Modelling circulation dynamics in the northern Baltic Sea

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-055-6
Julkaisun nimi: Modelling circulation dynamics in the northern Baltic Sea
Tekijä: Westerlund, Antti
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Ilmakehätieteiden tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: Finnish Meteorological Institute Contributions - URN:ISSN:0782-6117
Tiivistelmä: Circulation and surface layer dynamics are of significant importance, for example, when considering how hazardous substances or nutrients are transported in the sea. The earliest studies mapping circulation patterns in the northern Baltic Sea were done before the Second World War and were based on lightship observations. Although the number of available observation points was low, these studies showed that there is a cyclonic long-term surface circulation pattern in the northern sub-basins. Even today, there are considerable research gaps and uncertainties in knowledge. For example, observational data still has insufficient coverage, descriptions of processes in numerical models need tuning to the conditions of the Baltic Sea and model forcing data can have large uncertainties. With modern analysis methods and new observational datasets, gaps in the current understanding of Baltic Sea circulation patterns can be identified and analyzed. In this thesis, circulation dynamics were investigated in the northern Baltic Sea with numerical hydrodynamic modelling. The complex dynamics of the brackish Baltic Sea put hydrodynamic models to the test. Several different model configurations were applied and developed further, including a high-resolution configuration of the NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) model for the Gulf of Finland (GoF). Methods such as machine learning algorithms, new data from automated observational platforms and ensemble forecasting were applied. Circulation patterns in the GoF were investigated with the self-organizing map (SOM) algorithm. The cyclonic circulation pattern visible in earlier studies was not seen in the GoF in the overall means calculated from the model results for the studied periods 2007–2013 and 2012–2014. SOM analysis of currents in the GoF revealed that they are highly variable and complex. There was significant inter-annual and intra-annual variability in the circulation patterns. A connection between wind forcing and the characteristic patterns from the SOM analysis was found. Analysis emphasized the estuary-like nature of the GoF. The results showed that circulation in the GoF changes rapidly between normal estuarine circulation and reverse estuarine circulation. The fact that the dominant wind direction is from the southwest supports this reversal. The cyclonic mean circulation pattern seems to appear only if the normal estuarine circulation is common enough for it to emerge during the averaging period. Small changes to wind direction distribution can have a significant effect on the long-term circulation patterns. Upwelling events on a timescale of days to weeks can also affect long-term circulation patterns. The NEMO model proved to be a suitable tool for the studies of circulation in the northern sub-basins of the Baltic Sea. It quality seems comparable to other models commonly used in the GoF and Bothnian Sea. The GoF is still a challenging environment for circulation modelling. Salinity gradients in the GoF are still not reproduced in a satisfactory manner by the models. More information is required on how well the models reproduce true circulation patterns and, for example, upwelling frequency and intensity. The need for accurate model inputs, especially wind forcing, was demonstrated. The value of observations (especially the better spatial coverage of current measurements) was once again emphasized. Furthermore, the results highlighted that care must be taken to make sure that models and observations represent the same thing when they are compared.  Meren virtausolot ja pintakerroksen dynamiikka ovat merkittäviä tekijöitä esimerkiksi silloin, kun selvitetään haitallisten aineiden tai ravinteiden kulkeutumista. Varhaisimmat Itämeren yleistä kiertoliikettä kartoittaneet tutkimukset tehtiin ennen toista maailmansotaa, ja ne perustuivat majakkalaivahavaintoihin. Vaikka havaintoja oli tuolloin käytössä vain vähän, Itämeren pohjoisissa altaissa voitiin pitkällä aikavälillä havaita sykloninen pintavirtauskuvio (ts. pohjoisella pallonpuoliskolla vastapäivään). Sittemmin Itämeren pohjoisosien kiertoliikettä on tutkittu lisää, mutta edelleen tiedoissa on puutteita ja epävarmuustekijöitä. Esimerkiksi havaintoaineistoja on yhä melko vähän ja mittauspisteet ovat harvassa. Lisäksi monet numeeristen mallien prosessikuvauksista perustuvat valtamerillä tehtyyn tutkimukseen, ja mallien syötteenä käytetyissä pakoteaineistoissa – esimerkiksi säätiedoissa – on epätarkkuuksia. Moderneilla analyysimenetelmillä ja uusilla havaintoaineistoilla näitä puutteita pystytään tunnistamaan ja analysoimaan. Tässä tutkimuksessa tutkittiin Itämeren pohjoisosien virtausolosuhteita hydrodynaamisen mallinnuksen avulla. Itämeri on murtovesiallas, ja sen dynamiikka on monimutkaista. Tämä tekee sen numeerisesta mallintamisesta haastavaa. Työssä käytettiin useita mallinnuskonfiguraatioita ja niitä myös kehitettiin kuvaamaan Itämeren olosuhteita aiempaa paremmin. Näihin lukeutui korkean resoluution Suomenlahti-konfiguraatio, joka perustuu NEMO-malliin (Nucleus for European Modelling of the Ocean). Tutkimuksessa käytettiin myös koneoppimismenetelmiä, automaattisten mittalaitteiden tuottamia havaintoaineistoja ja parviennusteita. Suomenlahden virtauskentän ominaispiirteitä analysoitiin itseorganisoituvilla kartoilla eli Kohosen kartoilla (self-organizing map, SOM). Kun Suomenlahden mallinnetuista pintavirtauskentistä laskettiin keskiarvot koko tutkituilta ajanjaksoilta 2007–2013 ja 2012–2014, tuloksissa ei näkynyt aiemmissa tutkimuksissa havaittua syklonista virtauskuviota. Aineistoa SOM-menetelmällä analysoitaessa Suomenlahden virtaukset osoittautuivat hyvin vaihteleviksi ja monimutkaisiksi. Virtauksissa havaittiin paljon sekä vuosien välistä että niiden aikana tapahtuvaa vaihtelua. Mallin tuulipakotteen ja SOM-analyysin tuottamien karakterististen virtauskenttien välille löydettiin yhteys. Analyysin tulokset korostivat Suomenlahden samankaltaisuutta estuaarien eli jokisuulahtien kanssa. Aineistossa kiertoliike Suomenlahdella vaihteli nopeasti normaalin estuaarikiertoliikkeen ja käänteisen estuaarikiertoliikkeen välillä. Suomenlahdella vallitsevat lounaistuulet tukivat käänteistä kiertoliikettä. Mallinnusaineiston perusteella näyttää siltä, että sykloninen pintavirtauskuvio tulee näkyviin vain, jos tutkimusjakson aikana normaali estuaarikiertoliike esiintyy riittävän usein. Pienetkin muutokset tuulten suuntajakaumassa voivat vaikuttaa virtauskentän pitkän aikavälin keskiarvoihin merkittävästi. Myös kumpuaminen, joka näkyy päivien ja viikkojen aikaskaalalla, vaikuttaa virtausdynamiikkaan. NEMO-malli soveltui hyvin virtausten tutkimiseen Itämeren pohjoisosissa. Sen tulosten laatu oli samankaltainen kuin aikaisemmin alueella käytettyjen numeeristen mallien. Tässä tutkimuksessa saavutetusta edistyksestä huolimatta Suomenlahti on edelleen haastava alue virtausmallinnukselle. Malleilla on yhä vaikeuksia tuottaa Suomenlahden voimakkaita vertikaali- ja horisontaaligradientteja sisältävä suolaisuuskenttä. Tutkimuksessa kävi ilmi, että mallien syötteiden – erityisesti tuulipakotteen – tarkkuudella on suuri merkitys mallien tuloksille. Myös havaintojen merkitys mallikehitykselle korostui. Jatkossa tarvitaan kattavampia havaintoaineistoja, jotta voidaan arvioida mallien kykyä tuottaa virtauskenttä ja esimerkiksi kumpuamistapausten taajuus ja voimakkuus. Varsinkin virtaushavaintojen parempi alueellinen kattavuus olisi tärkeää. Tutkimuksessa kävi myös ilmi, miten tärkeää on malleja ja havaintoja vertailtaessa huolehtia siitä, että ne ovat vertailukelpoisia.
URI: URN:ISBN:978-952-336-055-6
http://hdl.handle.net/10138/246347
Päiväys: 2018-11-23
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
modellin.pdf 27.17MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot