Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8656
Title: Dynamical characteristics of the Adriatic Sea using Lagrangian methods
Authors: Hariri, Saeed
Keywords: Adriatic SeaLagrangian StatisticsTransit and Residence TimesRelative DispersionFinite-Scale Lyapunov Exponent
Issue Date: 23-Apr-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Abstract Lagrangian drifters are especially suitable to study transport processes since they move with the currents following closely the motion of water parcels, at least at the large and mesoscale,considering that transport by ocean currents plays a crucial role in many scientific and applied marine issues. In the coastal zone and semi-enclosed seas, transport by surface currents are even more important due to the variety of flotsam and jetsam, like debris, pollutants, oil spills, persons lost at sea, etc., encountered in the vicinity of populated coasts and highly navigated areas. The Adriatic Sea is an interesting and challenging place for such kind of problems because of strong boundary currents and interior gyres. The objective of this thesis is to simulate and study passive tracer dispersion by statistical properties of the currents in the Adriatic Sea from velocity data produced by numerical model outputs and real drifter data set. Each chapter of thesis consists of the content of manuscript which is ready to be submitted to peer reviewed journals. In chapter 2, Statistics of transit and residence times in the surface Adriatic Sea, a semi- enclosed basin of the Mediterranean, are estimated from drifter data and Lagrangian numerical simulations. The results obtained from the drifters are generally underestimated given their short operating lifetimes (half life of ∼ 40 days) compared to the transit and residence times. This bias can be removed by considering a large amount of numerical particles whose trajectories are integrated over a long time (750 days) with a statistical advection-diffusion model of the Adriatic surface circulation. Numerical particles indicate that the maximum transit time to exit the basin is about 216-260 days for objects released near the northern tip of the Adriatic, and that a particle entering on the eastern Otranto Channel will typically exit on the other side of the Channel after 170-185 days. A value of 150-168 days is estimated for the residence time in the Adriatic basin. In chapter 3, we examine the dispersion characteristics of surface drifter pairs in the Adriatic Sea. Relative dispersion of all surface drifters deployed in the Adriatic Sea between 25 August 1990 and 1 January 2007 has been calculated for different initial separation distance, using both chance and original pairs. Relative dispersion ( D 2 ) is explained in two different regimes. First non local regime which changes as a exponential function of time, the second one is local regime and it can be divided in three separated parts, Richardson ( D 2 ∼ t 3 ), ballistic ( D 2 ∼ t 2 ) and diffusive ( D 2 ∼ t ) regimes. The distribution of finite-scale Lyapunov exponent (FLSE) fields in the Adriatic Sea and Lagrangian Structure Function (LSF) have also been calculated from drifter trajectories, which both describe intrinsic physical properties at a given scale, also values of mean separation angle, displacement kurtosis and absolute dispersion have been found which can help us to know more about the behavior of pair trajectories. The aim of this work in chapter 4 is to quantify the near-surface transport properties and residence times in the Adriatic semi-enclosed basin by using synthetic drifters. We analyzed the simulated trajectories computed from the daily averaged velocity fields obtained by the MIT general circulation model implemented in the Adriatic Sea and integrated for the period from October 2006 till the end of 2008. Each numerical particle trajectory was obtained by integrating and interpolating velocity field between grid points using a fourth-order Runge–Kutta scheme and bilinear interpolation. In particular the surface circulation properties in two contrasting years (2007 with mild winter and cold autumn, 2008 with normal winter and hot summer) are here compared. A comparison between the transport statistics for numerical particles crossing three selected sections located along the Italian coast (Conero and Gargano Promontories and Strait of Otranto) and the similar statistics driven by an existing climatology of the Adriatic surface velocity field (obtained by drifters measurements) has been carried out in order to corroborate the model results. Results indicate that the numerical particles are slower in this simulation when comparing them with the particles simulated by the flow field obtained by real drifters. This is because of the less energetic flow field generated by the MIT general circulation model during the selected years. Lagrangian statistics for the entire Adriatic basin after removing the mean Eulerian circulation for numerical particles have also been calculated and it can be found that the values of mean angular momentum, diffusivity and Lagrangian velocity covariance are less than the real drifter observations, but maximum Lagrangian integral time scale is the same. Because of the weather condition observed in 2007 and 2008, and the different kinetic energy of the mean flow (the yearly averages of MKE are 3.1408e-009 and 3.7907e-009 ( km 2 s −2 ) in 2007 and 2008 respectively ) and the mean eddy kinetic energy (2.5638e-009 (2.8961e-009) ( km 2 s −2 ) in 2007(2008)) during these years, the comparison between transport properties and Lagrangian statistics has been done considering these two different periods. The obtained results showed that the effects of wind driven recirculation in north of the Po River (which would be as a sea response to the Bora wind field) and Po River discharge on surface circulation induce the value of residence time to be similar during two years (182 (185) days in 2007 (2008)). Keywords: Adriatic Sea, Lagrangian Statistics, Transit and Residence Times, Relative Dispersion, Finite-Scale Lyapunov Exponent.
Riassunto Le correnti e i processi di trasporto oceanici a grande scala e a mesoscala svolgono un ruolo cruciale in una varietà di campi, siano essi puramente d’interesse scientifico o applicativo. Tra le diverse strumentazioni oceanografiche a disposizione per lo studio della ircolazione oceanica, le boe di deriva di tipo lagrangiano (o “drifters” lagrangiani) sono particolarmente adatte allo studio dei processi di trasporto in oceano data la loro capacità di seguire il moto delle particelle d’acqua e, in definitiva, delle correnti. Nelle aree costiere e nei bacini semi-chiusi, lo studio dei processi di trasporto associato alle correnti è particolarmente importante a causa dell’impatto di inquinanti, di sostanze rilasciate da relitti, di oil-spill sugli ecosistemi costieri, sulle attività economiche e sulle zone costiere densamente abitate. Il mare Adriatico, un bacino semi-chiuso del mar Mediterraneo, è, da questo punto di vista, un’area sensibile e presenta una serie di complessi fenomeni di circolazione quali intense correnti costiere e strutture vorticose a differente scala spaziale. Lo scopo di questa tesi è quello di simulare e quindi studiare i fenomeni di dispersione di traccianti passivi attraverso le proprietà statistiche delle correnti nel mare Adriatico utilizzando correnti superficiali prodotte da modelli di circolazione e da dati sperimentali derivati da drifters reali. La tesi èsuddivisa in capitoli strutturati come articoli scientifici indipendenti e “auto-consistenti”, pronti ad essere sottomessi a riviste scientifiche di tipo “peer-reviewed”. Il capitolo 2 contiene le statistiche dei tempi di transito e dei tempi di residenza nelle acque superficiali del mare Adriatico, calcolate a partire da dati derivati da drifters reali e da simulazioni numeriche lagrangiane. I risultati delle analisi dei dati derivati da drifters reali mostrano in generale una sottostima delle statistiche, data la loro vita operativa relativamente breve (tempo di emivita di 40 giorni). Il problema del bias introdotto dalla breve vita dei drifters reali può essere risolto mediante l’integrazione delle traiettorie di particelle sintetiche su scale temporali più lunghe (750 giorni) con opportuni modelli di circolazione. Per particelle numeriche rilasciate nella parte più settentrionale del bacino Adriatico, l’utilizzo di un modello statistico di avvezione-diffusione associato alla circolazione superficiale fornisce una scala temporale di 216-260 giorni come tempo massimo di uscita dal bacino stesso. In modo analogo, per una particella in ingresso nel bacino nel lato orientale dello stretto di Otranto, il modello fornisce una stima di 170-185 giorni per il tempo di uscita lungo il lato occidentale del canale di Otranto. I tempi di residenza nel bacino Adriatico sono dell’ordine dei 150-168 giorni. Nel Capitolo 3, si esaminano le caratteristiche della dispersione di coppie di drifters superficiali. La dispersione relativa (D2) è calcolata a partire daidrifters rilasciati nel mare Adriatico nel periodo 25 Agosto 1990 - 1 Gennaio 2007, sulla base di diverse separazioni iniziali (chan). La dispersione relativa viene interpretata sulla base di due distinti regimi. Il primo, è un regime non-locale che cambia secondo una funzione esponenziale del tempo; il secondo è un regime locale che può essere a sua volta diviso in tre regimi distinti: Richardson-type ( D 2 ∼ t 3 ), ballistic-type ( D 2 ∼ t 2 ), ediffusive-type ( D 2 ∼ t ) . A partire dalle traiettorie dei drifters, sono state inoltre ricavate le distribuzioni dei campi degli esponenti di Lyapunov a scala-finita (finite-scale Lyapunov exponent,FLSE) e le LagrangianStructureFunctions (LSF), che descrivono le proprietà fisiche intrinseche ad una data scala per il mare Adriatico. Sono stati inoltre calcolati altri descrittori statistici (angolo medio di separazione, displacementkurtosis, e dispersione assoluta) che permettono una conoscenza più dettagliata del comportamento delle coppie di drifters. Il capitolo 4 descrive quantitativamente le proprietà del trasporto superficiale – quasi superficiale e i tempi di residenza nel bacino Adriatico mediante l’uso di drifters sintetici. Le traiettorie analizzate sono state calcolate a partire dai campi di velocità giornalieri forniti dal modello di circolazione generale MITgcm, per il periodo Ottobre 2006 – Dicembre 2008. La traiettoria di ciascun drifter sintetico è stata ottenuta integrando e interpolando i campi dicorrente utilizzando, rispettivamente, uno schema Runge-Kutta del quarto ordine eun’interpolazione bilineare. In particolare, si confrontano le caratteristiche della circolazione in due anni caratterizzati da condizioni climatiche contrastanti (2007, anno con inverno “mite” e autunno “freddo”; 2008, anno con inverno “normale” ed estate “calda”). Al fine di validare il modello, le statistiche di trasporto delle particelle numeriche attraverso tre sezioni lungo la costa italiana (Conero, Gargano e stretto di Otranto) sono state confrontate con le statistiche di trasporto derivate dai drifter per le stesse aree. Il confronto suggerisce che le particelle numeriche derivate dalla simulazione modellistica sono più lente delle particelle “simulate” a partire da campi di velocità dei drifters, a causa di un minor contenuto energetico delle correnti stimate dal modello numerico nel periodo considerato. Dopo aver filtrato la circolazione euleriana media, per le particelle numeriche sono state inoltre calcolate le statistiche lagrangiane per l’intero bacino adriatico. I valori di momento angolare medio, di diffusività e covarianza sono minori di quanto calcolato dai drifter reali; tuttavia la scala temporale integrale lagrangiana rimane invariata tra i due casi (simulazioni - dati reali). Al fine di tener conto delle diverse condizioni meteorologiche tra il 2007 e 2008, e dei diversi valori di energia cinetica del campo medio (MKE = 3.14e-009 , 3.79e-009 km 2 s −2 per gli anni 2007 e 2008) e di energia cinetica media del campo turbolento (2.56e-009 e 2.90e-009 km 2 s −2 per il 2007 e 2008), e per valutare la loro diversa influenza sulle scale di trasporto, i confronti e le statistiche sono state ripetute separatamente per i due anni. I risultati ottenuti hanno evidenziato che gli effetti della circolazione indotta dal vento a nord del fiume Po, e gli effetti dell’apporto di acque dolci del fiume Po stesso sulla circolazione superficiale determinano valori confrontabili dei tempi di residenza (182 giorni e 185 giorni) per i due anni esaminati (2007 e 2008).
Description: 2011/2012
URI: http://hdl.handle.net/10077/8656
NBN: urn:nbn:it:units-10075
Appears in Collections:Ingegneria civile e architettura

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