Πρόγνωση Κύματος: Το μοντέλο WaveWatch IIITM Θεοφάνης Καραμπάς(1), Γεωργία Καλαντζή(2) Καθηγητής, ΕΘΤΘΕ, Α.Π.Θ. Δρ. Ωκεανογράφος, ΟΜΙΚΡΟΝ Α.Ε.

Ανεμογενείς θαλάσσιοι κυματισμοί Βασικά χαρακτηριστικά κυματισμών Ανάπτυξη ανεμογενών κυματισμών Εξέλιξη κυματικού πεδίου υπό την επίδραση της ρήχωσης

Οι προγνώσεις των θαλασσίων κυματισμών Εάν η κατάσταση θάλασσας είναι γνωστή σε μία δεδομένη χρονική στιγμή, πως θα μπορούσε να προβλεφθεί η κατάσταση θάλασσας στο μέλλον; Αυτό είναι το θεμελιώδες ερώτημα που «γέννησε» την μοντελοποίηση των θαλασσίων κυματισμών, και η απάντησή του είναι η βασική εξίσωση των σύγχρονων μοντέλων πρόγνωσης θαλασσίων κυματισμών: η εξίσωση ισορροπίας της ενέργειας.

Αριθμητικό μοντέλο WaveWatch III Το αριθμητικό μοντέλο WaveWatch III (WW-III) είναι ένα πλήρες φασματικό μοντέλο τρίτης γενιάς, για την μοντελοποίηση και πρόγνωση ανεμογενών κυματικών πεδίων. Έχει δημιουργηθεί στο Marine Modeling and Analysis Branch (MMAB) του National Center for Environmental Prediction (NCEP). Οι εξισώσεις του WW-III περιλαμβάνουν ανάπτυξη και απόσβεση του κυματισμού λόγω της δράσης του ανέμου, μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις, θραύσης στα βαθιά, τριβές πυθμένα, περιγραφή της διάθλασης, θραύση στα ρηχά νερά.

Προγνωστικές παράμετροι περιγραφής θαλασσίων κυματισμών Οι συνήθεις παράμετροι περιγραφής των κυματικών πεδίων είναι: Το Σημαντικό Ύψος κύματος (Hs) σε μέτρα. Το σημαντικό ύψος κύματος σε μια περιοχή είναι η μέση τιμή ύψους (από κορυφή σε κοιλία) του ενός τρίτου των υψηλότερων κυμάτων. Μέση Διεύθυνση κύματος (θ) σε μοίρες. Η διεύθυνση του κύματος σε μία περιοχή πληροφορεί για την κατεύθυνση από την οποία έρχονται οι κυματισμοί με τη κυρίαρχη περίοδο. Μέση Περίοδος κύματος (Tm) σε δευτερόλεπτα. Η περίοδος του κύματος χαρακτηρίζει τον απαιτούμενο χρόνο που χρειάζεται για να διέλθουν από ένα (σταθερό) σημείο δύο διαδοχικά σημεία ίδιων φάσεων (δύο κορυφές ή δύο κοίλα). 

Ποιότητα κυματικών προγνώσεων Η ποιότητα των κυματικών προγνώσεων εξαρτάται άρρηκτα από τον τρόπο με τον οποίο «ρυθμίζονται» συγκεκριμένες λειτουργίες των κυματικών μοντέλων. Συνήθως, οι επιλογές που γίνονται γι αυτές τις λειτουργίες είναι «συμβιβασμοί» μεταξύ ποιότητας των αποτελεσμάτων και διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύς ή/ και διαθέσιμου χρόνου. Οι λειτουργίες αυτές περιλαμβάνουν: Χωρική ανάλυση Ανάλυση του φάσματος βάσει της οποίας θα πραγματοποιηθούν υπολογισμοί (κατευθύνσεις και συχνότητες). Βήμα ολοκλήρωσης των παραμετροποιημένων φυσικών διεργασιών. Ποιότητα του πεδίου ανέμου (ανάλυση πλέγματος και εγκυρότητα) που θα τροφοδοτήσει το μοντέλο.

Το κυματικό μοντέλο WaveWatch IIITM Σε σχέση με παλαιότερες εκδόσεις του, η σημερινή μορφή του μοντέλου διαφέρει σημαντικά και σε καίρια σημεία, όπως οι κυρίαρχες συναρτήσεις, η δομή, οι αριθμητικές μέθοδοι και οι φυσικές παραμετροποιήσεις. Επιλύεται αριθμητικά η εξίσωση ισορροπίας

Το κυματικό μοντέλο WaveWatch IIITM Αριθμητική επίλυση της «εξίσωσης ισορροπίας της ενέργειας» (“energy balance equation”): F πυκνότητα ενέργειας φάσματος Sin ενέργεια που εισέρχεται στο σύστημα από τον άνεμο Snl ενέργεια που ανταλλάσσεται μέσω της αλληλεπίδρασης των κυματικών πεδίων Sdis ενέργεια που χάνεται από την θραύση των κυματισμών, τριβή πυθμένα

To WaveWatch IIITM στο WaveForUs… Η βασική αρχιτεκτονική του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου: Βαθυμετρία Εμπόδια (νησιά, κτλ) Φάσμα κυματισμών Πεδίο ανέμου Αρχικές συνθήκες Μοντέλο WaveWatch IIITM v.3.14 Έξοδος Τιμές σε πλέγματα Τιμές σε σημεία Διάδοση κυματισμών Κυματική Φυσική

To WaveWatch IIITM στο WaveForUs… Είσοδος δεδομένων ανέμου σε δύο διαφορετικά πεδία διαδοχικά αυξανόμενης χωρικής ανάλυσης: (α) Πεδίο Αιγαίου Πελάγους, χωρικής ανάλυσης 0.05°x0.05°(~5km), και (β) Πεδίο Θερμαϊκού Κόλπου, χωρικής ανάλυσης 0.016°x0.016°(~1.7km). Αντίστοιχα, το μοντέλο δομήθηκε ώστε να υπολογίζει πρώτα στο πλέγμα του Αιγαίου Πελάγους και από αυτούς τους υπολογισμούς να τροφοδοτούνται με αρχικές συνθήκες οι υπολογισμοί υψηλότερης χωρικής ανάλυσης στον Θερμαϊκό Κόλπο (nesting).

To WaveWatch IIITM στο WaveForUs… Το κυματικό μοντέλο παρέχει ημερησίως: Τριήμερες προγνώσεις Σημαντικού Ύψους Κύματος (Hs, σε μέτρα) με τρίωρο χρονικό βήμα. Τριήμερες προγνώσεις Διεύθυνσης Κύματος (θ, σε μοίρες) με τρίωρο χρονικό βήμα.

Αποτελέσματα του WaveWatch IIITM Αιγαίο Πέλαγος 2-διάστατοι χάρτες κατεύθυνσης (διανύσματα) και τιμής σημαντικού ύψους κύματος Hs (m) στο Αιγαίο Πέλαγος

Αποτελέσματα του WaveWatch IIITM Θερμαϊκός Κόλπος Χρονοσειρά εξέλιξης του σημαντικού ύψους κύματος Hs (m) στα ανοιχτά του Θερμαϊκού Κόλπου 2-διάστατος χάρτης κατεύθυνσης (διανύσματα) και τιμής σημαντικού ύψους κύματος Hs (m) στον Θερμαϊκό Κόλπο

Κατεύθυνση και Σημαντικό Ύψος Κύματος [m] Αποτελέσματα του WaveWatch IIITM Θερμαϊκός Κόλπος Κατεύθυνση και Σημαντικό Ύψος Κύματος [m]

Τεκμηρίωση των κυματικών προγνώσεων Δεδομένων των περιορισμένων διαθέσιμων μετρήσεων (in situ) Σημαντικού Ύψους Κύματος για το πεδίο του Θερμαϊκού κόλπου, επιλέχθηκαν τα αποτελέσματα του πεδίου του Αιγαίου Πελάγους για την βαθμονόμηση/ επαλήθευση του μοντέλου. Για την επαλήθευση του μοντέλου, επιλέχθηκαν οι εκτιμήσεις Σημαντικού Ύψους Κύματος που προκύπτουν από τα δεδομένα αλτιμετρίας της δορυφορικής πλατφόρμας Jason 2. Τροχιές του δορυφόρου στο πεδίο του Αιγαίου Πελάγους.

Τεκμηρίωση των κυματικών προγνώσεων Οι χωρικά και χρονικά επικαλυπτόμενες τιμές των δορυφορικών δεδομένων και της εξόδου του κυματικού μοντέλου, για την χρονική περίοδο της σύγκρισης, δηλαδή 01/03/2013 με 28/02/2014, είναι σε πλήθος 3724. Αντίστοιχη διαδικασία, έγινε και για την σύγκριση της ταχύτητας του ανέμου (U10) που χρησιμοποιείται ως είσοδος για το κυματικό μοντέλου, και της ταχύτητας του ανέμου που υπολογίζεται από τα δορυφορικά δεδομένα. Από την διαδικασία για την χωρική και χρονική επικάλυψη των δεδομένων της ταχύτητας του ανέμου, προέκυψαν επίσης 3724 σημεία.

Τεκμηρίωση των κυματικών προγνώσεων Από τα αποτελέσματα που εμφανίζονται παραπάνω, παρατηρείται πως η συσχέτιση των δύο σετ δεδομένων είναι ικανοποιητική αν λάβει κανείς υπ’ όψιν πως και οι υπολογισμοί του Σημαντικού Ύψους Κύματος από τα δορυφορικά δεδομένα μέσω αλγορίθμων, εμπεριέχουν σημαντικά σφάλματα. Επίσης η αντίστοιχη σύγκριση για την ταχύτητα του ανέμου, εμφάνισε πανομοιότυπη μορφή διασποράς, γεγονός που δηλώνει πως οι διαφορές οφείλονται περισσότερο σε διαφορές μεταξύ του πεδίου ανέμου εισόδου του μοντέλου και των αντίστοιχων δορυφορικών τιμών ανέμου, και λιγότερο σε σφάλματα υπολογισμών του μοντέλου.

Συμπεράσματα Το μοντέλο WaveWatch IIITM αποδείχθηκε ένα αξιόπιστο εργαλείο για τις ανάγκες του έργου WaveForUs. Οι δυνατότητες και οι λειτουργίες του, έχουν διαδραστικό χαρακτήρα και αφήνουν βαθμούς ελευθερίας στο χρήστη ώστε να μπορέσει να το «χρησιμοποιήσει» με τον καλύτερο δυνατό τρόπο/ δομή για τις ειδικές ανάγκες της εκάστοτε περιοχής μελέτης. Ειδικές λειτουργίες, όπως η εσωτερική αυτόματη παρεμβολή, δίνουν τη δυνατότητα στο χρήστη να συγκρίνει τα αποτελέσματά του με μετρήσεις διαφόρων πηγών και μορφών. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων για το πεδίο του Αιγαίου Πελάγους με διαθέσιμα δεδομένα αλτιμετρίας από τη δορυφορική πλατφόρμα Jason 2 έδειξε πως τα αποτελέσματα του μοντέλου εμφανίζουν ικανοποιητική συμπεριφορά και θεωρούνται αξιόπιστα, σε ερευνητικό επίπεδο.

Ευχαριστώ