Alessandro Crise OGS (Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale)

Transcript

1 Alessandro Crise OGS (Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale) Società Italiana di Fisica - XCVIII CONGRSSO NAZIONALE - Napoli, settembre2012

2 Sommario Background L evoluzione dell oceanografia Esiste un modello standard in Oceanografia? Modelli e scale Campi di sviluppo Le grandi sfide: cambiamenti climatici, oceanografia operativa, gestione ambientale Iniziative italiane Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 2

3 L oceanografia fisica: origini Il mare ha sempre ispirato miti e leggende ma l interesse naturalistico arriva solo nel XIX secolo (Mosetti e Silvestri, 2008) 1681 L.F. Marsili esegue e prime misure oceanografiche: Osservazioni attorno al Bosforo Tracio 1725 primo libro di idrologia Histoire physique de la mer (L.F. Marsili) 1855 primo libro di oceanografia Physical geography of the sea (M.F. Maury) 1872 prima crociera oceanografica della nave inglese Challanger Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 3

4 Evoluzione della meccanica dei fluidi Lo studio dei fluidi ha preso storicamente una strada indipendente che è cominciata già nell antica Greca (v. Archimede) passando per Leonardo e Torricelli. Nel Settecento si sono occupati di di fluidi matematici come Eulero, d Alembert e Poisson mentre altri studiosi si sono occupati di fluidi viscosi (Poiseulle) C. L. M. H. Navier pubblica, "Memoire sur les lois du mouvement des fluides", 1845 G.G. Stokes pubblica indipendentemente On the theories of the internal friction of fluids in motion 1904 L. Prandl pubblica la sua teoria sullo strato limite Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 4

5 L oceanografia fisica spiegata attraverso la meccanica dei fluidi? I problemi oceanografici possono essere formulati da un punto di vista matematico ma non risolti analiticamente. Tra i Millennium problems del Clay Mathematic Institute sono citate le soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes Although these equations were written down in the 19th Century, our understanding of them remains minimal Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 5

6 L oceanografia fisica come scienza ibrida La teoria e le osservazioni spesso hanno percorso strade parallele. 1) Osservazioni (scienze della Terra) 2) Basi teoriche (Meccanica dei fluidi) Strategie sperimentali Da 1) -> campagne di misura (non esperimenti controllati) Da 2) -> simulazioni fisiche Terza via: oceanografia computazionale Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 6

7 Esperimenti controllati: modellistica numerica La modellistica numerica nel campo dell oceanografia fisica si occupa di comprendere ricostruire prevedere i processi che stanno alla base della circolazione oceanica e della variabilità delle proprietà dinamiche dei fluidi e le loro interazioni con gli altri comparti del Sistema Terra attraverso la soluzione numerica delle equazioni che governano la dinamica dei fluidi, e prescrivendo condizioni iniziali ed al contorno problem-specific Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 7

8 Le basi teoriche dell oceanografia fisica Le equazioni di base derivano dai principii di conservazione di massa, momento ed energia (termodinamica inclusa) e danno luogo alle equazioni di Navier-Stokes modificate per fluidi geofisici (GFD eqs) Rotazione (termine di Coriolis) Stratificazione (densità variabile) Termini termodinamici multipli (temperatura, salinità) Equazione di stato altamente non lineare Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 8

9 Le equazioni GFD per l oceano Conservazione della massa Conservazione della momento Conservazione dell energia Equazione di stato dell acqua di mare Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 9

10 Scale spazio-temporali di atmosfera ed oceano ATMOSFERA OCEANO Scale tempo Scale tempo <- 7 ordini di grandezza-> velocità tipiche non dipendeti dalle scale <-10 ordini di grandezza-> velocità tipiche dipendenti dalle scale Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 10

11 Equazioni primitive: lo Standard Model per la circolazione oceanica La solusione numerica diretta (DNS) delle NS GFD eqs risulta fattibile oggi solo per problemi di turbolenza ma semplificazioni basate su: analisi di scala ( Boussinesq, incompressibilità idrostaticità, thin shell) medie alla Reynolds portano a le equazioni primitive (PE) Scia supersonica Mac2 - Re=10**5 (Coleman&Sanders,2006) Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 11

12 Il primo passo: migliore approssimazione spaziale I solutori più popolari si caratterizzano per le tecniche di approssimazione spaziale Differenze finite Volumi finiti After B. Cushman-Roisin&J.M.Beckers,2009 Elementi finiti Formulazione variazionale Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 12

13 Approssimazione spaziale: effetti sulla piccola scala Anche i modelli di circolazione generale dell ultima generazione riescono solo a risolvere le scale del moto più grandi Le fluttuazioni statistiche connesse alla turbolenza e tutte le scale non rappresentabili dalla griglia scelta contribuiscono comunque al moto legato alle scale più grandi grazie ai termini non lineari. quindi Gli effetti non lineari delle scale dei moti collegati con la turbolenza devono essere incorporati nelle equazioni Questo processo è chiamato parametrizzazione di sottogriglia Questo processo è oggetto di continuo sviluppo Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 13

14 Effetti della risoluzione spaziale Le strutture che caratterizzano la Corrente del Golfo simulazione a bassa risoluzione(a destra) sono molto meno definite e non c è il distacco della corrente dalla costa americana, cosa che avviene invece nella simulazione ad alta risoluzione Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 14

15 Turbolenza bidimensionale multi-scala Corrente del Golfo (Nord Atlantico) Immagine IR a falsi colori Agulhas eddies (Sud Africa) Immagine IR a falsi colori La presenza delle strutture a mesoscala e a scale inferiori è un elemento caratterizzante di gran parte della circolazione oceanica Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 15

16 Modellazione della turbolenza bidimensionale Campi realistici di mesoscala sono ottenuti con numeriche avanzate e alta risoluzione Napoli Settembre 2012 (Courtesy XCVIII CONGRESSO of: NAZIONALE NASA/Goddard SIF Space Flight Center) 16

17 Condizioni iniziali e condizioni al contorno La soluzione delle PE viscose prevede sia la definizione delle condizioni iniziali che di quelle al contorno sia chiuso che aperto: I.C.: campi discretizzati delle variabili di stato (T,S, v) B.C.: wind stress, flussi termici, evaporazione, precipitazione, fiumi Gli studi di circolazione generale si configurano come problemi alle condizioni al contorno mentre le previsioni a breve termine invece sono I.C. problems Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 17

18 Nuovi dati: satelliti e sistemi osservativi autonomi Anomalia dell altezza dellla superficie del mare Temperatura superficiale Vento superficiale Salinità Clorofilla Materia disciolta colorata Dati puntuali e profili di T,S e di variabili biochimiche Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 18

19 Stato dell Arte (Legg et. Al, 2009) I modelli possono essere usati per previsioni a breve termine e proiezioni a lungo termine Esplorare scenari osservativi attraverso simulazioni a basso costo (optimal design, OSSE) Integrare e sintetizzare le osservazioni (analisi, reanalisi, hindcast) verificare idee e paradigmi legati alla fisica e biogeochimica di base degli oceani Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 19

20 Campi di sviluppo Migliore fisica Migliore numerica Migliore qualità Migliore fit-for-purpose oceanography as a whole is likely to become much more applied, with increasing demand to apply oceanographic understanding to societal and commercial needs. (Leggs et al., 2009) Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 20

21 Da curiosity-driven a problem-driven La modellistica oceanografica è ormai diventata sempre necessaria per rispondere ai grandi quesiti che la società ci pone in campo ambientale: Cambiamenti climatici Previsioni dello stato del mare Earth System Models Oceanografia Operativa Gestione ecosostenibile delle risorse marine Gestione delle coste Modelli accoppiati fisici-biologici Modelli accoppiati fisici-sedimentologici-fluviali Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 21

22 Sfide attuali: migliore fisica Riproduzione dei processi a sub-mesoscala Parametrizzazione di processi non risolti dalla discretizzazione spaziale (es. turbolenza tridimensionale) Dinamica degli strati limite inglobata nei modelli di circolazione generale Accoppiamenti onde-corrente Dinamica delle onde interne Parametrizzazione degli scambi atmosfera-oceano Bilanci radiativi Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 22

23 Sfide attuali: migliore numerica Schemi advettivi di alto ordine efficienti ed a bassa diffusione numerica Innestamento bidirezionale di modelli a diverse risoluzioni spazio-temporali Parametrizzazione dei flussi turbolenti laterali anche in vicinanza dei contorni (Es. Ferrari et al. 2006) Paradigmi di parallelizzazione adatti alle nuove piattaforme ibride (CPU-GPU, FPGA) Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 23

24 Sfide attuali: migliore qualità Diagnostiche estese e condivise per grandi simulazioni Miglioramento del model skill e controllo della qualità dei risultati (Zhang et al., 2005) Miglioramento degli schemi di data assimilation Aumento della predicibilità (da shortterm a seasonal) attraverso metodi di ensemble forecast Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 24

25 Statistical skill assessment Taylor diagram Target diagram Skill assessment of the OPATM-BFM Chlorophyll analyses with respect to MODIS for the Mediterranean Sea I risultati modellistici devono essere validati/corroborati da confronti oggetivi con i dati Differenti tecniche sono in uso ma non c è ancora convergenza West (after Jolliff et al. 2008) Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 25 East

26 (Alcune) iniziative italiane Oceanografia operativa: GNOO e MOON, progetto MyOCEAN2 Progetto Bandiera RITMARE Infrastrutture ESFRI: PRACE e EuroARGO Consorzio BFM Modelli climatici accoppiati: ENEA-ICTP, CMCC, etc. Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 26

27 Oceanografia Operativa EU ITALIA L'obiettivo principale del progetto MyOcean2 e: gestire un rigoroso, robusto e sostenibile servizio GMES per il Monitoraggio e le Previsioni dell'oceano disseminandone i prodotti Mantenere la continuità con le iniziative passate e presenti nell'ambito della ricerca marina dell'eu e GMES (MyOCEAN) Implementazione di una configurazione stabile e sostenibile del sistemai Passaggio alla fase operativa a fine Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 27

28 Oceanografia Operativa: Prodotti GNOO Prodotti osservativi Prodotti da simulazioni Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 28

29 Progetto Bandiera RITMARE RITMARE si prefigge di porre in atto un programma nazionale di ricerca scientifica e tecnologica per il mare che abbia carattere pluriennale e sia aperto alla più ampia partecipazione di attori pubblici e privati. Ricerca nel settore marino e mariittimo Applicazioni al settore della pesca e del marine spatial planning Infrastrutture di ricerca e sistemi osservativi Sviluppo tecnologico nel settore marino e marittimo Dimostratore navale per nave da ricerca Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 29

30 RITMARE SP3: Modellistica Oceanografica Costiera Il WP si basa su 3 pilastri: 1) la scelta di una modellizzazione numerica integrata ed interdisciplinare, aria-acquasedimento-biologia 2) un orientamento all intero perimetro nazionale, attraverso Aree Test Strategiche (ATS) 3) una grande attenzione all acquisizione di dati e misure specificatamente pensati per validare strumenti modellistici Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 30

31 RITMARE: Applicazione al Golfo di Napoli Zoom of the computational grid of ROMS model representing the Gulf of Naples Validation with HF radar data -Model currently implemented by the DiSAm in the area with 250m horizontal resolution and 30 levels in the vertical -atmospheric forcing: the Skiron model outputs, provided by the IASA-UAThens group partner of TOSCA -Mercator (High Resolution Atlantic and Mediterranean Product 1/15 ) data set as initial fields (temperature, salinity, surface current, sea surface height, mixed layer depth, height barotropic, baroclinic height, zonal velocity, meridian velocity and vertical velocity) and boundary conditions. Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 31

32 RITMARE SP5: sistemi operativi Modellistica previsionale e operatività di scenari di dispersione di inquinanti (CINFAI- TS) con modelli LES Modellistica previsionale nelle Bocche di Bonifacio tramite nesting (IAMC-Oristano) Modellistica previsionale e operatività nel mar Tirreno (ENEA) Modellistica previsionale nel Mare Mediterraneo ed Adriatico (INGV) Modellistica accoppiata fisica-biologica ed end-to-end nel mare Adriatico ai fini previsionali e gestionali Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 32

33 Infrastrutture ESFRI PRACE (Partner CINECA) Accesso a grandi infrastrutture di HPC; sviluppo di sistemi di nuova generazione MiUR, anche attraverso OGS, supporta questa infrastruttua EUROARGO (partner OGS) Consorzio per l osservazione dell oceano attraverso una rete di boe profilanti. Componente europea di ARGO MiUR supporta attraverso OGS questa infrastruttura Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 33

34 The BFM Consortium Consorzio che comprende INGV, CMCC ed OGS per lo sviluppo di modelli biogeochimici (0D->time-variant 3D) 0-D E 0 E=E 0 E=f(C,H) H 0.5-D Box model Lab culture Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 34

35 Modelli accoppiato con equazioni advezione-diffusione (OGCMs, turbolenza) The BFM is coupled with several General Circulation Models NEMO, POM, OPATM, GOTM-GETM Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 35

36 Conclusioni Ci si aspetta che la modellistica oceanografica giochi un ruolo sempre più importante nell oceanografia fisica e negli studi interdisciplinari. Questo implica che le nuove generazioni di modelli siano in grado di dare risposte qualificate in tempi adeguati alle richieste che verranno sia dalla comunità scientifica di riferimento che da una comunità più vasta di utenti ed interessati (v. Horizon 2020) Sono necessari sviluppi a livello di conoscienza fisica, numerica e di valutazione della qualità per rimanere al passo delle sfine internazionali La comunità italiana, per quanto sottodimensionata, dimostra notevole vitalità anche a livello europeo in questo settore Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 36

37 FINE Napoli Settembre 2012 XCVIII CONGRESSO NAZIONALE SIF 37