Modelli di propagazione ondosa
La simulazione delle mareggiate e, in misura ancora maggiore, la loro corretta previsione, è un’attività importante per le rilevanti ricadute in campo economico ed ambientale. L’impiego di modelli di generazione e trasporto ondoso a costa, in condizioni di batimetria complessa, è fondamentale per la progettazione delle opere marittime e per la pianificazione delle strategie di difesa dei litorali dall’erosione. Le simulazioni nu-meriche, attualmente in uso, sono basate su modelli di propagazione cosiddetti di terza generazione, che so-stanzialmente risolvono numericamente un’equazione di conservazione.
Nel tempo si sono costituiti due ambiti di lavoro distinti, anche se con ampie sovrapposizioni: uno orientato alla previsione del moto ondoso a larga scala, come l’Oceano, l’altro maggiormente rivolto alla simulazione della propagazione su aree costiere a basso fondale, orientate quindi a considerare le complesse interazioni con le batimetrie e le forti interazioni non lineari tra le diverse lunghezze d’onda presenti.
Il capostipite dei modelli di propagazione a larga scala è il WAM [2], mentre il principale modello di pro-pagazione a scala costiera è lo SWAN [3].
La separazione tra i due sistemi è causata dalla distanza tra le scale considerate: una tipica applicazione sull’intero Mar Mediterraneo può essere agevolmente studiata con una risoluzione di 10 km circa, mentre per considerare i processi che intervengono vicino alle coste, è necessario lavorare con risoluzioni almeno dell’ordine dei 500 m. Un altro aspetto che differenzia i due sistemi riguarda la generazione delle onde da parte del vento: il sistema a larga scala è tipicamente accoppiato a modelli meteorologici che lavorano su grande scala (modelli globali o LAM), mentre i sistemi a scala locale, dovendo operare su aree ridotte, lavo-rano spesso propagando osservazioni di onde registrate a largo da boe ondametriche o con limitati insiemi di osservazioni di vento.
La tecnica che consente di connettere i due differenti ambiti di propagazione è il nesting. Questo metodo consiste nel trasferire lo spettro d’onda da una griglia coarse ad una griglia fine ad essa annidata. Il rapporto di scala tra la griglia grande e quella piccola non può essere tuttavia superiore ad 1/4. Ciò implica che un si-La simulazione della generazione e propagazione del moto
ondoso associato al vento è un campo di applicazione che, nell’ultimo decennio, ha avuto ampio sviluppo. Nonostante importanti aspetti delle onde ancora poco noti, il forecast dello stato del mare, grazie allo sviluppo di modelli nume-rici in grado di simulare accuratamente i complessi processi che regolano l’evoluzione dello spettro energetico delle onde, è un prodotto ormai consolidato per tutti i centri me-teorologici.
Per capire e prevedere lo stato del mare è stato realizzato un sistema costiero in grado di descrivere gli effetti della propagazione ondosa in sei aree costiere italiane, partendo dalle previsioni sull’intero Mar Mediterraneo.
SVILUPPO DEL SISTEMA COSTIERO
DI PREVISIONE DELLO STATO DEL MARE
Roberto Inghilesi roberto.inghilesi@isprambiente.it Francesca Catini francesca.catini@isprambiente.it Arianna Orasi arianna.orasi@isprambiente.it ISPRA Piero Lanucara p.lanucara@caspur.it Vittorio Ruggiero v.ruggiero@caspur.it Gruppo di Matematica
Computazionale e Applicazioni del CASPUR
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stema costiero di previsione ondosa deve essere progettato con estrema cura, utilizzando metodi numerici di calcolo ad alte prestazioni per avere previsioni su una scala di bacino ad una risoluzione sufficientemente alta da arrivare con un numero limitato di nesting fino alla scala costiera. Il tutto in tempi utili per fare pre-visioni di 3-5 giorni in catena operativa.
Il sistema Idro-Meteo-Mare (SIMM) dell’ISPRA, operativo dal 2001, che ha tra i suoi punti di forza la pre-visione nell’intero Mediterraneo delle onde generate dal vento, ricade completamente nel primo ambito. Questo sistema utilizza il modello meteorologico ad area limitata QBOLAM. Il grigliato del modello ad alta ri-soluzione VHR-QBOLAM (Very High Resolution QBOLAM), avente passo orizzontale di circa 10 km, copre l’intero bacino del Mar Mediterraneo ed è annidato nel grigliato del HR-QBOLAM (High Resolution QBOLAM), carat-terizzato, invece, da un passo orizzontale di circa 30 km.
La previsione dell’ampiezza, della frequenza e della direzione delle onde del Mar Mediterraneo è ottenuta attraverso il modello WAM. Attualmente, il sistema in fase operativa produce 48 ore di previsione meteo-marina con risoluzione di circa 10 km su tutto il bacino Mediterraneo. Alla data di inizio dell’operatività il si-stema era, in Italia, tra i più avanzati in campo marino. Oggi il sisi-stema risente della breve durata della previsione e della mancanza di un segmento di previsione indirizzato ai processi di propagazione in ambito costiero o morfologicamente complesso.
La costatazione di questi limiti ha indotto i ricercatori ad implementare un segmento costiero del sistema. Quindi una lunga fase di sperimentazione, effettuata in diverse aree costiere italiane, è servita per definire le modalità operative avanzate per la previsione dello stato del mare; questo consentirà un significativo mi-glioramento del sistema previsionale. In particolare, è stata acquisita e sperimentata, presso il CASPUR, la versione parallela del modello Wave Model (WAM) ed è stato implementato il modello di propagazione a costa Simulating Waves Nearshore (SWAN) in versione aggiornata e parallela. Infine, sono stati condotti test estensivi su numerosi casi di mareggiata in 4 diverse aree costiere e si è verificata la compatibilità reciproca dei due modelli e con il segmento meteorologico del SIMM.
Anche i codici di interfaccia tra le uscite del WAM e le condizioni al contorno dello SWAN hanno subito lievi modifiche per permettere la completa compatibilità delle rispettive ultime versioni dei codici.
Allo stato attuale si è dunque in grado di realizzare un aggiornamento di sistema che prevede, in primo luogo, un rilevante aumento di risoluzione del modello WAM in configurazione parallela ad 1/30 di grado su tutto il Mediterraneo e la predisposizione di 6 aree annidate (Figura 1) in cui i modelli WAM e SWAN propagano a costa il moto ondoso, simulando le principali interazioni con la batimetria e la morfologia delle zone costiere.
Fig. 1Posizione delle griglie annidate del sistema di previsione costiero dell’ISPRA (parte occidentale).
HPC
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Un caso studio: la mareggiata del 18 marzo 2007 nel Mar Tirreno
Nei giorni tra il 18 ed il 21 marzo 2007 si è sviluppata una mareggiata di forte intensità che ha interessato prima il Mar Ligure ed il Tirreno settentrionale, quindi le coste occidentali della Sardegna ed infine il Tirreno me-ridionale. Le caratteristiche della mareggiata sono tipiche dei fenomeni associati al Maestrale, ma, in questo caso, sono stati intensificati da un episodio di ciclogenesi secondaria nel Mar Ligure che ha prodotto effetti estre-mamente violenti sulle coste della Liguria e della Toscana. Sono state osservate, fuori dal porto di Carrara, onde di quasi 5 m, su fondali intorno ai 13 m. Il sistema SIMM dell’ISPRA è stato usato per generare i campi di vento a risoluzione di 10 km impiegati nella simulazione. La batimetria a grande scala è stata estratta dalla General Bathymetric Chart of the Ocean (GEBCO) a 30 secondi di risoluzione ed è stata integrata dalle carte di livello dell’Istituto Idrografico della Marina nelle aree ad alta risoluzione intorno alla costa. Nella Figura 2 si può notare il buon accordo ottenuto tra i risultati del modello SWAN (a risoluzione 1/240, nestato su WAM ad 1/60 e a sua volta su WAM Mediterraneo a 1/30) e le osservazioni sulla boa posizionata fuori dal porto di Marina di Carrara.
In particolare risultano ben simulate la fase di sviluppo della mareggiata e il suo picco. Conclusioni
Il sistema costiero di previsione, realizzato dall’ISPRA in collaborazione con il CASPUR, è attualmente in fase di test. I risultati preliminari sono molto soddisfacenti e si ritiene di poter passare, in breve tempo, all’imple-mentazione del sistema in configurazione operativa. La struttura modulare del sistema permette di introdurre o modificare con semplicità nuove aree costiere, rendendo possibile la copertura di tutte le aree che richiedano un monitoraggio costante per esigenze di protezione costiera, sia per eventi intensi che per lo studio di fenomeni erosivi in atto.
BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
[1] Whitham, G.B. (1974). Linear and Nonlinear Waves. Wiley.
[2] Komen, G.J., Cavaleri, L., Donelan, M, Hasselmann, K., Janssen, P.A.M. (1994). Dynamics and Modelling of Ocean Waves. CUP.
[3] Holthuijsen L.H. (2007). Waves in Oceanic and Coastal Waters. CUP.
Fig. 2Confronto tra le simulazioni dello SWAN ad alta risoluzione in corrispondenza della posizione della boa ondametrica di Carrara e le osservazioni registrate nel pe-riodo dal 18 al 21 marzo 2007.
0,5 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
18 Mar. 2007 00:00:00 19 Mar. 2007 00:00:00 20 Mar. 2007 00:00:00 21 Mar. 2007 00:00:00 22 Mar. 2007 00:00:00
Carrara significant wave height (m)
SWAN forecast Data from buoy
