Blogi

15.11.2019

Miten meri mahtuu supertietokoneeseen — tapaus Saaristomeri

Kestävä sininen kasvu edellyttää alati tarkentuvaa tietoa siitä, miten vesiympäristö reagoi painetekijöihin. Esimerkiksi kalankasvatuksen kestävyyden arviointiin tarvitaan vankkaa ymmärrystä päästöjen vaikutuksista. BlueAdapt-hankkeen tutkija Antti Westerlund Ilmatieteen laitokselta kertoo, miten tätä tietoa voidaan tuottaa kolmiulotteisilla laskennallisilla merimalleilla, ja miksi tähän työhön tarvitaan supertietokoneita.

BlueAdaptissa on käytössä suoranainen arsenaali erilaisia laskennallisia malleja (ks. Niina Kotamäen aiempi blogikirjoitus). Osana tutkimusta näitä malleja ja niiden välisiä kytkentöjä parannetaan. Näin saadaan entistä kattavampi kuva vesiympäristöön kohdistuvien muutosten vaikutuksista. Tällaisella monipuolisella ympäristötieteellisellä tiedolla voidaan tukea aiempaa ketterämpää hallintotapaa, joka huomioi paremmin uusimmat tutkimustulokset ja tiedon epävarmuudet esimerkiksi luvituksessa. Juuri tästä on kyse sopeutuvassa hallinnassa, jota BlueAdaptissa kehitetään.

 

Malli käyttötarkoituksen mukaan

 

Tutkimuksessa käytetyt mallit ja malleissa käytetyt lähestymistavat ovat keskenään hyvin erilaisia. Jokaiseen käyttötarkoitukseen on tärkeää valita parhaiten soveltuva malli. Jos kysymykseen voidaan vastata yksinkertaisella mallilla, ei ole syytä käyttää monimutkaisempaa. Mutta toisaalta on myös kysymyksiä, joiden selvittelyssä tarvitaan monimutkaisia malleja – ja niiden vaatimaa suurempaa laskentatehoa.

BlueAdapt-hankkeen malleista raskaimmasta päästä ovat kolmiulotteiset laskennalliset merimallit. Nämä mallit kuvaavat merten fysiikkaa lähtien fysiikan perusyhtälöistä. Lisäksi ne voivat sisältää kuvauksia esimerkiksi merten biogeokemiasta. Näiden mallien perusajatus on saattaa tutkittava alue, vaikkapa Saaristomeri, tietokoneen ymmärtämään muotoon jakamalla se pieniin laatikkoihin. Jokaiselle laatikolle lasketaan veden virtausnopeus ja -suunta, lämpötila ja suolaisuus. Näitä laatikoita yhdessä sanotaan mallin laskentahilaksi Mitä pienempiä laatikot ovat, eli mitä tiheämpi on hila, sitä tarkempia arvioita mallilla saadaan. Jos laatikot ovat liian suuria, eli jos laskentahila on liian karkea, mallilla ei voida kuvata tutkittavia ilmiöitä. Rakenteeltaan nämä mallit ovat läheistä sukua esimerkiksi sään ennustamisessa käytettyjen mallien kanssa.

Toisaalta tiheämpi laskentahila vaatii enemmän käytetyltä tietokoneelta. Tavallisen läppärin saa tikahdutettua jo harvemmallakin hilalla, ja Suomen suurimmat supertietokoneetkin alkavat yskähdellä tarkkuuden kasvaessa.

 

Saaristomeri esimerkkinä – kuinka tarkka malli on tarpeeksi tarkka?

 

Havainnollistetaan asiaa esimerkillä Saaristomereltä, joka on yksi BlueAdaptin painopistealueista (ks. esim. raportti Varsinais-Suomen sinisen biotalouden kehittämisestä). Saaristomeren erikoispiirre näkyy jo sen nimestä: sen tuhannet saaret. Tämä tarkoittaa, että myös rantaviivaa on alueella runsaasti. Saarten välissä on usein kapeita salmia ja pohjassa kanjoneita, joita pitkin vesi vaihtuu altaiden välillä. Syvyysvaihtelu on melko suurta matalilta rannikkoalueilta syvänteisiin. Tämän voi todeta helposti katsomalla esimerkkiä alueen syvyyskartasta (kuva 1).

Kuva 1. Esimerkki Saaristomeren syvyyskartasta. (Lähde: Baltic Sea Hydrographic Commission, 2013, Baltic Sea Bathymetry Database version 0.9.3. Downloaded from http://data.bshc.pro/ on 2019-08-21.)

Minkälainen ja kuinka tarkka malli tämän alueen virtausten laskentaan sitten tarvittaisiin? Valtamerten mallintamiseen yleisesti käytetty, koko maailman kattava mallituote (kuva 2) ei ehkä ihan tarjoa riittävää tarkkuutta Saaristomerellä…

Kuva 2. Maailmanlaajuisen merimallin käyttämä Saaristomeren syvyyskartta (1/12-asteen ns. ORCA-hila). (Lähde: E.U. Copernicus Marine Service Information)

Valtamerimallin syvyyshilasta voi hyvällä tahdolla erottaa Suomen rannikon ja Ahvenanmaan, mutta ei yhtään saarta niiden välissä. Tällä tarkkuudella ei saada realistista arviota virtauksista ja veden vaihdosta Saaristomerellä, vaan on siirryttävä alueellisiin malleihin. Sama alue Itämeren alueellisessa mallituotteessa (kuva 3) näyttää jo hyvin erilaiselta.

Kuva 3. Saaristomeren syvyyskartta Ilmatieteen laitoksen Itämeren kattavassa mallinnustuotteessa.

Kun mallinnusalue rajataan Itämereen ja käytetään nykyisellään suhteellisen yleistä kahden merimailin (n. 3,7 km) tarkkuutta, alkaa Saaristomerelläkin näkyä saaria. Kuitenkin edelleen melko suuristakin saarista puuttuu osa ja veden kulkureitit ovat mallilaskelmassa varmastikin kovin erilaiset kuin todellisuudessa. Päätöksenteon perustaminen tämän mallin tuloksiin Saaristomerellä saattaisi jo ehkä onnistua paremmin, mutta tarkempaa tietoa tarvitaan.

BlueAdapt-hankkeessa käytetään Saaristomerellä selvästi tiheämpää, noin 500 metrin tarkkuuteen yltävää laskentahilaa. Tämä aikaisemmissa hankkeissa kehitetty mallikonfiguraatio on nyt päivitetty uudelle malliytimelle ja sen alueellista kattavuutta on laajennettu. Malli on myös siirretty uudelle supertietokoneelle. Tämän mallin hila onkin Saaristomerellä selkeästi näitä laajempia hiloja parempi (kuva 4).

 

Antti Westerlund on tutkija Ilmatieteen laitoksella. Hän väitteli vuonna 2018 Suomen merialueiden laskennallisesta mallintamisesta. BlueAdapt-hankkeessa hän työskentelee mallinnuksen parissa työpaketissa 1.

Katso kaikki viimeaikaiset blogikirjoitukset, podcastit ja tweetit

Lisää aiheesta

Kuva: Aaron Burden

Pääkaupunkiseudun kestävä matkailu vuonna 2100

Kestävän matkailun kehittämisessä ajattelu jää usein alueelliseksi ja tulevaisuuteen katsotaan ...

Kuuntele

Aamiaistilaisuus: Pääkaupunkiseudun matkailu 2100 – tulevaisuuden kestävä matkailu tehdään nyt

Uunituoreita tutkimustuloksia pääkaupunkiseudun kestävästä matkailusta - tule kuulemaan ja keskustelemaan!

Lue lisää

Työpajassa 1.11.2019 keskusteltiin vesiviljelyn, merituulivoiman ja lannan prosessoinnin tulevaisuudesta

Työpajassa 1.11. pohdittiin tutkimusvetoisten sääntelynkehityskulkujen toivottavuutta ja tapoja edistää niitä kalankasvatuksen, merituulivoiman ja lannan prosessoinnin saroilta.

Lue lisää