Estrazione dati ondametrici dal database NOAA

Transcript

1 Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali Curriculum Idraulica Relazione di fine tirocinio Estrazione dati ondametrici dal database NOAA Tutor Universitario: Leopoldo Franco Studente: Noel Stefano Cossa Anno accademico 2017/2018

2 INDICE INDICE DELLE FIGURE... 2 PREMESSA INTRODUZIONE IL NOAA WAVEWATCH III EQUAZIONI GOVERNANTI TERMINI SORGENTE INPUT DEL MODELLO OUTPUT DEL MODELLO GRIGLIE ESTRAZIONE DATI ESEMPI DI UTILIZZO DATI BIBLIOGRAFIA

3 Indice delle figure Figura 1-Griglie WW3 - fase1 11 Figura 2- Esempio - Griglie del Mar del Nord /Baltico, del Mediterraneo e del NW Oceano Indiano. 12 Figura 3 - Esempio informazioni contenute nel generico file.txt 14 Figura 4 Codice per la visualizzazione dell altezza significativa nel Mediterraneo 14 Figura 5 - Altezza significativa nel mediterraneo relativo al 1/01/1970 ore 12:00 15 Figura 6- Codice estrazione serie mensile del parametro d interesse 15 Figura 7 - Altezza significativa relativa al mese di gennaio Figura 8 Codice di calcolo estrazione batimetria 17 Figura 9 Batimetria Mediterraneo 17 Figura 10- Altezza significativa dal 1979 al 2009, in prossimità della boa RON di Crotone 18 Figura 11- Altezza significativa dal 1979 al 2009, in prossimità della boa RON di Ponza 18 Figura 12 Rosa dei venti-crotone 19 Figura 13 Rosa dei venti-ponza 19 Figura 14 Rosa delle onde-crotone 20 Figura 15 - Rosa delle onde-ponza 20 2

4 PREMESSA Il presente elaborato ha lo scopo di descrivere quanto svolto durante le attività previste dall art. 10, co 5 del DM270/2004 finalizzate allo svolgimento del tirocinio formativo per un numero di ore, come previsto dal piano di studi, non inferiore a 150. Tale tirocinio è stato svolto nel periodo tra l 8/01/2018 ed il 3/03/2018 presso il Dipartimento di Ingegneria dell università degli studi di Roma Tre. L obiettivo è stato quello di automatizzare il processo di estrazione ed organizzazione dei dati relativi alle serie ondametriche messe a disposizione pubblicamente da parte del NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) per una qualsiasi località d interesse. Tale scopo è stato raggiunto mediante la realizzazione di un codice attraverso il programma di calcolo MATLAB. In tale elaborato è presente inoltre una breve descrizione riguardo il modello WAVEWATCH lll utilizzato dalla NOAA nel generare tali dati. L estrazione di tali informazioni è stata una fase fondamentale per il lavoro di tesi, che vede il confronto tra le serie ondametriche ricostruite dalla NOAA nel Mediterraneo e quelle registrate dalle boe della rete ondametrica nazionale RON. 3

5 1. Introduzione Relazione di fine tirocinio La determinazione delle condizioni ondose in un certo paraggio è fondamentale per una duplice finalità: ricostruire il regime ondoso medio, soprattutto per valutazioni della dinamica litoranea o dell agibilità di un porto; definire la probabilità di occorrenza di agitazioni estreme prevedibili durante la vita economica di un opera marittima, in modo da selezionare le caratteristiche delle onde di progetto da porre a base dei calcoli di dimensionamento strutturale. Purtroppo le misure strumentali del moto ondoso sono disponibili solo in alcune località e spesso per un numero limitato di anni. Diviene quindi inevitabile, il ricorso a procedure indirette di previsione, o meglio di ricostruzione (hindcasting), degli eventi ondosi verificatisi. Ciò risulta possibile attraverso l utilizzo delle informazioni sulle condizioni meteorologiche, che sono generalmente conoscibili con buona approssimazione e per lunghi periodi di tempo. Esistono, diversi modelli matematici di previsione, che possono essere classificati in quattro grandi categorie: modelli spettrali, parametrici, statistici ed empirici. Una breve descrizione sarà dedicata al NOAA ed al modello spettrale da loro adoperato, il WW3 (WAVEWATCH III). 4

6 2. Il NOAA Relazione di fine tirocinio IL NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) è un agenzia scientifica americana all interno del Department of Commerce (Dipartimento del Commercio). Ufficialmente costituita nel 1970, la sua missione è quella di: comprendere e prevedere i cambiamenti dell ambiente; conservare, proteggere e gestire risorse costiere, marine e dei grandi laghi; soddisfare le esigenze economiche, sociali ed ambientali americane e del globo. Il NOAA esegue le sue funzioni attraverso sei uffici: National Environmental Satellite, Data, and Information Service; National Marine Fisheries Service; National Ocean Service; National Weather Service; Office of Marine & Aviation Operations; Office of Oceanic & Atmospheric Research; Nel caso in analisi, interessa il NWS (National Wheather Service), ovvero il servizio meteorologico nazionale che fornisce previsioni meteorologiche, idriche e climatiche. Le previsioni vengono realizzate attraverso numerosi sistemi di acquisizione dei dati di osservazione: stazioni meteorologiche in superficie, palloni sonda, satelliti meteorologici, radar ed ulteriori strumentazioni. Tali dati alimentano i modelli numerici meteorologici idrici e climatici, i cui output vengono poi analizzati e verificati. In seguito queste informazioni vengono condivise al pubblico, ai responsabili delle emergenze ed altri partener, il cui ruolo è fondamentale per aiutare a prendere decisioni che salvino vite e beni. In particolare, il MMAB (Marine Modeling & Analysis Branch) fornisce le analisi e le previsioni in tempo reale sui parametri meteorologici, marini ed oceanografici su tutti gli oceani e le aree costiere degli Stati uniti. È inoltre parte dell EMC - Environmental Modeling Center, il quale è responsabile per lo sviluppo dei migliori sistemi numerici di previsione meteorologica e marina, all interno del National Centers for Environmental Prediction National Weather Service, tra i quali il WAVEWATCH lll. 5

7 3. WAVEWATCH III Relazione di fine tirocinio Il WW3 è un modello d onda di terza generazione sviluppato presso il NOAA/NCEP (National Centers for Environmental Prediction) come evoluzione del modello WAM (WAMDIG 1988, Komen et al. 1994). Tale modello viene introdotto inizialmente da Hendrik Tolman con lo sviluppo del modello WAVEWATCH preso la Delft University of Technology e dal modello WAVEWATCH II, sviluppato dalla NASA, agli inizi degli anni 90. Tuttavia, tale modello, differisce dai suoi predecessori in molti differenti punti come le equazioni, la struttura del modello, i metodi numerici e la parametrizzazione della fisica. Inoltre tale modello è costituito da un insieme di file contenenti diverse schematizzazioni per i diversi processi fisici legati al moto ondoso. A seconda di come il modello viene compilato, avremo una risposta diversa nella simulazione del moto ondoso, con risultati diversi. Tali schematizzazioni come quella di Tolman e Chalikov (1996) o quella di Ardhuin et al. (2010) rappresentano i processi legati alla formazione del moto ondoso in mare aperto, come ad esempio i processi fisici di trasferimento di energia dal vento alle onde e di whitecapping, fondamentali per risolvere lo sviluppo e la propagazione del moto ondoso in acque alte. 3.1 Equazioni governanti All interno di WW3 lo spettro di base è F(k, θ), funzione di due soli parametri di fase indipendenti, il numero d onda k e la direzione θ (assunta per definizione perpendicolare alla cresta dell onda con medesima direzione del vettore numero d onda k). In generale, tuttavia, l azione dell onda A = E si conserva (anche in presenza di correnti) e σ questo rende N(K, θ), ovvero la densità d azione spettrale d onda, lo spettro di scelta all interno del modello, dove: N(K, θ) = F(k, θ) σ (3.1) La propagazione delle onde è quindi descritta dalla seguente: DN Dt = S σ (3.2) Dove D Dt rappresenta la derivata materiale (muovendosi con una componente d onda) e S rappresenta l effetto di sorgenti e pozzi per lo spettro F(k, θ). Poiché il secondo membro dell'equazione (3.2) generalmente considera la propagazione lineare senza diffusione, gli effetti di propagazione di onde non lineari (ad esempio interazioni onda-onda) e riflessioni d'onda parziali vengono rappresentati nel termine S. Mentre σ rappresenta la frequenza relativa. 6

8 In un modello numerico, è necessaria una forma Euleriana dell equazione di bilancio (3.2). WW3 utilizza la seguente equazione di bilancio per descrivere l evoluzione dello spettro d onda N(K, θ; x, t), nel caso che le coordinate siano cartesiane: N t + x x N + k k N + θ θ N = S σ (3.3) Con: x = c g + U (3.4) k = σ d d s k U s (3.5) θ = 1 k [ σ d d m + k U m ] (3.6) Dove la celerità di gruppo c g = (c g sinθ, c g cosθ), s è una coordinata in direzione θ ed m è una coordinata perpendicolare ad s. Per applicazioni su larga scala, tale equazione è di solito trasferita in coordinate sferiche, definita da longitudine λ e latitudine φ (i.e., per unit surface, as in WAMDIG,1988): N t + 1 cosφ φ φ Ncosθ + λ λ N + k k N + θ θ g N = S σ (3.7) Con: φ = c gcosθ + U φ R λ = c gsinθ + U λ R cos φ (3.8) (3.9) θ g = θ c gtanφ + cosθ R (3.10) Dove R è il raggio della terra U φ e U λ sono le componenti della corrente. L'equazione (3.13) include un termine di correzione per la propagazione lungo grandi circoli, 7

9 usando una definizione cartesiana di θ, dove θ = 0 corrisponde alle onde che viaggiano da ovest verso est. Le espressioni per descrivere le velocità di propagazione sono date dalla teoria lineare (o delle onde di piccola ampiezza). Quindi WWW3 può essere eseguito utilizzando sia coordinate cartesiane che sferiche, le quali possono essere discretizzate in diversi modi, utilizzando quadrangoli (rettangoli, curvilinei o griglie SMC) e triangoli. 8

10 3.2 Termini sorgente Il termine S è composto da diversi termini sorgente e può essere così descritto: S = S ln + S in + S nl + S ds + S bot + S db + S tr + S sc + S ice+ S ref + S xx (3.11) Con: S ln : interazione onda-onda non lineare, dominato dal termine di crescita esponenziale ventoonda; S in : interazione onda-atmosfera, che di solito è un input positivo di energia ma che può essere anche negativo in caso di swell; S ds : interazione onda-oceano; S bot : onda-fondale; S db : tiene conto della rottura dovuta alla profondità; S tr : triade d interazione onda-onda in acque basse; S sc : tiene conto della dispersione delle onde dovuta al fondo; S ice : interazione onda-ghiaccio; S ref : tiene conto della riflessione sui litorali o oggetti fluttuanti come gli iceberg; S xx : ulteriori termini che possono essere aggiunti; Tali termini sorgente sono definiti per gli spettri d energia. Nel modello, tuttavia, la maggior part dei termini sorgente sono calcolati direttamente dallo spetro d azione. Il trattamento esplicito delle interazioni non lineari definisce la terza generazione dei modelli d onda. 9

11 3.3 Input del modello I dati di input necessari al WW3 sono: Dati di vento ricostruiti dal NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR), che provvede un set di dati di vento ad alta risoluzione a 10 m sopra il livello del mare, con risoluzione spaziale di 1/2 e risoluzione temporale di 1 ora, che copre tutto il globo. Differenza di temperatura aria-mare oraria, con risoluzione spaziale di 1/2 ottenuta dal CFSRR. Concentrazione di ghiaccio giornaliera con risoluzione spaziale di 1/2 fornita dal SMMR e SSMI, utilizzando l algoritmo del Nasa Team e l algoritmo ad alta risoluzione del NASA Team Output del modello Gli output del modello, sono disponibili ogni tre ore, suddivisi mensilmente, in formato GRIB2: dove: multi_reanal.[grid ID].[VARIABLE].[YYYYMM].grb2 GRID ID: è l etichetta che specifica la tipologia di griglia; VARIABLE: è la variabile di interesse che si intende estrarre e le opzioni sono: wind: si ottengono le due componenti U e V della velocità del vento [m/s], alla quota di 10 m sopra il livello medio del mare; hs: altezza significativa (onde di vento e swell) [m]; tp: periodo di picco [s] dp: direzione media [ ] YYYYMM: anno e mese del corrispondente file di output. 10

12 3.5 Griglie Il modello WW3 può essere eseguito come un mosaico di griglie, con la possibilità di interazione tra le griglie con risoluzione superiore ed inferiore. Ciò facilità l aumento di efficienza computazionale nelle aree di interesse, attraverso l utilizzo di griglie con risoluzione più alta. È stata prodotta una griglia globale al cui interno sono annidate tutte le altre griglie a risoluzione superiore. In tutte le griglie la piena risoluzione della batimetria ETOPO-1 (Amante and Eakins, 2009) è stata utilizzata come griglia di riferimento. Sono stati creati tre file per ogni griglia: una batimetria, una maschera e una griglia di ostruzione che rappresenta l attenuazione dell onda da isole non risolte (si rimanda a Chawla and Tolman (2007, 2008) per maggiori dettagli sullo sviluppo di tali griglie). Sono state generate griglie di tre diverse risoluzioni: bassa risoluzione (1/2 o 30 minuti d arco), risoluzione media (1/6 o 10 minuti d arco) e alta risoluzione (1/15 o 4 minuti d arco). Figura 1-Griglie WW3 - fase1 11

13 Figura 2- Esempio - Griglie del Mar del Nord /Baltico, del Mediterraneo e del NW Oceano Indiano. 12

14 4.Estrazione dati Relazione di fine tirocinio IL NOAA attraverso l utilizzo del modello d onda di terza generazione WW3 mette a disposizione un archivio trentennale, dal 1979 al 2009, dei dati relativi ai parametri caratteristici di uno stato di mare per tutto il globo. Sono presenti due fasi: la prima rilasciata nel 2012, utilizzando il modello WW3 (v3.14), il pacchetto dei termini sorgente di Tolman and Chalikov (1996) e i venti del CFSR (Saha et al, 2010) la seconda più recente rilasciata il 2017, utilizzando il pacchetto dei termini sorgente di Ardhuin et al (2010), utilizzando dati di vento del CFSR con correzione bias ed utilizzando una griglia curvilinea Artic. Tali dati sono di pubblico dominio e per avervi accesso è sufficiente avere una connessione internet. Questi sono organizzati in file estensione GRIB2 (gridded binary), contenenti una serie di informazioni circa le condizioni meteomarine dell area d interesse. Questi file, nati come standard di interscambio, rappresentano un modo rapido e sintetico per determinare, nel breve termine, le condizioni meteomarine delle località di interesse. Lo scopo di tale tirocinio è stato quello di poter automatizzare il processo di acquisizione e organizzazione dei dati, relativi ai parametri sintetici di uno stato di mare, disponibili dal sito web del NOAA ( così da avere a disposizione tale informazioni in più pratici file di testo con estensione.txt, piuttosto che in file in formato GRIB2. Ciò è di particolare utilità, in quanto i file Grib2 messi a disposizione provvedono informazioni relative ai parametri sintetici con cadenza trioraria, mese per mese, mentre in tal caso sarà possibile avere a disposizione tutta la serie storica dell orizzonte temporale d interesse, esclusivamente su un unico file di testo. Tale lavoro è stato svolto tramite l utilizzo del programma di calcolo MATLAB, attraverso il quale è stato realizzato un codice capace di: effettuare direttamente il download dei file GRIB2 in una specifica cartella del proprio pc; estrarre i valori relativi ad ogni parametro, per ogni mese; riorganizzare questi, in vettori colonna, per tutto il periodo di interesse; salvare tali dati in file con estensione.txt, per una più pratica gestione dei dati. Ciò che bisogna specificare nel codice realizzato sono: La zona di interesse ovvero la griglia relativa a tale zona (ad esempio: gol_30m, med_10m); La variabile di interesse (hs, tp,dp,wind); Il punto di interesse in termini di latitudine e longitudine, espresso in gradi sessadecimali; 13

15 Di seguito si ha un esempio di output del codice realizzato attraverso Matlab, contenete i primi dati dal 1979 al 2009: Figura 3 - Esempio informazioni contenute nel generico file.txt Per la lettura ed estrazione dei parametri sintetici è stato utilizzato NCTOOLBOX un toolbox di MATLAB che fornisce accesso di lettura alla serie di dati. Tale strumento utilizza NetCDF- Java come livello di accesso ai dati. Ciò consente a nctoolbox di accedere a NetCDF, GRIB, GRIB2, e molti altri formati di file (funziona con Matlab 2008a e versioni successive). Per la visualizzazione dei risultati e delle mappe delle località di interesse invece è stato utilizzato il toolbox M_Map. Di seguito sono forniti degli esempi: Esempio per la visualizzazione dell altezza significativa nel Mediterraneo relativa ad una specifica ora e data: Figura 4 Codice per la visualizzazione dell altezza significativa nel Mediterraneo 14

16 Figura 5 - Altezza significativa nel mediterraneo relativo al 1/01/1970 ore 12:00 Esempio di estrazione di una serie mensile delle altezze significative, per tutto il mese di gennaio del 1979, relativo ad uno specifico punto. Il codice estrarrà i dati dal punto della griglia più vicino al punto da noi specificato (lo stesso codice vale anche per l estrazione degli altri parametri sintetici). Figura 6- Codice estrazione serie mensile del parametro d interesse 15

17 Figura 7 - Altezza significativa relativa al mese di gennaio

18 Esempio di estrazione dei dati relativi alla batimetria della zona di interesse. Figura 8 Codice di calcolo estrazione batimetria Figura 9 Batimetria Mediterraneo 17

19 5. Esempi di utilizzo dati Relazione di fine tirocinio Di seguito sono riportati alcuni esempi dei possibili utilizzi dei dati estratti dal database NOAA, in prossimità della posizione delle boe RON (Rete Ondametrica Nazionale), per le località di Crotone e Ponza, relativi al periodo dal 1979 al 2009: Serie storica dell altezza significativa: Figura 10- Altezza significativa dal 1979 al 2009, in prossimità della boa RON di Crotone Figura 11- Altezza significativa dal 1979 al 2009, in prossimità della boa RON di Ponza 18

20 Rosa dei venti: diagramma polare che riporta le distribuzioni direzionali della frequenza percentuale della velocità del vento, utile per definire le condizioni anemometriche di un paraggio. Figura 12 Rosa dei venti-crotone Figura 13 Rosa dei venti-ponza 19

21 Rosa delle onde: diagramma polare che riporta le distribuzioni direzionali della frequenza percentuale delle altezze significative. Attraverso tale diagramma è possibile definire i settori di traversia per un paraggio. Figura 14 Rosa delle onde-crotone Figura 15 - Rosa delle onde-ponza 20

22 Bibliografia WAVEWATCH III Hindcasts with Re-analysis winds. Initial report on model setup User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14 User manual and system documentation of WAVEWATCH III version Year Wave Hindcasts using WAVEWATCH III with CFRS winds Phase 1 21

23 22