1 Spunti per soluzioni operative e applicazioni dal mare aperto alla costa Aniello RUSSO e Maurizio Brocchini Università Politecnica delle Marche Dip.

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1 1 Spunti per soluzioni operative e applicazioni dal mare aperto alla costa Aniello RUSSO e Maurizio Brocchini Università Politecnica delle Marche Dip. di Scienze del MareDip. di Idraulica, Strade, Ambiente e Chimica Associato CNR-ISMAR Secondo Convegno Nazionale di Oceanografia Operativa Cesenatico, 27-28 maggio 2010

2 2 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

3 3 M. De Dominicis (INGV)Models of oil spill coupled with hydrodynamics and waves L. Repetti (IIM) La previsione dello stato del mare a supporto delle operazioni navali: il caso di Teulada M. Deserti (ARPAER SIMC) Attività di ARPA ER per la previsione e gestione del rischio costiero e della qualità delle acque Pedroncini (DHI) Realizzazione di un sistema di modellazione idrodinamica 3D del Mar Ligure R. Archetti (UniBologna)Modellistica in supporto ad applicazioni di ingegneria marittima M. Brocchini (UnivPM)Processi di nearshore e oceanografia fisica A. Russo (UnivPm) Sistema per la previsione a breve termine dei fenomeni ipossici in nord-adriatico e applicazioni derivate Sessione Applicazioni – problemi e criticità Renata Archetti e Aniello Russo La sessione si è articolata in 7 presentazioni, su diverse tematiche. Prima riunione del gruppo di modellistica del GNOO Roma, 21 e 22 Gennaio 2010

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5 5 Domini implementazioni SWAN:

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18 18 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 Coupled biogeochemical flux modeling NO 3 Chlorophyll Large detritus Organic matter N2N2 NH 4 NO 3 Water column Sediment Phytoplankton NH 4 Mineralization Uptake Nitrification Grazing Mortality Zooplankton Susp. particles Aerobic mineralization Denitrification A single class for phytoplankton and zooplankton is considered (while detritus is divided in a large class and a small one) Modified from Fennel et al. (2006)

19 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 LAMI(3h) wind 10 m Mean sea level pressure Air temperature 2m Relative humidity Cloud cover Precipitation Short-wave radiation Output atmospheric model COSMO-I7 (every 3h) 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.

20 Satellite data acquired and processed by GOS-ISAC-CNR (Rome) for ADRICOSM Sea Surface Temperature Surface Chlorophyll Data vs. ROMS forecast Suface analysis ModelSatellite

21 Data&forecast at E1 buoy Bottom layer (-8.8m) alongshore current speed (m s -1 ) 1 Agosto 2008 – 30 Maggio 2009 Red = corresponding ROMS gridpoint Blue = E1 Oceanographic Buoy Bottom layer (-8.8m) alongshore current speed (m s -1 ) 1 Luglio 2007 – 31 Luglio 2008 Red = corresponding ROMS gridpoint Blue = E1 Oceanographic Buoy

22 Spurious data (fouling) Bottom layer (-8.8m) dissolved oxygen (ml l -1 ) after removing previous 7 days MB Blue= corresponding ROMS gridpoint Red = E1 Oceanographic Buoy Bottom layer (-8.8m) dissolved oxygen (ml l -1 ) Blue= corresponding ROMS gridpoint Red = E1 Oceanographic Buoy Data&forecast at E1 buoy from June 2007 to June 2009

23 Situazione attuale Le previsioni a 72 h dellossigeno 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);

24 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-ensemble- multiensemble: Adriatic test case, partendo con intercomparison.

25 Processi del Nearshore e Oceanografia Fisica Alcuni studi svolti nellambito dellingegneria costiera sono di fondamentale importanza anche per i processi analizzati dalloceanografia 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.

26 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)

27 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.

28 Si integrano le Nonlinear Shallow Water Equations sulla regione di battigia xlxl x t xsxs C+C+ R+R+ C-C- C+C+ R+R+ 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.:

29 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 x l 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 x l e 3) linvariante di Riemann R + propagato dal largo a costa. Semplificando le equazioni si ottiene analiticamente un primo fondamentale risultato Per cui alla linea di riva la profondità dellacqua è circa la metà dellaltezza donda. Questo risultato è stato verificato sperimentalmente ed è ottenibile anche per via geometrica ricordando che alla riva le onde hanno forma quasi triangolare.

30 Per predire levoluzione della morfologia in prossimità della riva si usa lequazione 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 unequazione analoga a quella di Exner ma per il moto medio. Con opportune approssimazioni questa può essere semplificata nella forma: 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.

31 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 (x s ) e run- down (x l ) sperimentali Run-down numerico (x l ) ---- Membro Sn -. - Membro Ds η Sperimentali q Numeriche Nelle fasi in cui la simulazione approssima bene il dato sperimentale (t 130s) il bilancio sembra buono.

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33 33 Work in progress (subcontract per ARPA-SIMC – progetto EU MICORE) implementazione di un nuovo operativo AdriaROMS (solo fisica) da accoppiare al modello donda 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 allattuale AdriaROMS di ARPA-SIMC sia rispetto al ROMS operativo EMMA (rispetto a questultimo tra laltro prende le condizioni al bordo aperto da MFS - per AFS al momento cè 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 (500m)

34 34 AdriaROMS attuale AdriaROMS nuovo Mean Bias RMSE Temperatura - Marzo 2010 - campagna Urania ISMAR Bo Mean Bias RMSE

35 35 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

36 36 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 dellarea 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 COAST SCALE 0.2 KM 36 500 m