La modellistica numerica nell’oceanografia: quale futuro? fileLe equazioni di base derivano dai principii di conservazione di massa, momento ed energia (termodinamica inclusa) e

Alessandro Crise OGS (Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale)

Società Italiana di Fisica - XCVIII CONGRSSO NAZIONALE - Napoli, 17-21 settembre2012

Sommario

Background

L’evoluzione dell’oceanografia

Esiste un modello standard in Oceanografia?

Modelli e scale

Campi di sviluppo

Le grandi sfide: cambiamenti climatici, oceanografia operativa, gestione ambientale

Iniziative italiane

Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 2

L’oceanografia fisica: origini

Il mare ha sempre ispirato miti e leggende ma l’interesse naturalistico arriva solo nel XIX secolo (Mosetti e Silvestri, 2008)

1681 L.F. Marsili esegue e prime misure oceanografiche: Osservazioni attorno al Bosforo Tracio

1725 primo libro di idrologia Histoire physique de la mer (L.F. Marsili)

1855 primo libro di oceanografia Physical geography of the sea (M.F. Maury)

1872 prima crociera oceanografica della nave inglese Challanger


Evoluzione della meccanica

dei fluidi Lo studio dei fluidi ha preso storicamente una strada indipendente che è cominciata già nell’antica Greca (v. Archimede) passando per Leonardo e Torricelli.

Nel Settecento si sono occupati di di fluidi matematici come Eulero, d’Alembert e Poisson mentre altri studiosi si sono occupati di fluidi viscosi (Poiseulle).

1822 C. L. M. H. Navier pubblica, "Memoire sur les lois du mouvement des fluides",

1845 G.G. Stokes pubblica indipendentemente ‘On the theories of the internal friction of fluids in motion’

1904 L. Prandl pubblica la sua teoria sullo strato limite


http://en.wikipedia.org/wiki/Leonhard_Euler

L’oceanografia fisica spiegata

attraverso la meccanica dei fluidi? I problemi oceanografici possono essere

formulati da un punto di vista matematico ma non risolti analiticamente.

Tra i Millennium problems del Clay Mathematic Institute sono citate le soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes

‘Although these equations were

written down in the 19th Century,

our understanding of them remains minimal’


L’oceanografia fisica come

scienza ibrida

La teoria e le osservazioni spesso hanno percorso strade parallele.

1) Osservazioni (scienze della Terra) 2) Basi teoriche (Meccanica dei fluidi)

Strategie sperimentali

Da 1) -> campagne di misura (non esperimenti

controllati) Da 2) -> simulazioni fisiche Terza via: oceanografia computazionale


Esperimenti controllati: modellistica

numerica

La modellistica numerica nel campo

dell’oceanografia fisica si occupa di

comprendere

ricostruire

prevedere

i processi che stanno alla base della circolazione

oceanica e della variabilità delle proprietà dinamiche

dei fluidi e le loro interazioni con gli altri comparti del

Sistema Terra attraverso

la soluzione numerica delle equazioni

che governano la dinamica dei fluidi, e prescrivendo

condizioni iniziali ed al contorno problem-specific


Le basi teoriche dell’oceanografia

fisica

Le equazioni di base derivano dai principii di

conservazione di massa, momento ed energia

(termodinamica inclusa) e danno luogo alle

equazioni di Navier-Stokes modificate per fluidi

geofisici (GFD eqs)

Rotazione (termine di Coriolis)

Stratificazione (densità variabile)

Termini termodinamici multipli (temperatura, salinità)

Equazione di stato altamente non lineare


Le equazioni GFD per l’oceano

Conservazione

della massa

Conservazione

dell’energia

Conservazione

della momento

Equazione di stato

dell’acqua di mare


Scale spazio-temporali di

atmosfera ed oceano

OCEANO ATMOSFERA

<-10 ordini di grandezza->

velocità tipiche dipendenti dalle scale

Scale tempo Scale tempo

<- 7 ordini di grandezza->

velocità tipiche non dipendeti dalle scale


Equazioni primitive: lo Standard

Model per la circolazione oceanica

La solusione numerica diretta (DNS) delle NS

GFD eqs risulta fattibile oggi solo per problemi di

turbolenza

ma

semplificazioni basate su:

analisi di scala ( Boussinesq, incompressibilità

idrostaticità, thin shell)

medie alla Reynolds

portano a

le equazioni primitive (PE)

Scia supersonica

Mac2 - Re=10**5

(Coleman&Sanders,2006)


Il primo passo: migliore

approssimazione spaziale I solutori più popolari si caratterizzano per

le tecniche di approssimazione spaziale

Differenze finite

Volumi finiti

Elementi finiti

After B. Cushman-Roisin&J.M.Beckers,2009

Formulazione variazionale


Approssimazione spaziale: effetti sulla

piccola scala Anche i modelli di circolazione generale dell’ultima

generazione riescono solo a risolvere le scale del moto più grandi

Le fluttuazioni statistiche connesse alla turbolenza e tutte le scale non rappresentabili dalla griglia scelta contribuiscono comunque al moto legato alle scale più grandi grazie ai termini non lineari.

quindi

Gli effetti non lineari delle scale dei moti collegati con la turbolenza devono essere incorporati nelle equazioni

Questo processo è chiamato parametrizzazione di sottogriglia

Questo processo è oggetto di continuo sviluppo


Effetti della risoluzione spaziale

Le strutture che caratterizzano la Corrente del Golfo simulazione a bassa

risoluzione(a destra) sono molto meno definite e non c’è il distacco della corrente

dalla costa americana, cosa che avviene invece nella simulazione ad alta

risoluzione


Turbolenza bidimensionale multi-scala

Agulhas eddies (Sud Africa)

Immagine IR a falsi colori

Corrente del Golfo (Nord Atlantico)

Immagine IR a falsi colori

La presenza delle strutture a mesoscala e a scale inferiori

è un elemento caratterizzante di gran parte della circolazione

oceanica Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 15

Modellazione della turbolenza

bidimensionale

Campi realistici di mesoscala sono ottenuti

con numeriche avanzate e alta risoluzione

(Courtesy of: NASA/Goddard Space Flight Center) Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 16

Condizioni iniziali e condizioni

al contorno La soluzione delle PE viscose prevede sia la

definizione delle condizioni iniziali che di quelle al

contorno sia chiuso che aperto:

I.C.: campi discretizzati delle variabili di stato (T,S,

v)

B.C.: wind stress, flussi termici, evaporazione,

precipitazione, fiumi

Gli studi di circolazione generale si configurano

come problemi alle condizioni al contorno mentre

le previsioni a breve termine invece sono I.C.

problems


Nuovi dati: satelliti e sistemi

osservativi autonomi

Anomalia dell’altezza dellla

superficie del mare

Temperatura superficiale

Vento superficiale

Salinità

Clorofilla

Materia disciolta colorata

Dati puntuali e profili di T,S

e di variabili biochimiche Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 18

Stato dell’ Arte (Legg et. Al, 2009)

I modelli possono essere usati per

previsioni a breve termine e proiezioni a lungo

termine

Esplorare scenari osservativi attraverso

simulazioni a basso costo (optimal design,

OSSE)

Integrare e sintetizzare le osservazioni

(analisi, reanalisi, hindcast)

verificare idee e paradigmi legati alla fisica e

biogeochimica di base degli oceani


Campi di sviluppo

Migliore fisica

Migliore numerica

Migliore qualità

Migliore fit-for-purpose

‘oceanography as a whole is likely to become much

more applied, with increasing demand to apply oceanographic understanding

to societal and commercial needs.’ (Leggs et al., 2009)


Da curiosity-driven a problem-driven

La modellistica oceanografica è ormai diventata

sempre necessaria per rispondere ai grandi quesiti

che la società ci pone in campo ambientale:

Cambiamenti climatici

Earth System Models

Previsioni dello stato del mare

Oceanografia Operativa

Gestione ecosostenibile delle risorse marine

Modelli accoppiati fisici-biologici

Gestione delle coste

Modelli accoppiati fisici-sedimentologici-fluviali


Sfide attuali: migliore fisica

Riproduzione dei processi a sub-mesoscala

Parametrizzazione di processi non risolti dalla

discretizzazione spaziale (es. turbolenza

tridimensionale)

Dinamica degli strati limite inglobata nei modelli di

circolazione generale

Accoppiamenti onde-corrente

Dinamica delle onde interne

Parametrizzazione degli scambi atmosfera-oceano

Bilanci radiativi


Sfide attuali: migliore numerica

Schemi advettivi di alto ordine efficienti

ed a bassa diffusione numerica

Innestamento bidirezionale di modelli a

diverse risoluzioni spazio-temporali

Parametrizzazione dei flussi turbolenti

laterali anche in vicinanza dei contorni

(Es. Ferrari et al. 2006)

Paradigmi di parallelizzazione adatti alle

nuove piattaforme ibride (CPU-GPU,

FPGA)


Sfide attuali: migliore qualità

Diagnostiche estese e condivise per

grandi simulazioni

Miglioramento del model skill e controllo

della qualità dei risultati (Zhang et al.,

2005)

Miglioramento degli schemi di data

assimilation

Aumento della predicibilità (da short-

term a seasonal) attraverso metodi di

ensemble forecast Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 24

Statistical skill assessment

Taylor diagram Target diagram

West East

• I risultati modellistici devono

essere validati/corroborati da

confronti oggetivi con i dati

• Differenti tecniche sono in uso ma

non c’è ancora convergenza (after Jolliff et al. 2008)

Skill assessment of the

OPATM-BFM Chlorophyll

‘analyses’ with respect to

MODIS for the

Mediterranean Sea


(Alcune) iniziative italiane

Oceanografia operativa: GNOO e

MOON , progetto MyOCEAN2

Progetto Bandiera RITMARE

Infrastrutture ESFRI: PRACE e

EuroARGO

Consorzio BFM

Modelli climatici accoppiati: ENEA-ICTP,

CMCC, etc.


Oceanografia Operativa

L'obiettivo principale del progetto MyOcean2 e:

gestire un rigoroso, robusto e sostenibile servizio

GMES per il Monitoraggio e le Previsioni dell'Oceano

disseminandone i prodotti

Mantenere la continuità con le iniziative passate e

presenti nell'ambito della ricerca marina dell'EU

e GMES (MyOCEAN)

Implementazione di una configurazione stabile e

sostenibile del sistemai

Passaggio alla fase operativa a fine 2014.

ITALIA

EU

http://gnoo.bo.ingv.it/index.php


Oceanografia Operativa:

Prodotti GNOO

Prodotti osservativi

Prodotti da simulazioni


Progetto Bandiera RITMARE

RITMARE si prefigge di porre in atto un

programma nazionale di ricerca

scientifica e tecnologica per il mare che

abbia carattere pluriennale e sia aperto

alla più ampia partecipazione di attori

pubblici e privati.

Ricerca nel settore marino e mariittimo

• Applicazioni al settore della pesca e

del marine spatial planning

• Infrastrutture di ricerca e sistemi

osservativi

• Sviluppo tecnologico nel settore

marino e marittimo

• Dimostratore navale per nave da

ricerca


XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF

RITMARE SP3: Modellistica Oceanografica Costiera

Napoli 17-21 Settembre 2012

Il WP si basa su 3 pilastri:

1) la scelta di una modellizzazione

numerica integrata ed

interdisciplinare, aria-acqua-

sedimento-biologia

2) un orientamento all’intero perimetro

nazionale, attraverso Aree Test

Strategiche (ATS)

3) una grande attenzione

all’acquisizione di dati e misure

specificatamente pensati per

validare strumenti modellistici

30

Zoom of the

computational grid of

ROMS model

representing the Gulf

of Naples

-Model currently implemented by the DiSAm in the area with 250m horizontal resolution and

30 levels in the vertical

-atmospheric forcing: the Skiron model outputs, provided by the IASA-UAThens group

partner of TOSCA

-Mercator (High Resolution Atlantic and Mediterranean Product 1/15°) data set as initial

fields (temperature, salinity, surface current, sea surface height, mixed layer depth, height

barotropic, baroclinic height, zonal velocity, meridian velocity and vertical velocity) and

boundary conditions.

RITMARE: Applicazione al Golfo di Napoli

Validation with HF radar data


RITMARE SP5: sistemi operativi

Modellistica previsionale e operatività di scenari di dispersione di inquinanti (CINFAI- TS) con modelli LES

Modellistica previsionale nelle Bocche di

Bonifacio tramite nesting (IAMC-Oristano)

Modellistica previsionale e operatività nel mar

Tirreno (ENEA)

Modellistica previsionale nel Mare Mediterraneo

ed Adriatico (INGV)

Modellistica accoppiata fisica-biologica

ed ‘end-to-end’ nel mare Adriatico ai fini

previsionali e gestionali


Infrastrutture ESFRI

PRACE (Partner CINECA)

Accesso a grandi infrastrutture

di HPC; sviluppo di sistemi di nuova

generazione

MiUR, anche attraverso OGS, supporta questa

infrastruttua

EUROARGO (partner OGS)

Consorzio per l’osservazione dell’oceano

attraverso una rete di boe profilanti.

Componente europea di ARGO

MiUR supporta attraverso OGS questa infrastruttura


The BFM Consortium


H

E0

E=E0

E=f(C,H)

0-D

0.5-D Box model

Consorzio che comprende INGV, CMCC ed OGS per lo

sviluppo di modelli biogeochimici (0D->time-variant 3D)

Lab culture

Modelli accoppiato con equazioni

advezione-diffusione (OGCMs, turbolenza)

Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF

The BFM is coupled with several General Circulation Models

NEMO, POM, OPATM, GOTM-GETM

35

Conclusioni

• Ci si aspetta che la modellistica oceanografica

giochi un ruolo sempre più importante

nell’oceanografia fisica e negli studi interdisciplinari .

• Questo implica che le nuove generazioni di modelli

siano in grado di dare risposte ‘qualificate’’ in tempi

adeguati alle richieste che verranno sia dalla

comunità scientifica di riferimento che da una

comunità più vasta di utenti ed interessati (v.

Horizon 2020)

• Sono necessari sviluppi a livello di conoscienza

fisica, numerica e di valutazione della qualità per

rimanere al passo delle sfine internazionali

• La comunità italiana, per quanto sottodimensionata,

dimostra notevole vitalità anche a livello europeo in

questo settore Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 36

FINE


Documents

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