L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Miljø- og Fødevareudvalget 2015-16
L 68
Offentligt

Marint forvaltningsværktøj - marine

vandplansmodeller

Karen Timmermann, Stiig Markager

Anders Erichsen, Hanne Kaas

AARHUS

UNIVERSITET

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Værktøjer

Mekanistiske

Modeller

Statistiske

Modeller

Meta

Modeller

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Modellerne

•

Statistiske modeller:

• Statistisk beskrivelse af sammenhæng mellem marin miljøparameter og ydre/fysiske faktorer

(målinger)

• Meget afhængig af målte data

• Kræver lange tidsserier (år-til-år variationer, trends, mm.)

• Målinger benyttes til at validere modellerne

•

Mekanistiske modeller:

•

Matematisk beskrivelse af årsagssammenhænge (differentiale ligninger)

Målinger indgår indirekte som del af formelapperatet

Kobler biologisk viden med fysisk viden for et givent område (strømning, fortynding, mixning mm.)

Beregninger på høj spatial- og temporal opløsning – omregnes til indikatorer og enkeltstående

vandområder

• Målinger benyttes til at validere modellerne

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Statistiske modeller

DCE

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Modellerede Indikatorer

Indikator

Total kvælstof (TN)

Total fosfor (TP)

Klorofyl a (Chl a)

Lysdæmpning (Kd)/

ålegræs dybdegrænse

Kvalitetselement/

Støtteparameter

Næringsstof

Fytoplankton

Periode

Jan-Dec

Maj-Sept

Mar-Juni og Juli-Sept

Lys/bundvegetation

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Presfaktorer

Variabel

N-tilførsel

P-tilførsel

Ferskvandstilførsel

Vind stress

Indstråling

Salinitet

Vandsøjlestabilitet

Overfladevandstemperatur

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Modelvalidering

•

Vurdering af den gennemsnitlige absolutte procentvise afvigelse.

Vurdering af R2-værdien.

Vurdering af systematiske afvigelser

Vurdering af om år-til-år variationer fanges

Vurdering af antallet af data punkter

Vurdering af om modellen fanger særlige fænomener

Tidsserie

Residualplot

Scatterplot

3 July, 2015

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Overordnet metode

Opstilling af

modeller

For hvert vandområde opstilles

modeller, der beskriver indikatorer,

som funktion af div. presfaktorer.

Relationer

Relationer mellem belastning og de

enkelte indikatorer ekstraheres fra

modellerne

Indsatsbehov

pr. indikator

For hver indikator beregnes min.

indsatsbehov til opnåelse af god-mod

grænseværdi

Samlet

indsatsbehov

Indsatsbehov for de enkelte indikatorer

kobles til beregning af samlet

indsatsbehov for vandområdet

Målbelastning

3 July, 2015

Målbelastning for vandområdet

beregnes udfra indsatsbehov og

lokal/regional belastning

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Relationer til beregning af målbelastning/indsatsbehov

Klorofyl

indikator

Status

Skal bruge:

Miljømål

•

Statusværdi for indikator

Miljømål for indikator

Relation mellem belastning og

indikator

Målbelastning

3 July, 2015

Nuværende

belastning

N belastning

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Miljøindikatorer brugt i beregningerne

Indikator

Klorofyl indikator

Beskrivelse

Sommer

klorofylkoncentration

Chl (µmol/L)

Kvalitetselement

Fytoplankton

Model

Chl-load model

N-begrænsnings

indikator

Kd indikator

Dage

med DIN

begrænsning

Sigtdybde i vækstsæson

(proxi for ålegræs max

dybde)

Iltsvindsfrekvens

Fytoplankton

Ålegræs

DIN-TN model

TN-load model

Halkær

Kd-load model

(kategorisering)

TN-load model

Iltsvindsindikator

DIP/klorofyl

sæson indikator

Bundfauna, Ålegræs

Forhold mellem sommer

konc. og års konc.

(effekter af iltsvind)

Bundfauna, Ålegræs

3 July, 2015

#10

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Kobling af indikatorer til beregning af samlet indsatsbehov

Vand

omr.

Indsatsbehov

Chl a-

indikator

N-begr.

indikator

Kd-

indikator

Indsatsbehov

Iltsvinds-

indikator

Indsatsbehov

DIP/chla

sæson

indikator

Samlet

indsatsbehov

Ingen

status

Vægtet

gennemsnit

Vægtet

gennemsnit

Vægtet

gennemsnit

3 July, 2015

#11

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Brug af gennemsnits værdi i stedet for max værdi betyder:

• Usikkerheder reduceres (især usikkerheder på ”ekstremværdier”)

• Mere robust – indsatsbehov ikke så følsomt overfor f.eks

•

Valg og antal af indikatorer

Usikkerhed på de enkelte indikatorer

• Stort indsatsbehov hvis mange indikatorer indikerer problem

• Lille indsatsbehov hvis kun en/få indikatorer indikerer problem

• Ikke målopfyldelse for alle indikatorer da

•

samlet indsatsbehov < max indsatsbehov

• Men ofte tættere på ”sande” indsatsbehov end hvis indsatsbehov er fastlagt

udfra én (fejlbestemt) indikator

3 July, 2015

#12

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Mekanistiske Modeller

DHI

3 July, 2015

#13

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Mekanistiske modeller

3 July, 2015

#14

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

3 July, 2015

#15

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Hvad indgår i modellerne?

• Estimering af indsats baseres på:

• Sommer klorofyl-a (maj til september)

• Kd i vækstsæsonen (marts til september)

• Men modellerne bygger på årsagssammenhæng og erfaringerne fra

Reelgrass.

Dermed inkluderer

modellerne meget mere:

•

Sedimentpuljer af N og P, og dermed den interne belastning

Makroalger og mikro-bentiske alger

Ålegræs og effekterne af ålegræs

Ilt og eventuelle effekter af iltsvind (herunder frigivelse af næringsstoffer)

• Så indsatsen baseres på klorofyl-a og Kd, men effekterne fra ovenstående påvirker klorofyl-a og Kd

3 July, 2015

#16

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Klorofyl

• Indre Danske Farvande:

• Validering af modellens klorofylkoncentration i perioden, der indgår i klorofyl-indikatoren, viser, at modellen beskriver

målingerne meget tilfredsstillende med en gennemsnitlig afvigelse på 0,3 µg/l og en høj forklaringsgrad (R

=0.71).

• Limfjorden:

• Den generelle afvigelse i de modellerede klorofyl koncentrationer ligger på 1.9 µg/l svarende til en afvigelse på ~25% til

trods for store variationer i de målte koncentrationer. Samtidigt er forklaringsgraden stor (R

=0.48) og gradienten ud gennem

de forskellige fjorde og bredninger beskrives i modellen med en lille afvigelse på <20% og med en forklaringsgrad på 95%

=0.95).

• Odense Fjord:

• Sammenholdt med målingerne afviger modellen 0,4 µg/l (yderfjorden), svarende til en forskel på mindre end 10% og en

korrelationskoefficient (R

) på 0,53.

• Roskilde Fjord:

• Sammenholdt med målingerne afviger modellen 0,1 µg/l, svarende til en absolut forskel på mindre end 10% og en

korrelationskoefficient (R

) på 0,49.

3 July, 2015

#17

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Lys (som støtteparameter)

• Hvorfor er lys vigtig?

• Lys er forudsætning for vækst af ålegræs! – der er også andre vigtige vækst- og tabs-faktorer, men uden lys ingen

ålegræs

• Kan lys stå alene?

• Ændringerne i lys påvirkes også af ændringer i ålegræs – feedback!

• Modellen beskriver feedback mekanismer, og især den umiddelbare ændringen i lys som funktion af ændringer i

re-suspension

• Ændringen i lys kan (med modellen) beskrives på lavt vand, hvor feedback slår igennem

• Validering af lys:

• I alle modellerne beskrives K

dPAR

med en afvigelse på maks. 20%

3 July, 2015

#18

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Mekanistiske modeller - Scenarier

Status situation:

Beregning af sommer klorofyl-a (maj-september) og sommer

Baggrunds-

Kd værdi (marts til september):

data

• Dansk belastning: Nutidsbelastning

• Østersølande: Nutidsbelastning

• Atmosfære: Nutidsbelastning

Scenarier:

Scenarier beregningerne af sommer klorofyl-a og sommer Kd er

baseret på:

• Dansk belastning: 15%, 30% eller 60% reduktioner i DK N-belastning

kombineret med 10-20% reduktion i P-belastning

• Østersølande: BSAP

• Atmosfære: Göteborg Protokol

Reference situation:

Estimering af sommer klorofyl-a og sommer Kd værdier

svarende til værdier for en periode for godt 100 år siden.

• Dansk belastning: Baggrundsbelastning af N og P

• Østersølande: Belastning for perioden 1890-1910 baseret på BNI data

• Atmosfære: Modelberegnet belastning svarende til år 1900 (DCE)

3 July, 2015

#19

• Indsamling af nøgletal om

vandområde N & P belastning

• Validerede modeller benyttes

til 6 prædefinerede N & P

scenarier

• Relationer mellem

miljøtilstand og N & P

belastninger

• Screeningsværktøj anvendes

til fastlæggelse af

målbelastning

Kørsler

Relationer

N&P

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

3 July, 2015

#20

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Screenings Metode

Indikator

Klorofyl/Kd

Effekt af

BSAP & GP

Hældning baseret

på dansk N

Status:

Nutidsbelastning, DK

Nutidsbelastning, Østersø

Nutidsbelastning, Atmosfære

Scenarier:

DK reduktioner (15%, 30% & 60%)

BSAP, Østersø

Göteborg protokol, Atmosfære

Reference:

Baggrund (~30% af nutidsbelastning), DK

Referencebelastning, Østersø, BNI

References belastning, Atmosfære, DCE

Reference-

belastning

3 July, 2015

#21

2007-2011

belastning

Dansk

N-belastning

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Screenings Metode

Indikator

Klorofyl/Kd

Maks.

effekt af

DK N

Effekt fra

andre

kilder &

faktorer

Status:

Nutidsbelastning, DK

Nutidsbelastning, Østersø

Nutidsbelastning, Atmosfære

Hældning baseret

på dansk N

Scenarier:

DK reduktioner (15%, 30% & 60%)

BSAP, Østersø

Göteborg protokol, Atmosfære

Reference:

Baggrund (~30% af nutidsbelastning), DK

Referencebelastning, Østersø, BNI

References belastning, Atmosfære, DCE

Reference-

belastning

3 July, 2015

#22

2007-2011

belastning

Dansk

N-belastning

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Gennemsnitlig DK andel (vandområde-baseret)

3 July, 2015

#23

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Opsummering

•

DK andel relateret til indikatorer alene

DK andel beregnet for de større åbne områder og de 3 fjorde

DK N-belastninger har en betydning i alle vandområder, men har varierende betydning

Kystnære områder påvirkes mere end åbne gennemstrømmede områder

Nor og fjorde påvirkes afhængigt af opland og vandudveksling

• P-scenarier: P reduceret mellem 10-20% - ringe effekt på sommer klorofyl og Kd

3 July, 2015

#24

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Meta-analyse

Metode til beregning af indsats

3 July, 2015

#25

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Meta-analyse

Benyttes til vandområder, hvor der ikke er lokalspecifikke modeller

• Metode: Respons mellem N belastning og

indikatorer overføres fra lignende områder

(som har modeller)

• Statistisk tilgang er baseret på NST typologi

(gennemsnit af respons fra områder af samme

type)

• Mekanistisk tilgang er baseret på gennemsnit af

hældning korrigeret for DK andel

3 July, 2015

#26

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Kobling af modelresultater

• For vandområder, hvor der er opstillet lokale mekanistiske modeller, benyttes i udgangspunktet

indsatsbehov beregnet med denne type af model.

• For fjorde, hvor der er opstillet statistiske modeller, og der ikke findes en mekanistisk lokalmodel,

benyttes i udgangspunktet indsatsbehov beregnet med denne type af model.

• Ovenstående fraviges, hvis opstrøms-vandområder har et mindre indsatsbehov end nedstrøms-

vandområder. I disse tilfælde anvendes nedstrøms-indsatsbehovet for begge områder.

• For områder, hvor indsatsbehovet er fastlagt ved en meta-analyse, er indsatsbehovet som

udgangspunkt beregnet som gennemsnit af indsatsbehovet fundet ved de statistiske henholdsvis

mekanistiske baserede meta-analyser.

• For områder, hvor ingen af værktøjerne kan anvendes pga. manglende data eller modeller, benyttes

indsatsbehov for nabo vandområde.

3 July, 2015

#27

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Usikkerheder

3 July, 2015

#28

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Usikkerhed på forudsigelse af målbelastning og indsatsbehov

Usikkerhed estimeres ved modelsammenligning under antagelse af:

•

Modellerne er uafhængige

Underbygges af stor forskel på de to modeltyper

Modellerne vil ikke systematisk over- eller underestimere målbelastningen

Underbygges af valideringsresultaterne

Beregningerne (baseret på 11 vandområder) viser at:

•

Usikkerheden (2sd) på målbelastningen som gennemsnit for vandområderne er på 16%

Usikkerheden (2sd) på målbelastningen samlet set for alle 119 vandområder er på 4%

Usikkerheden (2sd) på indsatsbehovet på vandområdeniveau typisk er på 20%

•

Usikkerheden (2sd) på indsatsbehovet samlet set for alle 119 vandområder er på 10%

3 July, 2015

#29

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Norsminde Fjord og Odense Fjord

hvad skyldes den tilsyneladende større forskel mellem modelresultater

• Norsminde Fjord: Er ikke modelleret med MEK model (området kan ikke opløses i modellen). De

11% er en cp fejl.

• Odense inder fjord: STAT siger 48%, MEK siger 23%. Dette dækker over:

• Indsatsbehov for inder fjord ikke bestemt med MEK model. De 23% er baseret på st. 17 (midt i fjorden) da denne

vurderes at være mest repræsentativ for hele fjorden (dvs både inder og yder fjord).

• De 48% er baseret på station i inderfjord.

• Dvs 23% er nabotilgang og 48% er baseret på station i inder fjord.

3 July, 2015

#30

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Hvorfor fokus på N?

3 July, 2015

#31

L 68 - 2015-16 - Endeligt svar på spørgsmål 62: Spm. om oversendelse af al korrespondance mellem kvælstofudvalget og forskere og forskningsinstitutioner m.fl., til miljø- og fødevareministeren

Kvælstof og Vandplaner

• Begge modeltyper viser, at indikatorerne er mest følsomme overfor N tilførsler

• Der vil være vandområder hvor en N reduktion ikke alene bringer vandområdet i mål (men dog

tættere på målet). Dette kan f.eks skyldes

•

Udenlandske tilførsler

At N reduktion sker på et ”uhensigtsmæssigt” tidspunkt af året

Andre presfaktorer

Usikkerheder

Shifting baselines

• En yderligere afklaring vil kræve en nærmere analyse af hvert enkelt vandområde

3 July, 2015

#32