Development of an integrated modeling system for simulating the air-ocean wave interactions

Abstract

Τhis PhD thesis envisages the implementation of a new two-way atmosphere-ocean wave fully coupled system with overarching aim to thoroughly unveil air-sea interactions focusing on the dynamical processes. The resulting system includes the Weather Research Forecasting (WRF) model as the atmospheric component and the Wave model (WAM) as the ocean wave component. WRF and WAM models have been coupled using the OASIS Model Coupling Toolkit (OASIS3-MCT). The system is appropriately implemented to support online coupling with Chemistry (WRF-Chem) and Hydrology (WRF-Hydro), offering the capability of simultaneous simulation of atmospheric, ocean wave, chemical and hydrological processes. Software aspects, data exchange and computational characteristics of the coupled system (CHAOS; Chemical Hydrological Atmospheric Ocean wave System) are elaborately discussed. A remarkable finding is that ocean waves increase air-sea momentum and enthalpy transfer modifying the characteristics of atmospheric flow and ocean wave generation. Young wind-generated ocean waves are dominant on the modulation of momentum and enthalpy fluxes in the atmospheric surface layer. Two-way coupling simulates Mediterranean cyclones up to 2 hPa shallower than one-way coupling mode. The impact on the hurricane Sandy over the Atlantic Ocean is more intense with up to 5 hPa shallowing or 3 hPa deepening. Ιn two-way coupling mode, atmosphere dynamically loses more momentum and energy by ocean waves but it thermodynamically gains more enthalpy. It is noteworthy that, two-way coupling balances lower the energy equilibrium attenuating atmospheric flow and, consequently ocean wave growth. The troposphere also responds on the perturbations come from the sea surface fluxes. Differences in water vapor mixing ratio and relative humidity are detectable up to 7 km alongside with the wind speed, the vertical velocity and the temperature up to the tropopause. During extreme weather events, two-way coupling mode of CHAOS offers robust statistical improvements up to 10% and 24% for wind speed and significant wave height (SWH) over the sea, respectively, as well as up to 5% for wind speed, MSLP, temperature and precipitation over the land.Additionally, nesting techniques in CHAOS refine the simulation results with up to 9-10% improvements in forecast skill, due to better representation of high resolution interactions. Moreover, the simulation of wind-induced wave breaking accompanied by sea spray production as well as of rain impact on waves offers improvements. It is noteworthy that the simulation of rain impact on waves offers up to 3.6% statistical improvements during hurricane-force conditions. Overall in a long-term operational approach (1 December 2013 - 1 December 2014), two-way coupling mode of CHAOS offers statistical improvements up to 3.7% and 6.3% for wind speed and SWH over the sea, respectively.

Η διδακτορική διατριβή σκοπεύει στη δημιουργία ενός νέου αμφίδρομου πλήρως συζευγμένου συστήματος ατμόσφαιρας-θαλάσσιων κυμάτων. Το σύστημα προσομοιώσεων περιλαμβάνει το ατμοσφαιρικό μοντέλο Weather Forecast Research (WRF) και το κυματικό μοντέλο Wave Model (WAM). Τα μοντέλα WRF και WAM τρέχουν παράλληλα, επικοινωνούν και ανταλλάσσουν πληροφορία μέσω του συζευκτή (coupler) OASIS Model Coupling Toolkit (OASIS3-MCT). Το σύστημα έχει διαμορφωθεί κατάλληλα προκειμένου να υποστηρίζεται η σύζευξη με το χημικό μοντέλο WRF-Chem και το υδρολογικό μοντέλο WRF-Hydro, προσφέροντας τη δυνατότητα ταυτόχρονης προσομοίωσης ατμοσφαιρικών, ωκεάνιων, χημικών και υδρολογικών διαδικασιών. Οι δυσκολίες, ο σχεδιασμός, τα στάδια υλοποίησης και τα χαρακτηριστικά του νέου συζευγμένου συστήματος προσομοιώσεων (CHAOS; Σύστημα Προσομοίωσης Χημικών-Υδρολογικών-Ατμοσφαιρικών-Θαλάσσιων κυματικών διεργασιών) περιγράφονται αναλυτικά. Ένα αξιοσημείωτο εύρημα είναι ότι τα θαλάσσια κύματα αυξάνουν την ανταλλαγή ορμής και ενθαλπίας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας, μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής ροής και τη δημιουργία των κυμάτων. Τα νέα ανεμογενή κύματα κυριαρχούν στη διαμόρφωση των ροών ορμής και ενθαλπίας στο επιφανειακό στρώμα. Η αμφίδρομη σύζευξη προσομοιώνει τους μεσογειακούς κυκλώνες πιο αβαθείς με διαφορές πίεσης (MSLP) στο κέντρο τους έως +2 hPa. Κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy στον Ατλαντικό Ωκεανό οι διαφορές στην πίεση κυμαίνονται από -3 hPa έως +5 hPa. Προσομοιώνοντας με αμφίδρομη σύζευξη των μοντέλων, το ισοζύγιο της δυναμικής ενέργειας που χάνει η ατμόσφαιρα και της θερμικής ενέργειας που κερδίζει, καταλήγει σε μικρότερη στάθμη ισορροπίας και παράλληλη εξασθένηση της κυματογένεσης. Οι αλληλεπιδράσεις κατά μήκος της διεπιφάνειας αέρα-θάλασσας αντικατοπτρίζονται στην κατακόρυφη δομή της ατμόσφαιρας επηρεάζοντας τις δυναμικές και θερμοδυναμικές διεργασίες της. Διαφορές στην αναλογία μίγματος υδρατμών και στη σχετική υγρασία ανιχνεύονται έως τα 7 χλμ. Διαφορές στην ταχύτητα του ανέμου, την κατακόρυφη ταχύτητα ανύψωσης και τη θερμοκρασία ανιχνεύονται μέχρι την τροπóπαυση. Το CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις πάνω από τη θάλασσα έως 10% για την εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 24% για την εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών φαινομένων. Πάνω από τη στεριά οι στατιστικές βελτιώσεις στην εκτίμηση του ανέμου, της πίεσης (MSLP), τη θερμοκρασίας και του υετού φθάνουν το 5%. Επιπλέον, η εφαρμογή επάλληλων πλεγμάτων ολοκλήρωσης στο CHAOS βελτιώνουν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έως 9-10%, καθώς περιγράφονται λεπτομερέστερα οι μικρότερης κλίμακας αλληλεπιδράσεις. Η προσομοίωση της θραύσης των κυμάτων λόγω ισχυρών ανέμων που συνοδεύεται από την παραγωγή θαλάσσιου σπρέι (sea spray) όπως και της επίδρασης της βροχής στα κύματα συμβάλλουν στους ορθότερους υπολογισμούς της ανταλλαγής μάζας μεταξύ ατμόσφαιρας και θάλασσας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η προσομοίωση της επίδρασης της βροχής στα κύματα προσφέρει μέχρι και 3.6% στατιστικές βελτιώσεις κατά τη διάρκεια του τυφώνα Sandy. Συνολικά σε μια μακροπρόθεσμη επιχειρησιακή προσέγγιση (1 Δεκεμβρίου 2013 – 1 Δεκεμβρίου 2014), η αμφίδρομη σύζευξη στο CHAOS προσφέρει στατιστικές βελτιώσεις έως 3.7% στην εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου και έως 6.3% στην εκτίμηση του σημαντικού ύψους κύματος.