ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΑΙΓΑΙΟΥ ΠΕΛΑΓΟΥΣ ΜΕ ΤΗ

ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ELCOM

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

ΚΟΚΚΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ,Υποψήφιος Διδάκτορας

ΣΥΛΑΙΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ,Επίκουρος Καθηγητής

• 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 20-40 μ της επιφάνειας της υδάτινης στήλης.

• Το Νερό της Μαύρης Θάλασσας εξερχόμενο από τα Στενά των Δαρδανελλίων ακολουθεί κυκλωνική πορεία, 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 40.000 m3/s, ανταποκρινόμενες στις αντίστοιχα αυξημένες ποτάμιες απορροές της Μαύρης Θάλασσας.

• Η κύρια ανεμογενής κυκλοφορία καθορίζει εποχιακά τη πορεία του BSW στο Βόρειο Αιγαίο.

• Το καλοκαίρι, η κύρια ροή κινείται νοτιο-δυτικά, υπό την επίδραση των βορειο-ανατολικών ανέμων, με τη κύρια μάζα του να συγκεντρώνεται νότια της Νήσου Λήμνου. Το αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός μιας καλά καθορισμένης μετωπικής ζώνης διαχωρισμού του Νερού Μαύρης Θάλασσας και του αυξημένης αλατότητας (38.5-39.0) Ενδιάμεσου Νερού Λεβαντίνης (LIW) προερχόμενο από το Κρητικό Πέλαγος. Επιπλέον, ένα σημαντικό τμήμα της ροής κινείται βόρεια της Νήσου Λήμνου.

• 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.

Σκοπός

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 υπερ-ετήσιας 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.

γ) η παροχή οριακών συνθηκών για την εφαρμογή διασυνδεδεμένου ομοιώματος υψηλής ανάλυσης του Θρακικού Πελάγους.

Στη συγκεκριμένη εργασία, για την προσομοίωση της παράκτιας κυκλοφορίας εφαρμόσθηκε το υδροδυναμικό τρισδιάστατο μαθηματικό ομοίωμα ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), το οποίο έχει αναπτυχθεί στο Center for Water Research του Πανεπιστημίου της Δυτικής Αυστραλίας (Hodges and Dallimore, 2006).

Το ELCOM 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.

Μεθοδολογία

ΜεθοδολογίαΓια την πιστοποίηση του ομοιώματος έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων 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.Τα αποτελέσματα του ομοιώματος συγκρίθηκαν σε 44 θέσεις με τις αντίστοιχες ημερήσιες χρονοσειρές επιφανειακής θερμοκρασίας του GHRSST για τα 4 έτη προσομοίωσης (2005-2008).

Για την σύγκριση των αποτελεσμάτων του ομοιώματος με τα δορυφορικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα στατιστικά κριτήρια. Αυτά είναι:

• Συντελεστής προσδιορισμού R :Ο συντελεστής προσδιορισμού αποτελεί το τετράγωνο του συντελεστή συσχέτισης Pearson (R).

• Ρίζα του τετραγωνικού μέσου λάθους RMSE (Root of Mean Square Error): Το κριτήριο RMSE αποτελεί την τυπική μέθοδο υπολογισμού των στατιστικών διαφορών μεταξύ του πλήθους των δεδομένων χ και y.

• Συντελεστής απόδοσης Nash-Sutcliffe (NSE) (Nash and Sutcliffe, 1970): Ο NSE είναι μια κανονικοποιημένη στατιστική παράμετρος που προσδιορίζει το σχετικό μέγεθος της διασποράς των υπολοίπων σε σύγκριση με τη διασπορά των δεδομένων που μετρήθηκαν.

• Ο δείκτης συμφωνίας ΙΑ (Index of Agreement): Ο ΙΑ είναι ένας τυποποιημένος τρόπος αποτίμησης του βαθμού του σφάλματος της πρόβλεψης του μοντέλου.

Περιοχή ΜελέτηςΤρισδιάστατη

πληροφορία της περιοχής

Κάνναβος όπως εισάχθηκε στο

ομοίωμα

1 km × 1 km (0,009° × 0,009°)

20 στρώματα λογαριθμικά

αυξανόμενου πάχους

3.107.280 υπολογιστικά κελιά

Αρχικές και Οριακές Συνθήκες

Ως αρχική συνθήκη στο περιβάλλον νερό επιλέχθηκε

αλατότητα 38 psu και θερμοκρασία 10.0°C.

Skoulikidis et al. (1998)

Αρχικές και Οριακές Συνθήκες

Dardanelles Inflow

Η παροχή εισροής από τα Δαρδανέλλια θεωρήθηκε εποχιακά μεταβαλλόμενη, με μέση ετήσια τιμή 42.222 m3/sec (Tugrul et al., 2002).

Η θερμοκρασία εισροής προήλθε από δορυφορικά δεδομένα (MODIS), δημιουργώντας ένα επιφανειακό στρώμα πάχους 25 μέτρων (Skliris et al., 2007).

Η αλατότητα ακολούθησε εποχιακή διακύμανση με μέσο όρο 28,03 psu (Turkoglu, 2010).

Αρχικές και Οριακές Συνθήκες

Όριο 1 Όριο 2 Όριο 3

Παλιρροιακή διακύμανση

Αρχικές και Οριακές Συνθήκες

Χρησιμοποιήθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα τα οποία εφαρμόστηκαν σε όλη την περιοχή

μελέτης, για μια περίοδο τεσσάρων ετών (2005-2008) με χρονικό βήμα τριών ωρών, τα

οποία προήρθαν από την NOAA ARL και αφορούσαν:

Αποτελέσματα

Το ομοίωμα εφαρμόστηκε για τέσσερα χρόνια (2005-2008) με χρονικό βήμα 3 λεπτά.

Εξήχθησαν δεδομένα της θερμοκρασίας, του πεδίου ταχυτήτων, της αλατότητας και της εξέλιξης της ελεύθερης στάθμης της θάλασσας.

35 km

0.76 m/s

0.84 m/s

ΜΑΙΟΣ

25 km

0.63 m/s

0.71 m/s

ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ

Το ομοίωμα αναπαράγει αρκετά καλά την υδροδυναμική κυκλοφορία στο Βόρειο Αιγαίο ευρισκόμενο σε σχετική συμφωνία με τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών.

Αποτελέσματα

Αποτελέσματα

Αποτελέσματα

Αποτελέσματα

R2 = 0.89 RMSE = 1.65

O μέσος συντελεστής προσδιορισμού για το σύνολο των

σταθμών είχε τιμή 0.83

R2 = 0.85 RMSE = 2.43

Όπως προκύπτει από το ομοίωμα η επιφανειακή κατανομή της θερμοκρασίας του Βορείου Αιγαίου και η εποχιακή της μεταβολή εξαρτάται κυρίως από την θερμοκρασία του αέρα, με τις μεταβολές των δύο αυτών παραμέτρων να συμβαίνουν σχεδόν ταυτόχρονα.

Αποτελέσματα

ΣυμπεράσματαΌπως προκύπτει από τα αποτελέσματα της εφαρμογής του ομοιώματος ELCOM:

• H κυκλοφορία της περιοχής επηρεάζεται κυρίως από την εκροή των υδάτων της Μαύρης Θάλασσας 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 αλλά και η επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας από την θερμοκρασία αέρα.

• 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 μη-υδροστατικών όρων πίεσης, οι οποίοι σε παράκτια περιοχή πολύπλοκης βαθυμετρίας όπως η περιοχή μελέτης είναι δυνατόν να είναι ιδιαίτερα σημαντικοί.

• 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.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ