Sensitivity analysis of a Baltic sea winter navigation simulation tool

Abstract

The Baltic Sea serves as a vital gateway to international trade, providing essential maritime access to countries bordering it. However, its unique environmental conditions present significant challenges, particularly during winter when extensive ice coverage impedes safe and efficient navigation. These challenges are most pronounced in the Bay of Bothnia, where prolonged ice coverage affects several important ports for Finland and Sweden. To support the decision-making processes of Finnish and Swedish authorities, Kulkarni et al. (2022) have developed a tool for simulating the Baltic Sea under various conditions, aimed at helping to ensure safe maritime operations in icy conditions.

A recent validation analysis revealed discrepancies between the model’s outputs and observed real-world data, highlighting the need for further investigation. To address this, a comprehensive sensitivity analysis was conducted to evaluate the model’s responsiveness to its key input parameters. This analysis aims to guide future refinement efforts and enhance understanding of the model’s behavior.

The sensitivity analysis was carried out in two parts using different analysis methods. The Elementary Effects method was employed to identify the most influential parameters, while the Sobol’ method provided quantitative insights into the model’s sensitivity.

The results of these analyses are presented using graphical figures that represent the numerical findings. The analysis revealed that the model responds predictably to variations in input parameters, with no significant outliers detected. However, certain parameters exhibited lower-than-expected influence on the model’s outputs, suggesting areas for potential improvement. The implications of these findings for the model’s functionality and future development are discussed.

Itämeri toimii tärkeänä kauppareittinä kansainvälisille vesille monille valtioille, jotka tätä merta ympäröi. Sen ainutlaatuiset ympäristöolosuhteet aiheuttavat kuitenkin merkittäviä haasteita, erityisesti talvella, jolloin laaja jääpeite vaikeuttaa turvallista ja tehokasta merenkulkua. Nämä haasteet korostuvat erityisesti Perämerellä, jossa pitkäkestoinen jääpeite vaikuttaa useisiin Suomen ja Ruotsin kannalta tärkeisiin satamiin. Suomen ja Ruotsin viranomaisten päätöksen teon tueksi Kulkarni ym. (2022) ovat kehittäneet simulointityökalun, jolla voidaan arvioida eri olosuhteita Itämerellä, ja jonka tavoitteena on auttaa varmistamaan turvallinen merenkulku jääolosuhteissa.

Äskettäinen validointianalyysi paljasti mallin tulosten ja todellisen havainnoidun datan välisiä eroja, mikä korosti mallin lisätutkimuksen tarvetta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi suoritettiin kattava herkkyysanalyysi mallin avainparametrien vaikutuksen arvioimiseksi. Analyysin tavoitteena on auttaa sekä ohjata tulevia mallin kehitystoimia ja parantaa ymmärrystä sen toiminnasta.

Herkkyysanalyysi suoritettiin kahdessa osassa käyttäen kahta eri analyysimenetelmää; Elementary Effects -menetelmää käytettiin tunnistamaan mallin merkittävimmät parametrit, kun taas Sobolin menetelmä tarjosi määrällisiä tuloksia mallin herkkyydestä. Analyysien tulokset esitetään kuvaajien avulla, jotka havainnollistavat kerätyt numeeriset tulokset.

Analyysi osoitti, että malli reagoi ennustettavasti syöteparametrien muutoksiin, eikä merkittäviä poikkeamia havaittu. Kuitenkin tietyt parametrit osoittautuivat odotettua vähemmän vaikuttaviksi mallin tuloksiin, mikä viittaa mahdollisiin parannusalueisiin. Lopuksi analyysin tuloksien merkitys käsitellään mallin toiminnan ja tulevan kehityksen kannalta.