30/12/2016
Credits: CC Paulo Brandão @Flickr.com

Un’opportunità unica per studiare la variabilità naturale degli oceani, per comprenderne dinamiche e caratteristiche. Da uno studio della Fondazione CMCC, modellistica avanzata senza precedenti: pubblicati i risultati di una simulazione dell’oceano globale ad altissima risoluzione spaziale, in grado in particolare di risolvere quasi globalmente anche i fenomeni di turbolenza che avvengono su piccola scala. Risultati importanti per applicazioni per il downscaling costiero e regionale, e la messa a punto di un sistema di previsioni a breve termine, strumenti sempre più richiesti dall’oceanografia operativa e dalle sue numerose applicazioni, come per esempio i servizi per la pesca e la gestione delle risorse marine, per la sicurezza in mare, per la ricerca e il soccorso, per la localizzazione di sversamenti di idrocarburi, etc.
 Il modello riproduce in maniera realistica la variabilità dell’oceano alle profondità superficiale e intermedia, la direzione e l’intensità della circolazione oceanica superficiale, gli scambi delle masse d’acqua in alcuni passaggi e zone chiave. Anche le caratteristiche del ghiaccio marino descritte sono in buon accordo con le osservazioni satellitari.

La nostra idea dell’oceano globale sta rapidamente cambiando, ed è ormai chiaro come, dall’oceano profondo alle zone costiere, l’oceano sia un sistema turbolento. Quando guardiamo un’immagine dell’oceano, quello che ci colpisce di più è proprio la presenza di strutture e processi turbolenti su scala spaziale piccola, presenti a tutte le latitudini. Questi processi, detti di mesoscala, vortici e fronti con lunghezze caratteristiche che vanno da poche decine a poche centinaia di chilometri, giocano un ruolo chiave nelle dinamiche di mari e oceani a livello globale. Tipici fenomeni associati alla mesoscala sono per esempio la circolazione atmosferica e le precipitazioni associate ai fronti, o gli uragani e le tempeste delle medie latitudini.
 La maggior parte dei fenomeni atmosferici che più direttamente hanno degli impatti sulle attività umane sono proprio quelli che avvengono alla mesoscala. “Risolvere la mesoscala” vuol dire riuscire a rappresentare numericamente strutture oceaniche in questa scala di grandezza, ed è l’obiettivo degli attuali modelli di circolazione per la realizzazione di sistemi di previsione per l’oceano globale.

Una delle sfide che la ricerca oceanografica si trova ad affrontare oggi è quindi quella di sviluppare modelli e simulazioni ad alta risoluzione in grado di descrivere e rappresentare in maniera realistica le dinamiche oceaniche e quei processi fondamentali che avvengono alle piccole scale (10-100 Km). “L’oceano globale è un sistema turbolento a moltissime scale spaziali e temporali. Le informazioni provenienti dai satelliti e dalle osservazioni in situ ci mostrano come gli eddies, vale a dire le strutture turbolente e i processi che avvengono alla mesoscala, caratterizzano gli oceani a tutte le latitudini”, spiega Simona Masina, Direttore della Divisione ODA – Ocean modelling and Data Assimilation presso la Fondazione CMCC.
“Questi processi, giocano un ruolo chiave nelle dinamiche di mari e oceani a livello globale, per esempio nell’influenzare salinità, temperature di mescolamento, scambi di energia e quantità di moto, meccanismi di diffusione delle acque profonde e fenomeni di convezione profonda, interazioni aria-mare. ”

L’oceanografia operativa e le sue diverse applicazioni, come portali web per la fruizione delle previsioni meteo-marine, applicazioni per la sicurezza della rotta di imbarcazioni in mare, servizi di ricerca e soccorso, servizi per la localizzazione di sversamenti di idrocarburi e lo sviluppo di modelli ad alta e altissima risoluzione per i mari sub-regionali e la costa, hanno sempre più bisogno di sistemi di previsione a diverse scale spaziali, dall’oceano globale fino a raggiungere le scale spaziali chilometriche nelle aree costiere. Una richiesta impegnativa che però trova supporto nel continuo aumento di risoluzione dei modelli numerici di previsione e nella realizzazione di satelliti di nuova concezione sempre più in grado di cogliere e restituirci tutta la variabilità oceanica di piccola scala: grazie ai progressi della modellistica e delle infrastrutture di calcolo dell’ultimo decennio, le simulazioni a più alta risoluzione rappresentano adesso una concreta possibilità per ottenere informazioni affidabili sui processi fisici di mari e oceani, o per sviluppare applicazioni nel campo della modellazione e previsione oceanica.

Il sistema che il team di ricerca ODA sta attualmente sviluppando utilizza NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean), il modello più all’avanguardia per la ricerca oceanografica, le previsioni stagionali di oceanografia operativa e gli studi climatici, una grande comunità open source, di cui i ricercatori CMCC fanno parte sia come sviluppatori che utenti.
In uno studio pubblicato di recente su Geoscientific Model Development (tra gli autori, i ricercatori CMCC D. Iovino, S. Masina, A. Storto e A. Cipollone della Divisione ODA), una nuova implementazione del modello NEMO, ribattezzata GLOB16, è stata utilizzata per realizzare una simulazione con risoluzione eddy-resolving del sistema globale oceano / ghiaccio marino. GLOB16 rappresenta la configurazione globale del modello NEMO con la più alta risoluzione spaziale mai realizzata, e apre la strada allo sviluppo di un nuovo sistema di forecasting oceanico real-time e di applicazioni e servizi per il downscaling costiero e regionale.

Guarda il video:

Animazione della velocità dell’oceano superficiale, realizzata con il modello oceanico NEMO con 1/16° di risoluzione orizzontale (~ 6/7 Km), per un anno di simulazione (2015). Il video continua il run del modello descritto nello studio sopracitato, ed è stato realizzato dai ricercatori della Fondazione CMCC.

“Il nostro modello ha una risoluzione orizzontale di 1/16° all’equatore (pari a circa 6,9 chilometri) e va aumentando man mano che ci spostiamo verso i poli. La più alta risoluzione spaziale è raggiunta nel Mar Glaciale Artico (~ 2 km). Il sistema verticale consiste di 98 livelli. La prima simulazione è stata realizzata per il periodo 2003-2013, e i risultati sono poi stati confrontati e verificati con i dati osservati; il miglioramento dovuto all’aumento di risoluzione appare evidente se si fanno confronti con versioni a risoluzione più grossolana del modello. Il modello è in grado pertanto di risolvere adeguatamente e di descrivere la variabilità di mesoscala a livello globale. Pensiamo che GLOB16 rappresenti un significativo miglioramento della modellistica rispetto alle precedenti configurazioni a più bassa risoluzione dei modelli globali CMCC per oceano/ghiaccio marino”.
GLOB16 è adesso accoppiato a un sistema di data assimilation oceano/ghiaccio marino, e costituisce la base per le analisi eddying del sistema globale del CMCC e per la realizzazione di sistemi di previsione a breve termine.

Al momento, le implementazioni avanzate del modello NEMO e lo sviluppo della catena previsionale sfruttano le capacità di calcolo di Athena, il supercalcolatore della Fondazione CMCC, a Lecce. “Il modello è già stato validato, e adesso è pronto per essere usato per la realizzazione del sistema di previsione”, afferma Iovino. “Il passo successivo è stato infatti quello di accoppiare il modello a un sistema di data assimilation per la realizzazione di GOF16, ovvero di un sistema di forecast real-time, globale, dello stato oceanico, con la stessa risoluzione spaziale del modello, ovvero a 1/16°. Grazie alla maggiore risoluzione raggiunta, il CMCC è ormai all’avanguardia nel campo della modellistica e dei sistemi di previsione”.

Referenze