Modellistica oceanografica
Mar Nero
CNR-ISMAR mette in campo le potenzialità del modello SHYFEM in prototipi di catene operative che integrino il continuum terra-mare. Le applicazioni spaziano dall’idrodinamica, al trasporto di sedimenti, alla biogeochimica e al trasporto di plastica.
Le prime applicazioni modellistiche di CNR-ISMAR in Mar Nero hanno avuto come focus la costa ovest del Mar Nero Il modello utilizzato è SHYFEM, creato e sviluppato presso CNR-ISMAR.
La collaborazione con le istituzioni scientifiche del Mar Nero ha permesso anche successivi sviluppi, sia in direzione dell’operatività che all’indagine di processo CNR-ISMAR è attualmente impegnato nello sviluppo e applicazione di modelli numerici integrati (con studi di processo tramite catene di modelli dal bacino scolante alla costa e all’open ocean, accoppiando idrodinamica e onde, trasporto di sedimenti, biogeochimica e trasporto di plastica) e prototipi di catene modellistiche operative che integrino il continuum terra-mare; la modellistica in Mar Nero contribuisce al più ambizioso concetto di SoS (System of Systems) dove dati misurati da remote sensing e in-situ measurements sono integrati con dati da modelli, ed arricchiranno in futuro l’offerta di dati per i vari sistemi nazionali del Mar Nero.
Bajo M., Ferrarin C., Dinu I., Umgiesser G., Stanica A. M. Bajo, C. Ferrarin, I. Dinu, G. Umgiesser, A. Stanica The water circulation near the Danube Delta and the Romanian coast modelled with finite elements Continental Shelf Research, 78 (2014), pp. 62-74 DOI: 10.1016/j.csr.2014.02.006.
DINU, I., UMGIESSER, G., BAJO, M., PASCALIS, F. D., STĂNICĂ, A., POP, C., DIMITRIU, R., NICHERSU, I., & CONSTANTINESCU, A. (2016). MODELLING OF THE RESPONSE OF THE RAZELM-SINOE LAGOON SYSTEM TO PHYSICAL FORCING.
Mar Adriatico
La comprensione e la previsione dei processi oceanografici e costieri del Mar Adriatico sono affrontati da ISMAR attraverso lo sviluppo e l’implementazione di diverse tipologie di modelli numerici numerici a diverse scale spaziali e temporali.
Il Mar Adriatico è un sottobacino del Mar Mediterraneo particolarmente esposto agli impatti antropici e alle conseguenze del cambiamento climatico. Lo studio dei suoi processi e delle sue dinamiche è quindi molto importante non solo da un punto di vista puramente scientifico e ambientale ma anche per la gestione e pianificazione dell’ambiente marino.
ISMAR utilizza diversi modelli e implementazioni per fornire previsioni (link) e studiare processi oceanografici come plume fluviali (in particolare del fiume Po), evoluzione e morfodinamica costiera, dispersione di inquinanti disciolti e particellati (micro- e macro-plastiche) ed impatti dei cambiamenti climatici. I principali modelli utilizzati sono il modello a griglia non strutturata SHYFEM (sviluppato internamente da ISMAr, link), il Regional Ocean Modelling System (ROMS), e diversi modelli di trasporto lagrangiano.
Mar Ligure (sistema LIME)
LIME è una catena di modelli oceanografici in modalità hindcast. La catena è composta da tre modelli (LIME-ROMS, LIMEgcm e LIME-D3D) di risoluzione crescente (1.2km, 300m, 50m), che coprono rispettivamente: il mar Ligure e l’alto Tirreno, le coste liguri e la zona delle Cinque Terre e di La Spezia.
LIME è una catena di modelli oceanografici che simula la dinamica del bacino Ligure. La catena è composta da tre modelli di risoluzione crescente basati su tre diversi core idrodinamici. Il primo è LIME-ROMS, basato sul software idrodinamico ROMS e risolve ad una risoluzione di 1.2 km il mar Ligure e l’alto Tirreno. LIMEgcm ha una risoluzione di 300m, risolve la dinamica della costa Ligure ed è basato sul software idrodinamico dell’MITgcm. La catena si conclude con il modello, LIME-D3D, che simula la zona antistante le Cinque Terre e il porto di La Spezia ad una risoluzione di 50m utilizzando il software Delft3D. La catena modellistica simula in modalità hindcast.
La scelta di tre diversi software idrodinamici permette di sfruttare le caratteristiche dei vari modelli a seconda della scala selezionata. Ad esempio, il modello LIMEgcm permette di sfruttare le potenzialità non-idrostatiche dell’MITgcm per valutare l’importanza dei moti verticali nelle zone costiere. I tre modelli sono anche utilizzati per effettuare simulazioni lagrangiane utili in applicazioni biologiche e per la dispersione di inquinanti.
Nord Atlantico e Artico
Le variazioni della circolazione nell’Oceano Atlantico settentrionale hanno implicazioni fondamentali sul clima del Mediterraneo. L’ISMAR dedica sforzi significativi alla comprensione della circolazione oceanica multi-scala interconnessa nell’Oceano Atlantico settentrionale, nell’Oceano Artico e nel Mar Mediterraneo attraverso attività di modellistica nell’area.
ISMAR ha implementato il modello oceanico NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean), accoppiato al modello multi-categoria SI3 per i ghiacci marini, sull’area che copre il Nord Atlantico e Artico da circa 26°N nell’Atlantico allo Stretto di Bering, includendo il Mar Mediterraneo.
Il modello gira a diverse risoluzioni spaziali (1/4°, 1/12° e 1/36°) e 75 livelli verticali, e viene utilizzato principlamente per studiare l’impatto degli eddies di mesoscala sulla redistribuzione meridionale del calore, l’impatto della risoluzione spaziale dei modelli numerici sulla popolazione di eddies e sui bilanci energetici locali.
Oceano globale
La comprensione delle cause e degli impatti dei recenti cambiamenti climatici sull’oceano globale e sulla circolazione di larga scala richiede l’uso di modelli numerici avanzati. Le configurazioni globali del modello oceanico NEMO vengono utilizzate da ISMAR per indagini orientate al clima.
Per rispondere a domande fondamentali sulle cause e sull’impatto dei cambiamenti climatici sull’oceano globale e sulla circolazione di larga scala, sono necessari modelli numerici all’avanguardia per supportare indagini orientate ai processi climatici.
Per tali studi, ISMAR utilizza il modello oceanico NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean, accoppiato al modello multi-categoria SI3 per i ghiacci marini. NEMO è implementato su una griglia tripolare globale (ORCA) con risoluzioni orizzontali eddy-poor (1°) e eddy-permitting (1/4°) e 75 livelli verticali. Queste configurazioni vengono girate su periodi pluridecennali per analizzare le variazioni temporali del contenuto di calore oceanico globale e regionale e della circolazione termoalina, per distinguere l’effetto di diverse fonti di incertezza (ad esempio, forzanti atmosferici, parametrizzazioni fisiche, ecc.) sulla rappresentazione dei proxy climatici, per formulare schemi fisici stocastici che forniscano una rappresentazione probabilistica dei cambiamenti climatici e per sviluppare ricostruzioni centennali del clima oceanico globale anche attraverso l’uso di osservazioni oceaniche, come per esempio nelle rianalisi oceanografiche CIGAR (Cnr Ismar Global historicAl Reanalysis).
Modellistica lagrangiana (LAgrangian Variational Analysis LAVA)
LAVA è un software open-source per combinare diversi tipi di dati oceanografici (“data fusion o data blending”) estremamente utile per la gestione delle emergenze in mare come, ad esempio, nel caso di sversamenti di idrocarburi e di operazioni di ricerca e soccorso.
LAVA è stato sviluppato dal CNR-ISMAR insieme alle Università di Tolone e di Miami. LAVA fornisce una fusione ottimale delle informazioni sulla velocità e direzione delle correnti marine provenienti da diversi tipi di strumenti oceanografici. L’approccio è Lagrangiano e variazionale, richiedendo la minimizzazione della distanza tra le posizioni Lagrangiane osservate e quelle ottenute integrando numericamente un campo Euleriano. La Figura mostra un esempio specifico di applicazione del software LAVA alle velocità misurate da radar costieri. Integrando i dati di velocità originali dei radar si ottengono delle traiettorie (in verde nel riquadro a sinistra) che divergono da quelle osservate dai drifter (in nero). Considerando altri drifter presenti in zona e applicando LAVA, le velocità vengono corrette localmente e questo consente di avvicinare le nuove traiettorie (in viola nel riquadro a destra) a quelle osservate dai drifter. Il miglioramento è importante dal punto di vista pratico e operativo: le stime più precise delle traiettorie ottenute con LAVA riducono considerevolmente l’incertezza del raggio delle operazioni sia di ricerca sia nel caso di sversamenti di idrocarburi.