ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΥΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΟΣΕΙΔΩΝ

Transcript

1 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΖΕΥΞΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΥΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΟΣΕΙΔΩΝ Παπαδόπουλος Α. 1, Κορρές Γ. 2, Κατσαφάδος Π. 3 1 Ινστιτούτο Εσωτερικών Υδάτων, Ελληνικό Κέντρο Θαλάσσιων Ερευνών, tpapa@hcmr.gr 2 Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας, Ελληνικό Κέντρο Θαλάσσιων Ερευνών, gkorres@hcmr.gr 3 Τμήμα Γεωγραφίας, Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών, pkatsaf@hua.gr Περίληψη Το Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών (ΕΛΚΕΘΕ) ανέπτυξε το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ για τη συνεχή παρακολούθηση και πρόγνωση των περιβαλλοντικών συνθηκών των Ελληνικών Θαλασσών και της Μεσογείου. Το σύστημα πρόγνωσης καιρού ΠΟΣΕΙΔΩΝ παρέχει υψηλής ανάλυσης (5 km) μετεωρολογικές προβλέψεις, εφαρμόζοντας μια αναβαθμισμένη έκδοση του μη υδροστατικού μοντέλου Eta/NCEP. Παράλληλα, με την αριθμητική πρόγνωση καιρού παρέχει τα απαραίτητα ατμοσφαιρικά δεδομένα για την εφαρμογή των άλλων αριθμητικών προγνωστικών μοντέλων του συστήματος, όπως του κυματικού μοντέλου (WAM Cycle-4) και του υδροδυναμικού μοντέλου (που βασίζεται σε κώδικα του μοντέλου POM). Στην επιχειρησιακή λειτουργία εφαρμόζεται μονόδρομη σύζευξη, μέσω της οποίας το ατμοσφαιρικό μοντέλο τροφοδοτεί με τα απαραίτητα πεδία (επιφανειακών ροών ορμής, θερμότητας, υγρασίας, ακτινοβολίας και βροχόπτωσης) το κυματικό και το υδροδυναμικό μοντέλο. Στην παρούσα εργασία διερευνάται η βελτίωση της πρόγνωσης του ανέμου και του κύματος όταν εφαρμόζεται μια μέθοδος αμφίδρομης αλληλεπίδρασης μεταξύ του ατμοσφαιρικού και του κυματικού μοντέλου. Λέξεις κλειδιά: αλληλεπιδράσεις ατμόσφαιρας - θάλασσας, πρόγνωση καιρού, πρόγνωση κατάστασης θάλασσας. TOWARDS A DYNAMIC COUPLING BETWEEN THE ATMOSPHERIC AND THE OCEAN WAVE FORECASTING MODELS OF THE POSEIDON SYSTEM A. Papadopoulos 1, G. Korres 2 and P. Katsafados 3 1 Inst. Inland Waters, Hellenic Centre for Marine Research, tpapa@hcmr.gr 2 Inst. Oceanography, Hellenic Centre for Marine Research, gkorres@hcmr.gr 3 Geography Dptm., Harokopio University of Athens, pkatsaf@hua.gr Abstract The Hellenic Centre for Marine Research (HCMR) developed the POSEIDON system to provide monitoring and forecast services for the marine environmental conditions of the Greek Seas and the Mediterranean region. The POSEIDON weather forecasting system is the key element that provides timely high-resolution (1/20 x1/20 ) weather forecasts on the basis of an advanced version of the non-hydrostatic atmospheric Eta/NCEP model. It also produces the atmospheric forcing for the other numerical prediction models; the ocean wave model, which is based on the WAM Cycle-4, and the ocean general circulation model which is based on POM model code. In the operational coupled POSEIDON forecasting system a one-way coupling approach has been formulated where the atmospheric forcing fields (surface fluxes of momentum, heat, moisture, radiation and precipitation rates) are ingested into the wave and the ocean models with a spatial resolution of 5 km and a temporal resolution of 1h. This study investigates the possible improvements of wind and ocean wave forecasts, as a result of a two-way interaction between the atmospheric and the wave models of the POSEIDON system. Keywords: air-sea interactions, weather forecast, sea state forecast.

2 1. Εισαγωγή Το Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών (ΕΛΚΕΘΕ) λειτουργεί επιχειρησιακά το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ για την παροχή εξειδικευμένων μετρήσεων και προγνώσεων για τις περιβαλλοντικές συνθήκες των Ελληνικών Θαλασσών (Nittis et al., 2001). Το δίκτυο των πλωτών σταθμών μέτρησης αποτελείται από επτά πλατφόρμες τύπου Seawatch που έχουν τοποθετηθεί σε θαλάσσιες περιοχές που το βάθος δεν ξεπερνά τα 300 m και τρεις πλατφόρμες τύπου Seawatch-Wavescan που είναι πολυπαραμετρικοί σταθμοί ειδικά σχεδιασμένοι για βαθιές λεκάνες. Μία από τις πλατφόρμες τύπου Seawatch-Wavescan έχει ποντιστεί στην περιοχή του νότιου Ιονίου και επικοινωνεί μέσω ακουστικού modem με διάταξη αγκυροβολημένη στον πυθμένα σε βάθος περίπου 1500 m. Το σύστημα των αριθμητικών μοντέλων παράγει σε καθημερινή βάση προγνώσεις για τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν στις Ελληνικές Θάλασσες και στη Μεσόγειο γενικότερα. Σε επιχειρησιακή λειτουργία έχουν διαμορφωθεί το σύστημα πρόγνωσης καιρού, που βασίζεται σε μια αναβαθμισμένη έκδοση του μη υδροστατικού ατμοσφαιρικού μοντέλου Eta/NCEP, το σύστημα πρόγνωσης κυματισμού, που βασίζεται στο κυματικό μοντέλο WAM Cycle-4, το σύστημα πρόγνωσης θαλάσσιας κυκλοφορίας, που βασίζεται στο υδροδυναμικό μοντέλο POM και το σύστημα πρόγνωσης οικοσυστήματος, που βασίζεται στο μοντέλο ERSEM. Επιπρόσθετα, σε κατάσταση αναμονής και έτοιμα να εφαρμοστούν σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης είναι διαθέσιμα το μοντέλο διασποράς και γήρανσης του πετρελαίου και το μοντέλο παράκτιου κυματισμού. Στην επιχειρησιακή λειτουργία όλα τα μοντέλα είναι συζευγμένα μεταξύ τους αλλά με μονόδρομη κατεύθυνση. Συγκεκριμένα, το ατμοσφαιρικό μοντέλο τροφοδοτεί το υδροδυναμικό μοντέλο και το μοντέλο πρόγνωσης οικοσυστήματος με τα πεδία της θερμοκρασίας και της υγρασίας του αέρα στα 2 μέτρα, της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου στα 10 μέτρα, των ροών μικρού και μεγάλου κύματος ακτινοβολίας στην επιφάνεια, της ατμοσφαιρικής πίεσης στη μέση στάθμη θάλασσας και της βροχόπτωσης. Επίσης, το ατμοσφαιρικό μοντέλο τροφοδοτεί το κυματικό μοντέλο με τα πεδία επιφανειακού ανέμου. Οι σε πραγματικό χρόνο μετρήσεις από το δίκτυο των πλωτών σταθμών και οι προγνωστικοί χάρτες που σχεδιάζονται από επιλεγμένα αποτελέσματα των αριθμητικών μοντέλων διατίθενται σε καθημερινή βάση από την ιστοσελίδα του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ Τα τελευταία χρόνια, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η έρευνα που ασχολείται με τη σύζευξη των ατμοσφαιρικών μοντέλων με άλλα μοντέλα προσομοίωσης φυσικών διεργασιών. Ακολουθώντας αυτή την τάση, ήδη βρίσκεται σε εξέλιξη μια προσπάθεια για τη δυναμική σύζευξη του ατμοσφαιρικού μοντέλου με το κυματικό μοντέλο του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι πρώτες προσπάθειες προς αυτήν την κατεύθυνση καθώς και τα πρώτα συγκριτικά αποτελέσματα, προκειμένου να σχεδιαστούν οι επόμενες δράσεις για περαιτέρω έρευνα στο συγκεκριμένο αντικείμενο.

3 2. Αριθμητικά συστήματα πρόγνωσης 2.1 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΚΑΙΡΟΥ ΠΟΣΕΙΔΩΝ Κύρια συνιστώσα του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ είναι το σύστημα πρόγνωσης καιρού (Papadopoulos et al., 2002) το οποίο παρέχει προγνωστικά στοιχεία για την ατμοσφαιρική κατάσταση στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου και υποστηρίζει την εφαρμογή των μοντέλων κυματισμού, θαλάσσιας κυκλοφορίας και οικοσυστήματος. Λειτουργεί επιχειρησιακά από το 1999 και μέχρι τώρα έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλές εφαρμογές, μέσω των οποίων σχεδιάστηκαν και επιτεύχθηκαν αρκετές βελτιώσεις τόσο στην επιχειρησιακή του εφαρμογή όσο και στη βελτίωση των αποτελεσμάτων του (π.χ., Katsafados et al., 2005; Papadopoulos et al., 2005). Η σημαντικότερη και εκτενέστερη αναβάθμιση του πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος «Ένα σύστημα δεύτερης γενιάς για τη συνεχή παρακολούθηση και πρόγνωση των περιβαλλοντικών συνθηκών στην Ανατολική Μεσόγειο ΠΟΣΕΙΔΩΝ-2» ( ). Με τη λεπτομερή περιγραφή και αξιολόγηση των συστημάτων πρόγνωσης καιρού του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ ασχολείται η εργασία των Papadopoulos and Katsafados (2009). Το σύστημα πρόγνωσης καιρού ΠΟΣΕΙΔΩΝ αποτελείται από αρκετά μέρη-προγράμματα που διακρίνονται σε πέντε κύριες συνιστώσες: (1) τη φάση της λήψης και προεπεξεργασίας απαραίτητων μετεωρολογικών δεδομένων, (2) την εφαρμογή ενός τρισδιάστατου πακέτου αφομοίωσης δεδομένων, του Local Analysis Prediction System (LAPS), για την δημιουργία πεδίων ανάλυσης υψηλής διακριτικοποίησης, (3) το μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας, (4) το μοντέλο πρόγνωσης του κύκλου της εδαφικής σκόνης και (5) τη φάση της μετεπεξεργασίας. Τα βασικά χαρακτηριστικά του συστήματος και του ατμοσφαιρικού μοντέλου περιγράφονται λεπτομερώς σε πλήθος δημοσιεύσεων (π.χ., Mesinger et al., 1988; Janjic, 1994; Kallos et al., 1997; Papadopoulos et al., 2002). Στην τελευταία του έκδοση το σύστημα πρόγνωσης καιρού ΠΟΣΕΙΔΩΝ λειτουργεί επιχειρησιακά από το Νοέμβριο 2007 και εφαρμόζεται με οριζόντια ανάλυση 1/20 1/20 (~5 km) σε μια εκτεταμένη περιοχή που καλύπτει την ευρύτερη περιοχή της Μεσόγειου, της Μαύρης Θάλασσας και μεγάλο μέρος της Βόρειας Αφρικής και της Ασίας (Σχήμα 1). Στην επιχειρησιακή λειτουργία του χρησιμοποιούνται δύο κύκλοι πρόγνωσης καιρού. Οι δύο κύκλοι βασίζονται στο ίδιο ατμοσφαιρικό μοντέλο που ολοκληρώνεται στην ίδια περιοχή, με τις ίδιες προκαθορισμένες σταθερές (π.χ., γεωμετρία πλέγματος, τοπογραφία, τύποι βλάστησης κλπ). Για τον καθορισμό των οριακών συνθηκών χρησιμοποιούνται τα προγνωστικά πεδία του παγκόσμιου μοντέλου Global Forecast System (GFS) που αντλούνται καθημερινά από το National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Ο καθορισμός των αρχικών συνθηκών διαφοροποιεί τους δύο κύκλους. Στον κύκλο GFS η αρχικοποίηση της πρόγνωσης βασίζεται στα πεδία ανάλυσης του GFS της 12 UTC, που είναι διαθέσιμα με ευκρίνεια περίπου 50 km, ενώ στον κύκλο LAPS εφαρμόζονται τα πεδία ανάλυσης υψηλής διακριτικοποίησης του LAPS της 18 UTC με ευκρίνεια 15 km. Το LAPS χρησιμοποιεί ως πεδία υποβάθρου τα ατμοσφαιρικά πεδία του μοντέλου GFS και αφομοιώνει σε πραγματικό χρόνο περίπου 45 ραδιοβολίσεις δύο φορές την ημέρα (στις 00 και 12 UTC), περίπου

4 40 παρατηρήσεις από συνοπτικούς σταθμούς επιφανείας κάθε τρεις ώρες (από τις 00 μέχρι 21 UTC) και περίπου 650 ωριαία δελτίου καιρού (METAR). Με τη συστηματική εφαρμογή του LAPS παράγονται για κάθε ώρα μετεωρολογικά πεδία ανάλυσης με χωρική ευκρίνεια 15 km. Σχ. 1: Οι επιχειρησιακοί κύκλοι πρόγνωσης καιρού του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Η κατακόρυφη διακριτικοποίηση του ατμοσφαιρικού μοντέλου αποτελείται από 50 επίπεδα που επεκτείνονται μέχρι το ύψος των 25 hpa (~25 km). Ο προγνωστικός ορίζοντας είναι 120 ώρες (5 ημέρες) και οι βασικοί χάρτες καιρού που σχεδιάζονται από τα αποτελέσματα του κύκλου LAPS δημοσιεύονται καθημερινά στην ιστοσελίδα ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ ΚΥΜΑΤΙΣΜΟΥ ΠΟΣΕΙΔΩΝ Το προγνωστικό σύστημα κυματισμού αποτελείται από δύο επαλλήλως συζευγμένα μοντέλα, ένα με πιο αραιό πλέγμα που καλύπτει ολόκληρη τη Μεσόγειο με χωρική ανάλυση 1/10 1/10 (~10 km) και ένα με υψηλότερη χωρική ανάλυση που καλύπτει την περιοχή του Αιγαίου. Το μοντέλο του Αιγαίου εφαρμόζεται σε πλέγμα οριζόντιας ανάλυσης 1/30 1/30 (~3 km), η γεωγραφική περιοχή κάλυψης του εκτείνεται μεταξύ 30,4 και 41 Β και μεταξύ 19,5 Α και 30 Α, ενώ σε κάθε σημείο του πλέγματος γίνεται επίλυση του κυματικού φάσματος σε 24 διευθύνσεις και 30 διακριτές συχνότητες (0.05Hz-> Hz). Και τα δύο μοντέλα βασίζονται στον κώδικα του WAM Cycle-4 που αποτελεί κυματικό μοντέλο τρίτης γενιάς. Πρόκειται για το πρώτο αριθμητικό μοντέλο (ακολούθησαν το SWAN και το WAVEWATCH-III) στο οποίο επιλύθηκαν πλήρως οι εξισώσεις κυματικής ενέργειας περιλαμβάνοντας την μη γραμμική

5 αλληλεπίδραση μεταξύ των κυμάτων. Το μοντέλο WAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για παράκτιες εφαρμογές όσο και για εφαρμογές ανοικτής θάλασσας, ενώ έχει την δυνατότητα υπολογισμού της κυματικής διάθλασης εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με τα θαλάσσια ρεύματα και το βυθό. Η εφαρμογή αυτής της εργασίας στηρίζεται στο WAM - Cycle 4, το οποίο έχει τροποποιηθεί προκειμένου: 1) να είναι εφικτή η χρησιμοποίησή του (τόσο από πλευράς ακρίβειας όσο και από πλευράς απαιτούμενης υπολογιστικής ισχύος) σε εφαρμογές υψηλής χωρικής διακριτοποίησης, και 2) να παρέχει επιτυχείς προγνώσεις σε παράκτιες περιοχές όπου η επίδραση του βυθού στην θραύση των κυμάτων είναι σημαντική. 3. Μεθοδολογία Η κατακόρυφη ανάλυση, που χρησιμοποιεί το ατμοσφαιρικό μοντέλο είναι αρκετά υψηλή (50 κατακόρυφα επίπεδα, με το πρώτο να ορίζεται στο ύψος περίπου των 20 m), οπότε επιτρέπεται η εφαρμογή ενός επιφανειακού στρώματος, δομημένο σύμφωνα με τη θεωρία ομοιότητας των Monin-Obukhov (Monin and Obukhov, 1954). Ακολουθώντας τη θεωρία που πρότεινε ο Janjic (1994), στο κάτω όριο του επιφανειακού στρώματος και πολύ κοντά στην επιφάνεια η δυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας περιγράφεται με την εφαρμογή ενός λεπτού ιξώδους υποστρώματος (Σχήμα 2α). Με την εισαγωγή αυτού του στρώματος η ανάμιξη, πολύ κοντά στην επιφάνεια και ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες, διαμορφώνεται από τη μοριακή διάχυση και τις μοριακές κινήσεις. Έτσι, πέρα από τον ορθότερο υπολογισμό των ροών ενέργειας, δίνεται η δυνατότητα του ρεαλιστικότερου υπολογισμού του ανέμου στα 10 μέτρα καθώς και της θερμοκρασίας και της υγρασίας στα 2 μέτρα. Όπως είναι γνωστό από τη θεωρία ομοιότητας μέσα στο επιφανειακό στρώμα οι κατακόρυφες κατανομές των διάφορων μεταβλητών ακολουθούν τη λογαριθμική καμπύλη. Όμως μια λογαριθμική κατανομή δεν μπορεί να οριστεί στο μηδέν, οπότε και δεν μπορεί αυτή να ισχύσει στην επιφάνεια του εδάφους και της θάλασσας. Για το λόγο αυτό θεωρείται ότι η καμπύλη αυτή καταλήγει σε ένα μικρό αλλά πεπερασμένο ύψος z 0 και ότι σε αυτό το σημείο ορίζονται οι κάτω οριακές τιμές των διάφορων μεταβλητών που ενδιαφέρουν. Αυτή η παραδοχή φαίνεται στο Σχήμα 2(β). Το ύψος z 0 ονομάζεται ύψος ή μήκος τραχύτητας (roughness length) και διαμορφώνεται ανάλογα με την κάλυψη του εδάφους. Ωστόσο, η κατάσταση κοντά στο έδαφος είναι πιο πολύπλοκη και μια πιο ρεαλιστική προσέγγιση είναι θεωρώντας το ιξώδες υπόστρωμα (viscous sublayer). Έτσι το μήκος τραχύτητας z 0 δεν παραμένει σταθερό αλλά ρυθμίζεται από το πάχος του λεπτού ιξώδους υποστρώματος. Το πάχος του οποίου υπολογίζεται ανάλογα με τη δυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια, με αποτέλεσμα να λαμβάνεται υπόψη ο περιορισμός του χώρου κοντά στην επιφάνεια, όπου θα μπορούσαν να αναπτυχθούν στρόβιλοι μέσα σε μια τυρβώδη ροή. Στο ατμοσφαιρικό μοντέλο του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ χρησιμοποιείται διαφορετική προσέγγιση για το ιξώδες υπόστρωμα πάνω από ξηρά και διαφορετική πάνω από υδάτινες επιφάνειες.

6 Σχ. 2: (α) Η δομή της ατμόσφαιρας και (β) η κλασσική λογαριθμική κατανομή, η πραγματική κατανομή και η προσέγγιση της με την εφαρμογή του ιξώδους υποστρώματος Το ιξώδες υπόστρωμα πάνω από υδάτινη επιφάνεια θεωρείται ότι λειτουργεί για τρεις διαφορετικές καταστάσεις της υδάτινης επιφάνειας πάνω από την οποία εφαρμόζεται, δηλαδή: (α) ομαλή και λίγο ταραγμένη, (β) ταραγμένη και (γ) πολύ ταραγμένη και ύπαρξη αιωρούμενων σταγονιδίων. Η μετάβαση από τη μία κατάσταση στην άλλη ελέγχεται με τον αριθμό του Reynolds, που ορίζεται ως: z = 0 u Re (1) ν όπου v το κινηματικό ιξώδες, που εκφράζει το λόγο της πυκνότητας του ρευστού προς το ατομικό ιξώδες, και για τον αέρα είναι ν=1.5x10-5 m 2 s -1. Το ύψος ή μήκος τραχύτητας είναι ανάλογο της κλίμακας ταχύτητας u * και υπολογίζεται από τη σχέση: 2 u 3 z = 0 max α CH, (2) g όπου α CH είναι ο συντελεστής Charnock, ο οποίος για το ατμοσφαιρικό μοντέλο θεωρείται σταθερός και συγκεκριμένα ίσος με Όμως ο συντελεστής αυτός δεν είναι σταθερός και εξαρτάται από την κατάσταση της θάλασσας. Για τη μελέτη των ανταλλαγών μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί διάφορες αριθμητικές μέθοδοι στο προγνωστικό σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα εργασία διερευνά τις πιθανές βελτιώσεις του ανέμου και του κυματισμού, όταν εφαρμόζεται αμφίδρομη ανταλλαγή του ανεμολογικού πεδίου (από το ατμοσφαιρικό στο κυματικό μοντέλο) και του πεδίου της χωροχρονικής μεταβολής του συντελεστή Charnock (από το κυματικό στο ατμοσφαιρικό μοντέλο). Η αμφίδρομη σύζευξη μεταξύ του ατμοσφαιρικού μοντέλου και του κυματικού μοντέλου WAM είναι δυνατή εφόσον το κυματικό μοντέλο μπορεί να περιγράψει τον μηχανισμό ανάδρασης

7 που λειτουργεί μεταξύ επιφανειακών κυμάτων και του ατμοσφαιρικού επιφανειακού οριακού στρώματος μέσω της τραχύτητας της επιφάνειας της θάλασσας. Έτσι το κυματικό μοντέλο χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη σχέση Charnock είναι σε θέση να παρέχει ρεαλιστικές τιμές επιφανειακής τραχύτητας και τάσης ανέμου στο μοντέλο ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Η τροποποιημένη παράμετρος Charnock που υπολογίζεται στο κυματικό μοντέλο με τη σχέση (3) επιστρέφεται στο ατμοσφαιρικό μοντέλο. Η κυματική συνεισφορά τ w στην συνολική τάση του ανέμου πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας τ υπολογίζεται από την ολοκλήρωση της συνάρτησης της δράσης του ανέμου S in (Janssen, 1991). Η ανάλυση που παρουσιάζεται στην εργασία αυτή περιορίζεται σε ένα μικρά χρονικό διάστημα (της τάξης των επτά ημερών), αλλά μέσα σε αυτή τη χρονική περίοδο η κατάσταση της θάλασσας και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες παρουσίασαν μεγάλες διακυμάνσεις. 4. Τα πρώτα αποτελέσματα - συμπεράσματα Για να διερευνηθεί η ευαισθησία των ανταλλαγών μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας οργανώθηκαν δύο σύνολα αριθμητικών πειραμάτων. Το πρώτο πείραμα, βασίστηκε στην επιχειρησιακή εφαρμογή του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ, όπου στο ατμοσφαιρικό μοντέλο ο συντελεστής Charnock διατηρείται σταθερός και στη συνέχεια τα πεδία ανέμου χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτήσουν το κυματικό μοντέλο, το οποίο στη συνέχεια δημιουργεί το πεδίο κυματισμού. Στο δεύτερο πείραμα, το κυματικό μοντέλο, αφού είχε τροφοδοτηθεί από το ατμοσφαιρικό μοντέλο, παρέχει στο ατμοσφαιρικό μοντέλο τις χωροχρονικές μεταβολές του συντελεστή Charnock. Στη συνέχεια το ατμοσφαιρικό μοντέλο προσομοιώνει εκ νέου την ίδια χρονική περίοδο και τροφοδοτεί με το τροποποιημένο ανεμολογικό πεδίο το κυματικό μοντέλο. Η ολοκλήρωση των δύο αριθμητικών μοντέλων ξεκίνησε την 21 Μαρτίου 2011 στις 00:00 UTC και ολοκληρώθηκε μετά από 168 ώρες (7 ημέρες) προσομοίωσης. Για τον καθορισμό των αρχικών και οριακών συνθηκών χρησιμοποιήθηκαν τα επιχειρησιακά πεδία ανάλυσης του European Center for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF), με χωρική ανάλυση 1/4 1/4 (~25 km) και κατακόρυφη ανάλυση 16 ισοβαρικών επιπέδων (1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20 και 10 hpa). Η απόδοση της συγκεκριμένης μεθοδολογίας σύζευξης αξιολογήθηκε με βάση τις διαφορές του μεγέθους διάφορων μεταβλητών (π.χ., ταχύτητας ανέμου, ύψους κύματος, επιφανειακής ροής της λανθάνουσας θερμότητας, της θερμοκρασίας του αέρα κοντά στην επιφάνεια στο ύψος 2m). Στο Σχήμα 3 φαίνονται οι διαφορές των πεδίων ταχύτητας ανέμου και του σημαντικού ύψους κύματος σε μια χαρακτηριστική ώρα της υπό εξέταση περίπτωσης. Στο χάρτη οι θετικές διαφορές δείχνουν ότι η προσομοίωση στο δεύτερο πείραμα (μεταβλητός συντελεστής Charnock) εκτίμησε μεγαλύτερες τιμές (π.χ. της ταχύτητας του ανέμου) σε σχέση με το πρώτο πείραμα (σταθερός συντελεστής Charnock). Αντίθετα οι αρνητικές διαφορές υποδηλώνουν ότι στο δεύτερο πείραμα οι επιφανειακές μεταβλητές που συγκρίνονται εκτιμήθηκαν με μικρότερη ένταση σε

8 σχέση με το πρώτο πείραμα. Φαίνεται επίσης ότι η απόκριση του ύψους κύματος είναι ανάλογη με το ανεμολογικό πεδίο. Σχ. 3: Χάρτης διαφορών των πεδίων (α) ταχύτητας του ανέμου (σε m/s) και (β) σημαντικού ύψους κύματος (σε m), όπως προέκυψαν από τα δύο αριθμητικά πειράματα. Στο Σχήμα 4 φαίνονται επίσης οι διαφορές των πεδίων (α) της θερμοκρασίας αέρα στα 2 μέτρα από την επιφάνεια και (β) της επιφανειακής ροής λανθάνουσας θερμότητας (σε W/m 2 ), όπου φαίνεται ότι οι μεγαλύτερες διαφορές εμφανίζονται στις περιοχές που παρατηρούνται οι μεγαλύτερες μεταβολές στο ανεμολογικό και κυματικό πεδίο.

9 Σχ. 4: Χάρτης διαφορών των πεδίων (α) θερμοκρασίας αέρα κοντά στην επιφάνεια (σε o C) και (β) επιφανειακής ροής λανθάνουσας θερμότητας (σε W/m 2 ), όπως προέκυψαν από τα δύο αριθμητικά πειράματα. Επίσης, υπολογίστηκε και η σχετική συχνότητα εμφάνισης των διαφορών των υπό μελέτη μεταβλητών για όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης και σε όλο το πεδίο ολοκλήρωσης (Σχ. 5). Από την κατανομή φαίνεται ότι, γενικά οι τιμές τους είναι μεγαλύτερες στο πρώτο πείραμα (αρνητικές διαφορές). Η ένδειξη αυτή υποδηλώνει ότι, για την συγκεκριμένη περίπτωση, το κυματικό μοντέλο υπολόγισε το συντελεστή Charnock γενικά με τιμές μεγαλύτερες από την τιμή 0.018, οπότε και η επιφάνεια της θάλασσας παρουσίασε μεγαλύτερη τραχύτητα, επιβραδύνοντας την ταχύτητα του ανέμου. Όπως αναμένεται, η μειούμενη ένταση του επιφανειακού άνεμου, προκαλεί την ελάττωση της επιφανειακής θερμοκρασίας του αέρα και της επιφανειακής ροής λανθάνουσας θερμότητας.

10 Σχ. 5: Κατανομή των διαφορών των πεδίων (α) ανέμου, (β) θερμοκρασίας του αέρα στα 2 μέτρα από την επιφάνεια και (γ) επιφανειακής ροής λανθάνουσας θερμότητας όπως προέκυψαν από τα δύο αριθμητικά πειράματα. Ο κάθετος άξονας φέρει (σε λογαριθμική κλίμακα) το ποσοστό εμφάνισης. Πριν όμως εξαχθούν και γενικευτούν τα οποιαδήποτε συμπεράσματα, θα πρέπει η προτεινόμενη μέθοδος να δοκιμαστεί και για άλλες περιπτώσεις καθώς και τα πεδία ανέμου και κυματισμού να συγκριθούν απευθείας με τις μετρήσεις του δικτύου των πλωτών μετρητικών σταθμών και να αξιολογηθούν ανάλογα. 4. Βιβλιογραφικές Αναφορές Janjic Z.I., The step-mountain Eta coordinate model: Further developments of the convection, viscous sublayer and turbulence closure schemes. Monthly Weather Review, 122: Janssen, P.A.E.M., Quasi-Linear theory of wind wave generation applied to wave forecasting. J. Phys. Oceanogr., 21: Kallos, G., Nickovic, S., Papadopoulos, A., Jovic, D., Kakaliagou, O., Misirlis, N., Boukas, L., Mimikou, N., Sakellaridis, G., Papageorgiou, J., Anadranistakis, E. & Manousakis, M., The regional weather forecasting system SKIRON: An overview. Proceedings of the Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments, Athens, Greece, Katsafados, P., Papadopoulos, A. & Kallos, G., Regional atmospheric response to tropical pacific SST perturbations. Geophysical Research Letters, 32: L04806, doi: /2004gl Mesinger, F., Janjic, Z.I., Nickovic, S., Gavrilov, D. & Deaven, D.G., The steep-mountain coordinate: Model description and performance for cases of Alpine lee cyclogenesis and for a case of an Appalachian redevelopment. Monthly Weather Review, 116: Monin, A.S., & A.M. Obukhov, Osnovnye zakonomernosti turbulentnogo peremeivani v prizemnem sloie atmosfery. Trudy Geofiz. in-ta AN SSSR, 24 (151): Nittis, K., Zervakis, V., Perivoliotis, L., Papadopoulos, A., & Chronis, G., Operational monitoring and forecasting in the Aegean Sea: system limitations and forecasting skill evaluation. Marine Pollution Bulletin 43 (7 12): Papadopoulos, A., Kallos, G., Katsafados, P. & Nickovic, S., The Poseidon weather forecasting system: An overview. The Global Atmosphere and Ocean Systems, 8 (2-3): Papadopoulos, A. & Katsafados, P., Verification of operational weather forecasts from the POSEIDON system across the Eastern Mediterranean. Natural Hazards and Earth System Sciences, 9: