Περιβαλλοντική διαχείριση και προσομοίωση παράκτιων υδατικών συστημάτων Θρακικού Πελάγους

Abstract

The hydrodynamic characteristics of the surface plume produced by the outflow of the brackish Black Sea Water (BSW) through the Dardanelles Straights in the North Aegean Sea have been examined by a plethora of publications that thoroughly analyzed the characteristics of water circulation in the area. However, a significant gap exists between the results of these studies and the transfer of information to end-users operating in North Aegean Sea. Taking into account this gap a pilot online platform (Observatory) was developed at a pilot coastal Thracian Sea system, providing information and marine forecasts to users and the broad society. The platform collects, analyzes and processes historical and short-term prognostic data aiding decision-makers to formulate policies on ICZM matters engaging active citizens and the broader public into coastal zone issues, raising their awareness for coastal environmental protection, and promoting the distribution of information among coastal managers and stakeholders. The oceanographic and environmental processes in these systems are described giving real time information on sea conditions. To provide this information the platform is equipped with a series of modern coupled numerical models producing daily short-term prognostic results, which are then illustrated through maps at a wed based Geographic Information System (webGIS). Analyzing the outline of the thesis, it occurs that its first chapter reviews the existing operational oceanographic modelling efforts, and explains the objectives and the innovative elements of this work. Additionally, this chapter presents the main components of the developed platform and the interface of all interconnected models performed throughout the developed code sequence.The second chapter describes the study area (North Aegean Sea) and its essential features, as it is an area of complex topography in which a multitude of freshwater sources outflow along its surrounding coastal zone. In addition, the entry of the brackish Black Sea Water (BSW), a significant water mass for the circulation in the North Aegean Sea, together with the inflow of the higher in temperature and mare saline Levantine Intermediate Water (LIW) at the southern boundary of the region significantly affect the oceanographic characteristics of the area.At the third chapter the main features of applied meteorologic models (WRF and TAPM), the coupled hydrodynamic model (ELCOM) and the oceanographic database (myOcean) for the forecasting of coastal circulation and the distribution of oceanographic parameters such as water temperature, salinity and water density are presented. Furthermore, the interconnection of two biogeochemical models (a simple 1D water column model and a fully 3D model) developed specifically within the framework of the present thesis is explained.Chapter four describes the results produced by the high resolution numerical hydrodynamic simulation of the North Aegean Sea with the use of historical data during 2005-2009. The surface spreading of BSW plume is explained and its main trajectories are analyzed. The seasonality in the presence of meso-scale features developed in North Agean Sea is shown. Furthermore, the impact of BSW on water column stratification is discussed using the potential energy anomaly. Model results are validated using data derived from satellite images and field campaigns. In addition, the analysis of Empirical Orthogonal Functions (EOFs), a statistical method for complex spatio-temporal data analysis was applied on simulation results. The main hydrographic features describing the flow field were produced, showing that it is more effective to analyze data in representative variables by determining their modalities.In Chapter 5 the analysis of the main structures and the general circulation of water in the Thracian Sea is presented. Analysis focused on the surface layer of the water column, as shelf hydrodynamics in Thracian Sea depend on the meteorological effect, the spreading of BSW and the local freshwater outflows. Thus, an analysis of the outflow and impact of these rivers (Strymon, Nestos and Evros) in the wider Thracian Sea and their volume and nutrient fluxes is carried out. In addition, the main meso-scale structures appearing in the Thracian Sea, such as the Samothraki Anti-Cyclone, as well as the general cyclonic flow along the North Aegean coastline are analyzed.In Chapter 6 the webGIS platform implemented at at pilot area (Kavala Gulf) is presented. The aim was to provide to any end-user operating in the area short-term operational forecasts on the distribution of oceanographic parameters, such as water temperature, salinity, density, flow and sea surface level. In parallel, results from the biogeochemical models implementation are shown.

Τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά του επιφανειακού πλουμίου που δημιουργείται από την εκροή των υφάλμυρων υδάτων της Μαύρης Θάλασσας δια μέσω του Στενού των Δαρδανελίων στο Β. Αιγαίο έχει διερευνηθεί από μια πληθώρα εργασιών οι οποίες ανέλυσαν σε βάθος τα χαρακτηριστικά της κυκλοφορίας αυτών των υδάτων στην περιοχή. Παρόλα αυτά, η προσβασιμότητα στις πληροφορίες των μελετών αυτών δεν ήταν δυνατή από τους κοινούς χρήστες των περιοχών αυτών παρά μόνο από την επιστημονική κοινότητα. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη το κενό που υφίσταται στην παροχή πληροφορίας ανάμεσα στους επιστήμονες και στους τελικούς χρήστες κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία μιας ηλεκτρονικής διαδικτυακής πλατφόρμας (Παρατηρητηρίου) παροχής πληροφοριών και πρόγνωσης για τις επικρατούσες συνθήκες της θάλασσας. Στην πλατφόρμα αυτή γίνεται η συλλογή, η ανάλυση και η επεξεργασία ιστορικών και βραχυπρόθεσμων προγνωστικών δεδομένων επιτρέποντας έτσι τη σύζευξη της επιστημονικής γνώσης με τη λήψη αποφάσεων, με στόχο να ενισχυθεί η αποτελεσματικότητα των δράσεων διαχείρισης των παράκτιων περιοχών και να συμβάλλει στην περιβαλλοντική διαχείριση των παράκτιων συστημάτων του Β. Αιγαίου. Περιγράφονται έτσι οι ωκεανογραφικές και περιβαλλοντικές διεργασίες στα συστήματα αυτά, δίνοντας πληροφορίες για την κατάσταση της θάλασσας σε πραγματικό χρόνο αλλά και προσφέροντας βραχυπρόθεσμη πρόγνωση σε επιχειρησιακό επίπεδο. Για την παροχή αυτής της πληροφορίας η πλατφόρμα είναι εξοπλισμένη με μια σειρά από διασυνδεδεμένα αριθμητικά ομοιώματα έτσι ώστε να παρέχει απρόσκοπτα αποτελέσματα τα οποία στη συνέχεια παρουσιάζονται διαγραμματικά με τη μορφή χαρτών σε διαδικτυακό Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (webGIS) με στόχο την παροχή περιβαλλοντικών και ωκεανογραφικών υπηρεσιών προς τους τελικούς χρήστες.Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής γίνεται μια ανασκόπηση των υφιστάμενων επιχειρισιακών ομοιωμάτων αλλά και παρουσιάζονται οι στόχοι και η καινοτομία της διατριβής. Επιπλέον, γίνεται η παρουσίαση του επιχειρισιακού ομοιώματος (πλατφόρμας) που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια της διατριβής αλλά και της διασύνδεσης των επιμέρους διασυνδεδεμένων ομοιωμάτων η οποία πραγματοποιήθηκε με την χρήση αλληλουχίας κώδικα.Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής γίνεται η περιγραφή της περιοχής μελέτης (Β. Αιγαίου) αλλά και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που παρουσιάζει καθώς πρόκειται για μια περιοχή με πολύπλοκη τοπογραφία στην οποία εκρέουν μια πληθώρα πηγών γλυκού νερού και ποταμών που βρίσκονται σχεδόν σε όλο το μήκος της περιβάλλουσας παράκτιας ζώνης. Επιπλέον, γίνεται η είσοδος μιας σημαντικής μάζας ύδατος για την κυκλοφορία του Β. Αιγαίου, των υφάλμυρων υδατών της Μαύρης Θάλασσας, αλλά και η είσοδος υδάτων μεγαλύτερης θερμοκρασίας και αλατότητας που προέρχονται από την περιοχή της Λεβαντίνης στα νότια της περιοχής, με αποτέλεσμα να καθορίζουν σημαντικά τα θερμοαλατικά χαρακτηριστικά της περιοχής.Στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της εφαρμογής του υδροδυναμικού ομοιώματος ELCOM σε άμεση διασύνδεση με το μετεωρολογικό ομοίωμα WRF, το μετεωρολογικό κομμάτι του ομοιώματος TAPM και την ωκεανογραφική βάση δεδομένων ΜyOcean, για την πρόγνωση της παράκτιας κυκλοφορίας και την κατανομή ωκεανογραφικών παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία νερού, η αλατότητα και η πυκνότητα νερού. Επιπλέον, παρουσιάζεται και η διασύνδεση δύο βιογεωχημικών ομοιωμάτων για την προσομοίωση της ποιότητας του νερού στη περιοχή μελέτης.Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής πραγματοποιείται η περιγραφή της μαθηματικής υδροδυναμικής προσομοίωσης υψηλής ανάλυσης του Βορείου Αιγαίου με την χρήση ιστορικών δεδομένων εισαγωγής μεταξύ των ετών 2005-2009 αποσκοπώντας στη μελέτη της επιρροής της εξάπλωσης του επιφανειακού πλουμίου των Νερών της Μαύρης Θάλασσας που εκρέουν από τα Στενά των Δαρδανελλίων στο Β. Αιγαίο, καθώς και στη μελέτη των κυριότερων διαδρομών του στη περιοχή του Β. Αιγαίου, με στόχο την περιγραφή του ευρύτερου συστήματος και των επιμέρους υδρογραφικών δομών του αλλά και της εις βάθος κατανόησης της δυναμικής του. Επιπλέον, γίνεται η συσχέτιση και ταυτοποίηση της παρουσίας των υφάλμυρων υδάτων της Μαύρης Θάλασσας στην περιοχή με την επίδραση του νερού αυτού στη στρωματοποίηση της υδάτινης στήλης. Έτσι πραγματοποιείται η συσχέτιση των αποτελεσμάτων με δεδομένα που προέρχονται από δορυφορικές εικόνες αλλά και η εξαγωγή από τις μαθηματικές προσομοιώσεις δευτερογενών ωκεανογραφικών παραμέτρων οι οποίες περιγράφουν τις συνθήκες κυκλοφορίας και στρωματοποίησης-μείξης της υδάτινης στήλης, καθώς και η συσχέτισή τους με τις επικρατούσες περιβαλλοντικές συνθήκες του παράκτιου συστήματος. Συγκεκριμένα, πραγματοποιείται ο υπολογισμός της Ανωμαλίας Δυναμικής Ενέργειας, η οποία εκφράζει την σταθερότητα της στήλης νερού ως το βάθος των 200 μ. σαν την ενέργεια ανά μονάδα όγκου που απαιτείται για να ομογενοποιηθεί κατακόρυφα η υδάτινη στήλη, έτσι ώστε να γίνει ο προσδιορισμός της ανωστικής επίδρασης της εκροής της Μαύρης Θάλασσας στην στήλη του νερού. Επιπλέον, πραγματοποιείται στα αποτελέσματα της προσομοίωσης η ανάλυση εμπειρικών ορθογωνικών συναρτήσεων η οποία είναι μια στατιστική μέθοδος για την ανάλυση των δεδομένων με περίπλοκες χωρικές δομές. Δηλαδή, γίνεται η αποτελεσματικότερη ανάλυση των δεδομένων σε αντιπροσωπευτικές μεταβλητές με τον προσδιορισμό των ιδιομορφών που περιγράφουν καλύτερα την πληροφορία.Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση των κυρίων δομών και της γενικότερης κυκλοφορίας των υδάτων του Θρακικού Πελάγους επικεντρώνοντας στο επιφανειακό στρώμα της υδάτινης στήλης, καθώς τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά του Θρακικού Πελάγους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό τόσο από την μετεωρολογική επίδραση στην επιφάνεια της θάλασσας, όσο και από την εξάπλωση των υφάλμυρων υδάτων της Μαύρης Θάλασσας τα οποία εκρέουν από τα Στενά των Δαρδανελλίων στα ανατολικά παράλια του Β. Αιγαίου, όπως και από τα γλυκά νερά που προέρχονται από την εκροή των ποταμών του βρίσκονται στα βόρεια παράλια του πελάγους. Έτσι, γίνεται η ανάλυση της εκροής και της επίδρασης των ποταμών στο ευρύτερο Θρακικό Πέλαγος, αλλά και στους παρακείμενους κόλπους της εκροής τους, και πραγματοποιείται ο υπολογισμός της ροής όγκου έτσι ώστε να ταυτοποιηθεί η παρουσία των υδάτων της Μαύρης Θάλασσας στην περιοχή. Επιπλέον, γίνεται η παρουσίαση των κυριότερων δομών που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του έτους σε όλο το Θρακικό Πέλαγος, όπως ο Αντικυκλώνας της Σαμοθράκης, αλλά και η γενικότερη κυκλωνική ροή κατά μήκος των ακτών του Β. Αιγαίου, ενώ επιπλέον γίνεται η ανάλυση των κυριότερων αιτιών εμφάνισης τους.Στο έκτο κεφάλαιο της διατριβής γίνεται η παρουσίαση της πλατφόρμας η οποία εφαρμόστηκε σε μία πρότυπη περιοχή, όπως ο Κόλπος της Καβάλας, όπου παρέχονται στον τελικό χρήστη πληροφορίες πρόγνωσης της παράκτιας κυκλοφορίας αλλά και της κατανομής, στον Κόλπο, ωκεανογραφικών παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η αλατότητα και η πυκνότητα του νερού, η ταχύτητα των θαλασσίων ρευμάτων και το ύψος της ελεύθερης επιφάνειας της θάλασσας. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται ενδεικτικά αποτελέσματα από την εφαρμογή κάθε ομοιώματος της αλληλουχίας ομοιωμάτων της πλατφόρμας έτσι ώστε να γίνει ανάλυση σε βάθος των αποτελεσμάτων του κάθε ομοιώματος.