Διερεύνηση του ρόλου των εσωτερικών κυμάτων στις διεργασίες ανάμειξης των βαθιών λεκανών του Βορείου Αιγαίου με την χρήση του αριθμητικού μοντέλου ROMS (Regional Ocean Modeling System)

Abstract

Ocean mixing is one of the most important processes at the global ocean. In a general context they can categorized in small and big scale, with the latter being directly dependent from the first. Beyond their physical importance they also contribute to the biological and ecological processes that define the distribution of oxygen and the availability of the nutrients in the ocean vertical column. The present doctoral thesis focus on the mixing processes at the North Aegean due to potential to contribute with extremely dense waters the Eastern part of the Mediterranean Sea. The tool for this study is a high temporal resolution, state of the art hydrodynamic model i.e. ROMS, which tuned in an optimal way for the needs of long term inter decadal simulations in this complex in terms of hydrographic features area. This complexity consists not only to the general topography of the region but also due to the constant presence of Black Sea waters through the Turkish Straits System (TSS), which creates even more challenges to the parameterization of their flow during a simulation. One of the innovations of this thesis is the use of V. Maderich results as an open boundary condition for the Black Sea waters outflow to the North Aegean. The conducted experiments cover a 28 years long period - from 1986 to 2013 - and two different numerical schemes for advection and diffusion of the scalar fields (temperature and salinity) were used combined with or without the presence of tidal forcing,in order to investigate the mixing processes at the region and specifically to the deep secluded basin of the North Aegean. The results of the experiments compared extensively with all available observations from different platforms for the aforementioned period (1986 – 2013) to examine a) the model’s ability in the realistic reproduction of the hydrographic characteristics of the region and b) to estimate the overall statistical error of the model for the region and mainly for the deep basins. The above innovative approaches, such as the presence or not of the tides and V. Maderich results as open boundary for the Black Sea waters outflow, was used in order to investigate not only the inter-decadal variability of North Aegean’s deep basins but also the impact of high frequency small scale processes like internal waves in the overall mixing processes that took place during the Eastern Mediterranean Transient (EMT) the years between late 1980s and mid 1990s and after. The main findings from the analysis of the results indicate \, up to a degree, the importance of tidal forcing in simulations of this type i.e. those which study in overall the mixing processes in areas such as the North Aegean where the presence or not of tides doesn’t give a clear view whether the results are improved or deteriorated. Moreover that were previously excluded from the region were identified and assessed their impact. Finally inherent faults and limitations were highlighted not only for these type of climatic simulations but also for ROMS itself for the spatial and temporal scales that were investigated.

Η ανάμειξη των θαλασσίων μαζών είναι μια από τις σημαντικότερες διεργασίες που συμβαίνουν στον ωκεανό. Μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε μικρής και μεγάλης κλίμακας με τις τελευταίες να είναι άμεσα εξαρτώμενες από τις πρώτες. Πέρα από την φυσική τους σημασία συμβάλλουν καθοριστικά και στις αντίστοιχες βιολογικές και οικολογικές διεργασίες μιας και καθορίζουν την κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου στην θαλάσσια στήλη και την διαθεσιμότητα των θρεπτικών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην μελέτη των διεργασιών ανάμειξης στο Βόρειο Αιγαίο καθώς είναι μια περιοχή πολύ ισχυρής δυνητικής δημιουργίας πυκνών νερών και τελικά ένας εν δυνάμει τροφοδότης της Ανατολικής Μεσογείου με αυτά. Το εργαλείο για την μελέτη των διεργασιών ανάμειξης είναι ένα υψηλής χωρικής ανάλυσης, τελευταίας γενιάς υδροδυναμικό μοντέλο, το οποίο παραμετροποιήθηκε με το βέλτιστο δυνατό τρόπο για τις ανάγκες μακροχρόνιων προσομοιώσεων σε αυτή την πολύπλοκη, από άποψη υδρογραφικών χαρακτηριστικών, περιοχή. Η πολυπλοκότητα έγκειται στην γενικότερη τοπογραφία της περιοχής αλλά κυρίως στην σταθερή παρουσία των νερών της Μαύρης Θάλασσας, μέσω των στενών των Δαρδανελλίων, καθώς δημιουργεί ιδιαίτερες και πρόσθετες προκλήσεις στην παραμετροποίηση και προσομοίωση της ροής τους. Μια από τις καινοτομίες της παρούσας διατριβής είναι η χρήση των αποτελεσμάτων της εργασίας του V. Maderich (2015) ως ανοικτή συνοριακή συνθήκη της ροής των νερών της Μαύρης Θάλασσας στο Βόρειο Αιγαίο. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν και καλύπτουν μια χρονική περίοδο 28 ετών συνολικά, χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικά σχήματα για την μεταφορά και την διάχυση των βαθμωτών μεγεθών (θερμοκρασία και αλατότητα) συνδυαζόμενα ή μη με την παρουσία παλιρροιακής διέγερσης και μελετήθηκαν, στο μέτρο του δυνατού, οι διεργασίες ανάμειξης στην περιοχή του βορείου Αιγαίου δίνοντας ιδιαίτερο βάρος στις βαθιές του λεκάνες. Τα αποτελέσματα των τελικών πειραμάτων συγκρίθηκαν με όλες τις διαθέσιμες παρατηρήσεις από διάφορες πλατφόρμες για την περίοδο από το 1986 έως το 2013 ώστε να εκτιμηθεί α) η ικανότητα του μοντέλου συνολικά αλλά και της τελικής παραμετροποίησης του, στην ορθή αναπαραγωγή των υδρογραφικών χαρακτηριστικών της περιοχής και β) η απόκλιση των αποτελεσμάτων από τα πραγματικά δεδομένα μέσω της εκτίμησης του συνολικού στατιστικού σφάλματος αλλά και επιμέρους περιοχών όπως για παράδειγμα οι βαθιές λεκάνες του Βορείου Αιγαίου. Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω καινοτόμες προσεγγίσεις για τις προσομοιώσεις όπως η χρήση της παλίρροιας και η παραμετροποίηση της εκροής των Δαρδανελλίων στο βόρειο Αιγαίο ως ανοικτή συνοριακή συνθήκη, επιχειρήθηκε να μελετηθεί πέρα από την καθεαυτήν υπέρ-δεκαετή μεταβλητότητα των βαθιών λεκανών, η επίδραση υψίσυχνων φαινομένων, όπως τα εσωτερικά κύματα, στις διεργασίες ανάμειξης τόσο κατά την διάρκεια Eastern Mediterranean transient (ΕΜΤ) που έλαβε χώρα από τα τέλη του 1980 μέχρι τα μέσα του1990 όσο και μετά. Τα κύρια ευρήματα αυτής της διδακτορικής διατριβής, μετά την ανάλυση των αποτελεσμάτων των τελικών πειραμάτων και την σύγκριση τους με τα διαθέσιμα δεδομένα, υποδεικνύουν έως ένα βαθμό τον ουσιαστικό/κρίσιμο ρόλο της παλίρροιας για αυτού του τύπου τις προσομοιώσεις. Για εκείνες δηλαδή που μελετούν εν γένει και εν συνόλω τις διεργασίες ανάμειξης ακόμα και σε περιοχές όπως το Βόρειο Αιγαίο, που φαινομενικά η ύπαρξη της παλίρροιας δεν φαίνεται να έχει κάποια άμεση επίδραση, καθώς βελτίωσε - ανά περίπτωση - σημαντικά τα τελικά αποτελέσματα και ανέδειξε διεργασίες και μηχανισμούς που έως ένα βαθμό, που δεν είχαν εντοπιστεί. Αναδείχτηκαν επίσης και οι εγγενείς αστοχίες και περιορισμοί τόσο της παραμετροποίησης που επιλέχθηκε για τις προσομοιώσεις όσο και του ίδιου υδροδυναμικού μοντέλου για τις χωρικές και χρονικές κλίμακες που μελετήθηκαν.