Spunti per soluzioni operative e applicazioni
dal mare aperto alla costa
Aniello RUSSO e Maurizio Brocchini
Università Politecnica delle Marche
Dip. di Scienze del Mare
Dip. di Idraulica, Strade, Ambiente
e Chimica
Associato CNR-ISMAR
Secondo Convegno Nazionale di Oceanografia Operativa
Cesenatico, 27-28 maggio 2010
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Outline
• Overview Sessione “Applicazioni – problemi e criticità”
della prima riunione del Gruppo Modellistica dello GNOO
• Problematiche legate alla linea di riva e possibili soluzioni
• Sviluppi in corso e futuri
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Prima riunione del gruppo di modellistica del GNOO
Roma, 21 e 22 Gennaio 2010
Sessione Applicazioni – problemi e criticità
Renata Archetti e Aniello Russo
•La sessione si è articolata in 7 presentazioni, su diverse tematiche.
M. De Dominicis (INGV)
L. Repetti (IIM)
M. Deserti (ARPAER SIMC)
Pedroncini (DHI)
R. Archetti (UniBologna)
M. Brocchini (UnivPM)
A. Russo (UnivPm)
Models of oil spill coupled with hydrodynamics and waves
La previsione dello stato del mare a supporto delle operazioni navali:
il caso di Teulada
Attività di ARPA ER per la previsione e gestione del rischio costiero e
della qualità delle acque
Realizzazione di un sistema di modellazione idrodinamica 3D del Mar
Ligure
Modellistica in supporto ad applicazioni di ingegneria marittima
Processi di nearshore e oceanografia fisica
Sistema per la previsione a breve termine dei fenomeni ipossici in
nord-adriatico e applicazioni derivate
3
4
Domini implementazioni SWAN:
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Coupled biogeochemical flux modeling
The ROMS implementation at DISMAR is running with a
N-P-Z-D (Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus)
biogeochemical flux model including dissolved oxygen
and carbon
Nitrification
Water column
A single class for
phytoplankton and
zooplankton is
considered (while
detritus is divided in a
large class and a small
one)
NO3
Uptake
Phytoplankton
Chlorophyll
NH4
Grazing
Zooplankton
Mortality
Susp.
particles
N2
Mineralization
Large
detritus
Nitrification
NH4
NO3
Denitrification
Aerobic mineralization
Organic matter
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Sediment
Modified from Fennel et al. (2006)
Model set-up: boundary condition
48 rivers (as
nutrient
and
mass sources)
Daily runoff:
climatological
(Raicich,1996)
or measured
in real time
(Po river)
Full
ABL
Output
LAMI(3h)
atmospheric
model
COSMO-I7
(every 3h)
• wind 10 m
•Mean sea level pressure
•Air temperature 2m
•Relative humidity
•Cloud cover
•Precipitation
•Short-wave radiation
Open boundary
Tidal forcing (elevation and currents) four greater harmonic components (M2, S2, O1, K1) obtained
from the finite elements 3D model described in Cushman-Roisin and Naimie (2002).
Boundary conditions are: Chapman for the free surface (tidal elevation), Flather for barotropic
fields [S. Chapman (1970); Flather, (1976)].
Three-dimensional radiation conditions [Marchesiello et al., (2001); Orlanski, J. (1976)] for the
active and passive tracers and baroclinic fields.
Data vs. ROMS forecast
Suface analysis
Satellite data acquired and processed by GOS-ISAC-CNR (Rome) for ADRICOSM
Satellite
Sea Surface
Temperature
Surface
Chlorophyll
Model
Data&forecast at E1 buoy
Bottom layer (-8.8m) alongshore current speed (m s-1)
1 Luglio 2007 – 31 Luglio 2008
Blue = E1 Oceanographic Buoy
Red = corresponding ROMS gridpoint
Bottom layer (-8.8m) alongshore current speed (m s-1)
1 Agosto 2008 – 30 Maggio 2009
Blue = E1 Oceanographic Buoy
Red = corresponding ROMS gridpoint
Data&forecast at E1 buoy from June 2007 to June 2009
Bottom layer (-8.8m) dissolved oxygen (ml l-1)
Red = E1 Oceanographic Buoy
Blue= corresponding ROMS gridpoint
Spurious data
(fouling)
Bottom layer (-8.8m) dissolved oxygen (ml l-1) after removing
previous 7 days MB
Red = E1 Oceanographic Buoy
Blue= corresponding ROMS gridpoint
Situazione attuale
• Le previsioni a 72 h dell’ossigeno disciolto e delle altre
variabili fisiche e biogeochimiche sono disponibili per il
Decision Supporting System gestito dal Comune di
Rimini, oltre che per ISMAR e ARPA-EMR-SIMC;
• il sistema è operativo da 2 anni senza necessitare
interventi e senza mostrare peggioramenti della skill
• gli output sono utili per altri studi (omissis causa tempo)
• Sviluppi in corso
modello semplice di strato
bentico (lavoro di Ph.D. di
Francesco Falcieri in
collaborazione con il NIOO,
Olanda);
Applicazioni – problemi e criticità
Principali applicazioni: oil spill e inquinanti in genere (al largo e
in costa), qualità acque (balneazione, acquacoltura, etc.),
supporto protezione civile e operazioni navali, protezione delle
coste, progettazione opere marittime in zona costiera e offshore,
energia da onde/correnti
Limitazioni della fisica nei modelli oceanografici quando il
downscaling arriva alla scala costiera (surf zone); in prossimità
linea di riva (depth < 5m) necessità di interfaccia con modelli
wave resolving (onerosi dal punto di vista computazionale) o
wave averaged (MSE) con parametrizzazioni specifiche (wave
breaking, interazioni con strutture, fondali, etc);
Two-way coupling tra modelli costieri e modelli oceanografici
(b.c. lato costa per modelli oceanografici costieri);
Costituzione gruppo valutazione performance: dataset,
procedure, incontri periodici, bollettini;
Miglioramento performance con multimodelling-ensemblemultiensemble: Adriatic test case, partendo con intercomparison.
Processi del Nearshore e Oceanografia Fisica
Alcuni studi svolti nell’ambito dell’ingegneria costiera sono di
fondamentale importanza anche per i processi analizzati
dall’oceanografia fisica.
Tali studi sono focalizzati alla determinazione di opportune
condizioni al contorno da imporsi tra regione fluida e solida
coesistenti su una spiaggia:
1) valutazione delle condizioni al contorno idrodinamiche di riva
comprensive delle interazioni che avvengono nella zona di
battigia;
2) stima delle variazioni morfologiche della spiaggia in prossimità
della linea di riva.
Condizioni al contorno idrodinamiche di riva - 1
Negli ultimi 30 anni si sono registrati grandi progressi nello
studio di processi che avvengono alla scala delle onde nella
zona di battigia. In particolare:
• quantificazione delle interazioni onda-onda;
• corretta valutazione della propagazione di “Low Frequency
Waves” verso il largo;
Condizioni di muro
Condizioni di swash
La condizione artificiale di muro comporta errori sia nella
forma che nella intensità delle onde lunghe radiate verso il
largo (segnale a tratto spesso nel pannello inferiore)
Come rendere questi risultati disponibili ai ricercatori che si
occupano di oceanografia fisica?
Come includerli in modelli di circolazione costiera?
E’ necessario colmare la distanza esistente tra le scale spaziali e
temporali risolte dai modelli usati nelle 2 diverse comunità
scientifiche (passare dai centimetri alle decine di metri e dai
secondi ai minuti).
Si è preferito colmare tali distanze usando un modello integrale
della regione di battigia piuttosto che procedere con modelli
innestati: “chiusura” ottenuta per modellazione analitica
piuttosto che numerica.
Si integrano le Nonlinear Shallow Water Equations sulla
regione di battigia
x
xs
CC++ RR++
xl
C-
t
Alla linea di riva reale (tratto pieno) si sostituisce una linea di
riva media (tratteggiata) che funge come un “muro poroso” ove
si impongono condizioni di scambio di massa e Q.d.M.:
h
V (t )
 Q( xl , t ), con V (t )   d dx, Q  ud
t
xl
x
h
h
P(t )
gd 2
2
 S ( xl , t )  gV (t )  Y (t ), con P(t )   Qdx , Y (t )   dx, S  u d 
t
2
xl
xl
x
x
Le equazioni integrali sono mediate sul periodo delle onde di mare e
semplificate.
Queste sono risolte per predire la posizione della linea di riva media xl e
profondità e velocità a tale posizione in funzione delle 1) proprietà integrali
del moto nella zona di swash, 2) flussi di massa e Q.d.M. delle onde ad xl e
3) l’invariante di Riemann R+ propagato dal largo a costa.
Semplificando le equazioni
fondamentale risultato
si
ottiene
d ( xl ) 
H ( xl )
2
analiticamente
un
primo
Per cui alla linea di riva la profondità dell’acqua è circa la metà dell’altezza
d’onda. Questo risultato è stato verificato sperimentalmente ed è ottenibile
anche per via geometrica ricordando che alla riva le onde hanno forma quasi
triangolare.
Per predire l’evoluzione della morfologia in prossimità della riva si usa
l’equazione di conservazione della massa solida, nota come equazione di
Exner secondo cui la variazione nel tempo della quota del fondo (η) dipende
dalla divergenza del vettore di portata solida (q).
Usando la procedura sopra descritta (integrazione sulla battigia e media sulle
onde corte) si ottiene un’equazione analoga a quella di Exner ma per il moto
medio. Con opportune approssimazioni questa può essere semplificata nella
forma:
( 1  p)
dxl
η (xl )  q x(xl )
dt
Secondo cui la quota del fondo alla linea di riva dipende sia dalla posizione
stessa della linea di riva che dalla componente di portata solida ortogonale
alla linea di costa.
Si è tentata una prima validazione della condizione al contorno
semplificata sulla base di dati di campo raccolti durante una
campagna effettuata a Porto Ferro (Sardegna) nel febbraio 2005.
Linea di riva (xs) e rundown (xl) sperimentali
Run-down numerico (xl)
---- Membro Sn
-. - Membro Ds
η Sperimentali
q Numeriche
Nelle fasi in cui la simulazione approssima bene il dato sperimentale
(t<100s e t>130s) il bilancio sembra buono.
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Work in progress
(subcontract per ARPA-SIMC – progetto EU MICORE)
• implementazione di un nuovo operativo AdriaROMS
(solo fisica) da accoppiare al modello d’onda SWAN allo
scopo di forzare un modello di morfodinamica costiera
da utilizzare durante mareggiate.
Il nuovo AdriaROMS è stato oggetto di diversi
cambiamenti sia rispetto all’attuale AdriaROMS di
ARPA-SIMC sia rispetto al ROMS operativo EMMA
(rispetto a quest’ultimo tra l’altro prende le condizioni
al bordo aperto da MFS - per AFS al momento c’è un
problema tecnico); il nuovo modello è attualmente in
attività pre-operativa presso ARPA-SIMC.
E’ in implementazione anche una nuova versione
AdriaROMS in nordadriatico a più alta risoluzione
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(500m)
Temperatura - Marzo 2010 - campagna Urania ISMAR Bo
AdriaROMS attuale
Mean Bias
Mean Bias
AdriaROMS nuovo
RMSE
RMSE
34
Temperatura - Marzo 2010 - campagna Urania ISMAR Bo
Confronto tra profili verticali di temperatura misurati
(CTD) e simulati da 3 diverse implementazioni ROMS:
AdriaROMS attuale, ROMS EMMA, AdriaROMS nuovo
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Ulteriori sviluppi
• Introduzione di domini costieri ROMS accoppiati a SWAN
pronti ad essere attivati quando sono attese condizioni
critiche (e.g. durante mareggiate, per la previsione della
qualità delle acque di balneazione); possibilità di ulteriori
nesting e/o fornire i campi in input per modelli specifici
dell’area di riva.
• Sviluppato un dominio costiero ROMS+SWAN, si potrebbe
anche sperimentare e validare la boundary condition
proposta da Brocchini, per poi applicarla su altri modelli
SHELF - SCALE 0.5 KM
20 VERTICAL LEVELS
500 m
COAST SCALE
0.2 KM
36