Development of an integrated modeling system for simulating the air-ocean wave interactions
Authors: Βάρλας Γεώργιος 
Published: September 2021

Η διδακτορική διατριβή σκοπεύει στη δημιουργία ενός νέου αμφίδρομου πλήρως συζευγμένου συστήματος ατμόσφαιρας-θαλάσσιων κυμάτων. Το σύστημα προσομοιώσεων περιλαμβάνει το ατμοσφαιρικό μοντέλο Weather Forecast Research (WRF) και το κυματικό μοντέλο Wave Model (WAM). Τα μοντέλα WRF και WAM τρέχουν παράλληλα, επικοινωνούν και ανταλλάσσουν πληροφορία μέσω του συζευκτή (coupler) OASIS Model Coupling Toolkit (OASIS3-MCT). Το σύστημα έχει διαμορφωθεί κατάλληλα προκειμένου να υποστηρίζεται η σύζευξη με το χημικό μοντέλο WRF-Chem και το υδρολογικό μοντέλο WRF-Hydro, προσφέροντας τη δυνατότητα ταυτόχρονης προσομοίωσης ατμοσφαιρικών, ωκεάνιων, χημικών και υδρολογικών διαδικασιών. Οι δυσκολίες, ο σχεδιασμός, τα στάδια υλοποίησης και τα χαρακτηριστικά του νέου συζευγμένου συστήματος προσομοιώσεων (CHAOS; Σύστημα Προσομοίωσης Χημικών-Υδρολογικών-Ατμοσφαιρικών-Θαλάσσιων κυματικών διεργασιών) περιγράφονται αναλυτικά. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι τα θαλάσσια κύματα αυξάνουν την ανταλλαγή ορμής και ενθαλπίας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας, μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής ροής και τη δημιουργία των κυμάτων. Τα νέα ανεμογενή κύματα κυριαρχούν στη διαμόρφωση των ροών ορμής και ενθαλπίας στο επιφανειακό στρώμα. Η αμφίδρομη σύζευξη προσομοιώνει τους μεσογειακούς κυκλώνες πιο αβαθείς με διαφορές πίεσης (MSLP) στο κέντρο τους έως +2 hPa. Κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy στον Ατλαντικό Ωκεανό οι διαφορές στην πίεση κυμαίνονται από -3 hPa έως +5 hPa. Προσομοιώνοντας με αμφίδρομη σύζευξη των μοντέλων, το ισοζύγιο της δυναμικής ενέργειας που χάνει η ατμόσφαιρα και της θερμικής ενέργειας που κερδίζει, καταλήγει σε μικρότερη στάθμη ισορροπίας και παράλληλη εξασθένηση της κυματογένεσης. Οι αλληλεπιδράσεις κατά μήκος της διεπιφάνειας αέρα-θάλασσας αντικατοπτρίζονται στην κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας επηρεάζοντας τις δυναμικές και θερμοδυναμικές διεργασίες της. Διαφορές στην αναλογία μίγματος υδρατμών και στη σχετική υγρασία ανιχνεύονται έως τα 7 χλμ. Διαφορές στην ταχύτητα του ανέμου, την κατακόρυφη ταχύτητα ανύψωσης και τη θερμοκρασία ανιχνεύονται μέχρι την τροπóπαυση. Το CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις πάνω από τη θάλασσα έως 10% για την εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 24% για την εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών φαινομένων. Πάνω από τη στεριά οι στατιστικές βελτιώσεις στην εκτίμηση του ανέμου, της πίεσης (MSLP), τη θερμοκρασίας και του υετού φθάνουν το 5%. Επιπλέον, η εφαρμογή επάλληλων πλεγμάτων ολοκλήρωσης στο CHAOS βελτιώνουν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έως 9-10%, καθώς περιγράφονται λεπτομερέστερα οι μικρότερης κλίμακας αλληλεπιδράσεις. Η προσομοίωση της θραύσης των κυμάτων λόγω ισχυρών ανέμων που συνοδεύεται από την παραγωγή θαλάσσιου σπρέι (sea spray) όπως και της επίδρασης της βροχής στα κύματα συμβάλλουν στους ορθότερους υπολογισμούς της ανταλλαγής μάζας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η προσομοίωση της επίδρασης της βροχής στα κύματα προσφέρει μέχρι και 3.6% στατιστικές βελτιώσεις κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy. Συνολικά σε μια μακροπρόθεσμη επιχειρησιακή προσέγγιση (1 Δεκεμβρίου 2013 – 1 Δεκεμβρίου 2014), η αμφίδρομη σύζευξη στο CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις έως 3.7% στην εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 6.3% στην εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος.