DEVELOPMENT OF A COUPLED, 3D HYDRODYNAMICAL-ECOLOGICAL-TERRESTRIAL MODELLING

SYSTEM: RESULTS FROM AN APPLICATION TO A SMALL, SEMI-ENCLOSED MEDITERRANEAN GULF

V. Kolovoyiannis, A. Tamvaki, G. Tsirtsis *

Department of Marine Sciences, University of the Aegean, University Hill, Mytilini, Greece - * gtsir@aegean.gr

Abstract

The development and application of a coupled modeling system, along with the first results, are described in this work. The model consists

of three interacting components, a hydrodynamic, an ecological and a terrestrial sub-model. High resolution experiments were conducted,

using a shallow, semi-enclosed gulf as an implementation area, in order to test the model’s behaviour. Driven by realistic forcing, the model

reproduced the general circulation patterns accurately, whereas the simulated ecological variables showed reasonably good fit when

validated against independent field data. With further development and extensive testing, this model system can become a valuable tool

assisting in integrated coastal zone management.

Key-words: coupled model, coastal ecosystem dynamics

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

531

Introduction

Within the framework of integrated coastal zone management, a

coupled modeling system has been developed. This study has three

objectives: the development of a coupling methodology in order to

link together a general circulation model with a biochemical model

and a terrestrial model, the testing of the simulation capabilities of this

modeling system especially in reproducing and quantifying basic

ecological processes (?ow of matter at the lower trophic levels,

nitrogen cycling, microbial loop) and finally, the presentation of the

results of the first simulation experiments.

Methodology

Model Description

The model system is made up of three interacting components: (a) a

hydrodynamic submodel, a 3 dimensional version of the Princeton

Ocean Model (POM) [1], that provides the physical transport fields,

(b) a water-column ecological submodel, consisting of seven state va-

riables: nitrate, ammonium, phosphate and dissolved organic nitrogen

concentrations, phytoplankton, zooplankton and bacterial biomasses

and (c) a terrestrial submodel, that estimates the point and non-point

nutrient ?uxes to the marine ecosystem due to agricultural run-off.

The source code of the well-known, terrain-following, general

circulation model POM was used as a basis for the development of the

code of the ecological submodel. The ecological model [2, 3], focuses

on the mass – energy ?ow through the microbial food web and

therefore is suitable for studying eutrophication processes. The two

models, that run simulaneously, are coupled using the same spatial

discretization and the same time step (POM’s internal mode time

step). The coupled model solves the following general equation:

that describes the rate of change of the concentration of a non-

conservative, ecological variable C in the 3-dimensional space and

time. POM calculates the advection – turbulent diffusion part, (calcu-

lation of u,v,w velocities and horizontal A

h

– vertical A

z

diffusivities). 

The term represents the system of finite differential equations 

of the ecological submodel that simulates the rate of change of C due

to biochemical processes [3]. Other characteristics of the ecological

submodel are: the user-specified integration scheme (3 schemes are

available – Euler, Runge-Kutta 2

nd

and 4

th

order), the use of a time

step cutting technique in order to avoid unrealistic simulation results

(e.g. negative concentrations of biochemical variables) [4], dynamic

calculation of the settling velocity w

s

of phytoplankton.

In order to estimate the nutrient runoff from non point sources a

terrestrial submodel was constructed. The watershed of the test area

was divided into unit source areas using a grid of 1x1 km. The surface

nutrient runoff was subsequently calculated by applying the SCS

Curve number equation [5]. The dissolved fractions of the nutrients

nitrate, ammonium, organic nitrogen, phosphates were computed

daily with the use of SCS by evaluating the rainfall height,

evaportranspiration and drainage losses and by taking into

consideration the land use, slope, crop management and soil water

content [6]. The predicted amount of the dissolved nutrient runoff was

assumed to end up in the marine environment through the main

streams of the region.

Description of application

The test area, the gulf of Gera, is a shallow, semi-enclosed gulf in

the North-eastern Aegean, Greece, surrounded by an intensively

cultivated watershed. High resolution experiments were conducted –

a 100x100 m grid with 11 sigma layers was used – attempting to

simulate the variation in space and time of the physical, chemical and

biological prognostic state variables, under typical winter and

summer conditions and during the transitional time period between

mixing and stratification and vice versa. The model is driven by

realistic forcing: wind stresses, variable surface and open boundary

conditions, tidal elevation, solar radiation and nutrient ?uxes from

agricultural runoff.

Results and Discussion

The general circulation patterns are reproduced quite well, while

the simulated biochemical variables showed reasonably good fit when

validated, with statistical methods, against independent field data,

collected on a monthly basis. The simulation results emphasize the

importance of the hydrodynamic-physical processes and mass

exchanges between the gulf and the oligotrophic pelagic waters of the

Aegean in determining the trophic level of the gulf ecosystem. During

the winter period, environmental conditions impose a poor renewal

regime, with residence times of up to 2-3 months. Nutrient inputs

from terrestrial sources lead to an increase by about 50% of the water

column nutrient stock, and, if the physical conditions (light, tem-

perature) are optimum, this can give rise to phytoplanktonic blooms.

During summer conditions, the renewal of the gulf waters is more

intense and biochemical variables are kept at low levels. This coupled

model can be used as an efficient tool in developing an integrated

methodology for the sustainable development of the coastal zone.

References

1-Blumberg A.F., Mellor G.L., 1987. A description of a three-

dimensional coastal ocean circulation model. In: N.Heaps (ed.), Three-

dimensional Coastal Ocean Models, Vol. 4, American Geophysical Union.

2-Fasham M.J.R., Ducklow H.W., McKelvie S.M., 1990. A nitrogen-

based model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer. J. of

Marine Research, 48: 591-639.

3-Arhonditsis G., Tsirtsis G., Karydis M., 2002. The effects of episodic

rainfall events to the dynamics of coastal marine ecosystems: applications

to a semi-enclosed gulf in the Mediterranean Sea. J. of Marine Systems,

35: 183-205.

4-Zavatarelli M., Baretta J.W., Baretta-Bekker J.G., Pinardi N.,2000.

The dynamics of the Adriatic Sea ecosystem. An idealized model study.

Deep-Sea Research I, 47:937-970.

5-US Department of Agriculture – Soil Conservation Service, 1972.

National Engineering Handbook, Hydrology Section 4. USDA,

Washington (Chapters 4-10).

6-Hawkins R. H. 1978. Runoff curve numbers with varying site moisture.

Journal of the Irrigation and Drainage Division 104(IR4): 389-398.

Fig. 1. 

Distribution 

of simulated

quantities at 

5m depth during

typical mixing

conditions (March):

(a) velocity and

temperature field

and (b)

phytoplanktonic

carbon.