Inverzno modeliranje primarne proizvodnje

doctoral thesis

• Title (english): Inverse modeling of primary production
• Author: Žarko Kovač; MBZ: 327551
• Mentor: Mira Morović (mentor); MBZ: 79634
• Committee member: Mirko Orlić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Živana Ninčević Gladan (član povjerenstva); MBZ: 204912
• Committee member: Sunčana Geček (član povjerenstva); MBZ: 254932
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Geology); Zagreb
• Defense date and country: 2016-10-21, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Interdisciplinary Natural Sciences; Marine Science
• Universal decimal classification (UDC): 55 - Geology. Meteorology. Hydrology

Abstract

Dva tipa implementacije 14C metode za mjerenje asimilacije ugljika pri fotosintezi se
razlikuju s obzirom na svjetlosne uvjete pri kojima se vrše eksperimenti: in vitro i in
situ. In vitro inkubacije se vrše u laboratoriju pod kontroliranim svjetlosnim uvjetima,
dok se in situ inkubacije vrše u moru pod prirodnim svjetlosnim uvjetima. Ovisnost
primarne proizvodnje o svjetlosti se matematički opisuje funkcijama svjetlosnog zasićenja
čiji parametri određuju brzinu asimilacije ugljika pri fotosintezi. Vrijednosti fotosintetskih
parametara se odreduju na temelju rezultata in vitro mjerenja i poslije se koriste u modelima
primarne proizvodnje. U ovom radu je razvijen inverzni model koji koristi in situ
mjerenja za procjenu vrijednosti fotosintetskih parametara. Pritom upotrebljava optimizacijski
algoritam koji tretira fotosintetske parametre modela proizvodnje kao varijable
optimizacije i nalazi optimalne vrijednosti parametara za koje model najmanje odstupa od
in situ mjerenja. Inverzni model koristi model primarne proizvodnje formuliran pomoću
dva različita formalizma, od prije poznatog analitičkog formalizma i ovdje razvijenog matričnog formalizma.
Korištenjem analitičkog formalizma, uz pretpostavku idealiziranih
svjetlosnih uvjeta, nađeno je analitičko rješenje za profil proizvodnje i analitičko rješenje
za proizvodnju vodenog stupca s biomasom ovisnom o dubini. Inverzni model je testiran
na 194 in situ prola primarne proizvodnje s Hawaii Ocean Time-series i procijenjene su
vrijednosti parametara za različite funkcije svjetlosnog zasićenja. Korištenjem optimalnih
vrijednosti parametara modeli su opisali preko 95% varijabilnosti izmjerene proizvodnje
po dubini i preko 95% varijabilnosti izmjerene proizvodnje vodenog stupca. Kao rezultat
ovog rada, inverzni model je postao novi alat za procjenu vrijednosti fotosintetskih
parametara iz in situ prola primarne proizvodnje.

Abstract (english)

Two types of implementation of the 14C method for measuring carbon assimilation in
photosynthesis are differentiated with respect to light conditions under which the experiments
are performed: in vitro and in situ. In vitro incubations are performed in the
laboratory under controlled light conditions, whereas in situ incubations are performed
at sea under natural light conditions. The dependence of primary production on light
is mathematically described with light saturation functions, whose parameters determine
the rate of carbon assimilation in photosynthesis. The values of photosynthesis parameters
are determined based on the results of in vitro measurements and are afterwards used
in models of primary production. In this work an inverse model is developed which uses
in situ measurements to estimate the values of the photosynthesis parameters. It employs
an optimization algorithm which treats the photosynthesis parameters of the production
model as optimization variables and estimates optimal parameter values for which the
model deviates the least from the in situ measurements. The inverse model uses the primary
production model formulated with two different formalisms, an already established
analytical formalism and here developed matrix formalism. Using the analytical formalism,
under the assumption of idealized light conditions, an analytical solution for the
production prole and the analytical solution for water column production with depth
dependent biomass were derived. The inverse model was tested on 194 in situ primary
production proles from the Hawaii Ocean Time-series and the parameters of dierent
light saturation functions were estimated. When using optimal parameter values the models
explained over 95% of variability in measured production at depth and over 95% of
variability in the measured water column production. As a result of this work, the inverse
model became a new tool for estimating the values of the photosynthesis parameters from
in situ primary production profiles.

• Keywords: modeliranje primarne proizvodnje; analiticka rjesenja; mjerenje primarne proizvodnje; fotosintetski parametri; optimizacija modela; procjena optimalnih parametara
• Keywords (english): primary production modeling; analytical solutions; primary production measurement; photosynthesis parameters; model optimization; optimal parameters estimation
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:319676
• Study programme: Title: Interdisciplinary doctoral study in Oceanology; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje interdisciplinarne prirodne znanosti (znanost o moru) (doktor/doktorica znanosti, područje prirodnih znanosti, polje interdisciplinarne prirodne znanosti (znanost o moru))
• Type of resource: Text
• Extent: XV+151 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2017-11-10 12:54:08