine lagunemisel vabanev fosfor

• füüsikaliste protsesside (turbulentne segunemine ja upwelling) poolt ülakihti toodav fosfor

Talvised toitainete kontsentratsioonide muutused aastatel 1979-2004D

IN (

mm

ol m

-3 )

DIP

(m

mol

m-3

)

1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 50

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1

DIN

/DIP

exce

ssP

(m

mol

m-3

)

A astad

1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 56

7

8

9

1 0

11

1 2

1 3

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1

1 .1

1 .2

1 .3

F3,SMI

excessP=DIP–DIN/16

Muutused toitainetingimustes 90-tel aastatel Soome lahes:

P ja N koormus on väenenud ~ 30% P vabanemine setetest on suurenenud N:P suhte vähenemine, kevadisest õit- sengust ülejääva P hulga suurenemine

VÄGA SOODSAD TINGIMUSED SINIVETIKATE ÕITSENGUKS

A

B Redfield’i suhe DIN:DIP=16

Phosphate (mmol m )

Nitrate (mmol m )

-3

-3

0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 15 0

4 0

3 0

2 0

1 0

00 4 8 1 2 1 6 2 0

0 1 2 3 4

T e m p e ra tu re (o C )

Dep

th (

m)

Termokliin Fosfokliin Nitrakliin

Tüüpilised temperatuuri ja toitainete vertikaalsed jaotused suvel

Fosfokliin algab termokliiniülaosas ja nitrakliini algus on ~5m sügavamal. Füüsikalised protsessid: turbulentne segunemine ja upwelling toovad ülakihti lisa fosforit ja seega soodustavad sinivetikateõitsenguid.

Fosfaadi ja nitraadi kontsentratsioonid mere ülakihis on sinivetikate õitsengu alguseks, umbes juuli keskel, vähenenud mõõtmistäpsuseni.

FINLAND

ESTONIA

2 4

2 2

2 0

1 8

1 6

1 4

1 2

1 0

8

6

4

22 6 J u ly

SST image: Rem ote Sening Laboratory, Stockholm University

5 9 °3 0 '

5 9 °5 0 ' N

5 9 °4 0 '

2 3 °1 5 ' 2 3 °4 0 ' 2 4 °E

2 7 /2 8 Ju ly

Phosphate (m m ol m )3-

2 4 Ju ly

T ( C)o

RV ARANDA 1999

wind

<0.02

>0.3

<0.02

Temperature ( C)oTemperatuuri jafosfaadi jaotused5 m sügavusel.

Viimase 10 aasta jooksul on peale kevadist õitsengut ülakihti jääva fosfori hulk märgatavalt suurenenud, samuti on intensiivistunud potentsiaalselt mürgise N.spumigena õitsengud soojadel suvedel (maksimum 2002).

RV Aranda Alg@lineKülmad suved1992 1996 2000 2004

0

5

10

15

20

25

30

1 3

1 5

1 7

1 9

2 1

2 3

2 5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8B

iom

ass

(g m

-2)

Tem

per

atu

re (

oC

)

Exc

ess

P (

mm

ol

m-3

)

Nodularia spumigena suve maksimaalne biomass ülakihis ( ) ja vastav temperatuur ( ) ning peale kevadist õitsengut ülakihti jääv fosfor ( ).

Õitsengu lävi

• kevadisest õitsengust ülejääv fosfor • turbulentse segunemise poolt ülakihti toodav fosfor (parametriseeritakse läbi tuule pinge; tugineb turbulentsi ja toitainete mõõtmistel)• upwellingute poolt ülakihti toodav fosfor (parametriseeritakse Ekmani trttranspordiga)

Olulisemad faktorid, mis mõjutavad N. spumigena õitsengute biomassi ja arvestatakse mudeli koostamisel

Toitainetingimused:

Füüsikalised tingimused:• pinnakihi temperatuur (õitsengu lävi on võetud 16 C) • turbulents ülemises segunenud kihis (parametriseeritakse tuule pingega)

Hägusloogika baasil modelleerimine

• Sisend- ja väljundparameetrite muutumispiirkonnad jagatakse klassidesse (näiteks: madal – keskmine – kõrge).

Kuuluvusfunktsioon näitab, millise osakaaluga parameetri väärtus kuulub antud klassi.

• Kasutatakse teadmistest tulenevaid ekspertreegleid parameetrite klasside vaheliste seoste kohta.Reeglid esitatakse tingimuslausete kujul (kui..., siis ...).

Hägusloogikal põhineva modelleerimise eelis seisneb selles, et läbi kuuluvusfunktsiooni ja ekspertreeglite saab viia ebatäpse teadmise (ei ole väljendatav valemite ja võrranditega) numbrilisele kujule ja teostada arvutusi.

Temp. Tuulepinge

Füüs. ting.

madal madal madal

madal keskmine madal

madal kõrge madal

keskmine madal keskmine

keskmine keskmine keskmine

keskmine kõrge madalkõrge madal kõrge

kõrge keskmine kõrge

kõrge kõrge keskmine

Ekspertreeglid ja kuuluvusfunktsioonid

5 10 15 20 25 30

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tem peratuur (C )

Tuu le p inge *10 2 (N /m 2)

Füüs. ting im used

Kuuluvusfunktsioonid

Ekspertreeglid

Pinnakihi temperatuur

Tuule pinge

Füüsikalised tingimuse

madal kõrgekeskm.

Pinnakihi temperatuur

Turbulents pinnakihis

Fosfori ülejääk kevadest

Fosfori turbulentne transport

Fosfori transport upwellinguga

Füüsikalised tingimused pinnakihis

Fosfori tingimused pinnakihis

Biomass 1

Kasvu kontroll

Biomass 2

Biomassi transport

Biomass rannikumeres

Mudel:1) varajane oodatava biomassi ennustus 15. juunil (Biomass 1)2) lühiajalised ennustused: 3 päevase intervalliga, arvestavad kasvu (Biomass2) ja transporti (Biomass rannikumeres).

Mudeli kalibreerimine(Biomass2)

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

Sim

ulat

ed b

iom

ass

(g m

-2)

M easured biom ass (g m -2)

- 1997-2001 a. andmeid kasutati kalibreerimiseks - 2002 - 2003

SD = ± 2.7 g m-2

CD=1-(i=1..n (ai-bi)2 )/(i=1..n (ai-am)2) CD = 74%

ai – mõõdetud biomass bi – modelleeritud biomass am – keskmine mõõdetud biomassn – mõõtmiste arv

CD (määratuse koefitsient) näitab, millise osa mõõdetud biomassi dispersioonist kirjeldab modelleeritud biomass

Kvantitatiivne kokkulangevus:

Varajane ennustus: biomassi ennustus 15. juunil, s.o. umbes 1 kuu enne õitsengut (tugineb fosfori potentsiaalile selleks ajaks)Mudel: Biomass 1

1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40

1 0

2 0

3 0

2 0 0 0

V ee te m p era tu u r (oC )

Bio

mas

s (

g w

w m

-2)

2 0 0 1

2 0 0 3

2 0 0 2 20 0 4

Õ itsen g u läv i

M õ õ d e tu dm ak sim aa lsed

b io m ass id

P ro g n o o s

N õ rk

K esk m in e

T u g ev

Kuidas võiks välja näha sinivetikate õitsengutest teavitamine:

- varajane ennustus (15 juuni), mis näitab maksimaalset oodatavat Nodularia biomassi vastavalt pinnakihi temperatuurile

- Alg@line’i sinivetikate biomassi andmed 1 kord nädalas

- Alg@line’i pinnakihi temperatuur iga päev

- satelliidi pildid (sinivetikate pinnakogumid, pinnatemperatuur)

- tuule, pinnakihi temperatuuri ja hoovuste ennustus 48h, (HIRLAM; HIROMB)

- sinivetikate biomassi ennustus 3 päevaks mudelitega

- informatsioon elanikkonnalt