Ανάπτυξη και εφαρμογή ενός οικολογικού μοντέλου στον θαλάσσιο χώρο της Μεσογείου και τεχνικές αφομοίωσης οικολογικών δορυφορικών δεδομένων

Η Μεσόγειος αποτελεί μια «Μικρογραφία Ωκεανού» λόγω της μεγάλης ποικιλίας κλιματικών, φυσικών και βιογεωχημικών γνωρισμάτων της. Η υψηλή εξάτμιση, οι χαμηλές βροχοπτώσεις και οι σχετικά χαμηλές απορροές ποταμών, σε συνάρτηση με την θερμόαλη ανταλλαγή υδάτων στο στενό του Γιβραλτάρ, οδηγούν σε ολιγοτροφικές συνθήκες, ενώ νεότερες μελέτες έδειξαν ότι η πρωτογενής παραγωγή ακολουθεί μια φθίνουσα διαβάθμιση από τα δυτικά προς τα ανατολικά της Μεσογείου με κύριο περιοριστικό παράγοντα τον φώσφορο. Σημαντικές αλλαγές έχουν παρατηρηθεί τις τελευταίες δεκαετίες στις ατμοσφαιρικές, υδροδυναμικές και βιογεωχημικές συνθήκες του οικοσυστήματος της Μεσογείου που σχετίζονται με κλιματικές αλλαγές σε συνδυασμό με τις ανθρωπογενείς πιέσεις. Η διαρκώς αυξανόμενη παράκτια πληθυσμιακή και οικονομική ανάπτυξη αλληλοεπιδρά με τις φυσικές πιέσεις καθιστώντας το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου αρκετά ευαίσθητο σε οποιαδήποτε αλλαγή (πχ ευτροφισμός). Επομένως η κατανόηση των φυσικών, χημικών και βιολογικών μηχανισμών του θαλάσσιου οικοσυστήματος και η πρόγνωση της επίδρασης διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων (πχ θερμοκρασία, ρεύματα) σε αυτό κρίνεται αναγκαία ώστε να επιτευχθεί η αειφόρος εκμετάλλευση, η ορθολογική διαχείριση και η αποτελεσματική προστασία του. Στόχος της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός αριθμητικού ομοιώματος προσομοίωσης των κατώτερων τροφικών επιπέδων (πλαγκτόν) του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος, ικανού να περιγράψει την δυναμική του οικοσυστήματος της Μεσογείου. Ο συνδυασμός της πληροφορίας των διαθέσιμων μετρήσεων πεδίου βιοχημικών παραμέτρων και των προσομοιωμένων δεδομένων έχει ως σκοπό την κατανόηση και ποσοτικοποίηση των κύριων φυσικών και οικολογικών διεργασιών του οικοσυστήματος και της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους σε ετήσια βάση. Επίσης, διερευνήθηκε η εφαρμογή μιας νέας μεθόδου αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από το προτεινόμενο μοντέλο και κατά πόσο βελτιώνει την προγνωστική του ικανότητα. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκε ένα τρισδιάστατο βιογεωχημικό ομοίωμα (European Regional Seas Ecosystem Model - ERSEM) συζευγμένο με ένα υδροδυναμικό ομοίωμα (Princeton Ocean Model - POM), το οποίο τροποποιήθηκε για να προσομοιώσει το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου. Παράλληλα, εφαρμόστηκαν τεχνικές αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από τη μονοδιάστατη μορφή του μοντέλου σε δύο περιοχές της Μεσογείου με διαφορετικά οικολογικά χαρακτηριστικά (παρατηρητήρια DYFAMED, ΒΔ Μεσόγειος και POSEIDON - E1 M3A, Κρητικό Πέλαγος). Η έρευνα επικεντρώθηκε στην εφαρμογή μια νέας μεθόδου για την αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α με σκοπό την αποφυγή των σφαλμάτων της «κλασικής» προσέγγισης, δηλ. της αφομοίωσης των τιμών υπό μορφή επιφανειακών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α. Η προτεινόμενη μέθοδος αφομοίωσης περιλαμβάνει την κατανομή ως προς το βάθος και ενσωμάτωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α σε τακτά χρονικά διαστήματα στο μοντέλο, λαμβάνοντας υπόψη την προσομοιωμένη χλωροφύλλη και τον προσομοιωμένο συντελεστή εξασθένισης φωτός. Τα δεδομένα πεδίου που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της διδακτορικής διατριβής αφορούν σε 8-ήμερες δορυφορικές SeaWiFS παρατηρήσεις συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και σε in-situ μετρήσεις πεδίου θερμοκρασίας, συγκεντρώσεων χλωροφύλλης και θρεπτικών αλάτων στην εύφωτη ζώνη. Τα in-situ δεδομένα συνελέγησαν από τη βάση δεδομένων των Ευρωπαϊκών προγραμμάτων CINCS (Pelagic–Benthic Coupling IN the Oligotrophic Cretan Sea, 1994–1995) και MATER (Mediterranean Targeted Project II — Mass Transfer and Ecosystem Response, 1996–1999), των ωκεανογραφικών παρατηρητηρίων DYFAMED (Βορειο-Δυτική Μεσόγειος) και POSEIDON E1-M3A (Κρητικό Πέλαγος) και την Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων Seadatanet (Pan-European infrastructure for ocean and marine data management). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς την προσομοίωση του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης με in-situ μετρήσεις πεδίου και δορυφορικές παρατηρήσεις. Λόγω του μεγάλου όγκου των δεδομένων, τα προσομοιωμένα δεδομένα συγκρίθηκαν με μετρήσεις πεδίου σε τέσσερις οικοπεριοχές της Μεσογείου. Η ομαδοποίηση σε οικοπεριοχές επετεύχθη μέσω μιας σταστιστικής μεθόδου, τη μέθοδο K-means (Cluster analysis) ομαδοποιώντας βάσει της προσομοιωμένης επιφανειακής θερμοκρασίας και συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και φωσφορικών. H ανάλυση των αποτελεσμάτων της 20-ετούς προσομοίωσης (έτη 1990-2009) του συζευγμένου τρισδιάστατου οικολογικού μοντέλου έδειξε ότι η πολύμορφη κυκλοφοριακή δομή της Μεσογείου σε συνδυασμό με την εποχική διακύμανση του θερμοκλινούς και της κατακόρυφης ανάμειξης των υδάτων, επηρεάζει σημαντικά τόσο τη χωρική κατανομή και χρονική εξέλιξη της πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής, όσο και τη δομή και λειτουργία του πελαγικού τροφικού πλέγματος. Το μοντέλο αναπαράγει επαρκώς τον εποχικό κύκλο και την χωρική κατανομή των θρεπτικών, πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος της Μεσογείου, η οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την κυκλοφορία των υδάτων και τις αλλόχθονες εισροές θρεπτικών (Μαύρη θάλασσα, απορροές ποταμών). Κατά τη χειμερινή κατακόρυφη ανάμειξη των υδάτων το θερμοκλινές διασπάται με αποτέλεσμα θρεπτικά από τα βαθύτερα στρώματα να εφοδιάζουν την επιφανειακή εύφωτη ζώνη και κατ’ επέκταση να αυξάνεται η πρωτογενή παραγωγής στα επιφανειακά στρώματα της υδάτινη στήλης. Αντιθέτως, όταν το θερμοκλινές ισχυροποιείται η πρωτογενής παραγωγή περιορίζεται στο στρώμα λίγο πάνω από το θερμοκλινές όπου παγιδευμένο οργανικό υλικό διασπάται από τα ετερότροφα βακτήρια απελευθερώνοντας θρεπτικά, τα οποία ευνοούν την πρωτογενή παραγωγή. Το μοντέλο επίσης προσομοιώνει την παρουσία υπο-επιφανειακού μεγίστου συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (Deep Chlorophyll Maximum - DCM) κοντά στην κορυφή του τροφοκλινούς, κατά την περίοδο έντονης θερμικής διαστρωμάτωσης, με κάποια όμως υποεκτίμηση του βάθους όπου εντοπίζεται στην ΝΑ Μεσόγειο. Τα αποτελέσματα της ομαδοποίησης έδειξαν ότι η πιο παραγωγική οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 2) είναι εκείνη που αφορά στις περιοχές (Θάλασσα Αλμποράν, απορροές ποταμών) που δέχονται εισροές υδάτων υψηλότερης, σε σχέση με τη Μεσόγειο, περιεκτικότητας σε θρεπτικά και χαμηλότερων θερμοκρασιών. Οι περιοχές που επηρεάζονται από τη κυκλωνική κυκλοφορία των υδάτων και θερμόαλα μέτωπα (Δυτική Μεσόγειος, Βόρειο Αιγαίο) ή που εντοπίζονται σχετικώς κοντά σε απορροές ποταμών (Βόρειο Αιγαίο) ομαδοποιήθηκαν στην αμέσως επόμενη ως προς την παραγωγικότητα οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 4) καθώς εμφανίζουν έντονες φυτοπλαγκτικές ανθίσεις και σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αν και υψηλότερες από την οικοπεριοχή 2, κατά την περίοδο ομογενοποίησης της υδάτινης στήλης. Τέλος, οι περιοχές ιδιαίτερα ολιγοτροφικού χαρακτήρα, δηλ. χαμηλή συγκέντρωση φωσφορικών και χλωροφύλλης και σχετικά υψηλή θερμοκρασία, ομαδοποιήθηκαν στις οικοπεριοχές 1 και 3, με την πρώτη να παρουσιάζει υπερ-ολιγοτροφικές συνθήκες (Νοτιο - Ανατολική Μεσόγειος, Oικοπεριοχή 1). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς προσομοίωση της θερμοκρασίας, χλωροφύλλης-α και θρεπτικών (φωσφορικών, νιτρικών) στις εν λόγω οικοπεριοχές απέδωσε ικανοποιητικά την κατακόρυφη κατανομή και εποχική διακύμανση των παραπάνω μεταβλητών του οικοσυστήματος με τιμές εντός του μετρούμενου εύρους τιμών. Παρά ταύτα, οι προσομοιωμένες συγκεντρώσεις θρεπτικών και χλωροφύλλης-α παρουσιάζουν μικρότερη διακύμανση τιμών σε σχέση με τα in-situ δεδομένα δηλώνοντας ότι το σύστημα είναι αρκετά ευμετάβλητο. Διαπιστώθηκε μια τάση υποεκτίμησης της πρωτογενούς παραγωγής και θρεπτικών στις πιο παραγωγικές περιοχές (οικοπεριοχή 2 και 4), γεγονός που σχετίζεται με την αβεβαιότητα που υπάρχει στις εισροές θρεπτικών (ποτάμιες απορροές, κατακόρυφη χειμερινή ανάμειξη). Σύμφωνα με τη χωρική κατανομή και χρονική διαδοχή των φυτοπλαγκτικών ομάδων όπως αυτή απεικονίζεται στα αποτελέσματα του μοντέλου, το πικοφυτοπλαγκτόν είναι η επικρατέστερη φυτοπλαγκτική ομάδα στην ανοικτή ολιγοτροφική θάλασσα της Μεσογείου (κυρίως στις οικοπεριοχές 1 και 3) και στη συνέχεια το νανοφυτοπλαγκτόν. Αρκετά μικρότερο είναι το ποσοστό συνεισφοράς των μεγαλύτερων φυτοπλαγκτικών οργανισμών (δηλ. διάτομα και δινομαστιγωτά) στη συνολική φυτοπλαγκτική βιομάζα, οι οποίοι εντοπίζονται σε πιο παραγωγικά συστήματα καθώς επωφελούνται από τις σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών (οικοπεριοχή 2 και οικοπεριοχή 4 κατά τη χειμερινή περίοδο). Ομοίως για τους ζωοπλαγκτικούς οργανισμούς, τα ετερότροφα νανομαστιγωτά είναι και τα επικρατέστερα ζωοπλαγκτικά είδη της Μεσογείου, ενώ τα μεγαλύτερα είδη (μικρο- και μεσο-ζωοπλαγκτόν) εντοπίζονται στις πιο παραγωγικές οικοπεριοχές (2, 4). Από τα προσομοιωμένα αποτελέσματα διαπιστώθηκε η τροφική προτίμηση του μεσοζωοπλαγκτού στα ετερότροφα είδη, δηλ. μικροζωοπλαγκτόν κατά την περίοδο θερμικής διαστρωμάτωσης, κυρίως στην ιδιαίτερα ολιγοτροφική Ανατολική Μεσόγειο. Το μικροζωοπλαγκτόν μολονότι περιλαμβάνει στη δίαιτά του τις περισσότερες λειτουργικές ομάδες, η εποχική διακύμανση της βιομάζας του υποδηλώνει τροφική προτίμηση προς τις μικρότερες πλαγκτικές ομάδες. Όσον αφορά στη λειτουργική ομάδα των ετερότροφων νανομαστιγωτών, η τροφική προτίμηση είναι ανάλογη με τα εκάστοτε κατά την εποχή επίπεδα θηράματος. Τέλος, το μοντέλο αποδίδει τις δύο μορφές της τροφικής αλυσίδας του οικοσυστήματος της Μεσογείου με την κυριαρχία του μικροβιακού βρόγχου και των μικρότερων πλαγκτικών ειδών και την «κλασική» τροφική αλυσίδα να επικρατεί κυρίως στις πιο παραγωγικές περιοχές κατά τις περιόδους όπου η διάθεση θρεπτικών είναι ιδιαίτερα υψηλή [οικοπεριοχή 2 και 4 (κατά τη χειμερινή περίοδο)]. Η αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α βελτίωσε την πρόγνωση του μοντέλου, κυρίως ως προς την επιφανειακή χλωροφύλλη-α. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου κατακόρυφης κατανομής και αφομοίωσης των δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης διαπιστώθηκε ότι ενισχύει την προσομοίωση της αφομοιωμένης μεταβλητής, δηλ. της χλωροφύλλης, βελτιώνοντας χαρακτηριστικά την κατακόρυφη κατανομή χλωροφύλλης-α σε περιοχές όπως η Βορειο - Δυτική Μεσόγειος (παρατηρητήριο DYFAMED) στις οποίες εντοπίζονται σχετικά υψηλές υπο-επιφανειακές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης (DCM). Η επιτυχία στη λειτουργία της προτεινόμενης μεθόδου σχετίζεται με το βάθος όπου εντοπίζεται το μεγαλύτερο ποσοστό συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α. Ως εκ τούτου,, η αφομοίωση των κατακόρυφων κατανομών βελτίωσε τα προσομοιωμένα αποτελέσματα χλωροφύλλης-α και θρεπτικών έως και το βάθος του DCM. Αντιθέτως, σε περιοχές όπως αυτή του Κρητικού Πελάγους (παρατηρητήριο POSEIDON - E1 M3A), όπου οι υπο-επιφανειακές μέγιστες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης εντοπίζονται σε βάθος αρκετά μεγαλύτερο από το πρώτο οπτικό βάθος (90% της εύφωτης ζώνης), η προτεινόμενη μέθοδος είχε παρόμοια αποτελέσματα με τον κλασικό τρόπο αφομοίωσης. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου έδειξαν ότι το προτεινόμενο αριθμητικό ομοίωμα είναι ικανό να αποδώσει τις κύριες βιοτικές και αβιοτικές συνιστώσες του πελαγικού συστήματος της Μεσογείου. Αποτελεί ένα διαχειριστικό εργαλείο ικανό να αποδώσει σημαντικές πληροφορίες επί της δυναμικής και λειτουργίας του οισυστήματος. Εκ παραλλήλου, μπορεί να εφαρμοστεί στο ευρύτερο πλαίσιο της διαχείρισης του θαλάσσιου οικοσυστήματος της Μεσογείου ώστε να δίνει απαντήσεις σε ερωτήματα σχετικά με τους μηχανισμούς που διέπουν τη δυναμική του οικοσυστήματος καθώς και την επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών πιέσεων, κλιματικών αλλαγών και ανθρωπογενών πιέσεων σε αυτό.bstract The Mediterranean Sea (MS) has been characterized as a «miniature ocean» with a variety of physicochemical and biological traits. The combined action of the excess of evaporation over precipitation and river runoff and the anti-estuarine circulation through the Strait of Gibraltar has led to high oligotrophic conditions, especially in the Eastern Mediterranean basin. Recent studies have shown a well-defined eastward decreasing trend in primary productivity with phosphorous thought to be the limiting nutrient. Important changes have been observed in the atmospheric, hydrodynamic and biogeochemical conditions of the Mediterranean ecosystem over the last decades, resulting from the combined action of climate changes and anthropogenic pressures. The increasing demographic and economic developments in the coastal zone interact with the natural pressures, making the Mediterranean ecosystem even more sensitive to any change (e.g. eutrophication). Thus, more accurate knowledge of the main physical and biochemical mechanisms of the Mediterranean ecosystem is required, along with the prediction of its response to any environmental pressures for future sustainable exploitation, rational management and effective protection. The research objective of the current work was the implementation and validation of a 3D numerical model that can describe the marine biogeochemistry and the ecosystem dynamics of lower trophic levels of the pelagic system. The combined information of in-situ and simulated data of biochemical parameters lead to better knowledge and quantification of the main physical and ecological processes of the ecosystem. A new approach has also been implemented for the assimilation of satellite chlorophyll-α data into the biogeochemical model in order to obtain an improved simulation of biogeochemistry in the Mediterranean Sea. The 3D ecosystem model consists of two on-line coupled sub-models: a hydrodynamic model, the Princeton Ocean Model (POM), and a biogeochemical model, the European Regional Seas Ecosystem Model (ERSEM), which was adjusted to the Mediterranean ecosystem. Simultaneously, the application of assimilation techniques of satellite chlorophyll-α data into the 1D version of the ecosystem model was examined in two contrasting, as far as productivity and availability of nutrients is concerned, Mediterranean sites: the DYFAMED (North-West Mediterranean - Ligurian Sea) and POSEIDON E1-M3A (South-East Mediterranean - Cretan Sea) fixed point open ocean observatories. To overcome the limitation of the standard approach of assimilating only surface chlorophyll-α, the research focused on a new approach for processing the remotely sensed chlorophyll-α before assimilating them into the ecosystem model. The new approach derives optically weighted depth-distributed chlorophyll-α profiles from satellite data, based on the model simulated chlorophyll-α vertical distribution and light attenuation coefficient that can be assimilated by the model. The observations used for validation of the model outputs are 8-day satellite SeaWiFS chlorophyll-α concentrations and in-situ data of inorganic nutrients (i.e. nitrate, phosphate) and chlorophyll-α concentration in the euphotic zone. In-situ data were provided from the database of the EU-projects CINCS (Pelagic–Benthic Coupling IN the Oligotrophic Cretan Sea, 1994–1995) and MATER (Mediterranean Targeted Project II — Mass Transfer and Ecosystem Response, 1996–1999), the database of two fixed point open ocean observatories, DYFAMED (North-West Mediterranean - Ligurian Sea) and POSEIDON E1-M3A (South-East Mediterranean - Cretan Sea), and from the European database SeaDataNet (Pan-European infrastructure for ocean and marine data management). To validate the highly complex spatio-temporal outputs of the ecosystem model and compare them with observational data, a cluster K-means analysis was carried out to propose an objective environmental spatial division. Accordingly, model outputs were validated against observational data in 4 ecoregions (clusters) with different surface temperature, chlorophyll-α and phosphate concentration. The analysis of the 20-year simulation output of the 3D coupled ecosystem model (1990-2009) showed that the varied circulation structure of the Mediterranean sea combined with the seasonal variability of the thermocline and the vertical mixing in the water column, significantly affects the spatial distribution and the temporal evolution of primary and secondary production as much as the structure and functioning of the pelagic planktonic food web. The model efficiently reproduces the seasonal cycle and the spatial distribution of nutrients, primary and secondary production of the Mediterranean pelagic planktonic system that are coupled with the water circulation and the allochthonous nutrient inputs (Black Sea Water and riverine input). During the winter vertical mixing when the thermocline is eroded and nutrients reach the euphotic layer, primary production is increased in the surface layers of the water column. On the other hand, during the progressive thermal stratification and nutrient depletion after the spring bloom, the primary production is limited to the layer just above the thermocline, where the gradually trapped organic matter is degraded by heterotrophic bacteria releasing inorganic nutrients. The model also simulates the presence of subsurface chlorophyll-a maximum concentrations (Deep Chlorophyll Maximum - DCM) close to the top of the nutricline during the thermal stratification of the water column, with a small underestimation of the DCM depth of the Souht-East Mediterranean basin. Cluster analysis results showed that the most productive ecoregion (ecoregion 2) encompasses regions with water inputs of relative low temperature and high nutrient concentrations (Alboran Sea, river runoff areas) in relation to the Mediterranean Sea. Regions that are affected by cyclonic water circulation and thermohaline fronts (West Mediterarrenean, North Aegean Sea) or are located close to river runoff (North Aegean Sea), were clustered to the second most productive ecoregion (ecoregion 4) due to the intense spring bloom and relative low temperatures during the vertical mixing period, though higher than those of the ecoregion 2. Finally, ecoregions 1 and 3 encompass the most oligotrophic regions οf the basin, showing the lowest values of chlorophyll-α concentrations and the highest temperature. However, ecoregion 1 is considered as an ultra-oligotrophic region (South-East Mediterranean). The modelled temperature, chlorophyll-α and inorganic nutrients (nitrate, phosphate) validated by measurements in each ecoregion, adequately capture the observed vertical distribution and seasonal evolution with the simulated values, falling into the interval of the observed values. However, the increased variability of in-situ data compared to the simulated ones shows that the system is quite variable. Furthermore, the model tends to underestimate primary production and nutrients in more productive areas (ecoregion 2 and 4) due to the uncertainty in nutrient supply in the euphotic zone (riverine input, winter vertical mixing). According to the spatial distribution and temporal evolution of the simulated phytoplankton community structure, the dominant simulated group is the picophytoplankton (especially in ecoregions 1 and 3), followed by the nanophytoplankton in the open sea. Larger phytoplankton groups such as diatoms and dinoflagellates, contribute a small percentage to the total phytoplankton biomass and they are limited to the most productive areas with high nutrient concentrations. Likewise for the zooplankton, larger groups (micro- and meso-zooplankton) are located in more productive regions (ecoregion 2 and 4), while heterotrophic nanoflagellates are the dominant zooplanktonic groups. Modelled mesozooplankton shows a food preference to heterotrophic groups (microzooplankton) during the thermal stratification, mainly in the oligotrophic Eastern Mediterranean, while microzooplankton feeds mainly on small planktonic groups. Modelled simulated heterotrophic nanoflagellates seem to choose their prey according to the seasonal availability of their food resources. Finally, the model reproduces the two trophic pathways of the Mediterranean food chain, that is the dominant microbial food chain (small plaktonic groups – microbial loop) and the seasonal shift to the herbivorous pathway (classic food chain) in high productive areas (ecoregion 2 and ecoregion 4 during winter vertical mixing). The data assimilation of satellite chlorophyll-α improved the model simulated near-surface chlorophyll-α. The proposed assimilation approach (assimilation of satellite-derived chlorophyll-α profiles) resulted in a better model agreement with the satellite data and improved the consistency between the model and in-situ chlorophyll-α subsurface maximum concentrations in regions with a relative high and shallower subsurface chlorophyll-α (DCM), like North-West Mediterranean (DYFAMED site). The impact of the proposed approach is related to the depth where the maximum concentration chlorophyll-α is located and thus it was more present in the surface layers of the water column rather than the depth of DCM. Contrastingly, the new approach had the same impact on model results with the classic assimilation approach in regions like Cretan Sea (POSEIDON - E1 M3A site), with a relative deep DCM (deeper than the first optical depth -90% of the euphotic zone). Simulations results suggest that the proposed ecosystem model is a numerical tool capable of simulating the main biotic and abiotic components of the Mediterranean ecosystem. It is a valuable management tool that can provide important knowledge on the Mediterranean marine ecosystem dynamics which, at a later stage, can be used to answer all possible questions about ecosystem functioning and the impact of environmental pressures, climate change and anthropogenic pressures

Salinity & Temperature Data assimilation

15 diapositivas.-- SMOS-BEC: Barcelona Expert Centre on Radiometric Calibration and Ocean Salinity.Peer reviewe

Development and implementation of an ecological model for the simulation of the Mediterranean marine ecosystem and assimilation techniques of satellite ecological data

The Mediterranean Sea (MS) has been characterized as a «miniature ocean» with a variety of physicochemical and biological traits. The combined action of the excess of evaporation over precipitation and river runoff and the anti-estuarine circulation through the Strait of Gibraltar has led to high oligotrophic conditions, especially in the Eastern Mediterranean basin. Recent studies have shown a well-defined eastward decreasing trend in primary productivity with phosphorous thought to be the limiting nutrient.Important changes have been observed in the atmospheric, hydrodynamic and biogeochemical conditions of the Mediterranean ecosystem over the last decades, resulting from the combined action of climate changes and anthropogenic pressures. The increasing demographic and economic developments in the coastal zone interact with the natural pressures, making the Mediterranean ecosystem even more sensitive to any change (e.g. eutrophication). Thus, more accurate knowledge of the main physical and biochemical mechanisms of the Mediterranean ecosystem is required, along with the prediction of its response to any environmental pressures for future sustainable exploitation, rational management and effective protection.The research objective of the current work was the implementation and validation of a 3D numerical model that can describe the marine biogeochemistry and the ecosystem dynamics of lower trophic levels of the pelagic system. The combined information of in-situ and simulated data of biochemical parameters lead to better knowledge and quantification of the main physical and ecological processes of the ecosystem. A new approach has also been implemented for the assimilation of satellite chlorophyll-α data into the biogeochemical model in order to obtain an improved simulation of biogeochemistry in the Mediterranean Sea.The 3D ecosystem model consists of two on-line coupled sub-models: a hydrodynamic model, the Princeton Ocean Model (POM), and a biogeochemical model, the European Regional Seas Ecosystem Model (ERSEM), which was adjusted to the Mediterranean ecosystem. Simultaneously, the application of assimilation techniques of satellite chlorophyll-α data into the 1D version of the ecosystem model was examined in two contrasting, as far as productivity and availability of nutrients is concerned, Mediterranean sites: the DYFAMED (North-West Mediterranean - Ligurian Sea) and POSEIDON E1-M3A (South-East Mediterranean - Cretan Sea) fixed point open ocean observatories. To overcome the limitation of the standard approach of assimilating only surface chlorophyll-α, the research focused on a new approach for processing the remotely sensed chlorophyll-α before assimilating them into the ecosystem model. The new approach derives optically weighted depth-distributed chlorophyll-α profiles from satellite data, based on the model simulated chlorophyll-α vertical distribution and light attenuation coefficient that can be assimilated by the model. The observations used for validation of the model outputs are 8-day satellite SeaWiFS chlorophyll-α concentrations and in-situ data of inorganic nutrients (i.e. nitrate, phosphate) and chlorophyll-α concentration in the euphotic zone. In-situ data were provided from the database of the EU-projects CINCS (Pelagic–Benthic Coupling IN the Oligotrophic Cretan Sea, 1994–1995) and MATER (Mediterranean Targeted Project II — Mass Transfer and Ecosystem Response, 1996–1999), the database of two fixed point open ocean observatories, DYFAMED (North-West Mediterranean - Ligurian Sea) and POSEIDON E1-M3A (South-East Mediterranean - Cretan Sea), and from the European database SeaDataNet (Pan-European infrastructure for ocean and marine data management). To validate the highly complex spatio-temporal outputs of the ecosystem model and compare them with observational data, a cluster K-means analysis was carried out to propose an objective environmental spatial division. Accordingly, model outputs were validated against observational data in 4 ecoregions (clusters) with different surface temperature, chlorophyll-α and phosphate concentration.The analysis of the 20-year simulation output of the 3D coupled ecosystem model (1990-2009) showed that the varied circulation structure of the Mediterranean sea combined with the seasonal variability of the thermocline and the vertical mixing in the water column, significantly affects the spatial distribution and the temporal evolution of primary and secondary production as much as the structure and functioning of the pelagic planktonic food web. The model efficiently reproduces the seasonal cycle and the spatial distribution of nutrients, primary and secondary production of the Mediterranean pelagic planktonic system that are coupled with the water circulation and the allochthonous nutrient inputs (Black Sea Water and riverine input). During the winter vertical mixing when the thermocline is eroded and nutrients reach the euphotic layer, primary production is increased in the surface layers of the water column. On the other hand, during the progressive thermal stratification and nutrient depletion after the spring bloom, the primary production is limited to the layer just above the thermocline, where the gradually trapped organic matter is degraded by heterotrophic bacteria releasing inorganic nutrients. The model also simulates the presence of subsurface chlorophyll-a maximum concentrations (Deep Chlorophyll Maximum - DCM) close to the top of the nutricline during the thermal stratification of the water column, with a small underestimation of the DCM depth of the Souht-East Mediterranean basin. Cluster analysis results showed that the most productive ecoregion (ecoregion 2) encompasses regions with water inputs of relative low temperature and high nutrient concentrations (Alboran Sea, river runoff areas) in relation to the Mediterranean Sea. Regions that are affected by cyclonic water circulation and thermohaline fronts (West Mediterarrenean, North Aegean Sea) or are located close to river runoff (North Aegean Sea), were clustered to the second most productive ecoregion (ecoregion 4) due to the intense spring bloom and relative low temperatures during the vertical mixing period, though higher than those of the ecoregion 2. Finally, ecoregions 1 and 3 encompass the most oligotrophic regions οf the basin, showing the lowest values of chlorophyll-α concentrations and the highest temperature. However, ecoregion 1 is considered as an ultra-oligotrophic region (South-East Mediterranean).The modelled temperature, chlorophyll-α and inorganic nutrients (nitrate, phosphate) validated by measurements in each ecoregion, adequately capture the observed vertical distribution and seasonal evolution with the simulated values, falling into the interval of the observed values. However, the increased variability of in-situ data compared to the simulated ones shows that the system is quite variable. Furthermore, the model tends to underestimate primary production and nutrients in more productive areas (ecoregion 2 and 4) due to the uncertainty in nutrient supply in the euphotic zone (riverine input, winter vertical mixing).According to the spatial distribution and temporal evolution of the simulated phytoplankton community structure, the dominant simulated group is the picophytoplankton (especially in ecoregions 1 and 3), followed by the nanophytoplankton in the open sea. Larger phytoplankton groups such as diatoms and dinoflagellates, contribute a small percentage to the total phytoplankton biomass and they are limited to the most productive areas with high nutrient concentrations. Likewise for the zooplankton, larger groups (micro- and meso-zooplankton) are located in more productive regions (ecoregion 2 and 4), while heterotrophic nanoflagellates are the dominant zooplanktonic groups. Modelled mesozooplankton shows a food preference to heterotrophic groups (microzooplankton) during the thermal stratification, mainly in the oligotrophic Eastern Mediterranean, while microzooplankton feeds mainly on small planktonic groups. Modelled simulated heterotrophic nanoflagellates seem to choose their prey according to the seasonal availability of their food resources. Finally, the model reproduces the two trophic pathways of the Mediterranean food chain, that is the dominant microbial food chain (small plaktonic groups – microbial loop) and the seasonal shift to the herbivorous pathway (classic food chain) in high productive areas (ecoregion 2 and ecoregion 4 during winter vertical mixing).The data assimilation of satellite chlorophyll-α improved the model simulated near-surface chlorophyll-α. The proposed assimilation approach (assimilation of satellite-derived chlorophyll-α profiles) resulted in a better model agreement with the satellite data and improved the consistency between the model and in-situ chlorophyll-α subsurface maximum concentrations in regions with a relative high and shallower subsurface chlorophyll-α (DCM), like North-West Mediterranean (DYFAMED site). The impact of the proposed approach is related to the depth where the maximum concentration chlorophyll-α is located and thus it was more present in the surface layers of the water column rather than the depth of DCM. Contrastingly, the new approach had the same impact on model results with the classic assimilation approach in regions like Cretan Sea (POSEIDON - E1 M3A site), with a relative deep DCM (deeper than the first optical depth -90% of the euphotic zone).Simulations results suggest that the proposed ecosystem model is a numerical tool capable of simulating the main biotic and abiotic components of the Mediterranean ecosystem. It is a valuable management tool that can provide important knowledge on the Mediterranean marine ecosystem dynamics which, at a later stage, can be used to answer all possible questions about ecosystem functioning and the impact of environmental pressures, climate change and anthropogenic pressures.Η Μεσόγειος αποτελεί μια «Μικρογραφία Ωκεανού» λόγω της μεγάλης ποικιλίας κλιματικών, φυσικών και βιογεωχημικών γνωρισμάτων της. Η υψηλή εξάτμιση, οι χαμηλές βροχοπτώσεις και οι σχετικά χαμηλές απορροές ποταμών, σε συνάρτηση με την θερμόαλη ανταλλαγή υδάτων στο στενό του Γιβραλτάρ, οδηγούν σε ολιγοτροφικές συνθήκες, ενώ νεότερες μελέτες έδειξαν ότι η πρωτογενής παραγωγή ακολουθεί μια φθίνουσα διαβάθμιση από τα δυτικά προς τα ανατολικά της Μεσογείου με κύριο περιοριστικό παράγοντα τον φώσφορο. Σημαντικές αλλαγές έχουν παρατηρηθεί τις τελευταίες δεκαετίες στις ατμοσφαιρικές, υδροδυναμικές και βιογεωχημικές συνθήκες του οικοσυστήματος της Μεσογείου που σχετίζονται με κλιματικές αλλαγές σε συνδυασμό με τις ανθρωπογενείς πιέσεις. Η διαρκώς αυξανόμενη παράκτια πληθυσμιακή και οικονομική ανάπτυξη αλληλοεπιδρά με τις φυσικές πιέσεις καθιστώντας το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου αρκετά ευαίσθητο σε οποιαδήποτε αλλαγή (πχ ευτροφισμός). Επομένως η κατανόηση των φυσικών, χημικών και βιολογικών μηχανισμών του θαλάσσιου οικοσυστήματος και η πρόγνωση της επίδρασης διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων (πχ θερμοκρασία, ρεύματα) σε αυτό κρίνεται αναγκαία ώστε να επιτευχθεί η αειφόρος εκμετάλλευση, η ορθολογική διαχείριση και η αποτελεσματική προστασία του.Στόχος της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός αριθμητικού ομοιώματος προσομοίωσης των κατώτερων τροφικών επιπέδων (πλαγκτόν) του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος, ικανού να περιγράψει την δυναμική του οικοσυστήματος της Μεσογείου. Ο συνδυασμός της πληροφορίας των διαθέσιμων μετρήσεων πεδίου βιοχημικών παραμέτρων και των προσομοιωμένων δεδομένων έχει ως σκοπό την κατανόηση και ποσοτικοποίηση των κύριων φυσικών και οικολογικών διεργασιών του οικοσυστήματος και της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους σε ετήσια βάση. Επίσης, διερευνήθηκε η εφαρμογή μιας νέας μεθόδου αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από το προτεινόμενο μοντέλο και κατά πόσο βελτιώνει την προγνωστική του ικανότητα.Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκε ένα τρισδιάστατο βιογεωχημικό ομοίωμα (European Regional Seas Ecosystem Model - ERSEM) συζευγμένο με ένα υδροδυναμικό ομοίωμα (Princeton Ocean Model - POM), το οποίο τροποποιήθηκε για να προσομοιώσει το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου. Παράλληλα, εφαρμόστηκαν τεχνικές αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από τη μονοδιάστατη μορφή του μοντέλου σε δύο περιοχές της Μεσογείου με διαφορετικά οικολογικά χαρακτηριστικά (παρατηρητήρια DYFAMED, ΒΔ Μεσόγειος και POSEIDON - E1 M3A, Κρητικό Πέλαγος). Η έρευνα επικεντρώθηκε στην εφαρμογή μια νέας μεθόδου για την αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α με σκοπό την αποφυγή των σφαλμάτων της «κλασικής» προσέγγισης, δηλ. της αφομοίωσης των τιμών υπό μορφή επιφανειακών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α. Η προτεινόμενη μέθοδος αφομοίωσης περιλαμβάνει την κατανομή ως προς το βάθος και ενσωμάτωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α σε τακτά χρονικά διαστήματα στο μοντέλο, λαμβάνοντας υπόψη την προσομοιωμένη χλωροφύλλη και τον προσομοιωμένο συντελεστή εξασθένισης φωτός. Τα δεδομένα πεδίου που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της διδακτορικής διατριβής αφορούν σε 8-ήμερες δορυφορικές SeaWiFS παρατηρήσεις συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και σε in-situ μετρήσεις πεδίου θερμοκρασίας, συγκεντρώσεων χλωροφύλλης και θρεπτικών αλάτων στην εύφωτη ζώνη. Τα in-situ δεδομένα συνελέγησαν από τη βάση δεδομένων των Ευρωπαϊκών προγραμμάτων CINCS (Pelagic–Benthic Coupling IN the Oligotrophic Cretan Sea, 1994–1995) και MATER (Mediterranean Targeted Project II — Mass Transfer and Ecosystem Response, 1996–1999), των ωκεανογραφικών παρατηρητηρίων DYFAMED (Βορειο-Δυτική Μεσόγειος) και POSEIDON E1-M3A (Κρητικό Πέλαγος) και την Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων Seadatanet (Pan-European infrastructure for ocean and marine data management). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς την προσομοίωση του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης με in-situ μετρήσεις πεδίου και δορυφορικές παρατηρήσεις. Λόγω του μεγάλου όγκου των δεδομένων, τα προσομοιωμένα δεδομένα συγκρίθηκαν με μετρήσεις πεδίου σε τέσσερις οικοπεριοχές της Μεσογείου. Η ομαδοποίηση σε οικοπεριοχές επετεύχθη μέσω μιας σταστιστικής μεθόδου, τη μέθοδο K-means (Cluster analysis) ομαδοποιώντας βάσει της προσομοιωμένης επιφανειακής θερμοκρασίας και συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και φωσφορικών.H ανάλυση των αποτελεσμάτων της 20-ετούς προσομοίωσης (έτη 1990-2009) του συζευγμένου τρισδιάστατου οικολογικού μοντέλου έδειξε ότι η πολύμορφη κυκλοφοριακή δομή της Μεσογείου σε συνδυασμό με την εποχική διακύμανση του θερμοκλινούς και της κατακόρυφης ανάμειξης των υδάτων, επηρεάζει σημαντικά τόσο τη χωρική κατανομή και χρονική εξέλιξη της πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής, όσο και τη δομή και λειτουργία του πελαγικού τροφικού πλέγματος. Το μοντέλο αναπαράγει επαρκώς τον εποχικό κύκλο και την χωρική κατανομή των θρεπτικών, πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος της Μεσογείου, η οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την κυκλοφορία των υδάτων και τις αλλόχθονες εισροές θρεπτικών (Μαύρη θάλασσα, απορροές ποταμών). Κατά τη χειμερινή κατακόρυφη ανάμειξη των υδάτων το θερμοκλινές διασπάται με αποτέλεσμα θρεπτικά από τα βαθύτερα στρώματα να εφοδιάζουν την επιφανειακή εύφωτη ζώνη και κατ’ επέκταση να αυξάνεται η πρωτογενή παραγωγής στα επιφανειακά στρώματα της υδάτινη στήλης. Αντιθέτως, όταν το θερμοκλινές ισχυροποιείται η πρωτογενής παραγωγή περιορίζεται στο στρώμα λίγο πάνω από το θερμοκλινές όπου παγιδευμένο οργανικό υλικό διασπάται από τα ετερότροφα βακτήρια απελευθερώνοντας θρεπτικά, τα οποία ευνοούν την πρωτογενή παραγωγή. Το μοντέλο επίσης προσομοιώνει την παρουσία υπο-επιφανειακού μεγίστου συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (Deep Chlorophyll Maximum - DCM) κοντά στην κορυφή του τροφοκλινούς, κατά την περίοδο έντονης θερμικής διαστρωμάτωσης, με κάποια όμως υποεκτίμηση του βάθους όπου εντοπίζεται στην ΝΑ Μεσόγειο. Τα αποτελέσματα της ομαδοποίησης έδειξαν ότι η πιο παραγωγική οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 2) είναι εκείνη που αφορά στις περιοχές (Θάλασσα Αλμποράν, απορροές ποταμών) που δέχονται εισροές υδάτων υψηλότερης, σε σχέση με τη Μεσόγειο, περιεκτικότητας σε θρεπτικά και χαμηλότερων θερμοκρασιών. Οι περιοχές που επηρεάζονται από τη κυκλωνική κυκλοφορία των υδάτων και θερμόαλα μέτωπα (Δυτική Μεσόγειος, Βόρειο Αιγαίο) ή που εντοπίζονται σχετικώς κοντά σε απορροές ποταμών (Βόρειο Αιγαίο) ομαδοποιήθηκαν στην αμέσως επόμενη ως προς την παραγωγικότητα οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 4) καθώς εμφανίζουν έντονες φυτοπλαγκτικές ανθίσεις και σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αν και υψηλότερες από την οικοπεριοχή 2, κατά την περίοδο ομογενοποίησης της υδάτινης στήλης. Τέλος, οι περιοχές ιδιαίτερα ολιγοτροφικού χαρακτήρα, δηλ. χαμηλή συγκέντρωση φωσφορικών και χλωροφύλλης και σχετικά υψηλή θερμοκρασία, ομαδοποιήθηκαν στις οικοπεριοχές 1 και 3, με την πρώτη να παρουσιάζει υπερ-ολιγοτροφικές συνθήκες (Νοτιο - Ανατολική Μεσόγειος, Oικοπεριοχή 1). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς προσομοίωση της θερμοκρασίας, χλωροφύλλης-α και θρεπτικών (φωσφορικών, νιτρικών) στις εν λόγω οικοπεριοχές απέδωσε ικανοποιητικά την κατακόρυφη κατανομή και εποχική διακύμανση των παραπάνω μεταβλητών του οικοσυστήματος με τιμές εντός του μετρούμενου εύρους τιμών. Παρά ταύτα, οι προσομοιωμένες συγκεντρώσεις θρεπτικών και χλωροφύλλης-α παρουσιάζουν μικρότερη διακύμανση τιμών σε σχέση με τα in-situ δεδομένα δηλώνοντας ότι το σύστημα είναι αρκετά ευμετάβλητο. Διαπιστώθηκε μια τάση υποεκτίμησης της πρωτογενούς παραγωγής και θρεπτικών στις πιο παραγωγικές περιοχές (οικοπεριοχή 2 και 4), γεγονός που σχετίζεται με την αβεβαιότητα που υπάρχει στις εισροές θρεπτικών (ποτάμιες απορροές, κατακόρυφη χειμερινή ανάμειξη).Σύμφωνα με τη χωρική κατανομή και χρονική διαδοχή των φυτοπλαγκτικών ομάδων όπως αυτή απεικονίζεται στα αποτελέσματα του μοντέλου, το πικοφυτοπλαγκτόν είναι η επικρατέστερη φυτοπλαγκτική ομάδα στην ανοικτή ολιγοτροφική θάλασσα της Μεσογείου (κυρίως στις οικοπεριοχές 1 και 3) και στη συνέχεια το νανοφυτοπλαγκτόν. Αρκετά μικρότερο είναι το ποσοστό συνεισφοράς των μεγαλύτερων φυτοπλαγκτικών οργανισμών (δηλ. διάτομα και δινομαστιγωτά) στη συνολική φυτοπλαγκτική βιομάζα, οι οποίοι εντοπίζονται σε πιο παραγωγικά συστήματα καθώς επωφελούνται από τις σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών (οικοπεριοχή 2 και οικοπεριοχή 4 κατά τη χειμερινή περίοδο). Ομοίως για τους ζωοπλαγκτικούς οργανισμούς, τα ετερότροφα νανομαστιγωτά είναι και τα επικρατέστερα ζωοπλαγκτικά είδη της Μεσογείου, ενώ τα μεγαλύτερα είδη (μικρο- και μεσο-ζωοπλαγκτόν) εντοπίζονται στις πιο παραγωγικές οικοπεριοχές (2, 4). Από τα προσομοιωμένα αποτελέσματα διαπιστώθηκε η τροφική προτίμηση του μεσοζωοπλαγκτού στα ετερότροφα είδη, δηλ. μικροζωοπλαγκτόν κατά την περίοδο θερμικής διαστρωμάτωσης, κυρίως στην ιδιαίτερα ολιγοτροφική Ανατολική Μεσόγειο. Το μικροζωοπλαγκτόν μολονότι περιλαμβάνει στη δίαιτά του τις περισσότερες λειτουργικές ομάδες, η εποχική διακύμανση της βιομάζας του υποδηλώνει τροφική προτίμηση προς τις μικρότερες πλαγκτικές ομάδες. Όσον αφορά στη λειτουργική ομάδα των ετερότροφων νανομαστιγωτών, η τροφική προτίμηση είναι ανάλογη με τα εκάστοτε κατά την εποχή επίπεδα θηράματος. Τέλος, το μοντέλο αποδίδει τις δύο μορφές της τροφικής αλυσίδας του οικοσυστήματος της Μεσογείου με την κυριαρχία του μικροβιακού βρόγχου και των μικρότερων πλαγκτικών ειδών και την «κλασική» τροφική αλυσίδα να επικρατεί κυρίως στις πιο παραγωγικές περιοχές κατά τις περιόδους όπου η διάθεση θρεπτικών είναι ιδιαίτερα υψηλή [οικοπεριοχή 2 και 4 (κατά τη χειμερινή περίοδο)].Η αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α βελτίωσε την πρόγνωση του μοντέλου, κυρίως ως προς την επιφανειακή χλωροφύλλη-α. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου κατακόρυφης κατανομής και αφομοίωσης των δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης διαπιστώθηκε ότι ενισχύει την προσομοίωση της αφομοιωμένης μεταβλητής, δηλ. της χλωροφύλλης, βελτιώνοντας χαρακτηριστικά την κατακόρυφη κατανομή χλωροφύλλης-α σε περιοχές όπως η Βορειο - Δυτική Μεσόγειος (παρατηρητήριο DYFAMED) στις οποίες εντοπίζονται σχετικά υψηλές υπο-επιφανειακές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης (DCM). Η επιτυχία στη λειτουργία της προτεινόμενης μεθόδου σχετίζεται με το βάθος όπου εντοπίζεται το μεγαλύτερο ποσοστό συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α. Ως εκ τούτου,, η αφομοίωση των κατακόρυφων κατανομών βελτίωσε τα προσομοιωμένα αποτελέσματα χλωροφύλλης-α και θρεπτικών έως και το βάθος του DCM. Αντιθέτως, σε περιοχές όπως αυτή του Κρητικού Πελάγους (παρατηρητήριο POSEIDON - E1 M3A), όπου οι υπο-επιφανειακές μέγιστες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης εντοπίζονται σε βάθος αρκετά μεγαλύτερο από το πρώτο οπτικό βάθος (90% της εύφωτης ζώνης), η προτεινόμενη μέθοδος είχε παρόμοια αποτελέσματα με τον κλασικό τρόπο αφομοίωσης.Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου έδειξαν ότι το προτεινόμενο αριθμητικό ομοίωμα είναι ικανό να αποδώσει τις κύριες βιοτικές και αβιοτικές συνιστώσες του πελαγικού συστήματος της Μεσογείου. Αποτελεί ένα διαχειριστικό εργαλείο ικανό να αποδώσει σημαντικές πληροφορίες επί της δυναμικής και λειτουργίας του οισυστήματος. Εκ παραλλήλου, μπορεί να εφαρμοστεί στο ευρύτερο πλαίσιο της διαχείρισης του θαλάσσιου οικοσυστήματος της Μεσογείου ώστε να δίνει απαντήσεις σε ερωτήματα σχετικά με τους μηχανισμούς που διέπουν τη δυναμική του οικοσυστήματος καθώς και την επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών πιέσεων, κλιματικών αλλαγών και ανθρωπογενών πιέσεων σε αυτό

Aplicación de Ensemble Kalman Filter en modelos numéricos

I Encuentro de la Oceanografía Física Española (EOF), 13-15 de octubre 2010, BarcelonaLas técnicas de asimilación de datos tienen por objetivo el obtener la mejor combinación posible de: i) las salidas de los modelos numéricos; y ii) las observaciones. Hoy en día existe, en los centros de meteorología y oceanografía operacionales, un amplio debate sobre las ventajas e inconvenientes de los dos métodos paradigmáticos de asimilación de datos: los métodos secuenciales como el Ensemble Kalman Filter (ENKF), y los métodos de variaciones (4D‐VAR). La ventaja de los métodos basados en el ENKF es la capacidad de tener en cuenta los “errores del día”, combinado con su facilidad de implementación. Por el contrario, los métodos 4D‐VAR requieren el desarrollo y mantenimiento de el modelo adjunto (el modelo que calcula la evolución temporal de los gradientes del sistema). La ventaja de los métodos 4D‐VAR es su capacidad de asimilar conjuntos de observaciones asinópticas (las observaciones se obtienen en instantes diferentes) y su capacidad de generalización. Por otra parte, los métodos basados en el 4D‐VAR son los preferidos en la estimación de los parámetros de modelos numéricos. En esta presentación se introducen los trabajos de asimilación de datos que se están llevando a cabo en el CMIMA/CSIC para la estimación de la circulación en modelos oceánicos utilizando técnicas de ENKF, así como los resultados de la estimación de parámetros en nuestros modelos numéricos a partir de las observaciones. En particular estudiamos en la evolución de la calidad de los valores reconstruidos en función del número de observaciones disponibles, su error, y la variable que está siendo observada. Estos trabajos se realizan en apoyo de la misión SMOS de la ESA (contribución al proyecto MIDAS‐5 del PNE) y como contribución al proyecto MYOCEAN del FP7Peer Reviewe

Modeling the Pathways and Accumulation Patterns of Micro- and Macro-Plastics in the Mediterranean

The Mediterranean is considered a hot-spot for plastic pollution, due to its semi-enclosed nature and heavily populated coastal areas. In the present study, a basin-scale coupled hydrodynamic/particle drift model was used to track the pathways and fate of plastics from major land-based sources (coastal cities and rivers), taking into account of the most important processes (advection, stokes drift, vertical and horizontal mixing, sinking, wind drag, and beaching). A hybrid ensemble Kalman filter algorithm was implemented to correct the near- surface circulation, assimilating satellite data (sea surface height, temperature) in the hydrodynamic model. Different size classes and/or types of both micro- and macroplastics were considered in the model. Biofouling induced sinking was explicitly described, as a possible mechanism of microplastics removal from the surface. A simplified parameterization of size-dependent biofilm growth has been adopted, as a function of bacterial biomass (obtained from a biogeochemical model simulation), being considered a proxy for the biofouling community. The simulated distributions for micro- and macroplastics were validated against available observations, showing reasonable agreement, both in terms of magnitude and horizontal variability. An 8-year simulation was used to identify micro- and macroplastics accumulation patterns in the surface layer, water column, seafloor and beaches. The impact of different processes (vertical mixing, biofouling, and wind/wave drift) was identified through a series of sensitivity experiments. For both micro- and macroplastics, distributions at sea surface were closely related to the adopted sources. The microplastics concentration was drastically reduced away from source areas, due to biofouling induced sinking, with their size distribution dominated by larger (>1 mm) size classes in open sea areas, in agreement with observations. High concentration patches of floating plastics were simulated in convergence areas, characterized by anticyclonic circulation. The distribution of macroplastics on beaches followed the predominant southeastward wind/wave direction. In the water column, a sub-surface maximum in microplastics abundance was simulated, with increasing contribution of smaller particles in deeper layers. Accumulation of microplastics on the seafloor was limited in relatively shallow areas (<500 m), with bottom depth below their relaxation depth due to defouling. The simulated total amount of floating plastics (similar to 3,760 tonnes) is comparable with estimates from observations.</p&gt

Application of Ensemble Kalman Filter in numerical models

15 diapositivas.-- Trabajo presentado al I Encuentro Oceanografía Física (EOF) celebrado en Barcelona (España) del 13 al 15 de Octubre de 2010.Peer reviewe

Preliminary Validation of SMOS Products (Levels 3 and 4)

International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARS), 25-30 July 2010, Honolulu, Hawaii, U.S.A.-- 4 pages, 6 figures.-- © 2010 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksWith the advent of ESA's SMOS Mission, we have the opportunity for the first time of measuring Sea Surface Salinity (SSS) from the space and at a synoptic scale. However, the MIRAS instrument onboard SMOS is a new concept of instrument, and the adjustment and calibration of this interferometric radiometer poses great challenges. In this paper, we show the present status of Level 3 and 4 salinity maps, which are supposed to give accurate climatological descriptions of SSS, describing the attained accuracy and analyzing the geophysical consistence of those maps. A discussion on future improvements is also issuedPeer Reviewe

Preliminary validation of SMOS products (Levels 3 and 4)

ESA Living Planet Symposium 28 June – 2 July 2010 Bergen, NorwayPeer Reviewe

Microplastics in the Mediterranean: Variability From Observations and Model Analysis

International audienceIn this study, the abundance and properties (size, shape, and polymer type) of microplastics (MPs) in sea surface water samples, collected during two sampling campaigns over 2018–2019, in four coastal areas of the Mediterranean Sea (Saronikos Gulf, LIgurian Sea, Gulf of Lion, and Gabes Gulf) were investigated. Coupled hydrodynamic/particle drift model simulations with basin-scale Mediterranean and high resolution nested models were used to provide a better understanding on the variability of the abundance/size of MPs, originating from wastewater and river runoff, in the four areas. Different size classes of MPs were considered in the model, taking into account biofouling induced sinking, as a possible mechanism of MPs removal from the surface. The Gabes Gulf showed the highest mean MPs abundance (0.073–0.310 items/m 2 ), followed by Ligurian Sea (0.061–0.134 items/m 2 ), Saronikos Gulf (0.047–0.080 items/m 2 ), and Gulf of Lion (0.029–0.032 items/m 2 ). Overall, the observed MPs abundance and size distribution was reasonably well reproduced by the model in the four different areas, except an overestimation of small size contribution in Saronikos Gulf. The basin-scale simulation revealed a strong decrease of smaller size MPs in offshore areas, due to biofouling induced sinking, with larger (floating) MPs being able to travel longer distances in the open sea. A significant impact of waves drift and advection of MPs from non-local sources was identified from model simulations, particularly in the Gulfs of Lion and Gabes, having a stronger effect on larger microplastics. In Gabes Gulf, most MPs originated from offshore areas, being mainly (floating) larger size classes, as suggested by the observed quite small contribution of <1 mm particles. The MPs observed abundance distribution in each area could be partly explained by the adopted sources distribution. The modeling tools proposed in this study provide useful insight to gain a better understanding on MPs dynamics in the marine environment and assess the current status of plastic pollution on basin and regional scale to further develop environmental management action for the mitigation of plastic pollution in the Mediterranean Sea