I sistemi di previsione degli eventi di alta marea adottati per la difesa della città di Venezia fino ad oggi sono basati su modelli statistici che, separatamente, ricostruiscono il segnale di marea astronomica e prevedono la componente di livello generata dalle forzanti meteorologiche, ottenendo così una stima della marea reale. La collaborazione di 2 importanti enti, il Comune di Venezia nella figura del Centro di Previsione e Segnalazione Maree e l'ISMAR-CNR (la sede centrale di Venezia), ex ISDGM-CNR, ha portato, a seguito di un progetto della durata di 2 anni (Marzo 2001 - Giugno 2003), alla realizzazione di un nuovo sistema operativo per la previsione della marea per la città di Venezia basato su un modello di tipo deterministico. Durante questi 2 anni è stato adattato alle specifiche necessità di utilizzo, un modello idrodinamico barotropico bi-dimensionale agli elementi finiti realizzato presso l'ISMAR-CNR. Si possono individuare 3 diverse fasi del progetto durante cui: è stata portata a termine l'implementazione del modello, è avvenuta con successo l'installazione dell'intero sistema operativo di previsione nei terminali del CPSM ed è stato avviato il processo operativo automatizzato di previsione quotidiana della marea ed è stata portata a termine una verifica statistica sui risultati ottenuti nei primi 7 mesi di operatività . Durante la prima fase sono stati raccolti i dati batimetri e morfologici dell'intero Mare Mediterraneo, è stata assemblata la griglia di calcolo del modello numerico e sono stati realizzati i primi test di sensitività. La griglia che rappresenta il dominio spaziale su cui è implementata l'analisi numerica è costituita da 10495 nodi e 18626 elementi che discretizzano con risoluzione variabile l'intero Mare Mediterraneo. Su questo dominio il modello risolve le equazioni di Navier Stokes nella loro approssimazione per le aree di acque basse, comunemente note come Shallow Water Equations. Per riprodurre l'evoluzione del livello del mare nel bacino il modello deve essere forzato con dati di tipo meteorologico su tutti i punti di calcolo della griglia e con il livello astronomico sul bordo aperto definito all'altezza dello stretto di Gibilterra. I dati di vento e pressione utilizzati ricoprono l'intera area Mediterranea e sono il risultato del modello atmosferico globale utilizzato al Centro Europeo per la Previsione Atmosferica a Medio Termine (ECMWF) di Reading (UK). Il modello, prima di essere reso operativo, è stato testato con una serie di verifiche sulla sensitività alle diverse condizioni forzanti sia meteorologiche che di marea astronomica. I risultati ottenuti dai test atti a verificare l'efficienza del modello nella riproduzione della marea astronomica sono stati insoddisfacenti e quindi si è proceduto all'analisi degli effetti sul livello del mare generati dalle sole forzanti di vento e pressione, cause principali delle Acque Alte a Venezia. La marea astronomica, ai fini della previsione del livello reale, viene quindi calcolata mediante sistemi analitici di sintesi armonica delle componenti principali. IV Sempre in questa prima fase, i campi di vento e pressione forniti dall'ECMWF sono stati adattati all'esigenze di calcolo e utilizzati per la riproduzione a Venezia della componente meteorologica del livello di marea. Sono state verificate, mediante 3 casi di studio relativi a 3 periodi caratterizzati da intensi eventi di alta marea a Venezia, le capacità dello strumento nel riprodurre il livello residuale. I periodi considerati sono stati i mesi di Novembre 1997, 2000, 2001. Forzando il modello con il vento e la pressione stimati da Reading per i suddetti periodi sono state fatte 3 simulazioni i cui risultati sono stati confrontati con i dati misurati dal mareografo installato sulla Piattaforma 'Acqua Alta' del CNR.. I confronti si sono basati sul calcolo degli indici di correlazione tra le 2 tipologie di serie temporali, sulle analisi degli scarti e sui confronti degli spettri di frequenza dei segnali. Da queste serie di indagini è emerso che il modello è in grado di riprodurre con buona approssimazione l'andamento generale dei segnali di marea residua, con minor approssimazione per i picchi corrispondenti agli eventi eccezionale superiori agli 80 cm. Quest'inefficacia dello strumento previsionale è principalmente correlata al basso grado di accuratezza dei dati di input meteorologico utilizzati. Infatti, i campi di vento e pressione utilizzati come forzanti per il modello, se confrontati con i corrispondenti valori sperimentali da stazioni anemometriche risultano mediamente sottostimati rispetto al dato reale con differenze maggiori nei periodi di forte attività: forti venti di scirocco e di bora, principali cause generatrici l'Acqua Alta a Venezia. Le cause dell'incertezza riscontrata nei risultati delle simulazioni sono quindi in parte confrontabili e collegabili con l'errore nella stima dell'andamento delle forzanti meteorologiche utilizzate. Terminata la prima fase, nella successiva il modello è stato installato nei terminali del CPSM e reso operativo. Dal 1 Novembre 2002 il sistema in modo del tutto automatizzato senza l'intervento di alcun operatore, fornisce quotidianamente i dati di vento e pressione al modello e avvia la simulazione per un periodo di giorni di previsione pari a 5. Successivamente il sistema archivia tutte le informazioni dei processi avvenuti, nonché i dati meteo stessi e ovviamente i risultati ottenuti. Sono disponibili inoltre in modo automatizzato i grafici del livello previsto dal modello e quello realmente misurato in piattaforma CNR per ogni corsa di previsione. Ogni fase del processo quotidiano di previsione è del tutto automatizzata e non prevede l'intervento di alcun operatore. Nella terza ed ultima fase è stata condotta una analisi statistica sui risultati ottenuti durante i primi 7 mesi si attività: da Novembre 2002 a Maggio 2003. Da queste analisi è emerso che, ai fini della previsione, i risultati del modello deterministico sono complementari ai risultati ottenuti dai modelli statistici, poichè in grado di mantenere una discreta accuratezza dei risultati anche per anticipi di previsione superiori alle 48 ore. Questo quindi permette di ravvisare il preannunciarsi di un evento di alta marea già 48 o 72 ore prima dell'accadere dell'evento stesso, una distanza a cui l'incertezza del modello statistico risulta piuttosto alta. V In conclusione, lo strumento di previsione, nella sua versione di base presenta notevole utilità ai fini dei processi di previsione e inoltre è soggetto a notevoli margini di intervento per migliorare l'accuratezza dei risultati prodotti. Le attività che porterebbero ad un sensibile aumento della precisione del modello possono essere riassunte in due gruppi, interventi mirati a migliorare il modello numerico (ottimizzazione del tempo di spin-up, variazione della distribuzione del coefficiente di attrito al fondo sul dominio di indagine ecc.) e interventi relativi all'accuratezza delle condizioni forzanti (applicazione di fattori correttivi ai campi di vento e pressione forniti dall'ECMWF, utilizzo dei campi di stress del vento forniti dall'ECMWF, assimilazione in fase di spin up dei dati di vento forniti da satellite e dei dati di livello ad Otranto e in Alto Adriatico, utilizzo di campi meteorologici risultati da modelli locali ad area limitata, ecc.).
Sistema operativo di previsione del livello di marea a Venezia basato su un modello numerico deterministico agli elementi finiti
A Cucco;G Umgiesser
2002
Abstract
I sistemi di previsione degli eventi di alta marea adottati per la difesa della città di Venezia fino ad oggi sono basati su modelli statistici che, separatamente, ricostruiscono il segnale di marea astronomica e prevedono la componente di livello generata dalle forzanti meteorologiche, ottenendo così una stima della marea reale. La collaborazione di 2 importanti enti, il Comune di Venezia nella figura del Centro di Previsione e Segnalazione Maree e l'ISMAR-CNR (la sede centrale di Venezia), ex ISDGM-CNR, ha portato, a seguito di un progetto della durata di 2 anni (Marzo 2001 - Giugno 2003), alla realizzazione di un nuovo sistema operativo per la previsione della marea per la città di Venezia basato su un modello di tipo deterministico. Durante questi 2 anni è stato adattato alle specifiche necessità di utilizzo, un modello idrodinamico barotropico bi-dimensionale agli elementi finiti realizzato presso l'ISMAR-CNR. Si possono individuare 3 diverse fasi del progetto durante cui: è stata portata a termine l'implementazione del modello, è avvenuta con successo l'installazione dell'intero sistema operativo di previsione nei terminali del CPSM ed è stato avviato il processo operativo automatizzato di previsione quotidiana della marea ed è stata portata a termine una verifica statistica sui risultati ottenuti nei primi 7 mesi di operatività . Durante la prima fase sono stati raccolti i dati batimetri e morfologici dell'intero Mare Mediterraneo, è stata assemblata la griglia di calcolo del modello numerico e sono stati realizzati i primi test di sensitività. La griglia che rappresenta il dominio spaziale su cui è implementata l'analisi numerica è costituita da 10495 nodi e 18626 elementi che discretizzano con risoluzione variabile l'intero Mare Mediterraneo. Su questo dominio il modello risolve le equazioni di Navier Stokes nella loro approssimazione per le aree di acque basse, comunemente note come Shallow Water Equations. Per riprodurre l'evoluzione del livello del mare nel bacino il modello deve essere forzato con dati di tipo meteorologico su tutti i punti di calcolo della griglia e con il livello astronomico sul bordo aperto definito all'altezza dello stretto di Gibilterra. I dati di vento e pressione utilizzati ricoprono l'intera area Mediterranea e sono il risultato del modello atmosferico globale utilizzato al Centro Europeo per la Previsione Atmosferica a Medio Termine (ECMWF) di Reading (UK). Il modello, prima di essere reso operativo, è stato testato con una serie di verifiche sulla sensitività alle diverse condizioni forzanti sia meteorologiche che di marea astronomica. I risultati ottenuti dai test atti a verificare l'efficienza del modello nella riproduzione della marea astronomica sono stati insoddisfacenti e quindi si è proceduto all'analisi degli effetti sul livello del mare generati dalle sole forzanti di vento e pressione, cause principali delle Acque Alte a Venezia. La marea astronomica, ai fini della previsione del livello reale, viene quindi calcolata mediante sistemi analitici di sintesi armonica delle componenti principali. IV Sempre in questa prima fase, i campi di vento e pressione forniti dall'ECMWF sono stati adattati all'esigenze di calcolo e utilizzati per la riproduzione a Venezia della componente meteorologica del livello di marea. Sono state verificate, mediante 3 casi di studio relativi a 3 periodi caratterizzati da intensi eventi di alta marea a Venezia, le capacità dello strumento nel riprodurre il livello residuale. I periodi considerati sono stati i mesi di Novembre 1997, 2000, 2001. Forzando il modello con il vento e la pressione stimati da Reading per i suddetti periodi sono state fatte 3 simulazioni i cui risultati sono stati confrontati con i dati misurati dal mareografo installato sulla Piattaforma 'Acqua Alta' del CNR.. I confronti si sono basati sul calcolo degli indici di correlazione tra le 2 tipologie di serie temporali, sulle analisi degli scarti e sui confronti degli spettri di frequenza dei segnali. Da queste serie di indagini è emerso che il modello è in grado di riprodurre con buona approssimazione l'andamento generale dei segnali di marea residua, con minor approssimazione per i picchi corrispondenti agli eventi eccezionale superiori agli 80 cm. Quest'inefficacia dello strumento previsionale è principalmente correlata al basso grado di accuratezza dei dati di input meteorologico utilizzati. Infatti, i campi di vento e pressione utilizzati come forzanti per il modello, se confrontati con i corrispondenti valori sperimentali da stazioni anemometriche risultano mediamente sottostimati rispetto al dato reale con differenze maggiori nei periodi di forte attività: forti venti di scirocco e di bora, principali cause generatrici l'Acqua Alta a Venezia. Le cause dell'incertezza riscontrata nei risultati delle simulazioni sono quindi in parte confrontabili e collegabili con l'errore nella stima dell'andamento delle forzanti meteorologiche utilizzate. Terminata la prima fase, nella successiva il modello è stato installato nei terminali del CPSM e reso operativo. Dal 1 Novembre 2002 il sistema in modo del tutto automatizzato senza l'intervento di alcun operatore, fornisce quotidianamente i dati di vento e pressione al modello e avvia la simulazione per un periodo di giorni di previsione pari a 5. Successivamente il sistema archivia tutte le informazioni dei processi avvenuti, nonché i dati meteo stessi e ovviamente i risultati ottenuti. Sono disponibili inoltre in modo automatizzato i grafici del livello previsto dal modello e quello realmente misurato in piattaforma CNR per ogni corsa di previsione. Ogni fase del processo quotidiano di previsione è del tutto automatizzata e non prevede l'intervento di alcun operatore. Nella terza ed ultima fase è stata condotta una analisi statistica sui risultati ottenuti durante i primi 7 mesi si attività: da Novembre 2002 a Maggio 2003. Da queste analisi è emerso che, ai fini della previsione, i risultati del modello deterministico sono complementari ai risultati ottenuti dai modelli statistici, poichè in grado di mantenere una discreta accuratezza dei risultati anche per anticipi di previsione superiori alle 48 ore. Questo quindi permette di ravvisare il preannunciarsi di un evento di alta marea già 48 o 72 ore prima dell'accadere dell'evento stesso, una distanza a cui l'incertezza del modello statistico risulta piuttosto alta. V In conclusione, lo strumento di previsione, nella sua versione di base presenta notevole utilità ai fini dei processi di previsione e inoltre è soggetto a notevoli margini di intervento per migliorare l'accuratezza dei risultati prodotti. Le attività che porterebbero ad un sensibile aumento della precisione del modello possono essere riassunte in due gruppi, interventi mirati a migliorare il modello numerico (ottimizzazione del tempo di spin-up, variazione della distribuzione del coefficiente di attrito al fondo sul dominio di indagine ecc.) e interventi relativi all'accuratezza delle condizioni forzanti (applicazione di fattori correttivi ai campi di vento e pressione forniti dall'ECMWF, utilizzo dei campi di stress del vento forniti dall'ECMWF, assimilazione in fase di spin up dei dati di vento forniti da satellite e dei dati di livello ad Otranto e in Alto Adriatico, utilizzo di campi meteorologici risultati da modelli locali ad area limitata, ecc.).I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
