Pracownia Modelowania Procesów Ekohydrodynamicznych

Pracownia Modelowania

Procesów Ekohydrodynamicznych

Pracownia Modelowania Procesów Ekohydrodynamicznych została utworzona w obecnej postaci w styczniu 2007 roku, łącząc hydrodynamików i ekologów dla wspólnego badania skomplikowanych problemów nauki o morzu. Głównym celem badań Pracowni jest uczynienie zrozumiałymi: procesów fizycznych dla biologów, poprzez użycie metodologii matematycznej oraz natury procesów życia w morzu dla oceanografów. Spodziewamy się, że badania prowadzone w Pracowni pomogą biologom morskim i ekologom w lepszym poznaniu mechanizmów, które pomagają roślinom i zwierzętom żyć w oceanie, a jednocześnie ułatwiają oceanografom fizycznym i dynamikom płynów zrozumienie jak ich wiedza może znaleźć zastosowanie w badaniach nad ekologią morza.

S k ł a d o s o b o w y

prof. ndzw. dr hab. Lidia Dzierzbicka-Głowacka – kierownik pracowni
prof. dr hab. Czesław Druet
prof. dr hab. Stanisław Massel
prof. ndzw. dr hab. Andrzej Jankowski
prof. ndzw. dr hab. Paweł Schlichtholz
dr Jaromir Jakacki
mgr inż. Anna Przyborska
mgr Maciej Janecki
mgr Artur Nowicki
Danuta Pruszczak

Prof. dr hab. Czesław Druet druet@iopan.gda.pl

Doc. dr hab. Lidia Dzierzbicka-Głowacka dzierzb@iopan.gda.pl

mgr Maciej Janecki mjanecki@iopan.gda.pl

mgr Artur Nowicki anowicki@iopan.gda.pl

dr Jaromir Jakacki jjakacki@iopan.gda.pl

P r o b l e m y b a d a w c z e

modelowanie procesów hydrodynamicznych i biologicznych, kształtujących pole zmienności badanych biologicznych charakterystyk w czasie i przestrzeni (3D),
wyznaczaniem ilościowych zależności pomiędzy procesami fizjologicznymi dominujących gatunków zooplanktonu a parametrami środowiska, które są niezbędne w ogólnych modelach ekosystemu,
numeryczne symulacje wpływu procesów turbulentnego mieszania wód na relacje między planktonowym pokarmem (ofiarą) a żerującym na nim drapieżnikiem oraz związanym z tym zjawiskiem procesem wzrostu biomasy drapieżnika i ubytkiem koncentracji warstwy pokarmowej (fitoplanktonu i mniejszego zooplanktonu).

Opracowany, znacznie bardziej złożony niż stosowane dotychczas, meteorologiczno-hydrodynamiczno-biologiczny model ekosystemu morskiego 1D CEM (patrz Rysunek) zawiera wysoko rozwinięty moduł dla mezozooplanktonu i prosty moduł {ofiara – drapieżca}. Mezozooplankton jest prezentowany przez dwa gatunki skorupiaka widłonoga – Pseudocalanus minutus elongatus i Acartia spp., a ryby przez śledzia – Clupea harengus we wczesnych stadiach rozwoju.

Proponowana metoda wykorzystuje dane meteorologiczne obejmujące różne pory dnia i roku. w odróżnieniu więc od metod tradycyjnych, metoda ta pozwala na ciągłe w czasie i w przestrzeni kontrolowanie głównych charakterystyk ekosystemu. Elementy te są niezbędne w nowoczesnym prognozowaniu ekologicznym. Opracowany został 3D hydrodynamiczno-biologicznego operacyjnego modelu ekosystemu morskiego dla Morza Bałtyckiego 3D CEMBS.

W proponowanej metodyce zostały wykorzystane dane meteorologiczne obejmujšce różne pory dnia i roku poprzez integracje tego modelu z modelem meteorologicznym ICM-u UW. W odróżnieniu od metod tradycyjnych, metoda ta pozwala na cišgłe w czasie i w przestrzeni kontrolowanie głównych charakterystyk ekosystemu. Takie podejcie pozwala na uzyskanie szczegółowego opisu iloci i zmiennoci fizycznych, dynamicznych i biologicznych parametrów rodowiska morskiego.

W y b r a n e r e z u l t a t y

Figure. Average number of eggs in a function of cephalothorax length. Lines were fitted to data using the equations in Table 1 in paper D-G 2004.

Figure. The average daily production of egg matter per female as a function of temperature for satiated populations after D-G 2004.

P u b l i k a c j e

Druet, Cz., (2003). The fine structure of marine hydrophysical fields and its influence on the behaviour of plankton: an overview of some experimental and theoretical investigations, Oceanologia, 45 (4): 517-555.
Druet, Cz., (2000). Dynamika morza. Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk, 288pp.
Druet, Cz., (1995). Elementy hydromechaniki geofizycznej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 111pp.
Druet, Cz., (1994). Dynamika stratyfikowanego oceanu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 225pp.
Druet, Cz., Zieliński, A., (1994). Modelling the fine-structure of the phytoplankton concentration in a stable stratified sea, Oceanl. Acta, 17 (1): 79-88.
Druet, Cz., Siwecki, A., (1993). Vertical fine structure and small-scale mixing in the upper ocean layer of the Norwegian-Barents confluence zone, Stud. i Mater. Oceanol., 65 (2): 150-169.
Dzierzbicka-Głowacka, L., Jakacki, J., Janecki, M., Nowicki, A. 2011. Variability of the distribution of phytoplankton under influence of the changes of the main physical parameters in the Baltic Sea. Oceanologia -Baltex, praca w druku
Dzierzbicka-Glowacka, L., Lemieszek, A. & M.I. Żmijewska, 2011. Development and growth of Temora longicornis: numerical simulations using laboratory culture data. Oceanologia, 53 (1).
Dzierzbicka-Glowacka, L., Kulinski, K., Maciejewska, A. Jakacki, J. & Pempkowiak, J., 2010b. Particulate organic carbon in the southern Baltic Sea: numerical simulations and experimental data. Oceanologia, 52 (4), 621-648
Dzierzbicka-Glowacka, L., Żmijewska, I.M., Mudrak, S., Jakacki, J. & Lemieszek, A. 2010a. Population modelling of Acartia spp. in a water column ecosystem model for the South-Estern Baltic Sea. Biogeosciences, 7, 2247-2259.
Dzierzbicka-Glowacka, L., Lemieszek, A. & M.I. Żmijewska, 2009a. Parameterisation of a population model for Acartia spp. in the southern Baltic Sea. Part 1. Development time. Oceanologia, 51(2), 165-184.
Dzierzbicka-Glowacka, L., Lemieszek, A. & M.I. Żmijewska, 2009b. Parameterisation of a population model for Acartia spp. in the southern Baltic Sea. Part 2. Egg production. Oceanologia, 51(2): 185-201.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2007). Effects of phytoplankton mortality caused by unpredictable conditions – numerical simulations. Pol. J. Ecol., 55 (1): 27-37.
Dzierzbicka-Głowacka, L., Bielecka, L., Mudrak, S. (2006). Seasonal dynamics of Pseudocalanus minutus elongatus and Acartia spp. in the southern Baltic Sea (Gdańsk Deep) – numerical simulations. Biogeosciences, 3: 1157-1202.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2006). Encounter rate in zooplankton. Polish Journal of Environment Studies, 15 (2), 243-257.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2006). Effect of turbulent mixing on the marine plankton vertical distribution: model simulation. Pol. J. Ecol., 54 (2): 215-230.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2006). A numerical investigation of nutrient concentration in the Gdańsk Gulf as revealed by a coupled one-dimensional model. Polish Journal of Environment Studies, 15 (1): 61-72.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2006). Modelling the seasonal dynamics of marine plankton in the southern Baltic Sea, Part 2. Numerical simulations. Oceanologia, 48 (1), 41-71.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2005). Modelling the seasonal dynamics of marine plankton in the southern Baltic Sea, Part 1. A coupled ecosystem model. Oceanologia, 47 (4): 591-619.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2005). A numerical investigation of phytoplankton and Pseudocalanus elongatus dynamics in the spring bloom time in the Gdańsk Gulf Journal of Marine Systems, 53: 19-36.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2004). Growth and development of copepodite stages of Pseudocalanus spp. Journal of Plankton Research, 26 (1): 49-60.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2004). The dependence of body weight in copepodite stages of Pseudocalanus spp. on variations of ambient temperature and food concentration. Oceanologia, 46 (1), 45-63.
Dzierzbicka-Głowacka L., 2004. The dependence of body weight in copepodite stages of Pseudocalanus spp. on variations of ambient temperature and food concentration. Oceanologia, 46 (1): 45-63.
Dzierzbicka-Głowacka, L., Zieliński, A., (2004). Potential rate of reproduction for some geographically separate populations of Pseudocalanus spp. Oceanologia, 46 (1): 65-83.
Dzierzbicka-Głowacka, L., (2004). Growth and development of copepodite stages of Pseudocalanus spp. Journal of Plankton Research, 26 (1): 49-60.
Dzierzbicka-Głowacka, L., Zieliński, A., (2003). Growth rate of Pseudocalanus spp. as a function of food concentration, body weight and temperature. Oceanological and Hydrobiological Studies, 32 (4): 171-197.
Dzierzbicka-Głowacka L., (2002). Numerical studies of the influence of food ingestion on phytoplankton and zooplankton biomasses, Oceanologia, 44 (1): 81-110.
Dzierzbicka-Głowacka L., (2001). Numerical simulations of marine zooplankton dynamics and its interaction with other system components. Pol. J. Ecol., 49, 1, 3-18.
Dzierzbicka-Głowacka L., (2000). Mathematical modelling of the biological processes in the upper layer of the sea. Rozprawy i monografie, 13, 1-124 (in polish).
Dzierzbicka-Głowacka, L., Zieliński, A., (1998). An algorithm for calculating the concentration of phytoplankton in a stratified sea with respect to the daily migration of zooplankton. Part 1. P-V-Z-D model. Oceanologia, 40 (4): 355-370.
Dzierzbicka-Głowacka, L., Zieliński, A., (1998). An algorithm for calculating the concentration of phytoplankton in a stratified sea with respect to the daily migration of zooplankton. Part 2. Numerical simulation. Oceanologia, 40 (4): 371-398.

Doc. dr hab. Andrzej Jankowski jankowsk@iopan.gda.pl

P r o b l e m y b a d a w c z e

charakterystyka warunków hydrologicznych oraz modelowanie (hydrodynamiczno - numeryczne) mezo- i makroskalowych zjawisk i procesów hydrodynamicznych w stratyfikowanych akwenach morskich (naturalnych i wyidealizowanych).

Celem badań jest rozpoznanie zmienności podstawowych charakterystyk hydrodynamicznych wód akwenów wskutek oddziaływań naturalnych i czynników antropogenicznych w systemie morze - atmosfera - ląd oraz analiza wpływu skutków tej zmienności na stan środowiska morskiego. Rejon badań obejmuje Morze Bałtyckie i jego akweny przyległe. Szczegółowe zadania to modelowanie trójwymiarowej (3-D) cyrkulacji wód (prądów) oraz upwellingu w Bałtyku.

P u b l i k a c j e

Jankowski A., (2003). Variability in the saline water exchange between the Baltic and the Gulf of Gdansk by the sigma-coordinate model. Oceanologia, 45 (1): 81-105.
Jankowski A., (2002). Variability of coastal water hydrodynamics in the southern Baltic - hindcast modelling of an upwelling event along the Polish coast. Oceanologia, 44 (4): 395-418.
Jankowski A., (2002), Application of a sigma-coordinate baroclinic model to the Baltic Sea, Oceanologia, 44 (1): 59-80.
Herman, A. and Jankowski, A., (2001). Wind- and density-driven water circulation in the Southern Baltic Sea - a numerical analysis. TASK Quarterly, 5 (1): 29-58.
Jankowski A., (2000). Wind - induced variability of hydrological parameters in the coastal zone of the Southern Baltic Sea - numerical study. Oceanological Studies, 29 (3): 5-34.
Jankowski A., (1998). Symulacja cyrkulacji wód Bałtyku dla wybranych miesięcy od kwietnia do listopada. Rozprawy i monografie IO PAN, 8, 1-165.

Prof. dr hab. Stanisław Massel smas@iopan.gda.pl

Mgr inż. Anna Przyborska aniast@iopan.gda.pl

P r o b l e m y b a d a w c z e

dynamika oceanicznych fal powierzchniowych oraz oddziaływanie morza i atmosfery

Celem badań są procesy załamania fali i ich wpływ na generację strumieni aerozoli morskich oraz wymianę strumieni gazu przez powierzchnię swobodną. W szczególności ocenia się straty energii wskutek załamania fal na głębokiej wodzie. Ponadto badania dotyczą metodologii wyznaczania wielkości powierzchni morza pokrytej pianą załamujących się fal.

zagadnienie początkowe dla fal powierzchniowych

Badania dotyczą propagacji fal powierzchniowych wywołanych upadkiem ciał na powierzchnię wody. W szczególności bada się upadek meteorytu oraz propagację i nabieganie fal na brzeg morski.

model matematyczny nabiegania fali na porowatą plażę (cyrkulacja wód gruntowych)

Dla mórz bezpływowych, strumień wód gruntowych kontrolowany jest w pełni przez dynamikę fal powierzchniowych. Dwa typy modeli są rozważane: model z uśrednioną fazą ze skalą czasową rzędu godzin oraz modele o skali czasowej rzędu sekund. Modele z uśrednioną fazą są szczególnie przydatne do badania cyrkulacji wód gruntowych wywołanej wzniesieniem średniego poziomu wody – „set-up”. Średni gradient ciśnienia, mimo swej niewielkiej wartości stwarza efekty dynamiczne, sięgające głęboko w głąb strefy brzegowej. Wyniki modelu matematycznego konfrontuje się z rezultatami badań eksperymentalnych.

W y b r a n e r e z u l t a t y

Rysunek 1. Fala powierzchniowa wywołana upadkiem meteorytu.

Rysunek 2. Uśredniony przepływ wody w gruncie.

P u b l i k a c j e

Monografie naukowe:

Massel, S.R., (2007). Ocean Waves Breaking and Marine Aerosol Fluxes. Springer, New York, 323pp.
Nakagawa, T., Chanson, H., Massel, S.R., Hinwood, J., Osonphasop Ch., (2006). Fluid Mechanics for Ecologists. Industrial Publishing and Consulting Incorporation, Tokyo, 394pp (w języku japońskim).
Massel, S.R., (1999). Fluid Mechanics for Marine Ecologists. Springer-Verlag, Berlin, 566pp.
Massel, S.R., (1996). Ocean Surface Waves; their Physics and Prediction. World Scientific Publ., Singapore - New Jersey - London - Hong Kong, 491pp.
Debolskii, V., Jasińska, E., Massel, S.R., (1994). Dynamika Przepływów w Kanałach Otwartych oraz Litodynamika Morskiej Strefy Brzegowej, Nauka, Moskwa, 303pp (w języku rosyjskim).
Massel, S.R. (Edytor i współautor), Basiński, T., Jasińska, E., Mazur-kiewicz, B., Onoszko, J., Robakiewicz, W., (1992). Poradnik Hydrotechnika. Obciążenia Budowli Morskich. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk, 338pp.
Massel, S.R., K. Pilarczyk, K., (1992). Guidelines for Design and Construction of Flexible Revetments Incorporating Geotextiles in Marine Environment. Permanent International Association of Navigation Congresses, Report of Working Group No. 21, Brussels, 197pp.
Belberov, Y.K., Antsyferov, S.M., Massel, S.R., Zaslavskii, M.M., Leontiev, I.O., Speransky, N.S., Kuznietsov, S.Yu., Pykhov, N.V., Dachev, V.Zh., (1990). Dynamical Processes in Coastal Regions. Results of the 'Kamtschiya' International Project. Publishing House of the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, 190pp.
S.R. Massel, (1989). Hydrodynamics of Coastal Zones. Elsevier Science Publ., Amsterdam, 336pp.

Wybrane publikacje:

Jasińska, E., Massel, S.R., (2007). Water dynamics in estuaries along the Polish Baltic coast. Oceanological and Hydrobiological Studies XXXVI (2): 101-133.

Dera, J., Massel, S.R., Pliński, M., (2007). Wkład Polski w badania mórz i oceanów. W zbiorze Aktualne i perspektywiczne problemy nauk o Ziemi i nauk górniczych. Polska Akademia Nauk, Wydział VII, 73-121.
Massel, S.R., (2007). Recenzja książki B. Voituriez, The Gulf Stream, IOC Ocean Forum Series. Oceanologia, 49 (1): 159-161.
Hong Phuoc, V.L. and Massel, S.R., (2006). Experiments on wave motion and suspended sediment concentration at Nang Hai, Can Gio mangrove forest. Oceanologia, 48 (1): 23-40.
Węsławski, J.M, Andrulewicz, E., Kotwicki, L Kuzebski, E. Lewandowski, A. Linkowski, T., Massel, S.R., Musielak, S., Oleńczuk-Neyman, K., Pempkowiak, J., Piekarek-Jankowska, H., Radziejewska, T., Różyński, G., Sagan, I., Skóra, K.E., Szefler, K., Urbański, J., Witek, Z., Wołowicz, M., Zachowicz, J., Zarzycki, T., (2006). Basis for a valuation of the Polish Exclusive Economic Zone of the Baltic Sea: Rationale and quest for tools. Oceanologia 48 (1): 145-167.
Massel, S.R., Przyborska, A. and Przyborski, M., (2005). Attenuation of wave-induced groundwater pressure in shallow water. Part 2. Theory. Oceanologia 47 (3): 291-323.
Massel, S.R., Przyborska, A. and Przyborski, M., (2004). Attenuation of wave-induced groundwater pressure in shallow water. Part 1. Oceanologia 46 (3): 383-404.
Massel, S.R. and Pelinovsky, E.N., (2003). Impact of surface waves on the coastal ecosystems. In Yalciner, A.C., Pelinovsky, E.N., Okal, E. and Synolakis, C.E. (Eds). Submarine Landslides and Tsunamis. NATO Science Series, Kluwer Academic Publ., Dordrecht, 21: 251-258.
Massel, S.R., (2003). Selected Problems of the Baltic Sea Hydrodynamics. Proc. Intern. Seminar. School-Workshop “Cosastal Zone’03”, Lubiatowo, 223-236.
Massel, S.R., (2002). Circulation of groundwater due to wave set-up on permeable beach. Proc. Intern. Symposium LITTORAL 2002, Porto, 2: 161-168.
Massel, S.R., (2001). Investigations of seas and oceans. Proc. 1st Inter. Congress of Seas and Oceans, Maritime Univ. of Szczecin, 2: 85-89.
Massel, S.R., (2001). Znaczenie czynnika ekologicznego w inżynierii morskiej. Inżynieria Morska i Geotechnika, 6: 343-347.
Massel, S.R., (2001). Wave-induced set-up and flow over shoals and coral reefs. Part 1. A simplified bottom geometry case, Oceanologia, 43 (4): 373-388.
Piórewicz, J., and Massel, S.R., (2001). Prediction of ocean waves in shallow water. Keppel Bay, Quensland, recorded data analysis, Proc. of 15th Australasian Coastal Ocean Eng. Conf., Gold Coast, 528-533.
Massel, S.R., (2001). On the relationship between wave breaking and marine aerosol concentration in deep sea areas. Archives of Hydro-engineering an Environmental Mechanics, 48 (2): 31-45.
Massel, S.R., Tęgowski, J., Chomka, M., Wichorowski, M., Dąbrowski, J., Stansberg, C.T. and Moe, V., (2001). Experimental study of the formation of steep waves and breakers. Oceanologia, 43 (3): 353-363.
Massel, S.R., (2001). Circulation of groundwater due to wave set-up on a permeable beach. Oceanologia, 43 (3): 279-290.
Massel, S.R., and Pelinovsky, E.N., (2001). Run-up of dispersive and breaking waves on beaches. Oceanologia, 43 (1): 61-97.
Massel, S.R., (2001). Wavelet analysis for processing of ocean surface wave records. Ocean Engineering, 28: 957-987.
Massel, S.R. and Gourlay, M.R., (2000). On the modelling of wave breaking and set-up on coral reefs. Coastal Engineering, 39 (1): 1-27.
Massel, S.R. and Sobey, R.J., (2000). Distribution of the highest wave in a record. Coastal Engineering Journal, 42: 153-173.
Massel, S.R., (1999). Fluid Mechanics for Marine Ecologists. Springer-Verlag, Berlin, 566pp.
Massel, S.R., Furukawa, K. and Brinkman, R.M., (1999). Surface waves propagation in mangrove forests. Fluid Dynamics Research, 24: 219-249.
Massel, S.R., and R. Brinkman, R., (1999). Measurement and modelling of wave propagation and breaking at steep coral reefs. Recent Advances in Marine Science and Technology '98, 27-36, Honolulu.
Massel, S.R., (1998). The limiting wave height in wind-induced waves train. Ocean Engineering, 25: 735-752.
Wolanski, E., Furukawa, K. and Massel, S.R., (1998). The role of oceanographic modelling in predicting the impact on coral reefs from global change. Jour. Global Envir. Eng., 4: 77-89.
Massel, S.R., and Brinkman, R., (1998). On the determination of directional wave spectra for practical applications. Apllied Ocean Research, 20: 357-374.

Doc. dr hab. Paweł Schlichtholz schlicht@iopan.gda.pl

P r o b l e m y b a d a w c z e

wielkoskalowa dynamika oceanu
interakcje klimatyczne w Arktyce

Metody badawcze to głównie analiza danych historycznych oraz proste modelowanie procesowe. Ostatnie badania dotyczyły dynamiki prądów na stoku kontynentalnym (Prąd Wschodniogrenlandzki i Prąd Zachodnio-spitsbergeński) oraz krótkookresowej zmienności klimatycznej własności i cyrkulacji mas wodnych w rejonie Oceanu Arktycznego w relacji do wymuszeń atmosferycznych (oscylacja północnoatlantycka).

P u b l i k a c j e

Houssais, M.-N., Herbaut, C., Schlichtholz, P. and Rousset, C. (2007). Arctic salinity anomalies and their link to the North Atlantic during a positive phase of the Arctic Oscillation. Progress in Oceanography, 73: 160-189.
Schlichtholz, P. and Goszczko, I., (2006). Interannual variability of the Atlantic water layer in the West Spitsbergen Current at 76.5^oN in summer 1991-2003. Deep-Sea Research I, 53: 608-626.
Schlichtholz, P., (2005). Climatological baroclinic forcing of the barotropic flow in the East Greenland Current in Fram Strait. Journal of Geophysical Research, 110, C08013, doi: 1029/2004JC002701.
Schlichtholz, P. and Goszczko, I., (2005). Was the Atlantic Water temperature in the West Spitsbergen Current predictable in the 1990s? Geophysical Research Letters, 32, L04610, doi: 10.1029/2004GL021724.
Schlichtholz, P., (2002). On a modified arrested topographic wave in Fram Strait. Journal of Geophysical Research, 107 (C11), 3189, doi: 10.1029/2001JC000799.
Schlichtholz, P. and Houssais, M.-N., (2002). An overview of the -S correlations in Fram Strait based n the MIZEX 84 data. Oceanologia, 44 (2): 243-272.
Schlichtholz, P. and Houssais, M.-N., (1999). An investigation of the dynamics of the East Greenland Current in Fram Strait based on a simple analytical model. Journal of Physical Oceanography, 29: 2240-2265.
Schlichtholz, P. and Houssais, M.-N., (1999). An inverse modeling study in Fram Strait. Part I: Dynamics and circulation. Deep-Sea Research II, 46: 1083-1135.
Schlichtholz, P. and Houssais, M.-N., (1999). An inverse modeling study in Fram Strait. Part II: Water mass distribution and transports. Deep-Sea Research II, 46: 1137-1168.