ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΑΙΓΑΙΟΥ ΠΕΛΑΓΟΥΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ELCOM

Transcript

1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΑΙΓΑΙΟΥ ΠΕΛΑΓΟΥΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ELCOM Κόκκος Ν., Συλαίος Γ. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής & Τεχνολογίας, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πολυτεχνική Σχολή, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Ξάνθη, Περίληψη Παρουσιάζεται η περιγραφή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στο Βόρειο Αιγαίο λόγω της εισροής σε αυτό του υφάλμυρου επιφανειακού πλουμίου του Νερού της Μαύρης Θάλασσας διαμέσου του στενού των Δαρδανελλίων. Η προσομοίωση γίνεται με την εφαρμογή του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μαθηματικού ομοιώματος κυκλοφορίας και ποιότητας νερού ELCOM. Το ομοίωμα δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού της τρισδιάστατης μεταφοράς και διάχυσης άλατος και θερμότητας στρωματοποιημένων υδάτινων σωμάτων, τα οποία υφίστανται εξωτερική περιβαλλοντική επίδραση. Για την εφαρμογή του ομοιώματος χρησιμοποιήθηκε κάνναβος χαμηλής ανάλυσης και λήφθηκε υπόψη η εισροή στο Β. Αιγαίο των υδάτων από το στενό των Δαρδανελλίων αλλά και τον ποταμών της Ελλάδας και της Τουρκίας. Τα αποτελέσματα του ομοιώματος βαθμονομήθηκαν και πιστοποιήθηκαν τόσο με υπάρχοντα δεδομένα πεδίου, καθώς και με δορυφορικά δεδομένα. Το βαθμονομημένο και πιστοποιημένο ομοίωμα θα χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή σεναρίων έντασης ανθρωπογενών και κλιματικών πιέσεων. Λέξεις κλειδιά: Υδροδυναμικό ομοίωμα, ELCOM, Βόρειο Αιγαίο, κυκλοφορία και μείξη. SIMULATION OF THE THREE-DIMENSIONAL HYDRODYNAMIC CIRCULATION IN NORTH AEGEAN SEA USING ELCOM MODEL. Kokkos N., Sylaios G. Laboratory of Ecological Engineering and Technology, Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi, Abstract This paper describes the hydrodynamic circulation in North Aegean Sea as a result of the mixing with the brakish, surface buoyand plume of the Black Sea Water exiting through the Dardanelles. The hydrodynamic circulation was simulated by applying the 3D hydrodynamic mathematic model ELCOM. The Estuary, Lake and Coastal Ocean Model (ELCOM) is a three-dimensional hydrodynamic model used for predicting the velocity, temperature and salinity distribution in natural water bodies subjected to external environmental forcing, such as wind stress and surface fluxes. The model domain of North Aegean was discretized into a low resolution grid in the horizontal direction, and variable vertical layers. Discharges from Dardanelles and the main rivers of Greece and Turkey were also considered. Observed (satellite and field data) and simulated temperature and salinity fields were compared to verify the quality of the model. The calibrated and verified model will be used to apply scenarios of anthropogenic and climatic pressures. Key Words: Hydrodynamic Model, ELCOM, North Aegean, water circulation and mixing. 1

2 1. Εισαγωγή Το Βόρειο Αιγαίο, αποτελεί τμήμα του Αιγαίου Πελάγους, μεταξύ της Ελληνικής χερσονήσου και της Τουρκικής ακτογραμμής, χαρακτηριζόμενο από εξαιρετικά σύνθετες βαθυμετρικές και υδροδυναμικές συνθήκες (Lykousis et al., 2002). Στη περιοχή κυριαρχεί η Τάφρος Βορείου Αιγαίου, μία μεγάλου βάθους και πλάτους τάφρος με ΒΑ-ΝΔ προσανατολισμό, η οποία περιλαμβάνει τη Λεκάνη της N. Λήμνου (στα ΒΑ με μέγιστο βάθος μ), τη Λεκάνη του Άθω (στο κέντρο με μέγιστο βάθος μ) και τη Λεκάνη των Βορείων Σποράδων (στα ΝΔ με μέγιστο βάθος μ). Μία σειρά ρηχών υφάλων διαχωρίζει αυτές τις λεκάνες από τη Λεκάνη της Σκύρου (στα νότια με μέγιστο βάθος μ) και από τη Λεκάνη της Χίου (στα δυτικά και νότια της Νήσου, με μέγιστο βάθος μ) (Velaoras & Laskaratos, 2005). Η παράκτια μορφολογία αποτελείται από σειρά ημίκλειστων κόλπων, όπως ο Κόλπος Αλεξανδρούπολης, ο Κόλπος Καβάλας, ο Στρυμονικός Κόλπος στα βόρεια, ο Θερμαϊκός Κόλπος στα βορειο-δυτικά και ο Βόρειος Ευβοϊκός Κόλπος στα δυτικά. Το Θρακικό Πέλαγος αποτελεί τη μεγάλου πλάτους υφαλοκρηπίδα ευρισκόμενη στο βόρειο όριο του Αιγαίου Πελάγους. Η πιο χαρακτηριστική υδρογραφική δομή της περιοχής είναι η είσοδος του χαμηλής αλατότητας (29-34), πλούσιου σε θρεπτικά άλατα Νερού της Μαύρης Θάλασσας (BSW), το οποίο καταλαμβάνει τα πρώτα μ της επιφάνειας της υδάτινης στήλης. Το Νερό της Μαύρης Θάλασσας εξερχόμενο από τα Στενά των Δαρδανελλίων ακολουθεί κυκλωνική πορεία (Ovchinikov, 1966), με αποκλινόμενους βραχίονες προς το πλατό της Σαμοθράκης και το πλατό του Θερμαϊκού (Ünlüata et al., 1990; Latif et al., 1991). Το Βόρειο Αιγαίο εμφανίζεται να δέχεται την επίδραση του BSW κατά την άνοιξη και το καλοκαίρι (Απρίλιος έως Ιούλιος), όταν οι μέσες παροχές εκροής από τα Στενά των Δαρδανελλίων προσεγγίζουν τα m 3 /s, ανταποκρινόμενες στις αντίστοιχα αυξημένες ποτάμιες απορροές της Μαύρης Θάλασσας (Oguz & Sur, 1989; Yüce, 1995). Η κύρια ανεμογενής κυκλοφορία καθορίζει εποχιακά τη πορεία του BSW στο Βόρειο Αιγαίο (Vlasenko et al., 1996). Το καλοκαίρι, η κύρια ροή κινείται νοτιο-δυτικά, υπό την επίδραση των βορειο-ανατολικών ανέμων (Μελτέμια), με τη κύρια μάζα του να συγκεντρώνεται νότια της Νήσου Λήμνου (Poulos et al., 1997). Το αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός μιας καλά καθορισμένης μετωπικής ζώνης διαχωρισμού του Νερού Μαύρης Θάλασσας και του αυξημένης αλατότητας ( ) Ενδιάμεσου Νερού Λεβαντίνης (LIW) προερχόμενο από το Κρητικό Πέλαγος (Ivanov et al., 1989; Zodiatis et al., 1996). Επιπλέον, ένα σημαντικό τμήμα της ροής κινείται βόρεια της Νήσου Λήμνου (Theocharis & Georgopoulos, 1993; Vlasenko et al., 1996; Zervakis & Georgopoulos, 2002). Το χειμώνα το BSW κινείται δυτικά, κυρίως κατά μήκος της ακτογραμμής της Λήμνου, όπου διαχωρίζεται σε μία βορειο-δυτική και μία νοτιο-δυτική ροή, υπό την επίδραση των βόρειων ισχυρών ανέμων. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι α) η μελέτη της δυναμικής του πλουμίου της Μαύρης Θάλασσας και της κίνησής του σε μία τοπογραφικά σύνθετη περιοχή, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην επίδραση της κυκλοφορίας αυτής στο Θρακικό Πέλαγος, β) η διερεύνηση της εποχιακής και υπερετήσιας μεταβλητότητας της κίνησης του πλουμίου σε συσχέτιση με παράγοντες όπως η παροχή του BSW, η ανεμογενής επίδραση και η τοπογραφία, με ειδική αναφορά στις υδροδυναμικές δομές και κινήσεις στη περιοχή του Θρακικού Πελάγους, και γ) η παροχή οριακών συνθηκών για την εφαρμογή διασυνδεδεμένου ομοιώματος υψηλής ανάλυσης του Θρακικού Πελάγους. 2

3 Οι περισσότερες έως σήμερα μελέτες προσομοίωσης της κυκλοφορίας στο Βόρειο Αιγαίο αφορούν κυρίως το υδροδυναμικό ομοίωμα POM, το οποίο εφαρμόσθηκε σε υπολογιστικούς καννάβους διαφορετικών επιπέδων ανάλυσης και με διαφορετικές προσεγγίσεις στις οριακές συνθήκες εκροής του BSW. Οι Korres et al., 2002 και οι Kourafalou and Barbopoulos, 2003 προσομοίωσαν την υδροδυναμική κυκλοφορία χρησιμοποιώντας ως παροχή εισροής, αντί για την παροχή υφάλμυρου νερού του άνω στρώματος, το καθαρό μηνιαίο υδάτινο ισοζύγιο εισροήςεκροής, με μέση μηνιαία παροχή που κυμαινόταν από m 3 /s κατά το μήνα Δεκέμβριο έως m 3 /s κατά το μήνα Ιούνιο. Οι Kourafalou and Tsiaras, 2007 χρησιμοποίησαν το POM σε κάνναβο 1,6 x 1,6 km και συμπεριέλαβαν την εκροή των νερών του Βορείου Αιγαίου στο κάτω στρώμα των Στενών των Δαρδανελλίων. Οι Tzali et al., 2010 επίσης χρησιμοποίησαν το POM και πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων διαφορετικής εκροής από τα Δαρδανέλλια. Ένα διαφορετικό ομοίωμα εφαρμόστηκε στο Β. Αιγαίο από τους Konidaris et al., 2008, χρησιμοποιώντας σταθερή παροχή εισροής του BSW ίση με m 3 /sec καθώς και σταθερή στον χρόνο αλατότητα και θερμοκρασία. Στη παρούσα εργασία γίνεται χρήση του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μαθηματικού ομοιώματος ELCOM σε λεπτομερέστερο οριζόντιο κάνναβο 1x1km λαμβάνοντας υπόψη τις εποχιακές διακυμάνσεις τόσο στην παροχή της εκροή των Δαρδανελλίων όσο και στην αλατότητα και θερμοκρασία αλλά και την εισροή των νερών υψηλής αλατότητας από την Θάλασσα της Λεβαντίνης και γίνεται η πιστοποίηση των αποτελεσμάτων με δορυφορικά δεδομένα σε ημερήσια βάση. 2. Εφαρμογή μαθηματικού ομοιώματος ELCOM Το ομοίωμα ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), έχει αναπτυχθεί στο Center for Water Research του Πανεπιστημίου της Δυτικής Αυστραλίας (Hodges and Dallimore, 2006) και επιλύει τις χρονικά μεταβαλλόμενες εξισώσεις Navier-Stokes με τη χρήση μέσων Reynolds τιμών, καθώς και τις εξισώσεις μεταφοράς και διάχυσης με τη χρήση της προσέγγισης Boussinesq, μηδενίζοντας τους μη-υδροστατικούς όρους πίεσης. Η αριθμητική προσέγγιση εφαρμόζει ένα ημι-πεπλεγμένο σχήμα πεπερασμένων όγκων, σε ένα κάνναβο τύπου Arakawa C για την εφαρμογή λύσης τύπου TRIM (Casuli & Change, 1992). Το ομοίωμα ELCOM έχει χρησιμοποιηθεί σε ένα σημαντικό αριθμό ερευνών, σχετικών με την προσομοίωση των υδροδυναμικών συνθηκών σε ποτάμια, λίμνες και εκβολές, είτε αυτόνομα (Alosairi et al., 2011) είτε σε συνδυασμό με το οικολογικό ομοίωμα CAEDYM (Robson and Hamilton, 2004; Romero et al., 2004; Spillman et al., 2007; Leon et al., 2011) Διακριτοποίηση Περιοχή Μελέτης Η βαθυμετρία της περιοχής ψηφιοποιήθηκε με την χρήση του Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών Mapinfo v.10 από βαθυμετρικό χάρτη κλίμακας 1: Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε υπολογιστικό πλέγμα με τη χρήση της γεωγραφικής εφαρμογής Vertical Mapper, ικανή να δημιουργεί αρχεία καννάβου ή συνεχείς επιφάνειες πληροφορίας, χρησιμοποιώντας σημειακά δεδομένα και υπολογίζοντας τις τιμές των κελιών του καννάβου μεταξύ των γνωστών σημείων. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε γραμμική παρεμβολή των τιμών βάθους σε κάθε κελί του πλέγματος (Σχήμα 1). Για τη διακριτοποίηση του υπολογιστικού πεδίου χρησιμοποιήθηκε οριζόντιος κάνναβος ( κελιά) χαμηλής ανάλυσης 1 km 1 km (0,009 0,009 ), επιτρέποντας έτσι την ακριβή περιγραφή της πολύπλοκης βαθυμετρίας και τοπογραφίας της περιοχής μελέτης και την αναπαραγωγή των χαρακτηριστικών της κυκλοφορίας μικρής κλίμακας στη λεκάνη. Για τη 3

4 κατακόρυφη διακριτοποίηση δημιουργήθηκαν 20 στρώματα λογαριθμικά αυξανόμενου πάχους, από την επιφάνεια (πάχος 5 μ) έως το πυθμένα (πάχος 240 μ), δημιουργώντας στο σύνολο υπολογιστικά κελιά. Σχήμα 1: Περιοχή μελέτης όπως εισήχθηκε ως πλέγμα στο υδροδυναμικό ομοίωμα ELCOM Αρχικές και Οριακές Συνθήκες Ως αρχική συνθήκη στο περιβάλλον νερό επιλέχθηκε αλατότητα 38 psu και θερμοκρασία 10.0 C, οι οποίες ήταν κοινές για όλο το Β. Αιγαίο. Κατόπιν, στο ομοίωμα έγινε η εισαγωγή δεδομένων παροχής και θερμοκρασίας των ποταμών της Ελλάδας που εκρέουν στην περιοχή μελέτης (Αλιάκμονας, Αξιός, Έβρος, Γαλλικός, Νέστος, Πηνειός, Στρυμόνας) και της Τουρκίας (Bakircay, Gediz Nehri, Karamenderes) (Σχήμα 2) (Skoulikidis et al., 1998) για την ίδια χρονική περίοδο, θεωρώντας ως μηδενική την αλατότητα του νερού των ποταμών. Η σημαντικότερη ποσότητα υδάτων που εισρέουν στο Βόρειο Αιγαίο προέρχεται από τα Στενά των Δαρδανελίων. Για τη παρούσα προσομοίωση, η παροχή εισροής από τα Δαρδανέλλια θεωρήθηκε εποχιακά μεταβαλλόμενη, με μέση ετήσια τιμή m 3 /sec (ή km 3 /yr, Σχήμα 3), σύμφωνα με τα πειράματα των Tugrul et al., Η θερμοκρασία εισροής από τα Στενά των Δαρδανελλίων προήλθε από δορυφορικά δεδομένα επιφανειακής θερμοκρασίας της Θάλασσας του Μαρμαρά (MODIS), δημιουργώντας ένα επιφανειακό στρώμα πάχους 25 μέτρων (Skliris et al., 2007). Η αλατότητα της εισροής ακολούθησε εποχιακή διακύμανση με μέσο όρο 28,03 psu (Turkoglu, 2010). Στο νότιο όριο του υπολογιστικού πεδίου, εφαρμόστηκε παλιρροιακή διακύμανση καθώς και ανοικτή οριακή συνθήκη για τη παθητική εισροή ή εκροή νερού από το κάθε κελί, σύμφωνα με τις ανάγκες της ροής. Το όριο χωρίστηκε σε 2 τμήματα έτσι ώστε να προσομοιωθεί η είσοδος 4

5 των υδάτων υψηλότερης αλατότητας που προέρχονται από την Λεβαντίνη (Skliris and Lascaratos, 2004) με τιμή 39 psu σε όλη την στήλη του νερού. Κατά την εισροή από το ανοικτό όριο οι ιδιότητες του νερού ήταν διαφορετικές για τα 2 όρια καθώς ορίστηκε διαφορετική αλατότητα και θερμοκρασία. Σχήμα 2: Παροχή ποταμών της Ελλάδας (μαύρο) και της Τουρκίας (κόκκινο). Εικ. 3: Ετήσια παροχή εισροής στο Βόρειο Αιγαίο από το στενό των Δαρδανελλίων. Χρησιμοποιήθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα στο ομοίωμα για μια περίοδο τριών ετών ( ) με χρονικό βήμα τριών ωρών, τα οποία προήρθαν από τον ιστότοπο της NOAA ARL ( και αφορούσαν την ένταση και διεύθυνση του ανέμου, την σχετική υγρασία, την νεφοκάλυψη, την ατμοσφαιρική πίεση, την ατμοσφαιρική θερμοκρασία, τη βροχόπτωση και το ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Το επίπεδο αναφοράς για τον άνεμο ήταν το ύψος των 10 μ από την μέση στάθμη της επιφάνειας της θάλασσας. Τα δεδομένα συγκρίθηκαν και διορθώθηκαν σύμφωνα με μετρήσεις πεδίου από το αεροδρόμιο της Λήμνου και εφαρμόστηκαν σε όλο το πεδίο μελέτης Περίοδος Εφαρμογής και Χρονικό Βήμα Η χρονική περίοδος για την οποία εφαρμόσθηκε το ομοίωμα ήταν τρία χρόνια, συγκεκριμένα τα έτη , με χρονικό βήμα 3 min. Το πρώτο έτος της προσομοίωσης (2005) χρησιμοποιήθηκε για να έλθει το σύστημα σε μια σταθερή κατάσταση και τα 5

6 αποτελέσματα του χρησιμοποιήθηκαν ως αρχικές συνθήκες για την προσομοίωση των δύο επόμενων ετών ( ), απ όπου παρουσιάζονται και τα παρακάτω αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, εξήχθησαν δεδομένα της θερμοκρασίας, του πεδίου ταχυτήτων, της αλατότητας και της εξέλιξης της ελεύθερης στάθμης της θάλασσας, με χρονικό βήμα 5 λεπτών. 3. Αποτελέσματα Το ομοίωμα αναπαράγει αρκετά καλά την υδροδυναμική κυκλοφορία στο Βόρειο Αιγαίο ευρισκόμενο σε σχετική συμφωνία με τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών (Zodiatis, 1994; Lykousis et al., 2002; Olson et al., 2007) (Σχήμα 4). Το Βόρειο Αιγαίο χαρακτηρίζεται από μια γενική κυκλωνική κυκλοφορία. Το χαμηλότερης αλατότητας και υψηλότερης θερμοκρασίας Νερό της Λεβαντίνης κινείται βόρεια κατά μήκος της ανατολικής ακτής της περιοχής μελέτης. Το κυριότερο υδρογραφικό χαρακτηριστικό είναι το μέτωπο που δημιουργείται νότια της Νήσου Ίμβρου, μεταξύ του χαμηλής αλατότητας Νερού της Μαύρης Θάλασσας (BSW) που εξέρχεται από το στενό των Δαρδανελλίων, και του επιφανειακού Νερού υψηλής αλατότητας που προέρχεται από τη Λεκάνη της Λεβαντίνης (LIW). Σχήμα 4: Προσομοίωση κυκλοφορίας στο Βόρειο Αιγαίο με τη χρήση του ELCOM, σε συμφωνία με την εργασία των Olson et al., 2007 (κόκκινα βέλη). (Στιγμιαίο πεδίο ταχυτήτων στις αρχές Μαρτίου του 2006). Η κίνηση των υδάτων της Μαύρης θάλασσας τα οποία εκρέουν από το Στενό των Δαρδανελλίων είναι ο σημαντικότερος παράγοντας στην θερμόαλη κυκλοφορία του Β. Αιγαίου. Το υφάλμυρο και χαμηλότερης θερμοκρασίας νερό διακλαδίζεται στη περιοχή της Ν. Λήμνου, δημιουργώντας ένα μόνιμο αντικυκλώνα περιστρεφόμενο γύρω από τη Ν. Σαμοθράκη στα βόρειο τμήμα του, ενώ το νότιο τμήμα κινείται δυτικά ως τις Σποράδες και τελικά εξέρχεται προς το Νότιο Αιγαίο διαμέσου του στενού Εύβοιας-Σκύρου (Σχήμα 4). Προς το τέλος της άνοιξης, η εκροή από τα Δαρδανέλλια, κορυφώνεται στα m 3 /s (Zervakis and Georgopoulos, 2000), προκαλώντας έντονη κυκλοφορία σε όλο τον όγκο της λεκάνης, με αποτέλεσμα την δημιουργία έντονου αντικυκλώνα στη περιοχή της Σαμοθράκης. Το φθινόπωρο λόγω της χαμηλής εκροής από το στενό των Δαρδανελλίων, η οποία γίνεται ελάχιστη στις αρχές Οκτωβρίου, ο αντικυκλώνας της Σαμοθράκης εμφανίζεται πιο αδύναμος και μερικές φορές ανύπαρκτος. Ο αντικυκλώνας αυτός έχει καταγραφεί σε όλες τις επιστημονικές εργασίες που αναφέρονται στην κυκλοφορία της 6

7 περιοχής, ενώ παράλληλα η ύπαρξη και η θέση του καταγράφεται συνεχώς από δορυφορικές παρατηρήσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας, της στάθμης και της συγκέντρωσης χλωροφύλλης (Sylaios, 2011). Ο αντικυκλώνας διακλαδίζεται και ο ένας κλάδος κινείται περιμετρικά της Ν. Ίμβρου και συνεισφέρει στα νερά που «εκβάλλουν» από τα Δαρδανέλλια προς τη Μεσόγειο (Olson et al., 2007). Στα νότια της χερσονήσου του Άθω και καθ όλη την διάρκεια της προσομοίωσης, η περιοχή χαρακτηρίζεται από μια αντι-κυκλωνική ροή που δημιουργείται από το μέτωπο που δημιουργούν τα χαμηλής αλατότητας και θερμοκρασίας Νερά της Μαύρης Θάλασσας τα οποία εισρέουν σε ένα θερμότερο και υψηλότερης αλατότητας περιβάλλον (Georgopoulos et al., 1992). Για τη βαθμονόμηση του ομοιώματος χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα (GHRSST) αλλά και δεδομένα μετρήσεων πεδίου επιφανειακής θερμοκρασίας και αλατότητας του έτους Όπως προκύπτει από το ομοίωμα η επιφανειακή κατανομή της θερμοκρασίας του Βορείου Αιγαίου και η εποχιακή της μεταβολή εξαρτάται από μια σειρά μετεωρολογικών παραγόντων (θερμοκρασία αέρα, πεδίο ανέμων, προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και βροχόπτωση) και ωκεανογραφικών παραγόντων (κυκλοφορία, εισροή/εκροή θαλάσσιων μαζών), ενώ τον κύριο ρόλο παίζει η θερμοκρασία αέρα (Σχήμα 6), με τις μεταβολές των δύο αυτών παραμέτρων να συμβαίνουν σχεδόν ταυτόχρονα (Βλαχάκης κ.ά., 1992). Σχήμα 5: Επιφανειακή θερμοκρασία στο Β. Αιγαίο στις 4/6/2006 από την προσομοίωση με το ELCOM Το Σχήμα 5 παρουσιάζει δεδομένα επιφανειακής θερμοκρασίας στις 4/6/2006. Είναι εμφανής η είσοδος των υδάτων χαμηλότερης θερμοκρασίας της Μαύρης Θάλασσας στα βορειοανατολικά της περιοχής, όπως και η συγκέντρωση υδάτων υψηλότερης θερμοκρασίας γύρω από την Χαλκιδική. Για την πιστοποίηση του ομοιώματος έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων του έτους 2007 με δορυφορικά δεδομένα προερχόμενα από το GHRSST (Group for High Resolution SST). Το GHRSST χρησιμοποιεί δεδομένα από σχεδόν το σύνολο των δορυφόρων που καταγράφουν την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας αλλά και δεδομένα θερμοκρασίας από μετρήσεις πεδίου για την περιοχή μελέτης και τα συνδυάζει σε μια πιο αξιόπιστη συνεχή Βάση Δεδομένων. Στο Σχήμα 6 παρουσιάζονται αποτελέσματα της ετήσιας μεταβολής της επιφανειακής θερμοκρασίας ενός από τους σταθμούς, ο οποίος βρίσκεται νότια της Ν. Λήμνου, σε σύγκριση με δορυφορικά δεδομένα. Σε συγκεκριμένες θέσεις του υπολογιστικού πεδίου παρήχθησαν αντίστοιχες συγκρίσεις μεταξύ των αποτελεσμάτων του ομοιώματος και των καταγραφών της 7

8 βάσης GHRSST, και υπολογίστηκαν στατιστικές παράμετροι όπως ο συντελεστής προσδιορισμού R 2, το μέσο τετραγωνικό σφάλμα RMSE και ο δείκτης συμφωνίας IA. Στον συγκεκριμένο σταθμό ο συντελεστής προσδιορισμού είχε τιμή 0,68, γεγονός που πιστοποιεί μια στατιστικά σημαντική συσχέτιση ενώ ο μέσος συντελεστής προσδιορισμού για το σύνολο των σταθμών είχε τιμή 0,60. Σχήμα 6: Ημερήσια μεταβολής της επιφανειακής θερμοκρασίας σε σταθμό νότια της Ν. Λήμνου. Αποτελέσματα προσομοίωσης (κόκκινο χρώμα), δορυφορικά δεδομένα (μπλε χρώμα), και θερμοκρασία αέρα (πράσινο χρώμα). Σχήμα 7: Επιφανειακή αλατότητα στο Βόρειο Αιγαίο στις αρχές Σεπτεμβρίου Επίσης από την εφαρμογή του ομοιώματος χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα επιφανειακής αλατότητας τόσο στο σύνολο της περιοχής όσο και σε συγκεκριμένους σταθμούς, για την σύγκρισή τους με δεδομένα πεδίου. Στο Σχήμα 7 είναι εμφανής η δημιουργία του μετώπου Νότια της Ίμβρου που δημιουργεί η είσοδος στο Β. Αιγαίο του Νερού της Μαύρης Θάλασσας. Αυτό φαίνεται να συμβαίνει κυρίως κατά την άνοιξη όπου η παροχή εισροής από το Στενό των Δαρδανελλίων είναι αρκετά μεγάλη. 4. Συμπεράσματα Όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα της εφαρμογής του ομοιώματος ELCOM η κυκλοφορία της περιοχής επηρεάζεται κυρίως από την εκροή των υδάτων της Μαύρης Θάλασσας 8

9 μέσω του Στενού των Δαρδανελλίων, ενώ σημαντική είναι η επίδραση των υδάτων της Θάλασσας της Λεβαντίνης. Νότια της N. Ίμβρου αναπτύσσεται ένα μέτωπο διαφορετικής επιφανειακής θερμοκρασίας λόγω της εισόδου των υδάτων της Μαύρης Θάλασσας. Νότια της N. Λήμνου δημιουργείται ένα μέτωπο διαφορετικής αλατότητας, λόγω της επίδρασης των υδάτων της Θάλασσας της Λεβαντίνης, τα οποία συγκλίνουν και βυθίζονται κάτω από το Νερό της Μαύρης Θάλασσας. Τα χαμηλής αλατότητας νερά της Μαύρης Θάλασσας κατά την διάρκεια του χειμώνα ρέουν προς τα δυτικά, με τον κύριο όγκο τους να κατευθύνεται βόρεια της Ν. Λήμνου, ενώ περιστασιακά ένα τμήμα τους διακλαδίζεται προς τα Νοτιοδυτικά του νησιού. Το καλοκαίρι ακολουθούν μια πορεία προς τα δυτικά κατευθυνόμενα προς τις ανατολικές ακτές της Ελλάδος. Η εκροή των ποταμών στην περιοχή δεν επιδρά σημαντικά στην κυκλοφορία παρά μόνο σε τοπικό επίπεδο. Σημαντική είναι επίσης η επίδραση των μετεωρολογικών παραγόντων της περιοχής μελέτης, καθώς τα επιφανειακά ρεύματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα του ανέμου. Γενικά, το ομοίωμα ELCOM κατά την εφαρμογή του, τείνει να υποεκτιμά την ταχύτητα των ρευμάτων. Οι διευθύνσεις, ωστόσο, που προκύπτουν από την προσομοίωση έχουν μικρές αποκλίσεις σε σχέση με αυτές που προέρχονται από τις απευθείας μετρήσεις. Το πιο πιθανό είναι η υποεκτίμηση αυτή να οφείλεται στο ότι το ομοίωμα δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση των μηυδροστατικών όρων πίεσης, οι οποίοι σε παράκτια περιοχή πολύπλοκης βαθυμετρίας όπως η περιοχή μελέτης είναι δυνατόν να είναι ιδιαίτερα σημαντικοί (Tseng et al., 2005). Η σύγκριση των παραγόμενων από το ομοίωμα αποτελεσμάτων με δορυφορικά δεδομένα αλλά και δεδομένα πεδίου έδωσε εποχιακά σχετικά μικρές αποκλίσεις. Προκύπτει τέλος ότι υπάρχει περαιτέρω δυνατότητα βελτίωσης, ειδικά με τη κατά το δυνατόν καλύτερη περιγραφή των οριακών συνθηκών. 5. Βιβλιογραφία Alosairi, Y., Imberger, J., Falconer, R., Mixing and flushing in the Persian Gulf (Arabian Gulf), Journal of Geophysical Research - Oceans, 116, C03029, doi: /2010jc Cassulli, V., Cheng, R.T., Semi-implicit finite difference methods for three-dimensional shallow water flow. Int. J. Numer. Meth. Fluids 25, Georgopoulos, D., Salusti, E., Theocharis, A., Dense water formation processes in the North Aegean Sea (Eastern Mediterranean). Ocean Modelling, issue 95: 4-6. Hatzigiannakis, S., Hydrology of Strymonikos Gulf watershed, (eds. E. Koutrakis and E. Lazaridou), Description of the Coastal Zone of Strymonikos and Ierissos Gulfs, Fisheries Research Institute-NAGREF, Greek Biotope/Wetland Centre, Nea Peramos, Kavala: 5 33 Hatzikonstantinou, Α., Αngelidis, P., Kotsovinos, Ν.Ε., Influence of incoming water from rivers and the Dardanelles Straits on the environmental condition of the Northern Aegean. Proceedings of 5th National Conference for the Environmental Technology, Athens Greece, February. Ivanov, V.A., Kovalenko, T.P., Nikolayenko, Ye.G., Structure and characteristics of fronts in the Mediterranean Sea in summer of 1986, Oceanology, 29, Konidaris, A., Georgoulas, A., Angelidis, P., Kotsovinos, N., Simulation of the Discharge of Brackish Waters from the Dardanelles into the North Aegean.International Conference: Studying, Modeling and Sense Making of Planet Earth, Mytilene, 1-6/6/2008, Lesvos, Greece. Korres, G., Lascaratos, A., Hatziapostolou E., Katsafados, P., Towards an Ocean Forecasting System for the Aegean Sea. The Global Atmosphere and Ocean System, Vol. 8, No. 2-3: Kourafalou, V.H., Barbopoulos, K.A., High resolution simulations on the North Aegean Sea seasonal circulation. Annales Geophysicae, 21(1): Kourafalou, V., Tsiaras, K., A nested circulation model for the North Aegean Sea, Ocean Sci., 3: Latif, M.A., Oğuz, T., Ünlüata, U., Observations of the Mediterranean inflow into the Black Sea. Deep-Sea Res 38(2):

10 Leon, L. F., Smith, R. E. H., Hipsey, M. R., Bocaniov, S. A., Higgins, S. N., Hecky, R. E., Application of a 3D hydrodynamic-biological model for seasonal and spatial dynamics of water quality and phytoplankton in lake erie. Journal of Great Lakes Research, 37(1), Lykousis, V., Chronis, G., Tselepidis, A., Price, N.B., Theocharis, A., Siokou-Frangou, I., Van Wambeke, F., Danovaro, R., Stavrakakis, S., Duineveld, G., Georgopoulos, D., Ignatiades, L., Souvermezoglou, A., Voutsinou-Taliadouri, F., Major outputs of the recent multidisciplinary biogeochemical researches undertaken in the Aegean Sea. J Mar Syst 33-34: Oğuz, T., Sur, HI., A two-layer model of water exchange through the Dardanelles Strait. Oceanology Acta 12: Olson, D.B., Kourafalou, V.H., Johns, W.E., Samuels, G., Veneziani, M., Aegean surface circulation from a satellitetracked drifter array. J Phys Oceanogr 37(7): Ovchinnikov, I.M., Circulation in the surface and Intermediate Layers of the Mediterranean. Oceanology, 6: Poulos, S., Drakopoulos, P., Collins, M., Seasonal fluctuations in sea surface temperature, water budgets and circulation patterns in the Aegean Sea (eastern Mediterranean): an overview. Journal of Marine Systems, 13(1-4): Robson, B.J. and Hamilton, D.P., Three-dimensional modelling of a Microcystis bloom event in the Swan River estuary. Ecological Modelling 174/1-2: Romero, J.R., Antenucci, J.P. and Imberger, J., One- and three-dimensional biogeochemical simulations of two differing reservoirs. Ecol. Model., 174(1-2): Skliris, N. and Lascaratos, A., Impacts of the Nile River damming on the thermohaline circulation and water mass characteristics of the Mediterranean Sea, J. Mar. Sys., 52(1-4): Skliris, N., Sofianos, S., Lascaratos, A., Hydrological changes in the Mediterranean Sea in relation to changes in the freshwater budget: A numerical modelling study, Journal of Marine Systems 65: Spillman, C.M., Imberger, J., Hamilton, D.P., Hipsey, M.R., Romero, J.R., Modelling the effects of Po River discharge, internal nutrient cycling and hydrodynamics on biochemistry of the North Adriatic Sea. Journal of Marine Systems 68: Sylaios, G., Meteorological influence on the surface hydrographic patterns of the North Aegean Sea. Oceanologia 53(1), Theocharis, A., Georgopoulos, D., Dense water formation over the Samothraki and Lemnos plateaux in the North Aegean Sea (eastern Mediterranean Sea). Cont Shelf Res 13: Tseng, Y-H., Dietrich, D.E. & Ferziger, J.H., Regional circulation of the Monterey Bay region: Hydrostatic versus non hydrostatic modeling. Journal of Geophysical Research, 110, C09015, doi: /2003jc Tuğrul, S., Beşiktepe, S.T., Salihoglu, I., 2002 Nutrient exchange fluxes between the Aegean and Black Seas through the Marmara Sea. Mediterranean Marine Sci 3(1): Türkoğlu, M., Temporal variations of surface phytoplankton, nutrients and chlorophyll a in the Dardanelles (Turkish Straits System): a coastal station sample in weekly time intervals. Turk J Biol 34: , Tzali, M., Sofianos, S., Mantziafou, A., Skliris, N., Modelling the impact of Black Sea water inflow on the North Aegean Sea hydrodynamics. Ocean dynamics, 60 (3): Ünlüata, U., Oğuz, T., Latif, M.A., Özsoy, E., On the physical oceanography of the Turkish Straits. In: Pratt L.J. (ed.), The Physical Oceanography of Sea Straits, Kluwer, Dordrecht, The Netherlands: Velaoras, D., and Lascaratos, A., Deep Water mass characteristics and Interannual Variability in the Northern and Central Aegean Sea, Journal of marine Systems, 53: Vlasenko, V.I., Stashchuk, N.N., Ivanov, V.A., Nikolaenko, E.G., Uslu, O., Benli, H., Infl uence of the water exchange through Dardanelles on the thermohaline structure of the Aegean Sea. Bulletin de l Institut Oceanographique. Monaco 17: Yüce, H., North Aegean water masses, Estuarine Coastal Shelf Sci., 41, Zervakis, V., & Georgopoulos, D., Hydrology and circulation in the North Aegean (eastern Mediterranean) throughout Mediterranean Marine Science, 3(1): Zodiatis, G., Advection of the Black Sea water in the North Aegean Sea, The Global Atmosphere and Ocean System, Vol.2, no.1, Zodiatis, G., Alexandri, S., Pavlakis, P., Jonsson, L., Kallos, G., Demetropoulos, A., Georgiou, G., Theodorou, A., Balopoulos, E., Tentative study of flow patterns in the North Aegean Sea using NOAA-AVHRR images and 2D model simulations. Ann. Geophys., 14: Βλαχάκης, Γ.Ν., Νάστος, Π.Θ., Πολλάτου, Ρ.Σ., Συμβολή στη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας του αέρα στη θερμοκρασία της επιφάνειας θαλάσσης σε παράκτιες περιοχές της Ελλάδος. Πρακτικά 1ου Πανελληνίου Συνεδρίου Μετεωρολογίας και Κλιματολογίας, Θεσσαλονίκη 1992: Estuary Lake and Coastal Ocean Model: ELCOM V2.2 Science Manual B.R. Hodges & C. Dallimore, Centre for Water Research., 54 pp. 10