<p>During the past few years a vast amount of research has been done to increase the understanding of the complex ecosystem of the Baltic Sea. Modelling and simulations are important tools to increase knowledge of the system. A suitable model must be simple to use and the parameters and variables needed in the model must be easy to access.</p><p>In this paper a dynamical mass-balance model, CoastMab, which is validated for smaller coastal areas, has been used to predict concentrations and transports of phosphorus in three large coastal areas - the Gulf of Finland, the Gulf of Gdansk and the Gulf of Riga. CoastMab uses ordinary differential equations to regulate inflow, outflow and internal flows. To reflect seasonal variations in temperature and different types of flows the model has a temporal resolution of a month. The main purposes of this paper have been to evaluate CoastMab, predict the concentrations and the transports of phosphorus in each coastal area and to analyse how much and why the results differ from empirical data.</p><p>The performed simulations show the importance of a correct calculation of the wave base. This is due to its influence on the division between surface and deep water as well as the division of areas of accumulation and areas of erosion and transport. The retention times of surface and deep water calculated by the model also is of great importance because of their direct influence on the flow of water between the study area and the sea outside the area. This together with the concentration of phosphorus determines the flow of phosphorus in and out of the study area.</p><p>The dynamical mass-balance model is considered to work well in the three studied areas even though the areas are outside the model domain in several respects. Even if the predictions of the phosphorus concentration in the gulf of Riga was less accurate than in the other study areas, the prediction was inside the interval of standard deviation that has been calculated from empirical data. The major flow of phosphorus in the model was in the cross section between the Baltic proper and the modelled coastal area.</p><p>Since the model is easy to use and requires only a small number of obligatory input variables it would be appealing to continue development of the model to handle coastal areas of the same size and larger than the study areas in this paper.</p> / <p>Under senare år har mycket forskning utförts för att öka förståelsen av det komplexa ekosystem Östersjön utgör. Viktiga redskap för att öka förståelsen för systemet är modellering och simulering. För att en modell ska vara lämplig att använda är det viktigt att den inte är för komplicerad och att de parametrar och variabler som används i modellen är lättillgängliga.</p><p>I detta arbete har en dynamisk massbalansmodell, CoastMab, som är validerad för mindre kustområden använts för att modellera fosforkoncentrationer och fosforflöden i tre större kustområden - Finska viken, Gdanskbukten och Rigabukten. CoastMab reglerar genom ordinära differentialekvationer inflöden, utflöden och interna flöden. För att kunna hantera säsongsvariationer i temperatur och olika typer av flöden har modellen en temporär upplösning på en månad. Syftet med arbetet har främst varit att se hur väl CoastMab predikterar fosforkoncentrationen och fosforflöden inom respektive område, samt att analysera hur mycket och varför prediktionerna skiljer sig från empiriska data.</p><p>De simuleringar som utfördes visade att djupet på den teoretiska vågbasen, som modellen beräknar, är av stor betydelse eftersom den i sin tur bestämmer fördelningen yt- och djupvatten samt fördelningen av ackumulationsbottnar och erosions- och transportbottnar. De utbytestider för yt- och djupvatten som modellen beräknar är också av största vikt eftersom de har en direkt inverkan på vattenflödet mellan studerat område och havet utanför, vilket i sin tur tillsammans med fosforkoncentrationen bestämmer fosforflöden in och ut ur det studerade området.</p><p>Den dynamiska massbalansmodellen kan anses fungera väl för samtliga tre studerade områden, trots att de ligger utanför modellens domän i flera avseenden. Även om prediktionen av fosforkoncentrationen i Rigabukten blev sämre än för de två övriga områdena, låg prediktionen inom det intervall för standardavvikelsen som beräknats utifrån empiriska data. De största fosforflödena i modellen förekom för samtliga områden i gränssnittet mellan egentliga Östersjön och det modellerade kustområdet.</p><p>Enkelheten i att använda modellen och det låga antalet obligatoriska drivvariabler gör att den är väl värd att utveckla för att hantera områden av samma eller större storlek än de nu studerade områdena.</p>

The Gulf of Finland is the most eutrophied water body in the Baltic Sea, which is mainly caused by nutrient loads produced by human activities in its surrounding cities. In order to solve this environmental problem, a computational model based on the understanding the relations between eutrophication, water quality and sediments is needed to forecast the water quality variance in response to the natural and anthropogenic influences. A precise water quality model can be useful to assist the policy making in the Gulf of Finland, and even for the whole Baltic Sea. Kiirikki model, as one of these models describing the water quality of Baltic Sea in response of water quality variance, is a sediment and ecosystem based model, treating different sub-basins and layers as boxes. This study aims to assess the parameters’ sensitivity level on the scale of the Gulf of Finland. Firstly, the Morris sampling strategy is applied to generate economic OAT (One factor At a Time) samples before screening 50 out of 100 trajectories with distance as large as possible. In order to assess their sensitivity, index and indicator are needed. EE (elementary effect) is adopted to be the assessment index and four core eutrophication indicators from HELCOM 2009a are to be analyzed. By comparing the (σ,μ) and (σ,μ*) plots of each parameters’ EE values (σ is standard deviation, μ is mean value and μ* is the absolute mean value), some parameters are identified as potential sensitive parameter, such as the minimum biomass of cyanobacteria (Cmin), critical point of CO2 flux (CCr), the optimal temperature for detritus phosphorous mineralization (Toptgamma), maximum loss rate of algae (RAmax), optimal temperature for the growth of other algae (ToptmuA), Coefficient for temperature limiting factor for the growth of cyanobacteria (aTmuC), half-saturation coefficient of radiation for cyanobacteria (KIC) and so on. In contrast, the other parameters are ruled out as having very low values in terms of σ, μ and μ*. This is because the feature of Morris sampling strategy makes it easier to achieve high variance of the outputs, resulting into generally higher σ. Therefore, further investigation with different strategies is needed after the initial screening of the non-sensitive parameters in this study.

For decades the Baltic Sea has been subject to eutrophication due to heavy anthropogenic nutrient loads on the aquatic ecosystem. Quantitative projections of its effects require an understanding of its driving mechanisms, i.e., the hydrodynamics that are responsible for the physical transport and mixing and the biogeochemical nutrients pathways within the algal ecosystem and between the particulate and dissolved phases in the water and in the sediments. A simple basin-scale hydrodynamic framework is set for the Gulf of Finland to test different descriptions of the biogeochemical transformations and determine the most robust modelling strategy. A recently developed criterion to determine the occurrence of anoxic events, based on the amount of fresh carbon detritus in the sediments is implemented in comparison with the classical criterion based on the oxygen concentration in the bottom water. Time-averaging of the hydrodynamics over larger than daily intervals is proved to hinder the capture of rapid mixing events jeopardizing irremediably the water quality simulation. The new carbon based criterion for anoxia shows a better dynamic response and is less sensitive to the model’s internal parameters. An internal source in the sediments correlated to the amount of fresh detritus, to represent the release of iron-bound phosphorus is confirmed as a versatile modelling assumption.

During the past few years a vast amount of research has been done to increase the understanding of the complex ecosystem of the Baltic Sea. Modelling and simulations are important tools to increase knowledge of the system. A suitable model must be simple to use and the parameters and variables needed in the model must be easy to access. In this paper a dynamical mass-balance model, CoastMab, which is validated for smaller coastal areas, has been used to predict concentrations and transports of phosphorus in three large coastal areas - the Gulf of Finland, the Gulf of Gdansk and the Gulf of Riga. CoastMab uses ordinary differential equations to regulate inflow, outflow and internal flows. To reflect seasonal variations in temperature and different types of flows the model has a temporal resolution of a month. The main purposes of this paper have been to evaluate CoastMab, predict the concentrations and the transports of phosphorus in each coastal area and to analyse how much and why the results differ from empirical data. The performed simulations show the importance of a correct calculation of the wave base. This is due to its influence on the division between surface and deep water as well as the division of areas of accumulation and areas of erosion and transport. The retention times of surface and deep water calculated by the model also is of great importance because of their direct influence on the flow of water between the study area and the sea outside the area. This together with the concentration of phosphorus determines the flow of phosphorus in and out of the study area. The dynamical mass-balance model is considered to work well in the three studied areas even though the areas are outside the model domain in several respects. Even if the predictions of the phosphorus concentration in the gulf of Riga was less accurate than in the other study areas, the prediction was inside the interval of standard deviation that has been calculated from empirical data. The major flow of phosphorus in the model was in the cross section between the Baltic proper and the modelled coastal area. Since the model is easy to use and requires only a small number of obligatory input variables it would be appealing to continue development of the model to handle coastal areas of the same size and larger than the study areas in this paper. / Under senare år har mycket forskning utförts för att öka förståelsen av det komplexa ekosystem Östersjön utgör. Viktiga redskap för att öka förståelsen för systemet är modellering och simulering. För att en modell ska vara lämplig att använda är det viktigt att den inte är för komplicerad och att de parametrar och variabler som används i modellen är lättillgängliga. I detta arbete har en dynamisk massbalansmodell, CoastMab, som är validerad för mindre kustområden använts för att modellera fosforkoncentrationer och fosforflöden i tre större kustområden - Finska viken, Gdanskbukten och Rigabukten. CoastMab reglerar genom ordinära differentialekvationer inflöden, utflöden och interna flöden. För att kunna hantera säsongsvariationer i temperatur och olika typer av flöden har modellen en temporär upplösning på en månad. Syftet med arbetet har främst varit att se hur väl CoastMab predikterar fosforkoncentrationen och fosforflöden inom respektive område, samt att analysera hur mycket och varför prediktionerna skiljer sig från empiriska data. De simuleringar som utfördes visade att djupet på den teoretiska vågbasen, som modellen beräknar, är av stor betydelse eftersom den i sin tur bestämmer fördelningen yt- och djupvatten samt fördelningen av ackumulationsbottnar och erosions- och transportbottnar. De utbytestider för yt- och djupvatten som modellen beräknar är också av största vikt eftersom de har en direkt inverkan på vattenflödet mellan studerat område och havet utanför, vilket i sin tur tillsammans med fosforkoncentrationen bestämmer fosforflöden in och ut ur det studerade området. Den dynamiska massbalansmodellen kan anses fungera väl för samtliga tre studerade områden, trots att de ligger utanför modellens domän i flera avseenden. Även om prediktionen av fosforkoncentrationen i Rigabukten blev sämre än för de två övriga områdena, låg prediktionen inom det intervall för standardavvikelsen som beräknats utifrån empiriska data. De största fosforflödena i modellen förekom för samtliga områden i gränssnittet mellan egentliga Östersjön och det modellerade kustområdet. Enkelheten i att använda modellen och det låga antalet obligatoriska drivvariabler gör att den är väl värd att utveckla för att hantera områden av samma eller större storlek än de nu studerade områdena.