μοντέλα πρόγνωσης
Η αλληλουχία και τα πεδία εφαρμογής των μαθηματικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται στο σύστημα πρόγνωσης WaveForUs δίνεται γραφικά στο σχήμα 1.
Η πλατφόρμα μοντελοποίησης για την πρόγνωση κυματικού κλίματος, θαλάσσιας κυκλοφορίας και στάθμης θάλασσας αποτελείται από την αλληλουχία των παρακάτω αριθμητικών μοντέλων:
  • Μετεωρολογικό μοντέλο: Weather Research and Forecasting model with the Advanced Research dynamic solver (WRF-ARW, Version 3.2.0)
    Υπεύθυνος φορέας: ΕΜΚ-ΑΠΘ
  • Κυματικό μοντέλο: WaveWatch-III (WW-III, version 3.14)
    Υπεύθυνος φορέας: ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ
  • Μοντέλο θαλάσσιας κυκλοφορίας: Princeton Ocean Model (POM, Version 2008)
    Υπεύθυνος φορέας: ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ
  • Μοντέλο μετεωρολογικής παλίρροιας: High Resolution Storm Surge model (HRSS)
    Υπεύθυνος φορέας: ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ
Σχ.1: Απεικόνιση των μοντέλων πρόγνωσης και των πεδίων εφαρμογής τους. Τα μαύρα βέλη συμβολίζουν την μεταφορά αρχικών και οριακών συνθηκών ενώ τα λευκά την εισαγωγή δεδομένων εισόδου και τα μπλε τη σύζευξη μεταξύ των μοντέλων.
Τα αριθμητικά μοντέλα εφαρμόζονται σε τρία διαφορετικά πεδία, διαδοχικά αυξανόμενης ανάλυσης (Σχ.2):
  • Μεσόγειος Θάλασσα (Πεδίο 1) με χωρικό βήμα 0.15°x0.15°(~15km)
  • Αιγαίο Πέλαγος (Πεδίο 2) με χωρικό βήμα 0.05°x0.05°(~5km) και
  • Θερμαϊκός Κόλπος (Πεδίο 3) με χωρικό βήμα 0.016°x0.016°(~1.7km)
Η παροχή αρχικών και οριακών συνθηκών στα διάφορα μοντέλα γίνεται από το πεδίο χαμηλότερης προς το πεδίο υψηλότερης ανάλυσης (μαύρα βέλη στο σχ.1). Το μετεωρολογικό μοντέλο εφαρμόζεται και στα τρία επίπεδα και παρέχει αποτελέσματα που χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου σε όλα τα θαλάσσια μοντέλα πρόγνωσης (λευκά βέλη στο σχ.1). Το μοντέλο μετεωρολογικής παλίρροιας επίσης εφαρμόζεται και στα τρία πεδία (με τα αποτελέσματα του πεδίου 1 να παρέχει οριακές συνθήκες στο πεδίο 2, το οποίο με τη σειρά του παρέχει οριακές συνθήκες στο πεδίο 3), ενώ το κυματικό μοντέλο εφαρμόζεται στα πεδία 2 και 3 (με τα αποτελέσματα του πεδίου 2 να τροφοδοτούν με οριακές συνθήκες το πεδίο 3). Το μοντέλο βαροκλινικής κυκλοφορίας εφαρμόζεται μόνο στο Θερμαϊκό κόλπο και οι οριακές συνθήκες παρέχονται από το σύστημα myOcean.
Η σύζευξη μεταξύ των μοντέλων (μπλε βέλη στο σχ.1) γίνεται: (α) εισάγοντας τα αποτελέσματα του κυματικού μοντέλου στο μοντέλο κυκλοφορίας, ώστε να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις των τάσεων ακτινοβολίας και των ρευμάτων μεταφοράς μάζας κατά Stokes και (β) χρησιμοποιώντας τις προγνώσεις στάθμης θάλασσας του μοντέλου μετεωρολογικής παλίρροιας ώστε να ανανεωθούν τα βάθη νερού στον κάναβο για τις προσομοιώσεις κυματικού κλίματος.
Σχ.2: Τα 3 πεδία εφαρμογής των μοντέλων πρόγνωσης. Οι διαγραμμισμένες περιοχές είναι εκτός υπολογισμών.
Μετεωρολογικό μοντέλο:: WRF-ARW [ΕΜΚ-ΑΠΘ]
Το WRF-ARW είναι ένα ευέλικτο, τελευταίας γενιάς αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης καιρού, σχεδιασμένο να λειτουργεί τόσο ερευνητικά όσο και επιχειρησιακά (Skamarock et al., 2008; Wang et al., 2010). Είναι κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως ιδεατές προσομοιώσεις, έρευνα παραμετροποιήσεων, έρευνα αφομοίωσης δεδομένων και προγνώσεις σε πραγματικό χρόνο σε παγκόσμια και περιοχική κλίμακα. Το μοντέλο ολοκληρώνεται σε τρία επάλληλα πλέγματα, που καλύπτουν την Ευρώπη-Μεσόγειο-Βόρεια Αφρική (περιοχή 1), την Ελλάδα (περιοχή 2) και την ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας (περιοχή 3), με χωρική διακριτοποίηση 15km x 15km (περιοχή 1), 5km x 5km (περιοχή 2) και 1.667km x 1.667km (περιοχή 3), χρησιμοποιώντας πλέγμα Arakawa τύπου C.
Το μοντέλο πρόκειται να διαμορφωθεί ώστε να παρέχει σε επιχειρησιακό επίπεδο τα απαραίτητα πεδία αποτελεσμάτων. Θα ενεργοποιείται καθημερινά και ο ορίζοντας πρόγνωσης θα καλύπτει 72 ώρες (3 ημέρες). Τα αποτελέσματα που θα διαχέονται προς τα θαλάσσια μοντέλα σε ωριαίο βήμα είναι: συσσωρευμένη βροχόπτωση, μέση πίεση στη στάθμη θάλασσας, θερμοκρασία, ειδική και σχετική υγρασία στα 2m, συνιστώσες u και v ανέμου στα 10m, ακτινοβολία μικρού και μεγάλου μήκους κύματος στην επιφάνεια και ροή λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας στην επιφάνεια.
Κυματικό μοντέλο:: WW-III [ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ]
Το αριθμητικό μοντέλο WaveWatch III (WW-III), έκδοση 3.14 (Tolman, 2009), αποτελεί 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 την περιγραφή της διάθλασης και τη διαμόρφωση του κυματικού πεδίου λόγω χρονικών και χωρικών μεταβολών του μέσου βάθους και της μέσης έντασης ρεύματος. Η παραμετροποίηση των φυσικών διεργασιών (όροι πηγής), περιλαμβάνει την ανάπτυξη και απόσβεση του κυματισμού λόγω της δράσης του ανέμου, μη γραμμικές επιδράσεις, θραύση στα βαθιά ("whitecapping"), τριβές πυθμένα, θραύση στη ζώνη αναρρίχησης (λ.χ. θραύση λόγω βάθους) και σκέδαση λόγω αλληλεπιδράσεων κύματος-πυθμένα.
Μοντέλο κυκλοφορίας:: POM [ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ]
Το Princeton Ocean Model (POM) είναι ένα ευρέως διαδεδομένο και επικυρωμένο μοντέλο για την προσομοίωση διαφόρων προβλημάτων, όπως θαλάσσιας κυκλοφορίας και διεργασιών ανάμιξης σε ποτάμια, εκβολικές περιοχές, πλατώ και πλαγιές, λίμνες, ημίκλειστες θάλασσες, όπως και στον παγκόσμιο ωκεανό. Το μοντέλο είναι ανοιχτού κώδικα, διανέμεται δωρεάν και είναι συνεχώς υπό βελτιώσεις μέσω ανατροφοδοτήσεων και εφαρμογών που παρέχονται από τους χρήστες. Το POM (Blumberg and Mellor, 1987) είναι ένα τρισδιάστατο μοντέλο ελεύθερης επιφάνειας που ακολουθεί τη μορφολογία του πυθμένα, το οποίο περιλαμβάνει ένα σχήμα κλεισίματος της τύρβης ανώτερης τάξης (Mellor and Yamada, 1982) και μπορεί να προγνώσει τη βαροκλινική και βαροτροπική κυκλοφορία και να παρέχει αποτελέσματα σχετικά με τις ταχύτητες και τις διευθύνσεις των θαλασσίων ρευμάτων, τη Μέση Στάθμη Θάλασσας (ΜΣΘ) και τα θερμοαλατικά χαρακτηριστικά του θαλασσινού νερού.
Μοντέλο μετεωρολογικής παλίρροιας:: HRSS [ΕΘΤΘΕ-ΑΠΘ]
Το HRSS (Krestenitis et al., 2010) είναι ένα διδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο που μπορεί να προγνώσει τη ΜΣΘ λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση ατμοσφαιρικών παραμέτρων (πεδίων ανέμου και βαροβαθμίδων), αστρονομικής παλίρροιας και κυματικού κλίματος (τάσεις ακτινοβολίας κύματος) επιλύοντας τις εξισώσεις Navier-Stokes στο δισδιάστατο χώρο. Η βαθμονόμηση του μοντέλου βασίζεται στη ρύθμιση των παραμέτρων του μοντέλου και κύρια στη σταθερά τριβής του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας και στην επίδραση των κυματικών παραμέτρων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από επιτόπου μετρήσεις στάθμης και δορυφορικής αλτιμετρίας (Jason 2, NOAA) για την περίοδο του 2012-13.