The ocean covers 70% of the earth’s surface and it plays a major role for the climate of the earth. In the ocean measurements are sparse both in time and space. Numerical ocean models are a considerable tool for studying the ocean circulation and to predict future scenarios. Coastal and shelf seas represent a small fraction of the area of the global ocean but have a large impact on many aspects of the marine environment and human activities, so improving the representation of coastal and shelf seas in global models is one of the grand challenges in ocean modelling and Earth system science. Investigating the large-scale impacts on smaller-scale processes in the coastal ocean can often be successfully treated by nested regional studies. In my project the ability of two different models (global model and coastal model) to simulate a flow in a simple closed domain has been tested. In this way a series of numerical simulations have been conducted and our goal has been to compare the results derived from two modeling approaches: Ocean General Circulation Model (OGCM) and Large Eddy Simulation Model (LES). Later, considering that nesting remains an important approach for investigating of regional systems and providing fine-scale information, a novel approach is proposed. A nesting between these two codes has been designed and developed. Comparing the results of simulations “OGCM stand-alone” and “LES after nesting” it has been shown that the resolution of the velocity field has been clearly improved using the new methodology.

L’oceano copre circa il 70% della superficie terrestre e riveste un ruolo fondamentale per la regolazione climatica. In oceano le misure sono sparse nel tempo e nello spazio, cosi i modelli numerici oceanici sono un importantissimo strumento per lo studio della circolazione oceanica e per predire gli scenari futuri. Le aree costiere rappresentano solo una piccola frazione dell’oceano globale, ma hanno un grande impatto su molti aspetti dell’ambiente marino e sulle attività umane. Migliorare la rappresentazione delle aree costiere nei modelli globali è cosi una delle grandi sfide della comunità scientifica. Sulla base di tale considerazione, in questo lavoro tesi, si è cercato di realizzare uno strumento che possa risolvere adeguatamente anche le scale di interesse costiero. A tale scopo si è utilizzato il codice “LES-COAST”, sviluppato presso l’Università di Trieste. In un primo momento la capacità di due differenti codici (MITgcm e LES-COAST) di simulare la circolazione in un dominio di calcolo semplice è stata testata. Una serie di esperimenti sono stati condotti e l’obiettivo è stato confrontare i risultati ottenuti. Successivamente, è stato realizzato un downscaling dinamico partendo dal modello di circolazione generale (MITgcm) fino ad arrivare ad una adeguata risoluzione numerica, grazie all’utilizzo del suddetto codice LES, di determinate aree costiere di interesse specifico. Il modello di circolazione generale, MITcgm (modello numerico tridimensionale alle equazioni primitive ad alta risoluzione spaziale), si è annidato (nesting) con il modello LES-COAST, che risolve quei processi fisici altrimenti sottoposti a parametrizzazione. Il codice LES è un modello numerico tridimensionale, alle differenze finite e ad altissima risoluzione spaziale (capace di risolvere scale fino ad una risoluzione di 10 metri in orizzontale ed 1 metro in verticale) che fa uso dell’approccio “large-eddy simulation” per parametrizzare la turbolenza. In particolare, per adeguarsi al meglio alla conformazione dei bacini costieri che prevedono tipicamente una lunghezza scala orizzontale molto maggiore di quella verticale, fa uso di un modello Smagorinsky, anisotropico, a doppia viscosità per i flussi di sotto-griglia (SGS) orizzontali e verticali. Si è sviluppato un terzo codice che gestisce l’accoppiamento e lo scambio d’informazioni tra i due modelli descritti.

Toward a coastal processing resolving ocean model- nesting LES-COAST and MITgcm

PALMA, MASSIMILIANO
2018-03-23

Abstract

L’oceano copre circa il 70% della superficie terrestre e riveste un ruolo fondamentale per la regolazione climatica. In oceano le misure sono sparse nel tempo e nello spazio, cosi i modelli numerici oceanici sono un importantissimo strumento per lo studio della circolazione oceanica e per predire gli scenari futuri. Le aree costiere rappresentano solo una piccola frazione dell’oceano globale, ma hanno un grande impatto su molti aspetti dell’ambiente marino e sulle attività umane. Migliorare la rappresentazione delle aree costiere nei modelli globali è cosi una delle grandi sfide della comunità scientifica. Sulla base di tale considerazione, in questo lavoro tesi, si è cercato di realizzare uno strumento che possa risolvere adeguatamente anche le scale di interesse costiero. A tale scopo si è utilizzato il codice “LES-COAST”, sviluppato presso l’Università di Trieste. In un primo momento la capacità di due differenti codici (MITgcm e LES-COAST) di simulare la circolazione in un dominio di calcolo semplice è stata testata. Una serie di esperimenti sono stati condotti e l’obiettivo è stato confrontare i risultati ottenuti. Successivamente, è stato realizzato un downscaling dinamico partendo dal modello di circolazione generale (MITgcm) fino ad arrivare ad una adeguata risoluzione numerica, grazie all’utilizzo del suddetto codice LES, di determinate aree costiere di interesse specifico. Il modello di circolazione generale, MITcgm (modello numerico tridimensionale alle equazioni primitive ad alta risoluzione spaziale), si è annidato (nesting) con il modello LES-COAST, che risolve quei processi fisici altrimenti sottoposti a parametrizzazione. Il codice LES è un modello numerico tridimensionale, alle differenze finite e ad altissima risoluzione spaziale (capace di risolvere scale fino ad una risoluzione di 10 metri in orizzontale ed 1 metro in verticale) che fa uso dell’approccio “large-eddy simulation” per parametrizzare la turbolenza. In particolare, per adeguarsi al meglio alla conformazione dei bacini costieri che prevedono tipicamente una lunghezza scala orizzontale molto maggiore di quella verticale, fa uso di un modello Smagorinsky, anisotropico, a doppia viscosità per i flussi di sotto-griglia (SGS) orizzontali e verticali. Si è sviluppato un terzo codice che gestisce l’accoppiamento e lo scambio d’informazioni tra i due modelli descritti.
ARMENIO, VINCENZO
30
2016/2017
Settore ICAR/01 - Idraulica
Università degli Studi di Trieste
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