Spredningsmodellering

C:\Users\a22905\Pictures\Figurer\Ferdige figurer\Spredning_lakselus.png

En viktig arbeidsoppgave ved Havforskningsinstituttet er å forklare spredning og fordeling av en rekke biologiske og kjemiske stoffer i havet. Til dette er det hensiktsmessig å bruke spredningsmodeller. Vi kan i prinsippet benytte spredningsmodeller for alt som driver med strømmene.

Ved Havforskningsinstituttet benytter vi slike modeller til å beregne transport av egg, fiskelarver, lakselus, virus og bakterier, næringssalter, alger, oljeforurensning, radioaktivitet og gruveslam. En nødvendig forutsetning for å modellere spredning er tilgangen på resultater fra en sirkulasjonsmodell med så høy oppløsning i rom og tid som mulig.

Spredningsmodellene kan deles i to hovedklasser: Konsentrasjonsbaserte og partikkelbaserte. I konsentrasjonsbaserte (Eulerske) modeller løses en adveksjons- og diffusjonslikning for en konsentrasjon, på tilsvarende vis som saltholdighet og temperatur håndteres i sirkulasjonsmodellen. Alternativet er partikkelbaserte (Lagrangske) modeller, hvor passive partikler følger den modellerte strømmen. Ekstra spredning kan legges til ved at partiklene får et tilfeldig bidrag til bevegelsen (”random walk”). I tillegg til vertikale strømhastigheter kan vertikale prosesser som oppdrift, nedblanding samt aktiv posisjonering hos organismer inkluderes i partikkelkonseptet. Ved Havforskningsinstituttet benytter vi i all hovedsak Lagranske modeller.

Drift av egg og larver

Ved Havforskningsinstituttet har det vært arbeidet med drift av egg og larver i flere tiår, for en rekke ulike arter. Formålet er i hovedsak vært å studere naturlige rekrutteringsprosesser. Dette dreier seg om tobis i Nordsjøen, nordøst-arktisk torsk, norsk vårgytende sild, polartorsk, lodde, kolmule og blåkveite. 

Spredningsmodeller brukes for drift og spredning av planktoniske organismer som driver fritt med strømmen og har en begrenset evne til å velge sitt eget dyp. For næringssalt og planteplankton brukes ofte konsentrasjonsbaserte modeller, mens egg og larver som regel spres med partikkelbaserte modeller.  

Partikler representerer egg og larver

For egg- og larvedrift er partikkelkonseptet godt egnet. Slike modeller krever ikke så mye regnetid. Hver partikkel har sin egen identitet, altså vi vet hvor den startet, hvor den var i går osv. Dette gjør det enklere å beregne mulig overlapp med forurenset stoff dersom den driver i et forurenset område. Partikkelkonseptet passer også til individbaserte biologiske modeller som inkluderer individuell vekst og overlevelse, som avhenger av f.eks. temperatur og mattilgang.

Vertikalfordelingen bestemmer transporten

Tidligere studier har vist at vertikalfordeling av egg og larver har stor betydning for horisontal spredning og ulik miljøpåvirkning. Siden vertikalfordeling av egg er avhengig av flyteevnen, mens larvene kan svømme vertikalt, er det naturlig å håndtere disse to stadiene ulikt. Dette gjøres enkelt ved at transportmodellen flytter partikler horisontalt, mens vertikalfordeling avhenger av om partikkelen er et egg eller en larve. Vertikalfordeling av egg avhenger av tetthetsforskjellen mellom egget og vannmassene, mens larvene kan vandre vertikalt, typisk i de øvre 50 m av vannsøylen.

En mulig årsak til aktiv vertikalvandring av fiskelarver er dersom både byttedyr og predatorer er til stede samtidig. Da må larvene avveie fordelene ved å stå høyt i vannsøylen for bedre å se sine byttedyr samtidig som de lettere unngår å bli spist av predatorer ved å gå lengre ned i vannsøylen. De få observasjonene som foreligger av vertikalvandring av larver gjennom ett døgn antyder en slik adferd men med mange unntak. Flere observasjoner, med samtidige observasjoner av både byttedyr og mulige predatorer, vil være avgjørende for å forstå disse prosessene.

Operasjonell larvedrift

Egg- og larvedrift modelleres både historisk, i sann tid og under forskjellige klimascenarier. En transportmodell for egg- og larvedrift for nordøstarktisk torsk og norsk vårgytende sild basert på havvarslene til MET oppdateres daglig i den pelagiske driftfasen for torsk og sild, typisk fra mars til september. Figur 1 viser observert og modellert fordeling av torsk og sildeyngel 1. september 2010. Transportmodellen er drevet av en havmodell med 4 x 4 km oppløsning og døgnmidlet strøm. Fordelen med et slikt varsel er at man kan i løpet av kort tid gi et kvantitativt mål på overlapp av gyteprodukter og eventuelle utslipp av for eksempel gass og olje. Det kan også bidra inn mot feltundersøkelser for å kvantifisere dekningsgrad av gyteprodukter, eventuelt endre dekningsområdet underveis. I motsetning til observasjonene gir modellen et kontinuerlig bilde på miljøeksponering gjennom hele driftsfasen. I tillegg til oppdatert status i sann tid kan modellene beregne mellomårlig variasjoner i miljøeksponeringer både historisk og i fremtidige klimatilstander.

Torskelarver og vertikalfordeling

For plankton organismer slik som torskelarver, er det mange faktorer som påvirker muligheten for å overleve den kritiske fasen gjennom egg og larvestadiet. Torskens egg utvikles til larver i løpet av tre uker avhengig av vanntemperaturen.  Høyere vanntemperatur gir raskere utvikling enn kaldere vann og utviklingen vil derfor gå raskere i for eksempel mai enn i april.  Ved klekking er torskelarvene rundt 4 mm store og deres egenbevegelse er begrenset av larvenes tilstand (utvikling, størrelse, tilgjengelig energi).

Ved klekking er larvene utstyrt med en plommesekk som gir dem næring for de første 3-5 dagene, men for å unngå å sulte er larvene avhengige av å ta til seg næring så snart som mulig.  Rett etter klekking driver larvene mer eller mindre passivt rundt i vannet og er avhengig av å klekkes i et område som er rikt på mat.  I denne perioden gjør også torskelarvenes begrensede bevegelighet dem sterkt utsatt for predasjon fra både bløtdyr, slik som maneter, og fra større fisk slik at dødeligheten er høy.

Risikabel leting etter mat

Observasjoner viser at torskelarvene rett etter klekking oppholder seg stort sett i overflatelaget (de øvre 20 m av vannsøylen) hvor mattilgangen er relativt god.  De gode lysforholdene i overflaten gjør det lettere for torskelarvene å finne mat siden de er visuelle jegere, men øker samtidig larvenes sannsynlighet for selv å bli spist av større fisk.  Etterhvert som larvene vokser og utvikler bedre svømmeegenskaper kan de utnytte stadig større deler av vannsøylen.  Observasjoner tyder på at torskelarver starter å bevege seg vertikalt i vannsøylen når de er 6-8 mm og at de har en aktiv vertikal adferd når de er 9-13 mm.  Dersom torskelarvene kan forflytte seg opp og ned i vannsøylen gjennom dagen er de bedre i stand til å redusere sannsynligheten for å bli spist ved å oppholde seg på dyp der lysmengden er lavere enn ved overflaten, men fortsatt sterk nok til at larvene ser byttedyr de kan spise.

Modellerer larvenes individuelle adferd

En nyere studie kombinerer observasjoner med en matematisk modell, en individbasert modell (IBM) for fisk, til å undersøke hvordan ulike miljøforhold påvirker den vertikale fordelingen av torskelarver i vannsøylen.  Observasjonene beskriver de biologiske og fysiske forhold samt vertikal fordeling av torskelarver i Lofoten i mai 1991 og 1992.  Ved å benytte observerte verdier av lys, vind, temperatur, og fordeling av dyreplankton kan man modellere forholdene i vannkolonnen slik torskelarvene opplever dem.  Modellen beregner dermed fødeinntak, adferd og fysiologisk tilstand til hver enkelt fisk på bakgrunn av observasjonene for miljøet.  Adferd modelleres ved å anta at torskelarvene beveger seg vertikalt i vannsøylen slik at de til enhver tid vil redusere risikoen for å bli spist og samtidig øke mulighetene for å finne mat.  En slik vertikal adferd er ofte observert i naturen både hos fisk og dyreplankton.  Modellresultatene kan dermed sammenliknes med observerte vertikale fordelinger av torskelarver for å undersøke hvilke faktorer som til enhver tid er avgjørende for den observerte fordelingen av torskelarver.

Tryggest tilværelse for larvene i dypet

Når det er lite mat i vannsøylen oppholder torskelarvene seg helt i overflaten for å spise selv om dette medfører en høyere sannsynlighet for å bli spist av bløtdyr og andre fisk.  Alternativet er å sulte.  Ettersom tilgangen og fordelingen av mat (dyreplankton) endrer seg over tid forandrer også den modellerte vertikale distribusjonen av torskelarver seg.  Høyere tetthet av byttedyr gjør at torskelarvene fordeler seg dypere i vannsøylen siden de kan opprettholde fødeinntaket ved lavere lys intensitet.  En dypere fordeling av torskelarver finner man også når turbulens (blandingsprosess) i vannsøylen øker. Årsaken er at småskala turbulens øker antall byttedyr som bringes inn i larvens synsfelt selv om både torskelarven og byttedyret ikke beveger seg. Turbulens øker dermed påtreffsraten (antall tilfeller av kontakt per tid) mellom torskelarve og byttedyr og bidrar til at larvene kan opprettholde et høyt fødeinntak selv ved lave byttedyrstettheter eller ved mindre lysintensitet.  Når vinden ved overflaten er høy, er også turbulensen i vannsøylen høyere, noe som gjør at torskelarvene kan bevege seg dypere hvor det er tryggere å oppholde seg samtidig som de opprettholder høy vekst (Fig. 1) 

Figur 1. a) Modellert vertikal fordeling av torskelarver i Lofoten i 1-8 mai 1991 der effekten av turbulens på vertikal adferd er slått på (heltrukken blå linje) eller slått av (stiplet rød linje) i den individ-baserte modellen for torskelarver. Det ble benyttet 100 torskelarve-individer med en størrelse på 7 mm i modellen. Standard avviket mellom individene er vist som grått felt rundt middelverdien. Også vist er b) modellert mage fullhetsgrad (0-100%) og c) turbulensen i vannsøylen beregnet fra vinden ved overflaten for det dypet torskelarvene oppholdt seg. I panel d) vises den observerte prosentvise fordelingen av torskelarver med dypet der maksimum antall larver ble observert er vist som en rød linje. Grå horisontale bokser viser periodene for natt da det er vanskelig å finne mat.

 

Smittespredning

En bærekraftig havbruksnæring krever kontroll med spredning av sykdom. I det marine miljøet transporterer vannmassene effektivt smittsomme sykdommer fra en lokalitet til en annen. Det er derfor essensielt med god kunnskap om strømforholdene i et område for å forstå spredningen av sykdomsfremkallende mikroorganismer og parasitter.

Spredningsmodeller er et nyttig verktøy som kan brukes for å kartlegge hvordan smitte spres med strømmen mellom ulike lokaliteter, men også hvordan det lokale miljøet med ville fiskebestander påvirkes. Spredningsmodeller krever god kunnskap om smittestoffet (levetid, uttynning, eventuelt adferd ol.), men resultatene gir en oppløsning i rom og tid som er vanskelig å oppnå ved feltobservasjoner.

Dersom en har informasjon om levetiden til et smittestoff kan spredningsmodeller for eksempel brukes til å forklare hvor observert smitte i et område kommer fra. Andre bruksområder for spredningsmodeller er f.eks kartlegging av område berørt av avfall fra oppdrettsanlegg (feses, forspill, kjemiske behandlinger o.l.).

I dag modelleres spredningen av reelle utslipp lakselus fra oppdrettsanlegg i utvalgte norske fjordsystem (Hardangerfjorden, Romsdalsfjorden, Namsen og Altafjorden). Resultatet brukes sammen med observasjoner av lus på vill fisk til å beregne smittepresset i de observerte områder, og gir informasjon om hvor smitten stammer fra. Arbeidet inngår i risikorapporten som årlig blir lansert ved Havforskningsinstituttet i Bergen.

Modellert tetthet av smittsomme lakseluslarver fra oppdrettsanlegg i Altafjorden i perioden 15. Juni til 15. Juli 2013 fra rapporten: Risikovurdering norsk fiskeoppdrett 2013

 

Spredning av forurensning

Det finnes en rekke modeller for spredning av forurensing i det marine miljø. De mest kjente er oljedriftsmodeller, som brukes operasjonelt ved oljeutslipp for kortidsvarsling av driften og spredningen. Meteorologisk institutt har det operasjonelle ansvar for slik modellering. Slike modeller brukes også i konsekvensutredninger til å vurdere ulike utslippsscenarier. 

De første oljedriftsmodellene var svært enkle. Basert på data ble det utarbeidet modeller av hvor oljen drev med en gitt prosent av vindhastigheten og med en gitt dreining til høyre pga. jordrotasjonen. Et bakgrunnsstrømfelt (konstant i tid) ble lagt til. På denne måten kunne det kjapt og greit beregnes oljedrift ut ifra vindvarsler uten å måtte bruke en havmodell.

Dagens oljedriftsmodeller er blitt betydelig mer avanserte. Strømmen tas fra en operasjonell strømmodell. Håndteringen av oljens kjemi i sjøvann er også blitt mer avansert. Det tas nå hensyn til forskjell i egenskaper til olje fra ulike felt og en rekke prosesser som forvitring, nedblanding, emulgering, dispergering osv. er inkludert. Tradisjonelt har oljedriftsmodeller tatt utgangspunkt i utslipp på overflaten, men det arbeides nå også med dype utslipp.

I forbindelse med risikoberegninger for effekter av oljeforurensing på marine økosystemer beregnes blant annet andel egg og larver som overlapper med olje. Til dette sammenstilles de modellerte fordelingene av olje og egg og larver i tid og rom. Larvedriftsmodellering og observerte fordelingskart kombineres slik at modellen kan starte med utgangspunkt i de observerte fordelingene og kjøres framover  i tid. På denne måten framkommer en tidsutvikling i estimatet av fordelingene. Med et modellert utslippsscenario kan overlapp mellom olje og ressurs følges over tid, noe som kan ha konsekvenser dersom de ligger i samme dyp og transporteres på sammen med strømfeltet. For denne type analyse er det et selvsagt konsistenskrav at det samme modellerte strømfelt må ligge til grunn for både oljedrifts- og larvedriftssimuleringene.

I tillegg brukes tilsvarende modeller for spredning av annen forurensing, eksempelvis radioaktive sporstoffer. I Barentshavet er det flere sunkne russiske ubåter som lekker radioaktivitet. Miljøet overvåkes ved å hente inn vannprøver regelmessig. Imidlertid kan spredningsmodeller som settes opp til å beregne fordeling av et radioaktivt stoff i tid. Dette kan sammen med modellert eller observert fordeling av marine arter danne grunnlag for å beregne konsentrasjoner i marine arter. Eksempel på slike beregninger for utslipp av Ce137 fra de sunkne ubåtene K-149 og Komsomolets og eksponering av torsk og lodde.