Computermodeller af havmiljøet: Kan vi stole på dem?

Stormflodssikring, kystbeskyttelse og byggeri af havne, broer, tunneler og vindmølleparker.

Det er nogle aktuelle problemstillinger i og omkring havet, som forskere og rådgivere ofte bruger computer-modeller til at løse.

Modellerne skal fortælle os, hvordan de forskellige projekter påvirker havmiljøet, og hvordan vi minimerer den påvirkning – eksempelvis når vi bygger en ny bro eller en kunstig halvø som Lynetteholmen i Øresund.

Men er en given computer-model pålidelig, og kan den anvendes til det ønskede formål? Det diskuterer jeg i denne artikel.

Computer-modellerne bruges først og fremmest til at regne på de såkaldte hydrografiske forhold - såsom vandstande, strømninger og vandmasser.

Hvis ikke de hydrografiske forhold kan beskrives korrekt af en model, er alle efterfølgende beregninger nemlig upålidelige og uanvendelige.

I værste fald kan en fejlbehæftet hydrografisk model lede til forkerte beslutninger med katastrofale følger for havmiljøet eller de konstruktioner, som man ønsker at bygge.

Det finder man desværre ofte først ud af, når skaden er sket.

Herunder vil jeg gennemgå nogle vigtige ting, som man skal holde godt øje med, hvis man vil sikre sig, at en given model er pålidelig. Først skal vi dog se et eksempel på en model, så vi ved, hvad der er tale om.

Klapning – en model med (næsten) det hele

Et godt eksempel på anvendelse af en hydrografisk model handler om fotoet vist øverst i artiklen. Fotoet viser sediment, altså havbundsmateriale, som stammer fra uddybning af en havn, og som efterfølgende ’klappes’, det vil sige dumpes i havet.

Figuren herunder viser resultaterne af en hydrografisk model, som er blevet brugt til at undersøge konsekvenserne af klapning i Lillebælt.

Figuren viser koncentrationen af sediment, som er ophvirvlet i vandsøjlen. Ophvirvlet sediment reducerer mængden af lys, som blandt andet de bundlevende planter er afhængige af.

Den grundlæggende del af modellen omfatter beregning af vandstande, strømninger, vandmasser og lagdeling.

Dertil kommer beregning af, hvordan sedimentet opfører sig, når det dumpes fra uddybningsfartøjet eller prammen.

Det omfatter blandt andet, hvordan sedimentet synker ned gennem vandsøjlen, aflejres på havbunden og eventuelt bliver hvirvlet op igen.

Det er altså en meget kompleks model, som omfatter en lang række fysiske processer. Om modellen er pålidelig, er ikke emnet for denne artikel. Her er den blot brugt som et eksempel.

Dokumentation, tak!

Uanset hvad formålet med modellen er, er det meget vigtigt, at modellen ledsages af en tilstrækkelig dokumentation.

Dokumentationen skal vise, at man kan stole på modellens resultater og de miljøpåvirkninger, som en ny bro, tunnel eller kunstig halvø kan forventes at medføre.

I bedste fald følger dokumentationen den standard, som man ofte forlanger i den videnskabelige verden. Det vil sige, at der skal være tilstrækkelig information til, at andre kan gentage beregningerne og få samme resultater.

Her er ærlighed og gennemskuelighed vigtige egenskaber. Som minimum skal dokumentationen gøre rede for, at modellen kan levere resultater af tilfredsstillende kvalitet.

I forbindelse med især rådgivningsopgaver ser man imidlertid stadig oftere, at dokumentationen er mangelfuld, hvis ikke den da helt er udeladt.

Det gør det umuligt at vurdere, om modellens beregninger er til at stole på.

Et eksempel på en sådan rådgivningsopgave er Øresunds-modellen, der er blevet brugt i forbindelse med Lynetteholmen, den enorme, kunstige halvø i Øresund, som et flertal i Folketinget har besluttet at opføre.

I en kommende artikel her på Forskerzonen ser jeg nærmere på Øresunds-modellen, der blandt andet bruges til at beregne, i hvilken grad Lynetteholmen blokerer indstrømningen af salt og ilt til Østersøen.

Sådan opstilles en model

Figuren herover viser skematisk, hvordan opstilling af en hydrografisk model typisk foregår. Modellen har brug for data af forskellig art, herunder dybdeforhold og kystlinjer i det givne havområde, samt randbetingelser, som bruges som input til at drive modellen.

Beregningerne udføres af et computerprogram, altså en kode, som indlæser de nødvendige data og løser de styrende ligninger, blandt andet Newtons anden lov, i et omfattende net af beregningspunkter.

Computerprogrammet leverer derefter output i form af en lang række resultater, herunder vandstand, strøm, vandmasser, bølgehøjde med videre.

De justerbare parametre er konstanter, som indgår i de styrende ligninger. Hvis parametrene justeres, ændres modellens resultater.

Observationer fra virkeligheden er nødvendige

For at finde ud af hvor godt modellen svarer til virkeligheden, sammenlignes resultaterne til sidst med observationer foretaget i det havområde, som man undersøger.

Figuren herover viser, at det ofte er et komplekst og omfattende arbejde at opstille en hydrografisk model. Derfor kan der let opstå fejl i de anvendte data og/eller koden, som bruges til at løse de styrende ligninger.

Kompleksiteten betyder også, at det kan være meget svært at finde og rette disse fejl.

Det er enormt vigtigt at sammenligne resultaterne med observationer fra den virkelige verden. En sådan sammenligning er dog ikke nok til at afgøre, om modellen er pålidelig. Hvorfor det er tilfældet, vender jeg tilbage til.

Observationer er den rene vare

Enhver dokumentation bør som nævnt omfatte en eller anden form for sammenligning mellem resultater fra modellen og observationer fra de samme steder i virkeligheden.

Et fint eksempel fra en eksisterende rapport, som vedrører miljøpåvirkningerne fra en havneudvidelse, fremgår af figuren herover.

Sammenligningen mellem den beregnede vandstand og den observerede vandstand i Karrebæksminde tyder på, at modellen i almindelighed fungerer fint.

I eksemplet bemærker man dog flere situationer, hvor modellen afviger med op til 15 cm.

Det er faktisk en relativ stor fejl i det pågældende havområde og under de pågældende omstændigheder.

Sådanne fejl bør man undersøge nøje med henblik på at forbedre modellen.

Djævlen ligger i detaljen

Ofte oplever man imidlertid, at sammenligningen mellem modelresultater og observationer sker efter, at der er beregnet en eller anden middelværdi af data.

Det er vigtigt at forstå, at enhver beregning af middelværdier fjerner detaljer i data. Disse detaljer indeholder vigtig information.

De kan vise egentlige fejl, som kan optræde i såvel modellen som observationerne.

Men der kan også være tale om reelle variationer i observationerne, som afspejler fysikken i det pågældende havområde.

Som eksempel kan vi betragte figuren for vandstand i Karrebæksminde ovenfor.

De viste vandstande indeholder en god del tidevand, altså meget lange bølger som er genereret af tiltrækningen fra Månen og Solen.

Middelværdier skjuler fejl

Her kunne man sagtens forestille sig forskelle mellem model og observationer, både med hensyn til, hvornår tidevandet indtræffer, og hvor stort det er.

Sådanne forskelle ville tyde på en grundlæggende fejl et eller andet sted i modellen, som man naturligvis burde finde og rette.

Men beregning af en middelværdi af vandstanden over tilpas lang tid ville helt udviske både fejlen i modellen og den fysik, som modellen skulle bruges til at undersøge.

Den første figur i artiklen, der vedrører miljøkonsekvenserne af klapning i Lillebælt, er et andet godt eksempel på denne problemstilling.

Her er de viste modelresultater beregnet som middelværdier, først over hele vandsøjlen, og dernæst over den samlede periode hvori klapningen foregår, altså cirka tre måneder.

Figuren fortæller derfor ikke så meget om de miljøpåvirkninger, som klapningen kan forventes at medføre.

Kalibrering

Enhver model må forventes at skulle kalibreres i en eller anden grad, det vil sige, at man må justere lidt på de parametre, som indgår i de styrende ligninger.

Hvis man arbejder med en forholdsvis simpel model til at beskrive vandstanden i et havområde, jævnfør figuren for vandstande fra Karrebæksminde lidt højere oppe i artiklen, vil man nok få behov for at justere på den parameter, som vedrører friktionen ved bunden.

Det er kun naturligt, for vandets strømning henover bunden vil være påvirket af flora, fauna og sediment (det materiale, som havbunden består af). Disse kan variere med både tid og sted.

Men vigtigt er det at vide, hvordan kalibreringen er foretaget.

• Hvilke parametre er justeret, og hvilke værdier af disse parametre har kalibreringen resulteret i?
• Har der været et stort behov for kalibrering?
• Er værdierne langt fra det, som kendes fra enten observationer, i felten eller i laboratoriet, eller fra lignende modeller i samme område?

Kan man svare ja til et af de to sidste spørgsmål, er det et tegn på, at der er noget galt med modellen.

Validering eller blot mere kalibrering?

Ofte oplever man, at en model kalibreres ved at køre den i en eller flere perioder, som typisk er forbundet med ret forskellige forhold, eksempelvis strømninger i den ene eller den anden retning, eller kraftige eller svage vinde.

Derefter foretages der en validering af de fundne parameterværdier ved at køre modellen i en periode, som ikke har været brugt til kalibrering.

Det lyder umiddelbart som en sund tilgang, men man skal være på vagt. For hvad sker der, hvis forskeren eller rådgiveren ser, at modellen ikke passer i valideringsperioden?

Så er det fristende at fortsætte kalibreringen, indtil modellen også passer i valideringsperioden.

I så fald er der faktisk ikke sket en validering, men kun en mere omfattende kalibrering. Min personlige erfaring er, at dette sker meget ofte.

I dette tilfælde er en god overensstemmelse mellem resultater og observationer altså ikke ensbetydende med, at modellen er pålidelig.

Er fysikken i orden?

Det foregående viser, at selvom både input og output ser rigtige ud, er modellen ikke nødvendigvis pålidelig.

Derfor kan man spørge sig selv, om koden, som modellen bygger på, faktisk er i stand til at beskrive de fysiske processer i det pågældende havområde på en korrekt måde.

Det spørgsmål vedrører den centrale del af figuren længere oppe i artiklen over, hvordan en hydrografisk model fungerer, nemlig den sorte firkant med koden/programmet.

Medmindre modellen er ’open source’ (se faktaboks) har man sjældent adgang til denne del.

For at finde svar på spørgsmålet kunne man til gengæld se nærmere på resultaterne fra et eller flere områder i modellen, hvor særlige forhold gør sig gældende.

Eksempelvis er den snævre del af Lillebælt, som ses i den første figur i artiklen, og som vedrører klapning af havbundsmateriale, forbundet med meget specielle hydrografiske forhold.

Disse forhold omfatter blandt andet stærke strømninger og en meget kraftig blanding mellem vandmasserne.

Dette skal en pålidelig model være i stand til at beskrive på en retvisende måde.

Viden og sund fornuft er vigtig

En nærmere undersøgelse af modellens evne til at beskrive de fysiske processer forudsætter imidlertid, at man har indgående kendskab til hydrografi i almindelighed og de hydrografiske forhold i modelområdet i særdeleshed.

Langt de fleste mennesker har ikke denne viden.

Det gælder typisk også de myndighedspersoner og politikere, som skal træffe beslutning om store projekter med vidtrækkende konsekvenser for miljøet.

Afslutningsvis vil jeg gerne understrege dette: Hydrografiske modeller er ofte svære at komme udenom, og de kan hjælpe os med at løse store og væsentlige samfundsproblemer.

Men modellerne skal være pålidelige, og deres resultater skal bruges med en stor portion sund fornuft. Hvis ikke, risikerer vi at skabe større problemer end dem, som vi forsøger at løse.