la modellistica numerica nell’oceanografia: quale futuro? filele equazioni di base derivano dai...
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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
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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
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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’
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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
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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
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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
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Le equazioni GFD per l’oceano
Conservazione
della massa
Conservazione
dell’energia
Conservazione
della momento
Equazione di stato
dell’acqua di mare
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 22
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)
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 23
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
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(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.
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 26
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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 27
Oceanografia Operativa:
Prodotti GNOO
Prodotti osservativi
Prodotti da simulazioni
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 28
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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 29
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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 31
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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 32
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
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 33
The BFM Consortium
Napoli 17-21 Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 34
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
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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