9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι εφαρμογη Υδροδυναμικου υβριδικου μοντελου στο βορειο ΑΙΓΑΙΟ Ανδρουλιδάκης Γ. 1, Κουράφαλου Β. 2, Κρεστενίτης Γ. 1 1 Εργαστήριο Θαλάσσιας Τεχνικής & Θαλασσίων Έργων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη, iandroul@civil.auth.gr, ynkrest@civil.auth.gr 2 University of Miami, Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, Miami, Fl, USA, vkourafalou@rsmas.miami.edu Περίληψη Στο Βόρειο Αιγαίο η ιδιαίτερη πολυπλοκότητα της γεωμετρίας με ύπαρξη στενωμάτων ανάμεσα σε νησιά και με απότομες εναλλαγές βαθιών και ρηχών λεκανών σε συνδυασμό με τους ισχυρούς ανέμους που επικρατούν στην περιοχή, συντελούν στην ανάπτυξη ιδιαίτερων χαρακτηριστικών κυκλοφορίας τόσο σε παράκτιες περιοχές όσο και στην ανοικτή θάλασσα. Επίσης, η ανταλλαγή μαζών νερού με την Μαύρη θάλασσα επηρεάζει σημαντικά όλη την περιοχή του Β.Αιγαίου. Η εφαρμογή τρισδιάστατου υβριδικού, ως προς τις κατακόρυφες συντεταγμένες, υψηλής ανάλυσης (1/50 o ), υδροδυναμικού μοντέλου στο Β. Αιγαίο (NAEG-HYCOM) δίνει την δυνατότητα για την διερεύνηση της φυσικής ωκεανογραφίας της περιοχής. Βασικά χαρακτηριστικά της κυκλοφορίας, όπως η ροή δύο στρώσεων στο όριο Δαρδανελίων-Β.Αιγαίου και τα διάφορα πρότυπα κίνησης του νερού της Μαύρης Θάλασσας, διερευνώνται και προσεγγίζονται με την εκτέλεση ρεαλιστικών και ιδεατών πειραμάτων. Λέξεις κλειδιά: HYCOM, νερά Μαύρης θάλασσας, υβριδικές συντεταγμένες. HYDRODYNAMIC HYBRID MODEL IMPLEMENTATION IN north AEGEAN Androulidakis Y. 1, Kourafalou V. 2, Krestenitis Y. 1 1 Laboratory of Maritime Engineering & Maritime Works, Department of Civil Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki, iandroul@civil.auth.gr, ynkrest@civil.auth.gr 2 University of Miami, Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, Miami, Fl, USA, vkourafalou@rsmas.miami.edu Abstract In North Aegean, the geometry complexity, with narrow passages between islands and successive alternations of shallow and deep basins and the high variability in the prevailing strong winds conduce in the development and evolution of special circulation characteristics in the coastal areas as well as in several cyclonic and anticyclonic systems in the open sea. Additionally, the water masses exchange with the Black Sea affects almost all the N. Aegean Sea region. The implementation of a 3-dimensional, high-resolution (grid spacing 1/50 o ), hybrid-coordinate, hydrodynamic model (NAEG-HYCOM) in the North Aegean is employed to examine the physical oceanography of the region. Basic circulation characteristics, such are the 2-layer exchange flow in the Dardanelles-N. Aegean limit or the different Black Sea Water circulation patterns are investigated with realistic and idealized mathematical experiments. Keywords: HYCOM, Black Sea Waters, hybrid coordinates. 1. Εισαγωγή Η σύνθετη τοπογραφία του Β. Αιγαίου χαρακτηρίζεται από νησιά, στενά, χερσονήσους, και ένα συνδυασμό ρηχών και βαθιών λεκανών. Ένας αριθμός ποταμών που εκρέουν στην περιοχή του Βορείου Αιγαίου συμβάλει στην ανάπτυξη παράκτιων ρευμάτων και στον καθορισμό της υδροδυναμικής συμπεριφοράς της περιοχής. Τα σημαντικότερα ποτάμια είναι ο Έβρος, ο Νέστος, ο Στρυμόνας, ο Αξιός, ο Αλιάκμονας και ο Πηνειός. Τα νερά της Μαύρης θάλασσας (BSW, Black Sea Waters) είναι η πιο σημαντική ποσότητα νερού που εισρέει στην περιοχή του Β. Αιγαίου. Το βασικό χαρακτηριστικό των νερών αυτών είναι η χαμηλότερη συγκέντρωση αλατότητας σε σχέση με τα νερά του Β. Αιγαίου, γεγονός που παρομοιάζει αυτήν την ροή ως εκροή μεγάλου ποταμού. Η ανταλλαγή των θαλάσσιων μαζών Μαύρης Θάλασσας και Βορείου Αιγαίου γίνεται σε δύο στρώματα, το ανώτερο χαμηλότερης αλατότητας με κατεύθυνση προς το Β.Αιγαίο και το κατώτερο από το Β. Αιγαίο -456-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι (ASW, Aegean Sea Water) προς την θάλασσα του Μαρμαρά. To πάχος του άνω στρώματος θεωρείται περίπου 25m (Besiktepe et al., 1993). Η μέση ετήσια παροχή το χρόνο στα Δαρδανέλια κατά την έξοδο του ανώτερου στρώματος προς το Αιγαίο υπολογίζεται στα 1331 km 3 /year ενώ η παροχή του κατώτερου στρώματος εισόδου νερού του Αιγαίου, 1010 km 3 /year (Besiktepe et al., 1993). Η πολυπλοκότητα της περιοχής και η χρήση ενός νέου υδροδυναμικού μοντέλου στην μελέτη της είναι το βασικό κίνητρο της εργασίας αυτής. Οι επιστημονικοί στόχοι είναι η διερεύνηση συγκεκριμένων προτύπων κυκλοφορίας και κίνησης που επικρατούν στην περιοχή μελέτης, η επιρροή του νερού της Μαύρης Θάλασσας (BSW) στην κυκλοφορία του Β.Αιγαίου και η παραμετροποίηση της εκροής στα στενά των Δαρδανελίων (τοπογραφία περιοχής εκροής, παροχές, κλιματολογία κτλ). 2. Μεθοδολογία 2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Το μοντέλο βασίζεται στο ΗΥCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model), ένα τρισδιάστατο μοντέλο κυκλοφορίας με υβριδικές συντεταγμένες κατά την κατακόρυφο (Chassignet at al., 2007). Το μοντέλο έχει ισόπυκνες συντεταγμένες στην ανοικτή στρωματοποιημένη θάλασσα, μετατρέπεται ομαλά και δυναμικά σε σ-συντεταγμένες στις ρηχές παράκτιες περιοχές και σε συντεταγμένες πίεσης (μοντέλο z συντεταγμένων) στο επιφανειακό στρώμα ανάμιξης ή/και σε μη στρωματοποιημένες θάλασσες. Σε πολύ ρηχές περιοχές η κατακόρυφη διακριτοποίηση είναι πάλι z συντεταγμένες, έτσι ώστε να αποτραπεί η εμφάνιση ιδιαίτερα λεπτών στρωμάτων. Έτσι, το μοντέλο μπορεί να συνδυάσει τρεις διαφορετικούς τρόπους κατακόρυφων συντεταγμένων για να μπορεί να προσομοιώσει με το καταλληλότερο τρόπο τις διάφορες περιπτώσεις της θαλάσσιας στήλης, από τα παράκτια νερά μέχρι την ανοικτή θάλασσα. 2.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ Η ανάλυση του κανάβου είναι 1/50 ο είναι 233x173. Ως μικρότερο βάθος επιλέγονται τα 2.4m. Οι αρχικές συνθήκες της προσομοίωσης καθώς και οι οριακές συνθήκες στον νότιο ανοικτό όριο λαμβάνονται από μία μεγαλύτερη εφαρμογή του HYCOM για όλη την Μεσόγειο σε ανάλυση 1/25 ο. Η διαδικασία σύζευξης (nesting) είναι μιας κατεύθυνσης, όπου το πιο αδρό μοντέλο επηρεάζει το πιο αναλυτικό χωρίς όμως κάποια ανατροφοδότηση. Ο αριθμός των κατακόρυφων στρωμάτων είναι 20. Επίσης, εκτός από τον αριθμό των κατακόρυφων υβριδικών στρωμάτων ορίζεται και ο αριθμός των σ- συντεταγμένων στις παράκτιες περιοχές πάνω από τις υφαλοκρηπίδες. O αριθμός των σ- στρωμάτων θεωρείται ίσος με 9. Η εκροή των ποταμών προσομοιώνεται ως ένα είδος «βροχής» σε κάθε κελί που αντιπροσωπεύει τις εκβολές των ποταμών. Συγκεκριμένα για την εισροή του BSW από τα Δαρδανέλια, επιλέγεται αρχικά η προσομοίωση της εισροής με τον ίδιο τρόπο με το οποίο γίνεται η προσομοίωση της εκροής στα ποτάμια. Έτσι όμως υποεκτιμάται η εισροή των νερών της άνω στρώσης (BSW) εφόσον ως εισροή λαμβάνεται τελικά η διαφορά των ροών άνω και κάτω στρώσης (net inflow). Mία δεύτερη παραμετροποίηση βάσει του price-yang μοντέλου (Bryden & Kinder, 1991) βρίσκεται υπό εξέλιξη, όπου η οριακή συνθήκη στο στενών των Δαρδανελίων περιλαμβάνει τόσο τα υφάλμυρα επιφανειακά νερά όσο και τα εξερχόμενα νερά υψηλότερης αλατότητας. H παροχή της άνω στρώσης που χρησιμοποιείται στην παρούσα παραμετροποίηση μεταβάλλεται μηνιαία σύμφωνα με τον υπολογισμό του υδάτινου ισοζυγίου σε συνθήκες μόνιμης ροής από τους Unluata et al. (1990). Η ατμοσφαιρική διέγερση του υδροδυναμικού μοντέλου προέρχεται από (α) το σύστημα υψηλής ανάλυσης 1/10 ο POSEIDON (http://www.poseidon.hcmr.gr), το οποίο βασίζεται στο SKIRON/ΕΤΑ Αtmospheric Limitated Area Model (LAM), (http://forecast.uoa.gr/, Papadopoulos et al., 2002) και (β) το πιο αδρής ανάλυσης 1/2 o NOGAPS (https://www.fnmoc.navy.mil/public/, Navy -457-
Operational Global Atmospheric Prediction System). 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι 3. Αποτελέσματα Δύο τύποι αριθμητικών πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν, ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι της εργασίας: α) Ιδεατά πειράματα στα οποία εξετάζονται ξεχωριστά οι διεργασίες που επηρεάζουν την υδροδυναμική κυκλοφορίας της περιοχής (Process Oriented Experiments) και β) πειράματα σε ρεαλιστικές συνθήκες με ατμοσφαιρική διέγερση συγκεκριμένων χρονικών περιόδων (Realistic Experiments). 3.1 ΙΔΕΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Τα πειράματα σε ιδεατές συνθήκες αφορούν την εκτέλεση προσομοιώσεων σε συγκεκριμένες συνθήκες όπως είναι π.χ. η εισροή μόνο με BSW, χωρίς ατμοσφαιρική διέγερση και χωρίς εισροή από τα ποτάμια. Με την βοήθεια διάφορων αντίστοιχων συνδυασμών μελετήθηκε η επιρροή των διάφορων υφάλμυρων εισροών και της τοπογραφίας στην κυκλοφορία και κυρίως στην κίνηση του νερού της Μαύρης Θάλασσας. Επίσης, εκτελέστηκαν πειράματα μεταβάλλοντας τις παραμέτρους της εισροής των γλυκών και υφάλμυρων νερών (π.χ. βάθος και πλάτος εισροής, παροχές κτλ). Στα πειράματα αυτά, στο νότιο ανοικτό όριο εφαρμόζεται συνθήκη ελεύθερης διάβασης. Στην εικόνα 1 παρατηρείται η μεταβολή στην κίνηση του BSW στην περίπτωση ορισμού ως μέγιστου βάθους τα 250 μέτρα (Εικ. 1 δεξιά). Εικ. 1: Επιφανειακές ταχύτητες με διέγερση μόνο με εισροή BSW για ρεαλιστική τοπογραφία (αριστερά) και για βαθυμετρία με μέγιστο βάθος 250m σε όλη την περιοχή μελέτης (δεξιά). Εξασθενεί η αριστερόστροφη κίνηση κατά μήκος των βόρειων και δυτικών ακτών που παρατηρείται πιο έντονη στην περίπτωση της ρεαλιστικής τοπογραφίας. Ειδικά, το νότιο ρεύμα κατά μήκος των δυτικών ακτών που καταλήγει κανονικά στο Ρεύμα της Εύβοιας (Evia Jet) είναι σχεδόν ανύπαρκτο. Επίσης, ευνοείται η κίνηση ενός μέρους του BSW προς τα νότια παράλληλα με τις ακτές της Μ. Ασίας, απευθείας μετά την εκροή του από τα στενά. Η επιρροή των ποταμών περιορίζεται κυρίως στις γειτονικές περιοχές των εκβολών τους με εξαίρεση στο Θερμαϊκό Κόλπο όπου κυρίως τους ανοιξιάτικους μήνες σχεδόν όλος ο κόλπος καλύπτεται με υφάλμυρα νερά (Εικ. 2), κυρίως εξαιτίας των υψηλών παροχών και της ομαλής και ρηχής βαθυμετρίας. Αντίθετα, το σήμα του Πηνειού, όπου η βαθυμετρία είναι πολύ απότομη μπροστά στην εκβολή του, εξαφανίζεται πολύ γρήγορα και είναι εμφανές μόνο ακριβώς μπροστά στην εκβολή του. Οι μαύρες γραμμές στην κατακόρυφη τομή δηλώνουν τα υβριδικά στρώματα, τα οποία στον Θερμαϊκό Κόλπο μετατρέπονται σταδιακά σε σίγμα -458-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι (βάθος: 10-20μ.) και σε z (κοντά στην ακτή) συντεταγμένες καθώς μειώνεται το βάθος. Εικ. 2: Οριζόντια κατανομή επιφανειακής αλατότητας με μοναδική διέγερση την εκροή από τα ποτάμια, (αριστερά) και κατακόρυφη κατανομή αλατότητας (Α Α) στο Θερμαϊκό Κόλπο. 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΕ ΡΕΑΛΙΣΤΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ Εκτελέστηκαν παράλληλα πειράματα με τα δυο προαναφερθέντα σύνολα πεδίων ατμοσφαιρικών δεδομένων. Η χρήση του πιο αναλυτικού POSEIDON/SKIRON οδήγησε στην σύγκριση με την προγενέστερη προσομοίωση του NAS-POM μοντέλου (βασισμένο στο Princeton Ocean Model, Kourafalou & Tsiaras, 2007). Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου και δορυφορικά δεδομένα (Εικ. 3). Στην εικόνα της κατανομής των ταχυτήτων εμφανίζονται ένας κυκλώνας και ένας αντικυκλώνας καθώς την ίδια ημερομηνία στις ίδιες περιοχές εμφανίζεται πτώση και ανύψωση της στάθμης αντίστοιχα (Εικ. 3, αριστερά). Για την περίοδο μελέτης από το 2002 έως το 2006, εκτός από τις μαθηματικές προσομοιώσεις εξετάστηκε και ο βαθμός συσχέτισης μεταξύ δύο διαφορετικών πεδίων ατμοσφαιρικής διέγερσης που χρησιμοποιηθήκαν (Εικ. 4). Σχεδόν σε όλη την περιοχή μελέτης και κυρίως στην ανοικτή θάλασσα διαπιστώνεται ότι το λεπτομερέστερο μοντέλο POSEIDON/SKIRON εμφανίζει γενικά μικρότερες διατμητικές τάσεις ανέμου. Εικ. 3: Ένας αντικυκλώνας νότια της Θάσου και ένας κυκλώνας βόρεια των Σποράδων (δεξιά) εμφανίζονται στη δορυφορική εικόνα (αριστερά) ως ανύψωση και πτώση της στάθμης αντίστοιχα. -459-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Εικ. 4: Χρονοσειρές τάσεων ανέμου συστημάτων POSEIDON/SKIRON και NOGAPS στην περιοχή των Δαρδανελίων. Στην Εικόνα 5 παρουσιάζονται οι οριζόντιες ταχύτητες του επιφανειακού στρώματος για τα δύο πακέτα ατμοσφαιρικής διέγερσης. Εικ. 5: Οριζόντιες κατανομές ταχυτήτων με διέγερση NOGAPS (αριστερά) και SKIRON (δεξιά). Ο αντικυκλώνας νότια της Θάσου υπάρχει και στις δύο περιπτώσεις παρόλο που στο πείραμα με διέγερση από το POSEIDON/SKIRON είναι αρκετά πιο ασθενής. Ταυτόχρονα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει και την κίνηση των BSW που δείχνει στο πείραμα με NOGAPS να κινούνται βόρεια της Λήμνου και να τροφοδοτεί τον παραπάνω αντικυκλώνα καθώς επίσης και κυκλώνα στον εξωτερικό Θερμαϊκό. Στο πείραμα POSEIDON/SKIRON η κίνηση των BSW γίνεται κυρίως νότια της Λήμνου, ενώ εμφανίζεται ακόμα ένας αντικυκλώνας νότια της Σαμοθράκης, εξαιτίας μια ποσότητας BSW η οποία κινείται προς τα βορειοδυτικά. Ο κυκλώνας του Θερμαϊκού εξαφανίζεται. Αυτό που διαφοροποιείται στις τάσεις ανέμου μεταξύ των δύο πειραμάτων είναι οι μικρότερες τιμές του πεδίου του POSEIDON/SKIRON, καθώς και η εμφάνιση βορειότερων ανέμων στην έξοδο των Δαρδανελίων μέχρι την Λήμνο, στην περίπτωση POSEIDON/SKIRON, οι οποίοι πιθανόν να σχετίζονται και με την «στροφή» της εισόδου BSW προς τα νότια. Στην περίπτωση του NOGAPS για την ίδια περιοχή, εμφανίζονται βορειοανατολικοί άνεμοι. 4. Συμπεράσματα Η τοπογραφία της περιοχής μελέτης επηρεάζει σημαντικά την υδροδυναμική κυκλοφορία και ειδικά την κίνηση των BSW. Επίσης, οι τάσεις ανέμου καθορίζουν τόσο την αρχική κατεύθυνση των BSW όσο και την περαιτέρω ανάμιξη τους. Τα νερά των ποταμών εντοπίζονται κυρίως στην περιοχές πολύ κοντά στις εκβολές τους, όπου σε συνδυασμό με την τοπογραφία, η επιρροή τους -460-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι στην κυκλοφορία και στις φυσικές παραμέτρους είναι ιδιαίτερα μικρή σε σχέση με την επιρροή των BSW. Οι διαφορές των δύο πακέτων ατμοσφαιρικής διέγερσης που χρησιμοποιήθηκαν είναι ορατές στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Ειδικά στις κλειστές παράκτιες περιοχές το λεπτομερέστερο πεδίο POSEIDON/SKIRON, παράγει υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες, γεγονός που πιθανόν οφείλεται και στις υψηλότερες ατμοσφαιρικές θερμοκρασίες σε σχέση με τις αντίστοιχες του NOGAPS, το οποίο παρουσιάζει χαμηλή ανάλυση κυρίως στις παράκτιες και κλειστές περιοχές. Η διερεύνηση της βαρύτητας της διαφορετικής ανάλυσης των ατμοσφαιρικών πεδίων στα αποτελέσματα του μοντέλου βρίσκεται τώρα υπό εξέλιξη. 5. Ευχαριστίες Η μελέτη χρηματοδοτείται απο το πρόγραμμα SESAME (Integrated Project supported by the European Commission s Sixth Framework Programme, Sustainable Development, Global Change and Ecosystems). Ευχαριστούμε θερμά τον Alan Wallcraft (Naval Research Lab, Stennis Space Center) για τα Mediterranean ΗYCOM αποτελέσματα και τα NOGAPS πεδία, τον Γεράσιμο Κορρέ και την ομάδα του ΠΟΣΕΙΔΩΝΑ (ΕΛΚΕΘΕ) για τα Poseidon πεδία και τον Χρίστο Σπύρου (Πανεπιστήμιο Αθηνών) για τα SKIRON πεδία. Τα δορυφορικά δεδομένα προέκυψαν από το πρόγραμμα AVISO της Γαλλικής Διαστημικής Εταιρίας (www.aviso.oceanobs.com). 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Besiktepe, S., Ozsoy, E. & Unluata, U., 1993. Filling of the Marmara Sea by the Dardanelles lower layer inflow, Deep-Sea Research. I, Vol. 40 (9): 1815-1838. Bryden, H. & Kinder, T., 1991. Steady two-layer exchange through the Strait of Gibraltar, Deep-Sea Research, Vol. 38: S445-S463. Chassignet, E., Hurlburt, H., Smedstad, O., Halliwell, G., Hogan, P., Wallcraft, A., Baraille, R. & Bleck, R., 2007. The HY- COM (Hybrid Coordinate Ocean Model) data assimilative system, Journal of Marine Systems,Vol. 65: 60-83. Kourafalou, V. H. & Tsiaras, K. P., 2007. A nested circulation model for the North Aegean Sea, Ocean Sci., 3, 1-16. Papadopoulos, A., Kallos, G., Katsafados, P. & Nickovic, S., 2002. The Poseidon weather forecasting system: An overview. The Global Atmosphere and Ocean Systems, 8, No. 2-3, 219-237 (retitled Journal of Atmospheric and Ocean Science). Unluata, U., Oguz, T., Latif, M.A. & Ozsoy, E., 1990: On the Physical Oceanography of Turkish Straits, In The Physical Oceanography of Sea Straits, Pratt L.J. ed, NATO/ASI Series, Kluwer, Dordrecht: 25-60. -461-