Suomen ympäristökeskus | Finlands miljöcentral | Finnish Environment Institute

sykefi header valkoinen

3D virtaus- ja ekologiamallin kehittäminen Suomen vesistöihin

+ Näytä tiedot

Hankkeen perustiedot

Hankkeen tavoitteet

  • Selvittää ja kehittää COHERENS -virtausmallin käyttökelpoisutta tutkimusmallina Suomen vesistöissä.
  • Soveltaa mallia suomalaisiin rannikko- ja sisävesiin
  • Käyttää mallia osana valuma-alueilta Itämerelle ulottuvaa malliketjua.
  • Yhdistää käyttökelpoisia osamalleja (esimerkiksi vedenlaatumallit) virtausmalliin.

COHERENS-malli

COHERENS on SYKEssä käytössä oleva tutkimusmalli kolmiulotteiseen virtaus- ja kulkeutumismallinnukseen. Malli on alun perin kehitetty Belgiassa (Luyten et al. 1999) Pohjanmeren tutkimuksia varten ja sitä on sen jälkeen päivitetty ahkerasti. Malli on julkaisunsa jälkeen kirjoitettu kertaalleen kokonaan uudelleen. Nykyinen versio (V2, Luyten et al. 2011) on vapaasti saatavana avoimena lähdekoodina Euroopan unionin yleisen lisenssin (EUPL) alla. Mallin tärkeimpiin ominaisuuksiin kuuluvat:

  • Fysikaalinen malli, jossa on osamallit virtauksia, suolaisuutta ja lämpötilaa varten.
  • Sedimenttimalli, joka kuvaa kiintoaineksen ja epäorgaanisen aineen vajoamista ja kulkeutumista.
  • Partikkeleiden kulkeutumismalli.
  • Mallikytkentämoduuli, joka mahdollistaa esimerkiksi ulkoisen aaltomallin (SWAN) kytkemisen COHERENSiin.
  • Tuki rinnakkaislaskennalle ja hajautetulle laskennalle.
  • Modulaarinen rakenne mahdollistaa mallin kehittämisen käyttäjäyhteisössä.

COHERENS-mallia voidaan soveltaa suorakulmaisessa, kaarevassa ja pallokoordinaatissa. Simulaatioita voidaan tehdä yhdessä, kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa. Malli hyödyntää pohjan muotoja seuraavaa s-koordinaatistoa pystysuunnassa, mikä mahdollistaa myös pohjanläheisten virtausten mallintamisen.

Mennyt toiminta

COHERENS-mallin hydrodynamiikka osa oli mukana EMAPS-mallivertailuhankkeessa jossa selvitettiin kuuden eri mallin soveltuvuus rehevöitymisennusteiden laskemiseen Itämeressä. Tulosten mukaan mallin tulokset olivat hyviä (Myrberg et al. 2010).

Mallin alkuperäinen ekologia-kuvaus on hyvin yksinkertainen käsittäen vain yhden leväryhmän ja laskentamuuttujien joukosta puuttuu muun muassa fosfori. Kuvaus ei siten voi toimia esimerkiksi Suomenlahdella, jossa fosfori on yksi ratkaiseva ravinne. SYKE:llä on ollut käytössä YVA-SYKE malli, jonka ekologia-kuvaus ja sedimenttimalli toimivat hyvin Suomenlahdella. Tämän hankkeen yhtenä alkuperäisistä tarkoituksista oli sisällyttää YVA-SYKE mallin ekologiakuvaus ja sedimenttimalli COHERENS-malliin. Alkuperäistä COHERENS V1-malliversiota on sen jälkeen sovellettu useisiin järvi- ja rannikkokohteisiin. Yksi esimerkki tästä on mallin käyttö ympäristövaikutusten arvioinnissa Pien-Saimaan pumppaamohankkeen yhteydessä (Pien3D).

Nykyinen toiminta

Nykyaikaistettu versio COHERENS-mallikoodista (V2) on otettu käyttöön SYKEssä viime vuosien aikana ja kehitystyötä on jatkettu sen parissa. Merkkipaaluina nykyisessä kehityksessä ovat olleet rinnakkaislaskennan käyttöönotto, jäämallin kehittäminen ja erittäin korkean resoluution järvimallinnukset. Eri datalähteiden joustavaa integrointia mallin kanssa on edistetty ja mallitulosten käsittelyä sekä visualisointimenetelmiä on kehitetty.

COHERENS V2 on käytössä useissa hankkeissa. Mallia on käytetty muun muassa haitta-aineiden kulkeutumisen simulointiin CONPAT-hankkeessa, jäteveden ja sedimentin pinnan vuorovaikutuksen tutkimiseen N-SINK hankkeessa, ja sitä käytetään osana Saaristomeren valuma-alueen kokonaiskuormitusmallia.

Parhaillaan COHERENS-mallia kehitetään ja sovelletaan mm. seuraavissa hankkeissa:

  • Freshabit EU LIFE IP: Mallin soveltaminen Konnevedelle ja Puruvedella ja kalanpoikasten käyttäytymismallin kehittäminen.
  • oGIIR: Mallin automatisoitu pystyttäminen ja jälkikäsittely sekä integrointi virtuaaliseen tutkimusinfrastruktuuriin.
  • Paikallisten tuulten vaikutus virtausmallin toimintaan (TUMA-hanke).

Mallin toiminnan ymmärtämiseksi ja varmistamiseksi kerätään myös mittaustietoa järvien virtausolosuhteista. Tärkeimmät työkalut tähän ovat profiloivat virtausmittarit (ADCP), reaaliaikaisesti sijaintinsa ilmoittavat satelliittipaikannetut uimurit sekä tarkat paineanturit pinnankorkeuden mittauksia varten.

SYKE on järjestänyt vuosina 2014 ja 2015 kansainvälisen COHERENS-käyttäjien työpajan, jossa mallinnusasiantuntijat ympäri maailman ovat kokoontuneet yhteen keskustelemaan mallikehityksestä.

Lähteet

Kiirikki, M., Lehtoranta, J., Inkala, A., Pitkänen, H., Hietanen, S., Hall, P.O.J., Tengberg, A., Koponen, J. and Sarkkula, J. 2006. A simple sediment process description suitable for 3D-ecosystem modelling - Development and testing in the Gulf of Finland. Journal of Marine Systems 61: 55-66.

Luyten, P. J., Jones, J. E., Proctor, R., Tabor, A., Tett, P., Wild-Allen, K., 1999. COHERENS - A coupled hydrodynamical-ecological model for regional and shelf seas: user documentation. MUMM report. Management Unit of the Mathematical Models of the North Sea, 911 pp.

Luyten, P. et al., 2011. Coherens - A Coupled Hydrodynamical-Ecological Model for Regional and Shelf Seas: User Documentation. Version 2.0. RBINS-MUMM Report. Royal Belgian Institute of Natural Sciences (RBINS).

Myrberg, K., Ryabchenko, V., Isaev, A., Vankevich, R., Andrejev, O., Bendtsen, J., Erichsen, A., Funkquist, L., Inkala, A., Neelov, I., Rasmus, K., Rodriguez Medina, M., Raudsepp, U., Passenko, J., Söderkvist, J., Sokolov, A., Kuosa, H., Anderson, T. R., Lehmann, A. & Skogen, M. D. 2010: Validation of three-dimensional hydrodynamic models of the Gulf of Finland. Boreal Env. Res. 15: 453-479.

 

Julkaistu 24.4.2013 klo 12.59, päivitetty 30.10.2018 klo 10.09

Aihealue: