A visualisation system for biogeochemical and hydrodynamic modelling and its application to the Curonian lagoon

The main goal of the thesis is to create a visualisation system for the simulation results of numerical coupled model Shyfem/AQUABC and apply it for the investigation of ice cover effect to the natural aeration in the Curonian Lagoon ecosystem. The tasks of the work are to formulate the requirements for the visualisation system of modelling results; design and programmatically implement the visualisation system; formulate different scenarios for the investigation of ice cover effect; perform simulations of the model; apply the visualisation system for the analysis of model simulation results; and provide recommendations for further development of the system. The developed visualisation system consists of 8 different modules responsible for reading input files and parallelisation of the computations, processing biogeochemical and hydrodynamic variable data, and data conversion if needed. The system requires input files, in which the visualisation parameters, and station and variable visualisation information are specified. The parallelisation of the computations increases the speed of the processes. Analysis showed that the speed increases with the increased number of processors and reaches the maximum speed, when each variable is computed (plotted) on a separate core. Due to this the system allows user to quickly and easily obtain time series and depth profile (3D case) graphs of biogeochemical and hydrodynamic variables, time series graphs of biogeochemical state and derived variables data comparison of several model simulations, and files with statistical estimates. Several recommendations were presented for the further development of the system. Visualisation system was applied to studying ice cover effect on natural aeration in the Curonian lagoon. Five simulations have been carried out for studying the variations of dissolved oxygen. The analysis showed that during the ice cover period the greatest impact on dissolved oxygen concentration has the suppressed reaeration. Additionally there are noticeable concentration shifts in the summer time (ice cover effect on dissolved oxygen drags into the summer), this is due to the shift of phytoplankton growth, which also adds oxygen to the water in a process of photosynthesis. The analysis of oxygen saturation showed a noticeable decrease during the ice cover period, however the level of hypoxia (<30%) was not reached, and the decrease of values in the end of ice period, this might occur due to the long model spin up time, which might be resolved by adjusting initial conditions. The model takes into account just the percentage of ice cover (not the thickness of it or the snow cover on top of it), the solar radiation is not reduced when ice is present and ice cover data was interpolated over the entire lagoon from the data of just four monitoring stations. Overall, an improved model (and the use of satellite data) would improve the knowledge of ice cover effect on natural aeration in the water body.

Darbo tikslas – sukurti skaitinio modelio Shyfem/AQUABC modeliavimo rezultatų vizualizacijos sistemą ir pritaikyti ją ledo įtakos natūraliai aeracijai Kuršių Marių ekosistemose tyrimui. Darbo uždaviniai - suformuluoti reikalavimus modeliavimo rezultatų vizualizacijos sistemai; suprojektuoti ir programiškai įgyvendinti vizualizacijos sistemą; suformuluoti scenarijus ledo įtakos tyrimui; atlikti modelinius eksperimentus su integruotu modeliu; pritaikyti vizualizacijos sistemą modeliavimo rezultatų analizei; pateikti rekomendacijas sistemos tolimesniam vystymui. Teorinėje darbo dalyje (literatūros apžvalgoje) analizuojami darbo su skaitiniais modeliais žingsniai – būtini veiklos etapai prieš atliekant skaičiavimus ir gautų rezultatų apdorojimas, t.y. vizualizavimas ir statistinė analizė. Taip pat apžvelgiamos ekologinių modelių rūšys ir jų rezultatų priklausomybė nuo hidrodinaminio režimo. Pristatytas hidrodinaminis-ekologinis modelis Shyfem/AQUABC bei jo vidinės gautų duomenų vizualizavimo galimybės. Šioje darbo dalyje taip pat apžvelgta Kuršių marių ekosistema ir jos hidrodinaminiai ypatumai, bei ledo dangos įtaka fiziniams ir biogeocheminiams procesams. Metodinėje dalyje aprašomas modelio vizualizacijos sistemos kūrimas – suformuluoti sistemos reikalavimai, naudojami kūrimo įrankiai ir metodai. Pagrindiniai sistemai iškelti reikalavimai yra nesudėtinga modeliu apskaičiuotų duomenų vizualizacija grafikų pavidalu (laiko eilutės, priklausomybės nuo gylio), interaktyvumas, galimybė grafiškai palyginti kelių modelio skaičiavimų rezultatus, gauti duomenų failus su statistiniais matavimo duomenų ir modelio rezultatų įverčiais, bei galimybė nulemti grafiko matmenis ir failo formatą. Vizualizacijos sistema sukurta naudojantis GNU Octave programine įranga Linux Red Hat Enterprise operacinėje sistemoje, kuri veikia 64-branduolių serveryje, priklausančiame Klaipėdos universiteto jūros tyrimų atviros prieigos centrui. Akcentuojamas sistemos greitaeigiškumas – naudojami lygiagretūs skaičiavimai leidžiantys išnaudoti turimą techninę įrangą. Sukurta vizualizacijos sistema susideda iš 8 skirtingų modulių, atsakingų už įvesties failų nuskaitymą, skaičiavimų lygiagretinimą, biogeocheminių ir hidrodinaminių kintamųjų duomenų apdorojimą. Sistema reikalauja įvesties failų, kuriuose yra nurodyti vizualizacijos parametrai, stočių ir kintamųjų vizualizacijos informacija. Nustatyta, kad laikas per kurį nubraižomi 54 kintamųjų grafikai didėja eksponentiškai mažinant naudojamų branduolių skaičių ir maksimalus našumas pasiekiamas tada, kai visi kintamieji yra apdorojami atskiruose branduoliuose. Darbe taip pat pateikiamos rekomendacijos tolimesniam sistemos tobulinimui. Vizualizacijos sistema pritaikyta studijuojant ledo dangos poveikį natūraliai aeracijai Kuršių mariose. Buvo modeliuojami penki scenarijai, kurių rezultatų analizė parodė, kad didžiausią poveikį ištirpusio deguonies koncentracijai turi ledo slopinama reaeracija. Be to, yra pastebimi koncentracijos pokyčiai vasaros metu (ledo dangos poveikis nusitęsia į vasarą), kurie priklauso nuo fitoplanktono (stebimas jo koncentracijos poslinkis) išskiriančio deguonį fotosintezės metu. Deguonies prisotinimo analizė parodė akivaizdų jo sumažėjimą esant ledo dangai, tačiau hipoksijos riba – nepasiekta. Taip pat pastebimas prisotinimo reikšmių kritimas baigiantis ledo periodui, tam gali turėti įtakos pradinės sąlygos, su kuriomis modelis nespėja „įsisukti“, t.y. pereiti stabilų režimą. Naudojamas modelis atsižvelgia tik į ledo dangos procentiškumą (ne ledo ar sniego dangos storį), taip pat nėra sumažinamas sugeriamos saulės spinduliuotės kiekis esant ledui ir ledo danga buvo gaunama interpoliuojant tik keturių monitoringo stočių duomenis. Patobulinus ledo dangos modeliavimą ir naudojant palydovinius duomenis, ledo dangos poveikio natūraliai aeracijai tyrimas būtų tikslesnis ir geriau atspindėtų natūralią situaciją.