Estimating marine ecosystem indicators using the state of the art biogeochemical model ERSEM: uncertainty and sensitivity analysis with respect to the model parameters

Abstract

ERSEM (European Regional Seas Ecosystem Model) è un modello biogeochimico allo stato dell’arte che simula le dinamiche dei nutrienti (N, P, Si e Fe) e del carbonio dei livelli trofici inferiori (fino al mesozooplankton) in un ecosistema marino. ERSEM è il modello di riferimento utilizzato nel contesto del Progetto EU FP7 MEDINA (Marine Ecosystem Dynamics and Indicators for North Africa), il cui fine è accrescere le capacità dei paesi nord africani che si affacciano nel Mar Mediterraneo nel monitoraggio dei loro ecosistemi costieri. In particolare, ERSEM sarà impiegato (unitamente al modello idrodinamico – GOTM) come strumento predittivo per stimare la variabilità spaziale e temporale di differenti indicatori ecologici. Questi ultimi sono funzioni di variabili ambientali usati per descrivere lo stato degli ecosistemi marini e sono utili sia per scopi scientifici che gestionali. L’obbiettivo di questa tesi è eseguire una analisi di incertezza e sensitività (UA e SA, rispettivamente) di ERSEM. Le analisi di sensitività (SA) sono metodologie che consentono di identificare fattori di input non influenti. A tale fine, abbiamo utilizzato le più avanzate tecniche di UA/SA disponibili in letteratura: il metodo di Morris, per una analisi di screening e sensitività, e il metodo Monte Carlo per l’analisi d’incertezza e sensitività globale. Attraverso le tecniche di analisi appena citate, è possibile identificare i parametri più importanti del modello e quantificare l’incertezza dell’output del modello dovuta all’incertezza di questi parametri. In questo studio pionieristico, ci siamo focalizzati sui parametri relativi al phytoplankton e abbiamo investigato la sensitività e l’incertezza di ERSEM nella simulazione della concentrazione minima di ossigeno, un indicatore ecologico ampiamente utilizzato. L’implementazione di GOTM-ERSEM relativa alla stazione L4 (nel canale inglese occidentale), attualmente in uso al Plymouth Marine Laboratory, è stata utilizzata come caso di studio di riferimento. I risultati indicano che i parametri più rilevanti sono quelli correlati all’attività fotosintetica di tre gruppi phytoplanktonici dei quattro descritti dal modello. Inoltre, l’analisi d’incertezza evidenzia una bassa incertezza delle concentrazioni minime di ossigeno simulate.