Spunti per soluzioni operative e applicazioni dal mare aperto alla costa

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 Mare Dip. di Idraulica, Strade, Ambiente e Chimica Associato CNR-ISMAR Secondo Convegno Nazionale di Oceanografia Operativa Cesenatico, 27-28 maggio 2010

2. Outline • Overview Sessione “Applicazioni – problemi e criticità” della prima riunione del GruppoModellisticadello GNOO • Problematiche legate allalineadiriva e possibilisoluzioni • Sviluppi in corso e futuri

3. 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.

5. Domini implementazioni SWAN:

18. Coupledbiogeochemicalfluxmodeling Nitrification Mineralization Water column NH4 NO3 Uptake Phytoplankton Grazing 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 Zooplankton Chlorophyll Mortality Large detritus A single class for phytoplankton and zooplankton is considered (while detritus is divided in a large class and a small one) Susp. particles Nitrification N2 NH4 NO3 Denitrification Aerobic mineralization Organic matter Sediment Modified from Fennel et al. (2006)

19. wind 10 m • Mean sea level pressure • Air temperature 2m • Relative humidity • Cloud cover • Precipitation • Short-wave radiation LAMI(3h)‏ 48 rivers (as nutrient and mass sources)‏ Daily runoff: climatological (Raicich,1996) or measured in real time (Po river)‏ Full ABL 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. Model set-up: boundary condition Output atmosphericmodel COSMO-I7 (every 3h)

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

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

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

23. Situazione attuale • Le previsioni a 72 h dell’ossigenodisciolto e dellealtrevariabilifisiche e biogeochimichesonodisponibili per il Decision Supporting System gestitodalComunedi Rimini, oltreche per ISMAR e ARPA-EMR-SIMC; • ilsistema è operativoda 2 annisenzanecessitareinterventi e senzamostrarepeggioramentidella skill • gli output sonoutili per altristudi (omissiscausa 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 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.

26. 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 al contorno idrodinamiche di riva - 1 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. Condizioni al contorno idrodinamiche di riva - 2 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. Condizioni al contorno idrodinamiche di riva – 3 Il Modello Integrale Si integrano le Nonlinear Shallow Water Equations sulla regione di battigia x C+ R+ xs 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.: C+ R+ xl C- t

29. Condizioni al contorno idrodinamiche di riva – 4 La Media sulle onde 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 si ottiene analiticamente un primo fondamentale risultato 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.

30. L’evoluzione di un fondale incoerente – Le condizioni morfodinamiche di riva 1 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: 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. L’evoluzione di un fondale incoerente – Le condizioni morfodinamiche di riva 2 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 run-down (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.

32. 32

33. 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 (500m)

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

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. COAST SCALE 0.2 KM 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 36