Analisi di parametri meteomarini per studi energetici e ... - CNR

Analisi di parametri meteomarini per studi
energetici e morfodinamici di lungo periodo
C. Brandini, A. Orlandi, A. Ortolani, G. Giuliani, B. Gozzini
Istituto di Biometeorologia, CNR, Firenze, Italia
brandini@lamma.rete.toscana.it
SOMMARIO: L’elaborazione degli spettri di energia prodotti dai modelli correntemente usati per le previsioni/analisi
del moto ondoso, archiviati al più alto livello di risoluzione disponibile, permette di conservare
la traccia del complesso di generazione e propagazione delle onde energeticamente più significative,
utile sia negli studi di evoluzione climatica, sia nella costruzione di dati di input o forzanti per i modelli
di scala locale e costiera. Gli effetti dei cambiamenti climatici indotti, in questo caso, da variazioni nel regime
anemologico, possono essere studiati attraverso l’evoluzione della traccia spettrale di un numero
eventualmente molto grande di eventi, opportunamente combinati tra loro, per applicazioni di morfodinamica
costiera o per lo studio di particolari dinamiche biologiche.
1 IL PROBLEMA SCIENTIFICO
1.1 Cambiamenti climatici e moto ondoso
In anni recenti un crescente numero di studi sui
cambiamenti climatici si è concentrato sul problema
dell’innalzamento del livello medio marino,
a causa dello scioglimento dei ghiacci polari,
con conseguenze drammatiche per molte
aree costiere. Nell’area Mediterranea tuttavia,
le reti di misurazione del livello medio marino
non evidenziano, almeno fino ad oggi, un trend
di crescita significativamente diverso dal periodo
precedente. Ciononostante appare preoccupante
l’avanzamento del mare in molti tratti,
a causa di processi erosivi. Le cause di quest’erosione
sono molteplici, spesso di origine
antropica, in parte valutabili come conseguenza
diretta o indiretta dei cambiamenti climatici
(la diminuzione degli apporti solidi fluviali
non è, ad esempio, solo dovuta alla politica di
uso del territorio, ma anche alla riduzione delle
portate fluviali e degli eventi di piena).
È lecito attendersi che l’innalzamento del livello
medio marino produrrà cambiamenti geomorfodinamici
che stabiliranno nuove condizioni
di equilibrio (eventualmente in rapido cambiamento)
tra le caratteristiche morfologiche,
geologiche e idrodinamiche delle coste. Tuttavia
le proiezioni future riguardanti i profili di
costa sommersi, si limitano a stabilire l’intersezione
del futuro livello medio marino col profilo
attuale della linea di riva senza tener conto di
questa risposta (morfodinamica) dei litorali.
L’elemento chiave per la caratterizzazione
dell’idrodinamica costiera (e quindi della
morfodinamica) consiste nella valutazione del
flusso di energia ondosa, che investe la costa e
ha un carattere strettamente locale. Le implicazioni
legate alla dinamica del flusso di energia
ondosa, non si manifestano solo nei processi
di trasporto solido, ma anche nel campo
dei fenomeni biologici. L’interrelazione tra sedimenti
sospesi e dinamiche biogeochimiche,
o lo sviluppo abnorme di talune specie algali
dannose, ad esempio, possono essere correlate
all’incremento o all’indebolimento di meccanismi
di turbolenza idrodinamica, dipendenti
dal flusso di energia ondosa e quindi da
variazioni del regime anemologico.
Lo sviluppo della modellistica atmosferica e
di moto ondoso permette oggi di avere a disposizione
un crescente numero di dati meteomarini,
e di ricostruire gli eventi significativi
prodotti negli ultimi decenni. Questa informazione
è di elevata risoluzione e permette di disporre
di dati di informazione che, una volta
validati, possono essere elaborati per applicazioni
ambientali.
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
1.2 Il flusso dell’energia d’onda
L’idrodinamica costiera è dominata da fenomeni
di circolazione nei quali il moto ondoso
gioca un ruolo dominante.
Molte quantità caratteristiche delle condizioni
del mare dipendono in modo non lineare
dall’altezza d’onda incidente. Ad esempio, dipendono
dal quadrato dell’altezza d’onda: il
cosiddetto radiation stress (tensione di radiazione)
che determina, tramite i suoi gradienti
spaziali, il set-up d’onda, le correnti litoranee,
le rip currents, le celle di circolazione; la turbolenza,
che può essere correlata al rateo locale
di dissipazione dell’energia ondosa; il
trasporto solido (prevalentemente in sospensione,
ma spesso espresso nella forma di trasporto
totale) che dipende dal flusso di energia
entrante nella zona dei frangenti; il trasporto
di massa superficiale (Stokes drift) che
dà un contributo non trascurabile al moto di
particelle flottanti.
Nella determinazione delle quantità sopra descritte,
e in molte applicazioni, appare limitativo,
se non sbagliato, fare riferimento a parametri
di moto ondoso ottenuti attraverso l’elaborazione
statistica di dati già espressi in
forma sintetica (altezza d’onda significativa
H s , periodo di picco T p , direzione media D m ).
L’elaborazione di questi dati è fonte di una
notevole perdita di informazione, non permette
di evidenziare regimi distinti (che spesso
si sovrappongono) e non consente di esaminare
le forzanti locali che costituiscono le
condizioni al contorno per i modelli di propagazione
delle onde, di trasporto solido, di dinamica
biogeochimica.
2 ATTIVITÀ DI RICERCA
2.1 Sistemi di analisi e previsione delle onde
I sistemi previsionali e di analisi, basati su
modelli numerici per il calcolo del moto ondoso
e delle correnti marine dalle scale di bacino
alle scale regionali e costiere, hanno acquisito
un discreto grado di affidabilità. I dati
prodotti da questi sistemi possono oggi essere
utilizzati per propagare a costa, e al livello
di dettaglio desiderato, le condizioni iniziali,
i dati al contorno e le forzanti per specifici
modelli di dettaglio, che descrivono le caratteristiche
idrodinamiche della fascia costiera
e il trasporto solido.
Presso il laboratorio LaMMA del CNR Ibimet
è attivo un sistema di previsioni/analisi meteomarine,
le cui componenti fondamentali
sono:
- un modello meteorologico a mesoscala, a
fisica completa, in grado di fornire tutte le
forzanti atmosferiche ai modelli marini
(WRF); il modello operativo viene inizializzato
4 volte al giorno utilizzando i dati di
analisi dei modelli a scala globale NCEP ed
ECMWF con risoluzione spaziale di 10 km
sull'intero bacino del Mediterraneo, al fine
di ottenere previsioni ad alta affidabilità per
l’inizializzazione di modelli marini;
- un modello non stazionario di previsione
del moto ondoso in acque profonde, che descrive
i processi di generazione, propagazione
e trasformazione del moto ondoso
(WW3); Il modello è operativo presso il
LaMMA con una risoluzione media di
10 Km su tutta l’area mediterranea, e di circa
2 Km sull’area regionale toscana.
2.2 L’elaborazione delle informazioni acquisite
Le quantità legate al flusso di energia ondosa
che investe un dato tratto di costa, quali il trasporto
solido totale, sono espresse in funzione
del quadrato dell’altezza d’onda incidente,
ad esempio si può porre
P =
2
i
kH i
sin(2θ
)
(1)
La quantità sopra descritta si riferisce al rateo
di trasporto solido e va quindi moltiplicata
per l’intervallo di tempo Ät i nel quale si assumono
approssimativamente costanti le caratteristiche
di un certo stato di mare. Quest’ultimo
è descritto nella maniera più appropriata
attraverso spettri direzionali di energia S(f,θ),
che sono le tipiche variabili utilizzate all’interno
dei modelli di propagazione del moto
ondoso. L’altezza d’onda significativa, ottenuta
a partire dallo spettro, è data da:
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Impatti dei cambiamenti climatici
H m
= 4 m
0
0
dove m 0 è calcolato attraverso la relazione:
2π
∞
m = ∫∫ S ( f , θ dfdθ
0
)
0 0
(2)
(3)
Agli effetti del trasporto solido prodotto dalla
totalità degli stati di mare analizzati si possono
definire un’altezza e una direzione d’onda
i cui effetti, in termini di flusso di energia sono,
nel periodo considerato, equivalenti a
quelli prodotti dalla somma dei flussi relativi
al clima meteomarino.
∑
i
2
2
kH sin(2θ
) ⋅ ∆t
= kH sin(2θ
)
i
i
i
∑
∆t
(4)
Chiaramente i singoli eventi in termini di altezza
d’onda e direzione possono essere analizzati
in termini degli spettri di moto ondoso
a partire dai quali sono stati elaborati. Questa
informazione non è quasi mai disponile, in
forma economica, a meno di non utilizzare i
dati prodotti dai modelli di propagazione del
moto ondoso (ad esempio, uno tra WAM,
WW3, SWAN ).
Le singole componenti dello spettro energeticamente
“equivalente” possono essere calcolate.
Con facili passaggi si ottiene
S
∑
S
jk
eq.
i
jk
=
∑
i
m
i
m
sin(2θ
) ⋅ ∆t
sin(2θ
) ⋅ ∆t
i
i
m
i
(5)
Estendendo la sommatoria ai soli eventi energeticamente
significativi (con un criterio sopra
soglia) si ottiene così uno spettro equivalente,
dal punto di vista degli effetti energetici
e morfodinamici, agli spettri prodotti dagli
stati di mare energeticamente più significativi.
Il vantaggio è che le caratteristiche dello spettro
così definito possono essere utilizzate per
modelli di dettaglio (dove è necessario specificare
le componenti spettrali che generano
uno stato di mare), oltre che per evidenziare i
regimi di moto ondoso prevalenti o più significativi.
Gli spettri così elaborati permettono
inoltre di evidenziare la traccia degli eventi
che danno il maggior contributo al flusso di
energia che impatta una regione costiera.
3 RISULTATI RILEVANTI
Esempi di contenuto spettrale, elaborati a partire
dai dati del sistema WRF-WW3, e riferiti
a un periodo di due anni (2005- 2006) sono riportati
nelle Figure 1 e 2. La Figura 1 si riferisce,
in particolare, all’elaborazione statistica
di un punto in prossimità di Marina di
Massa. Lo spettro risultante deriva dall’analisi
dei soli eventi ritenuti significativi (H s >
1m). La forma di questo spettro è molto simile
a quella caratteristica di un singolo evento,
a parte per un maggiore spreading angolare e
in frequenza, ed evidenzia come nettamente
prevalenti, ai fini della determinazione del
trasporto litoraneo, le direzioni comprese tra
30°N e 60°N (in convenzione oceanografica).
Figura 1: Combinazione degli spettri d’energia per Marina
di Massa.
Figura 2: Combinazione degli spettri d’energia per Follonica.
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Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR
Questo spettro corrisponde a uno stato di mare
“virtuale” di altezza significativa pari a
circa 2 m, e direzione 38°N.
Lo spettro rappresentato in Figura 2 è invece
relativo a un punto all’interno del Golfo di
Follonica, per il quale si evidenzia la presenza
di due distinti picchi di energia, di cui uno
prevalente con direzione intorno a 20°N (verso
NNE), e uno meno marcato proveniente
dalle direzioni tra 70°N e 80°N (verso ENE).
L’applicazione di un semplice modello a raggi
- basato su una procedura lineare di ray
tracing - all’area del Golfo di Follonica evidenzia
come questi due picchi corrispondano
effettivamente a due diversi settori (A e B) fisicamente
separati dalla presenza dell’Isola
d’Elba (Fig. 3). Lo stato di mare equivalente
ha un’altezza d’onda significativa di circa
1,4 m e una direzione di circa 25°N, ma è
chiaro come una rappresentazione dello stato
di mare in termini di quantità statistiche mediate
(quali altezza d’onda significativa e direzione
media) non permette di analizzare situazioni
complesse che possono subire, nel
lungo periodo, cambiamenti nel regime del
vento e del moto ondoso.
4CONCLUSIONI
Figura 3: Individuazione dei settori di provenienza delle
onde tramite ray tracing: Golfo di Follonica.
L’utilizzo dei dati spettrali opportunamente
elaborati permette di rappresentare le onde
nella fascia costiera, e quindi processi quali il
trasporto solido o gli effetti della turbolenza litoranea
che possono avere un impatto anche
nelle dinamiche biologiche. Gli effetti di cambiamenti
climatici (indotti da variazioni nel
regime anemologico) possono essere di immediata
individuazione tramite la traccia spettrale
di più eventi combinati tra loro lungo intervalli
di tempo piuttosto lunghi per i quali
siano disponibili le informazioni elaborate da
modelli di propagazione del moto ondoso.
5PROSPETTIVE FUTURE
Il trasferimento delle informazioni elaborate
dai modelli previsionali alle scale costiere tramite
l’elaborazione spettrale è del più grande
interesse per la costruzione di sistemi di monitoraggio
innovativi a costi sostenibili e di
buona affidabilità.
6BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
Fredsoe J., Deigaard R., 1994. Mechanics of
Coastal Sediment Transport. World Scientific.
IPCC 2001. Climate change 2001: the scientific
basis.
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