Μαθηματική προσομοίωση και διερεύνηση, με τη χρήση υβριδικού ομοιώματος, της επίδρασης των νερών της Μαύρης Θάλασσας στη δυναμική των θαλ...

Abstract

The brackish Black Sea Waters (BSW) outflow to the Aegean Sea, through the Dardanelles Straits, affects and determines significantly the hydrodynamic and physical characteristics of the North Aegean Sea. The investigation and mathematical simulation of the N. Aegean’s physical oceanography contributes to the knowledge and understanding of the buoyant waters’ circulation initial conditions in the wider East Mediterranean region. The implementation and adaptation of the 3-d hydrodynamic mathematical model HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) in the N. Aegean Sea (NAS-HYCOM, North Aegean Sea – HYCOM, 1/50οx1/50o), undertaken for the first time, significantly contributes to the investigation of the area’s hydrodynamic circulation. The significant potentials of HYCOM are related to the hybrid vertical coordinate operation. Simultaneously, a parameterization of the Dardanelles 2 layer-flow, based on the Black Sea water budget, is implemented at the Dardanelles Strait, in order to calculate the transport rates and the physical characteristics of the buoyant outflow. Evaluation of the innovative parameterization approach showed that it presents high correlation between model results and satellite and insitu data. Several idealized (process oriented approach) and realistic (covering the period 2002-2008) numerical experiments were performed. The major hydrodynamic features and their relation with several controlling factors are investigated in the context of the thesis. The buoyant plume tracks are also controlled by specific characteristics of the area’s complicated topography. NAS-HYCOM simulations showed that both north and south winds tend to prevent the BSW cyclonic circulation along the continental shelf. The evolution of the anticyclonic bulge radius in front of the Dardanelles exit is investigated numerically, with NAS-HYCOM, as well as analytically, by the implementation of a theoretical model for large scale river plumes. Additionally, the surface mixed layer and the dense water formation in the area covered with brackish waters was also investigated. Brackish surface waters decrease the buoyancy loss and seem to play a suppressive role to the development of both of these formations, especially in areas close to the Dardanelles. Conclusively, it is observed that the BSW affect all the major physical processes in the N. Aegean Sea, which present strong seasonal and interannual variability, highly related to the respective variations of the Dardanelles outflow characteristics. NAS-HYCOM has been successfully applied to the complicated N. Aegean area and its adaptation constitutes an important tool on the description and understanding of the BSW influence to the region’s dynamics. It is, further, concluded that HYCOM, used in the past mostly in larger scale applications, can reliably simulate the physical oceanography conditions of semi-closed coastal areas.

Η εκροή των υφάλμυρων νερών της Μαύρης Θάλασσας (ΝΜΘ) στο Βόρειο Αιγαίο, διαμέσου των Στενών των Δαρδανελίων, επηρεάζει και καθορίζει τα υδροδυναμικά και φυσικά χαρακτηριστικά του Βορείου Αιγαίου. Η εφαρμογή και η προσαρμογή ενός τρισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) στο Β. Αιγαίο (NAS-HYCOM, North Aegean Sea – HYCOM, 1/50οx1/50o) για πρώτη φορά δίνει τη δυνατότητα της διερεύνησης της υδροδυναμικής κυκλοφορίας της περιοχής με στόχο την μελέτη και την περιγραφή των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που παρουσιάζονται σε αυτό το πολύπλοκο θαλάσσιο περιβάλλον. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του HYCOM σχετίζεται με τη υβριδική λειτουργία της κατακόρυφης διακριτοποίησης της θαλάσσιας στήλης. Για την εκροή των ΝΜΘ προς το Β. Αιγαίο αναπτύχθηκε μία μαθηματική παραμετροποίηση της ροής των 2 στρώσεων στα Δαρδανέλια βασισμένη στο υδατικό ισοζύγιο της Μαύρης Θάλασσας. Από την αξιολόγηση της πρωτότυπης παραμετροποίησης προέκυψε υψηλή συσχέτιση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με μετρήσεις πεδίου και δορυφορικά δεδομένα. Για την επίτευξη των στόχων της διατριβής αναπτύχθηκε ένας μεγάλος αριθμός πειραμάτων, τόσο σε ιδεατές όσο και σε ρεαλιστικές συνθήκες για την περίοδο 2002-2008. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής διερευνήθηκαν τα σημαντικότερα υδροδυναμικά πρότυπα και η αλληλεξάρτηση τους με τους παράγοντες που τα προκαλούν. Οι διαδρομές του υφάλμυρου πλουμίου των ΝΜΘ καθορίζονται από διάφορα χαρακτηριστικά της τοπογραφικά πολύπλοκης περιοχής. Τα πειράματα με το NAS-HYCOM έδειξαν ότι τόσο οι βόρειοι όσο και οι νότιοι άνεμοι τείνουν να εμποδίσουν τις ξεκάθαρες κυκλωνικές διαδρομές των ΝΜΘ κατά μήκος της ηπειρωτικής υφαλοκρηπίδας. Η εξέλιξη του αντικυκλώνα εκροής μπροστά από την έξοδο των Δαρδανελίων διερευνήθηκε τόσο με τις προσομοιώσεις όσο και με την εφαρμογή ενός αναλυτικού μοντέλου για εκροές μεγάλης κλίμακας. Ταυτόχρονα, διερευνήθηκε η επιρροή των ΝΜΘ στον σχηματισμό του ανώτερου αναμεμειγμένου στρώματος καθώς και στην παραγωγή πυκνών νερών. Τα επιφανειακά υφάλμυρα νερά μειώνουν την ροή απώλειας πλευστότητας και φαίνεται ότι παίζουν ένα αποτρεπτικό ρόλο στην εμφάνιση των δύο φαινομένων, ειδικά στις περιοχές κοντά στα Δαρδανέλια. Συμπερασματικά, προέκυψε ότι τα ΝΜΘ επηρεάζουν όλες τις βασικές φυσικές διεργασίες του Β. Αιγαίου παρουσιάζοντας ισχυρή εποχιακή και υπερετήσια διακύμανση, άμεσα εξαρτώμενη από τις αντίστοιχες διακυμάνσεις των χαρακτηριστικών εκροής των Δαρδανελίων. Το NAS-HYCOM αναπτύχθηκε επιτυχώς στην περιοχή του Β. Αιγαίου και αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για την περιγραφή και γνώση της επιρροής των ΝΜΘ στην δυναμική της περιοχής. Επιπλέον, συμπεραίνεται ότι το HYCOM, που έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως σε εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας στο παρελθόν, μπορεί να προσομοιώσει επιτυχώς της ωκεανογραφικές συνθήκες ημίκλειστων παράκτιων περιοχών.