Optimizing processes of operational simulation in transport and dispersion of oil slicks and decision support and response systems

Abstract

A vital issue of the oil-dependent world is oil accidental release and pollution and its respective huge environmental impacts. Hence, it is necessary to address this issue by applying environmentally friendly methods. Several numerical oil spill models are used worldwide to simulate the evolution of an oil spill. The simulation transport and dispersal of an oil spill at sea, evaluating physicochemical processes that take place between the oil phase and the water column, are the basis for identification and assessment of its environmental impact. Thus, this PhD Thesis aims to improve our understanding in the impact of physical processes (like advection and dispersion of oil spill), and focus on the oil weathering processes (especially on the biodegradation), improving its parameterization through a series of laboratory experiments. The OpenDrift oil spill model, coupled to meteorologic, hydrodynamic and wave models, was used for this analysis. The improved biodegradation routine was finally integrated in the OpenDrift algorithm, improving the medium- to long-term oil budget. Simulations of oil spill behavior were performed by means of statistically-produced ensembles for winds and surface currents. Model results were evaluated against satellite observations using a series of metrics. The oil spill risk assessment index and the oil hazard index were mapped, quantifying the risks and uncertainties in oil spill simulations. In all simulations, real-time wind data were provided by NOAA-GFS and ECMWF models, hydrodynamic data were produced by the AEM 3D high-resolution model, and were retrieved from the CMEMS (NEMO model), HYCOM and CYCOFOS models, and wave data were obtained from SWAN high-resolution model and the CMEMS (WAM and WAVEWATCH-III) models. Finally, the ultimate goal of this research was the dissemination and operational use of produced results to local agencies, such as the Port Authorities of Kavala and Alexandroupolis and the Energean Oil & Gas SA.

Ένα σημαντικό ζήτημα στον κόσμο που εξαρτάται από το πετρέλαιο είναι η τυχαία διαρροή του, η ρύπανση καθώς και οι αντίστοιχες τεράστιες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να αντιμετωπιστεί αυτό το ζήτημα εφαρμόζοντας φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους. Πολλά αριθμητικά μοντέλα πετρελαιοκηλίδων χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την προσομοίωση της εξέλιξης μιας πετρελαιοκηλίδας. Η προσομοίωση της μεταφοράς και της διασποράς μιας πετρελαιοκηλίδας στη θάλασσα, αξιολογώντας τις φυσικοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα μεταξύ της φάσης του πετρελαίου και της υδάτινης στήλης, είναι η βάση για τον εντοπισμό και την αξιολόγηση της περιβαλλοντικής της επίδρασης. Έτσι, αυτή η διδακτορική διατριβή στοχεύει στη βελτίωση της κατανόησής μας για τον αντίκτυπο των φυσικών διεργασιών (όπως η μεταφορά και η διασπορά της πετρελαιοκηλίδας) και εστιάζει στις διεργασίες πετρελαϊκής αποσύνθεσης (ιδιαίτερα στη βιοαποικοδόμηση), βελτιώνοντας την παραμετροποίησή της μέσω μιας σειράς εργαστηριακών πειραμάτων. Το μοντέλο πετρελαιοκηλίδας OpenDrift, σε συνδυασμό με μετεωρολογικά, υδροδυναμικά και κυματικά μοντέλα, χρησιμοποιήθηκε για αυτήν την ανάλυση. Η βελτιωμένη ρουτίνα βιοαποικοδόμησης τελικά ενσωματώθηκε στον αλγόριθμο OpenDrift, βελτιώνοντας τον μεσοπρόθεσμο έως μακροπρόθεσμο προϋπολογισμό πετρελαίου. Οι προσομοιώσεις της συμπεριφοράς της πετρελαιοκηλίδας πραγματοποιήθηκαν μέσω στατιστικά παραγόμενων συνόλων για τους ανέμους και τα επιφανειακά ρεύματα. Τα αποτελέσματα του μοντέλου αξιολογήθηκαν σε σχέση με παρατηρήσεις δορυφόρων χρησιμοποιώντας μια σειρά από μετρικές. Ο δείκτης εκτίμησης κινδύνου πετρελαιοκηλίδας και ο δείκτης τρωτότητας πετρελαιοκηλίδας χαρτογραφήθηκαν, ποσοτικοποιώντας τους κινδύνους και τις αβεβαιότητες στις προσομοιώσεις πετρελαιοκηλίδων. Σε όλες τις προσομοιώσεις, τα δεδομένα ανέμων σε πραγματικό χρόνο παρέχονταν από τα μοντέλα NOAA-GFS και ECMWF, τα υδροδυναμικά δεδομένα παρήχθησαν από το μοντέλο υψηλής ανάλυσης AEM 3D και ελήφθησαν από τα μοντέλα CMEMS (NEMO), HYCOM και CYCOFOS, και τα δεδομένα κυμάτων ελήφθησαν από το μοντέλο υψηλής ανάλυσης SWAN και τα μοντέλα CMEMS (WAM και WAVEWATCH-III). Τέλος, ο απώτερος στόχος αυτής της έρευνας ήταν η διάδοση και η επιχειρησιακή χρήση των παραγόμενων αποτελεσμάτων σε τοπικούς φορείς, όπως οι Λιμενικές Αρχές της Καβάλας και της Αλεξανδρούπολης και η Energean Oil & Gas SA.