Il sistema modellistico integrato idrometeo-marino del Centro di
Competenza Nazionale ARPA-SIMC
Carlo Cacciamani, Marco Deserti, Tiziana Paccagnella,
Silvano Pecora e Andrea Valentini
Agenzia Regionale Prevenzione e Ambiente dell’Emilia-RomagnaServizio Idro-Meto-Clima
WEB: http://www.arpa.emr.it/sim/
“2° convegno nazionale di oceanografia operativa”
ROMA 27 e 28 maggio 2010
Fattori di rischio costiero:
•Erosione ed allagamento costieri
•rilascio accidentale di inquinanti
Acque alte e mareggiate intense
Fonte: NOAA,
http://www.nhc.noaa.gov/HAW2/english/storm_surge.shtml
Maree e acque alte
• Sud Adriatico:
– 20 – 30 cm
• Nord Adriatico:
– >1m
effetti di propagazione associati alla
forte variazione di batimetria (>
1000 m da sud a nord)
Subsidenza Antropica:
•
Ravenna
– 1950-1970: > 100 cm
– 1950-1990: 85 cm
• Cesenatico
– 1950-1990: 120 cm
• Rimini
– 1950-1990: 50-60 cm
Media:
– 30 – 50 mm/anno
Subsidenza naturale
(mm/anno)
•
•
•
•
•
Delta Po: 3.5 – 5
Ravenna: 2.5 – 3.5
Cesenatico: 1.5 – 2.5
Rimini: 0.5 – 1.5
Cattolica: < 0.5
Avviso Meteo
IL CF-RER (ARPA-SIM) li emana, li adotta e diffonde
Dipartimento nazionale
della protezione civile
APCR
AIPO, STB e ai Consorzi di
bonifica.
Sulla base degli avvisi meteo
adottati dal CF dirama allerte di
protezione civile a UTG, Province,
Comuni e alle altre strutture
operative del sistema regionale di
protezione civile
Avviso Meteo del 14/5/2010
Avviso Meteo del 8/3/2010
Mareggiata marzo 2010
• Massima altezza
dell’onda prevista
>3m
• Massima altezza
efficace misurata
=3.91 m
• Livello del mare
massimo previsto
0.9 m
• Osservato
(mareografo RA)
0.92 m
Sea-state forecast by SWAN-EMR
Comparison with
Nausicaa wave buoy
Wave height forecast at 03UTC
of March 2010, 10.
Sea level forecast by AdriaROMS
Comparison with RMN-Porto-Corsini
tide gauge
Example of sea level forecast
during a strong storm surge
driven by Bora winds.
Emergenza lambro-Po
Attività svolte dal Centro Funzionale
• monitoraggio e previsione dell’evoluzione del
fenomeno
– Costante collegamento e assistenza meteomarina ad APC
– Costante collegamento e collaborazione con DT e Sez
provinciali per la previsione della propagazione lungo il Po
– Emissione di bollettini di previsione meteorologica
– Emissione di bollettini di previsione di propagazione in
mare
Supporto tecnico fornito da: area Sala Operativa, area
Idrologia, area Meteorologia ambientale marina e
oceanografica
Bollettini di previsione meteorologica
•
•
•
Emessi 5 bollettini di previsione
meteorologica a 5 giorni con la
specializzazione della previsione di:
vento lungo l’asta del Po;
stato del mare alla foce del Po
Arpa Servizio Idro-Meteo-Clima
•
•
•
•
•
Venerdì, 26 febbraio
Sabato, 27 febbraio
Domenica, 28 febbraio
Lunedì, 01 marzo
Martedì, 2 marzo
Bollettino meteorologico di previsione di mare e vento sulla
foce del Po per i prossimi 4 giorni
Emissione di domenica 28 febbraio ore 12
Previsione per domenica 28 febbraio
pomeriggio-sera


Venti: deboli- moderati da sud-est in rotazione da ovest.
Mare: da mosso a molto mosso, direzione dell'onda da est-sud-est, con massima altezza
della marea attorno alle ore 22 locali con valori compresi tra 60 e 70 cm.
Quadro meteorologico
• Inizio periodo osservazione: 17 febbraio
– Precipitazioni intense 17-19 feb
– I° massimo Lambro a Mi 19-20 feb
• Rilascio idrocarburi: 23 febbraio
–
–
–
–
Precipitazioni il 26 feb
II° massimo Lambro a Mi il 26 feb
Venti al suolo prevalenti da W 25 feb – 2 mar
Rotazione da E e N-E 02-03 mar., onde e acqua alta
• Fine periodo osservazione 03 marzo
Bollettini di previsione di propagazione in mare
Emessi 4 bollettini di “previsione
di diffusione di sversamento
di idrocarburi nel delta del
Po”
1. Venerdì, 26 febbraio
2. Sabato, 27 febbraio
3. Domenica, 28 febbraio
4. Lunedì, 01 marzo
Contenuti del bollettino
•
•
•
•
•
•
•
Data di emissione
Modello utilizzato e significato della
rappresentazione
Incertezza
Dati di ingresso per scenari
Risultati
Condizioni meteomarine durante
gli scenari
Data prossimo aggiornamento
Bollettino n.3 Figura 2d: scenario 2, l’immagine è riferita alla
previsione di dispersione alle ore 00 ora locale del 03
marzo, con un rilascio di 700 m3 di gasolio iniziato alle ore
04:00 del 02 marzo.
Progettato per mare
aperto il sistema ha
tuttavia mostrato buone
capacità di risposta
Migliorare il dettaglio
costiero e l’integrazione
con la parte idrologica del
delta (previsioni di
portata sui rami deltizi)
Qualità delle acque di balneazione
By www.bastamerdainmare.it
INSERIRE DA GOOGLE ART LA PANORAMICA
Compiti di ARPA…
• La missione principale di ARPA in ambito meteomarino e oceanografico consiste nella valutazione
previsione e informazione sullo stato della zona costiera
della regione. L’azione di ARPA si manifesta quindi
prevalentemente sulle acque costiere attraverso le
proprie strutture:
– Daphne: monitoraggio biologico
– SIMC: clima meteo-marino e previsione/osservazione dello
stato del mare, delle acque alte e delle correnti
– DT (ex.IA): ingegneria costiera a supporto della pianificazione
– Sezioni provinciali: prevalentemente qualità delle acque di
balneazione
…cosa chiediamo all’oceanografia operativa ( esigenze di base)
• Mare aperto (oggetto principale della oceanografia
operativa)
– ARPA è interessata soprattutto alla disponibilità di dati al
contorno (modelli e osservazioni) per l’operatività dei propri
sistemi di modellistica numerica operativa della costa e
dell’Adriatico (DOWNSTREAM di MCS-GMES ??)
• Per svolgere compiti di servizio a livello istituzionale
– è necessario che queste informazioni siano disponibili in modo
continuo nel tempo, secondo standard di servizio in grado di
garantire la qualità, la completezza e la disponibilità regolare
delle informazioni.
ARPA-SIMC e il Mare
Per svolgere i propri compiti istituzionali, ARPA si è dotata di propri
strumenti operativi, anche a scala più ampia di quella strettamente
costiera.
Onde
• Dal 1997 operativa presso ARPA-SIM la previsione dello stato del Mare
Adriatico
–
–
•
fino alla fine del 2003 WAM (WAve Model) + LAMBO
dal 2004 al 2005 WAM + LAMI
Dal 2004 operativo SWAN e WAM Mediterraneo
Circolazione e acque alte
• 2000: studi preliminari POM-ERSEM “progetto SINA-Eutrofizzazione”
• Settembre 2004: Inizia la preoperatività di AdriaROMS
• Giugno 2005: inizia l’operatività di AdriaROMS
• 2009-2010: aggiornamento del sistema (collaborazione ARPA/UNIMarcheDISMAR)
Rete di misura
• Dal maggio 2007 boa ondametrica a Cesenatico
• dal 2008 acquisizione dati S1/E1 (collaborazione ARPA/CNR-ISMAR
Sistema modellistico integrato meteomarino
Forzante Meteorologica:
COSMO-LAMI
Osservazioni:
Rete RIRER: (meteo e stato
del mare)
Idrologia acque interne:
Batimetrie e linea di costa
modPo: previsione di
portata del Po
Condizioni al bordo laterale:
Portata e temperatura del Po
(osservazioni a pontelagoscuro)
Portata climatologica altri
fiumi
Modelli marini
stato del mare: SWANMeditare,
Livello del mare: AdriaROMS
Inizializzazione e condizioni al
bordo aperto:
Dati campagna DART
Componenti mareali (Quoddy)
modello Oceanografico del med.
MFS-INGV
Morfodinamica costiera
Oil-Spill
Qualità delle acque
X-Beach
GNOME
Balneazione, ecosistemi..
MED-ITA-RE Operational Chain
Output variables: SWH, MWD, Tm, Tp
Stored in the GRIB-DB of ARPA-SIMC
AdriaROMS Ciclo Operativo Previsioni
00 UTC -24 h
RESTART
dal forecast
precedente
00 UTC
-24 -21 -18 -15 -12 -09 -06 -03
00 UTC+ 72 h
+03 +06 +09 +12 +15 +18 +21 +24 +27 +30 +33 +36 +39 +42 +45 +48 +51 +54 +57 +60 +63 +66 +69 +72
output istantanei tri-orari
output medi giornalieri
meteo
Previsioni LAMI
a 12 ore
Previsioni LAMI 00+00 … 00+72
fiumi
Po osservato
Altri fiumi clima
Po costante; altri fiumi clima
Otranto
Previsioni giornaliere OPA al bordo aperto e marea astronomica
Previsioni giornaliere disponibili alle 12 ora solare. Durata intero processo 90 minuti
COSMO I7 [I2]
• 2 corse al giorno (00 e 12 UTC)
fino a 72 ore di previsione
• Gira operativamente al
CINECA
• Dominio di integrazione
nazionale con un passo di
griglia di 7Km
• Dati sui contorni del dominio
forniti dal modello IFS
dell’ECMWF
• Assimilazione dati continua
(osservazioni USAM) con la
tecnica del nudging
• Disponibile alle 4/16 UTC circa
EUMETNET-SRNWP Overview of
Operational Numerical Weather
Prediction Systems in Europe
http://srnwp.met.hu/
http://srnwp.met.hu/
http://srnwp.met.hu/
Bora Event (Dec 2002)
10m wind averaged over the event
Results
25 m/s
ECMWF
LAMI
0 m/s
1 Jun 2007 – 28 Nov 2007
Wind vs Wave
E1 buoy
COSMO 0-24h
Nausicaa
SWEMR 0-24h
1 June 2007 – 28 Nov 2007
E1 vs IFS-ECMWF
E1 buoy
ECMWF 0-24h
ECMWF 24-48h
ECMWF 48-72h
www.arpa.emr.it/sim/?mare
MEDITARE
SWAN MEDITERRANEO
Risoluzione 1/4° di grado
SWAN
ITALIA
SWAN REGIONALE
Forzante
meteo:
IFS + COSMO-I7
Risoluzione
grado
Emissione:
ore 001/12°
UTCdi
Risoluzione
1/120° di grado
Forzante
meteo: +72
COSMO-I7
Massima
previsione:
h con scadenza
oraria
Forzante
meteo:COSMO-I7
Emissione: ore 00 UTC
Emissione: ore 00 UTC
Massima previsione:
+72 h previsione: +72 h
Massima
con scadenza oraria con scadenza oraria
MEDITARE per DPCN
MEDITARE sviluppi in corso (ModMet)
Risoluzione di 1/120 di
grado su tutte le coste
italiane
Processi di propagazione:
–
–
–
–
–
•
rifrazione (variazioni di corrente e di
profondità)
shoaling (decresce la profondità 
steepness onda cresce mentre velocità
decresce)
blocco o riflessione (correnti opposte)
trasmissione, blocco o riflessione
(ostacoli, es. opere costiere)
diffrazione (barriere, ostacoli, isole,
ecc.)
Processi di generazione e
dissipazione:
–
–
–
–
–
generazione dovuta al vento
dissipazione dovuta al whitecapping
(schiuma bianca sulla cresta dell’onda
dovuta al vento)
dissipazione per attrito sul fondo
dissipazione per rottura dell’onda
dovuta alle variazioni di profondità
interazioni non lineari tra onde stesse
(triad/quadruplet wave-wave
interaction)
Punti di forza VS Punti di debolezza: onde
• Ottima previsione altezza prevista
• Sottostima dei periodi
• Sovrastima eventi di NE
• Sottostima eventi di SE
SWH 01 Dec ‘07 – 30 Nov ‘08
Observation - mean = 0.44m
Forecast- mean = 0.44m
BIAS: -0.002m
RMSE: 0.24m
MAE: 0.156m
Tm 01 Dec ‘07 – 30 Nov ‘08
Observation - mean = 3.3s
Forecast- mean = 2.6s
BIAS: -0.727s
RMSE: 1.433s
MAE: 0.87s
Tp 01 Dec ‘07 – 30 Nov ‘08
Observation - mean = 4.5s
Forecast- mean = 3.4s
BIAS: -1.142s
RMSE: 2.51s
MAE: 1.486s
www.arpa.emr.it/sim/?mare
www.arpa.emr.it/sim/?mare
Temperatura
Salinità
Correnti
Livello mare
Batimetria e griglia
Risoluzione originale: 15 arco-secondi (1/240°). Fonte: NATO-SACLANT Undersea
Research Centre (Richard Signell) col contributo di CNR-ISMAR Bologna, CNR-ISMAR
Venezia, HHI Spalato, IIM Genova, IRB Zagabria, NIB Pirano, SCL La Spezia.
Griglia 160 x 60
risoluzione variabile
~ 3 Km al nord
~ 10 Km al sud
• Coordinate non lineari terrain following (s-coordinate)
• 20 livelli verticali con maggiore densità nello strato
superficiale
AdriaROMS
48 tra fiumi e sorgenti
COSMO-I7
• vento a 10 m
• pressione livello del mare
• temperatura aria 2 m
• temperatura di rugiada 2 m
• precipitazione
• radiazione solare netta
• precipitazione totale
GCM
Mediterraneo
(MFS)
Previsioni giornaliere
+ 4 componenti mareali
astronomiche
Punti di forza VS Punti di debolezza: circolazione
•
•
•
correnti di mare aperto nel nord Adriatico: Buona riproduzione della
direzione e dell’intensità ed elevata correlazione temporale delle
struttura verticale di temperatura nel Nord Adriatico: RMSE sulla verticale
<0.5 °C: il Nord – Centro mare Adriatico è per lo più poco profondo (< ~ 200
m): quasi tutto ‘boundary layer’. In questo caso la soluzione è ‘ancorata’ a
COSMO. Il Sud Adriatico invece è più profondo (~ 1000 m), e gli strati
inferiori posso essere disaccoppiati dal boundary layer. Negli strati profondi
la soluzione diverge. (RMSE sulla verticale ~1 °C). Inoltre è difficile la
corretta simulazione della temperatura nella (fredda) corrente costiera a
causa dei forti gradienti (che causano double penalty errors): RMSE
localmente molto variabile (0 ÷ 2 °C)
Salinità: In generale il modello presenta un bias di ~.4 PSU. Le cause sono
molte. A parte il Po, gli altri fiumi sono considerati usando MEDIE
MENSILI CLIMATOLOGICHE. Questo ovviamente causa apporti d’acqua
non necessariamente precisi, e quindi errori specie nella corrente costiera
dove la variabilità è massima.
Ma
Il focus principale è su livello del mare e correnti costiere
Considerazioni sugli errori nella correnti
Confronto Oct-Dec 2002
ADCP
ROMS preoperativo
Buona riproduzione della direzione e dell’intensità ed elevata correlazione temporale
Drifter simulati utilizzando
16 diversi modi di calcolare
le velocità superficiali; alla
fine quel che conta è il
vento giusto ... (ovviamente
poi ci sono anche le
“density driven currents”
che non sono trascurabili
per esempio in assenza di
vento)
errore tipico = O(101) km /day
Livello del mare
confronto AdriaROMS-mareografo Volano
Il sistema di riferimento è lo zero
mareografico del modello, cioè il
livello del mare del modello a riposo
lo zero mareografico, sistema di riferimento,
“[...] piano convenzionale – Rete altimetrica dello
stato del 1897 [...]”;
“[...] Attualmente il livello medio sullo zero
mareografico a Venezia risulta di circa 23 cm [...]”
AdriaROMS in sviluppo (con DISMAR)
Nuovi Moduli:
•bio-geochimica
•Trasporto di sedimenti
(wave/current bed boundary layer)
•Assimilazione dei dati
• ROMS 3.2
• Griglia curvilinea a passo
regolare di 2 km per tutta
l'estensione del bacino
Adriatico
• In verticale la griglia è in
coordinate s (terrainfollowing) con 20 livelli.
• Model Coupling Toolkit
(Warner et al. 2008), per
l’accoppiamento con il
modello d'onda SWAN
www.arpa.emr.it/sim/?mare
Nausicaa
• Installata da ARPA il 23 maggio 2007 ed è
equipaggiata con una boa ondametrica
Datawell Directional wave rider MkIII 70
• Circa 8 km al largo di Cesenatico su fondale
di 10 m in una zona interdetta alla
navigazione, all'attracco ed alla pesca.
• Il sistema ricevente a terra è situato presso la
struttura oceanografica Daphne a Cesenatico.
• Dati acquisiti ogni 30' ed archiviati nel Dbase
meteo-marino del Servizio IdroMeteoClima.
• Dati storici sono accessibili attraverso il
sistema DEXTER
Il sistema è stato acquisito su incarico della Regione
Emilia-Romagna nell'ambito del progetto
Beachmed-E sottoprogetto Nausicaa e mantenuto
anche grazie al finanziamento derivante dal progetto
europeo MICORE (FP7-ENV-2007-1 Cooperation,
Grant agreement no.: 202798 ).
ARPA-SIMC database
DEXTER
interfaccia web
Sistema modellistico integrato meteomarino
Forzante Meteorologica:
COSMO-LAMI
Osservazioni:
Rete RIRER: (meteo e stato
del mare)
Idrologia acque interne:
Batimetrie e linea di costa
modPo: previsione di
portata del Po
Condizioni al bordo laterale:
Portata e temperatura del Po
(osservazioni a pontelagoscuro)
Portata climatologica altri
fiumi
Modelli marini
stato del mare: SWANMeditare,
Livello del mare: AdriaROMS
Inizializzazione e condizioni al
bordo aperto:
Dati campagna DART
Componenti mareali (Quoddy)
modello Oceanografico del med.
MFS-INGV
Morfodinamica costiera
Oil-Spill
Qualità delle acque
X-Beach
GNOME
Balneazione, ecosistemi..
Modelli idrologici e idraulici
PRECIPITAZIONI
TEMPERATURE
LIVELLI/PORTATE
MODELLI
METEOROLOGICI
Osservati/Telemisura
LM/Ensemble
VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONE
E TRANSFORMAZIONE DATI
Prima catena
Seconda
catena
Terza
catena
HEC-HMS
MIKE11-NAM
TOPKAPI
HEC-RAS
MIKE11 - HD
SOBEK/PAB
Catena configurabile
dall’utente
HMS/NAM/TOPKAPI
RAS/MIKE11/SOBEK/
PAB
PEDRITO – Un sistema di modellistica
idrologica e idraulica a supporto della
gestione delle risorse idriche per i
bacini del Reno e dei fiumi romagnoli
Risalita del cuneo salino –
Modellistica previsionale in
tempo reale dell’intrusione del
cuneo salino nel Delta del fiume
Po
Linee di sviluppo in corso
• Rischio costiero dovuto a mareggiate intense
– Bollettino di avviso Meteo-Marino per il Dipartimento e l’Agenzia di
Protezione Civile
– Individuazione e suddivisione in macroaree delle zone costiere a
seconda della diversa vulnerabilità all’erosione ed all’ingressione
marina
• Gestione della costa (RER difesa del suolo e della costa)
– Modellistica numerica di morfodinamica costiera sviluppata all’interno
del progetto MICORE
• Qualità delle acque di balneazione (RER sanità e
Ambiente)
– Previsione dell’estensione e dell’evoluzione del pennacchio di
inquinante in mare dovuto a fenomeni di inquinamento temporaneo a
seguito di scarico a mare diretto degli impianti di depurazione delle
acque reflue urbane
http://www.micore.eu/
Morphological Impacts and COastal Risks induced by
Extreme storm events
•
•
Coordinator: Prof. Paolo Ciavola, Università di Ferrara
Italian Partners: ARPA-SIMC, SGSS-RER
•
•
•
Grant agreement: 202798
Start date: June 2008
Duration: 36 months
•
•
Total Project Cost: 4.6 million euros
EU Contribution: 3.5 million euros
MICORE – Modelling & Warning
SWAN-ROMS
Coupling
SWAN ITA
X-beach
P60
2
02/08/2004
1.5
28/09/2004
26/10/2004
16/11/2004
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
AdriaROMS
20
40
60
80
100
120
140
160
FP7-ENV-2007-1 Cooperation
Migliorare il dettaglio
costiero e l’integrazione
con la parte idrologica del
delta (previsioni di
portata sui rami deltizi)
Modelli idrologici e idraulici: schema Mod-Po
PRECIPITAZIONI
TEMPERATURE
LIVELLI/PORTATE
MODELLI
METEOROLOGICI
Osservati/Telemisura
LM/Ensemble
VALIDAZIONE, INTERPOLAZIONE
E TRANSFORMAZIONE DATI
Prima catena
Seconda
catena
Terza
catena
HEC-HMS
MIKE11-NAM
TOPKAPI
HEC-RAS
MIKE11 - HD
SOBEK/PAB
Catena configurabile
dall’utente
HMS/NAM/TOPKAPI
RAS/MIKE11/SOBEK/
PAB
PEDRITO – Un sistema di modellistica
idrologica e idraulica a supporto della
gestione delle risorse idriche per i
bacini del Reno e dei fiumi romagnoli
Risalita del cuneo salino –
Modellistica previsionale in
tempo reale dell’intrusione del
cuneo salino nel Delta del fiume
Po
PROGETTO “PREVIBALNEAZIONE”
SVILUPPO DI UN SISTEMA DI PREVISIONE DELL’INQUINAMENTO
OCCASIONALE DELLE ACQUE DI BALNEAZIONE DELL’EMILIAROMAGNA
Obiettivi
• Prevedere operativamente gli episodi di inquinamento di
breve durata nelle acque di balneazione della costa
Romagnola.
• Realizzare un database contenente le informazioni
necessarie a definire il profilo delle acque di balneazione
della regione.
•
•
•
Direttiva 2006/7/CE,
D.Lgs 116/2008.
decreto attuativo del dlgs 116,
Correnti
ROMS
Onde
SWAN
meteo
COSMO
Modello
dispersione
Modello
idraulico
Correnti
ROMS
Modello
idrologico
Modello
dispersione
Bacino idrologico,
precipitazioni areali
Modello
idraulico
meteo
COSMO
Modello
dispersione
Modello
idraulico
Onde
SWAN
Problemi da risolvere: Onde
• Errore su direzione e periodo
(miglioramento del forzante meteo)
• Batimetrie ad alta risoluzione e opere di
difesa
• Disponibilità di dati ondametrici NRT
Problemi da risolvere: circolazione e livello mare
• Disponibilità di dati di portata e temperature dei principali fiumi
in Adriatico
• Componenti di Marea (informazioni al bordo aperto disponibili
per M2, S2, O1, K1; loro update e aggiunta di altre componenti)
• Miglioramento interfaccia mare - atmosfera
• Dati oceanografici NRT e Assimilazione dati ???
• “Nesting” tra modelli diversi (es AREG vs ROMS)
• Modellazione della dinamica costiera ad altissima risoluzione (<=
100 m)
– Interazione onde-correnti, trasporto solido
– Effetto delle barriere
– Zone di transizione (delta del Po)
Problemi da risolvere: livello del mare e qualità acque
• Previsioni accurate del livello del mare nelle
zone costiere
• Simulazione e previsione ad altissima
risoluzione di diffusione di inquinanti immessi
in battigia e acque confinate da barriere
(semplici modelli biologici)
• Trasporto di inquinanti costieri (traiettorie)
…??
Grazie
“2° convegno nazionale di oceanografia operativa”
ROMA 27 e 28 maggio 2010