Prevedere l’oceano: nuove prospettive per Mediterraneo e Mar Nero

I nuovi prodotti scientifici per le nuove previsioni operative per il Mar Mediterraneo e il Mar Nero del servizio marino europeo di Copernicus CMEMS, realizzati da un team di ricercatori della Fondazione CMCC

Gli esperti di previsioni marine devono fronteggiare ogni giorno la sfida di realizzare previsioni per un ambiente, quello marino, molto complesso e in costante cambiamento: applicando la scienza del mare, le conoscenze e le abilità tecnologiche più avanzate, producono previsioni dello stato dell’oceano.
Le previsioni operative sono rilasciate ogni giorno quasi in tempo reale (in near real time), e si basano su modelli numerici che predicono come l’oceano cambierà nel tempo e nello spazio, grazie a una serie di equazioni che descrivono una grande varietà di processi fisici, come le interazioni con le onde, l’atmosfera e la superficie terrestre. Le previsioni marine forniscono informazioni su molti parametri dell’oceano, inclusi temperatura del mare, salinità, correnti, livello del mare, maree. Le osservazioni marine, ottenute sia da piattaforme in-situ che da satellite, sono utilizzate, tramite un sistema di assimilazione dati, per produrre le analisi dell’oceano, da utilizzare come condizioni iniziali dei modelli di previsione oceanici.
Tutte queste informazioni sono utilizzate per realizzare servizi e applicazioni per supportare le diverse attività economiche e sociali e promuovere una crescita blu sostenibile: per supportare operazioni marittime di protezione civile, tramite la previsione di cicloni e storm surge (azione combinata di vento, pressione atmosferica e onde), aiutare le operazioni di ricerca e soccorso, la navigazione, la gestione delle emergenze legate allo sversamento di idrocarburi in mare; fornire regolari informazioni alle applicazioni del settore industriale e privato, alle agenzie di protezione, all’ingegneria costiera, alla pesca e al turismo; sostenere l’attuazione della direttiva quadro sulla strategia per l’ambiente marino (Marine Strategy Framework Directive – MSFD.

In questo contesto, la Fondazione CMCC Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici (CMCC), contribuisce al servizio europeo Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS)*, fornendo informazioni regolari e sistematiche sullo stato del mare Mediterraneo e del Mar Nero.

* il servizio dell’Unione europea che fornisce informazioni di riferimento sullo stato degli oceani fisici e dei mari regionali

Con le sue unità di produzione, rilascia ogni giorno previsioni operative dello stato del mare per 10 giorni successivi – per alcune variabili essenziali, implementando un framework di modellistica all’avanguardia per l’idrodinamica e l’assimilazione dei dati capaci di descrivere l’evoluzione del sistema fisico in maniera accurata. Inoltre, il CMCC si occupa del continuo upgrade dei modelli a vantaggio degli utenti, oltre a realizzare un aggiornamento annuale del catalogo dei prodotti.

Di recente, a partire da maggio 2021, è stato realizzato un aggiornamento del catalogo CMEMS per il Mediterraneo e il Mar Nero. I nuovi prodotti sono stati sviluppati da un team di ricercatori della Fondazione CMCC delle divisioni scientifiche OPA – Ocean Predictions and Applications e ODA – Ocean modeling and Data Assimiliation, che collaborano per trasferire a livello operativo i risultati della ricerca applicata nel campo della modellistica numerica degli oceani e dell’assimilazione dei dati.

I nuovi prodotti

Il Sistema Med-PHY – Mediterranean Sea Physics fa parte del Centro di Monitoraggio e Previsione del Mar Mediterraneo.

L’aggiornamento del sistema di Analisi e Previsioni per il Mar Mediterraneo (Mediterranean Physical Analysis and Forecasting system) include la rappresentazione delle onde di marea, in modo che il potenziale di marea sia calcolato in tutto il dominio per le principali componenti mareali del Mar Mediterraneo. Nonostante le maree abbiano un’ampiezza limitata nel bacino del Mediterraneo (vedi Figura 1), le loro interazioni con le complesse dinamiche del Mar Mediterraneo rappresentano una sfida cruciale e importante da simulare. È stata inoltre realizzata un’approfondita validazione del nuovo sistema

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Figura 2: L’evoluzione del medicane Ianos “fotografata” dal modello

L’aggiornamento del sistema di previsioni ha anche permesso di migliorare la rappresentazione degli eventi estremi come il medicane Ianos, un ciclone mediterraneo di tipo tropicale che ha attraversato il Mar Ionio per abbattersi sulle coste greche tra il 17 e 20 settembre 2020. L’evoluzione del medicane è stata chiaramente “fotografata” dal modello, che ha mostrato un aumento del livello del mare, delle correnti superficiali e della diminuzione della temperatura superficiale lungo il suo percorso verso le coste della Grecia (come mostrato in Figura 2). Inoltre, il modello è stato in grado di catturare l’innalzamento del livello del mare di circa 20 cm al mareografo di Katakolo sulla costa greca, con una leggera sottostima al suo picco.

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Figura 3: L’upgrade del Sistema di Analisi e Previsione per il Mar Nero

Il Sistema BS-PHYBlack Sea Physics fa parte del Centro di Monitoraggio e Previsione del Mar Nero (BS-MFC).
Il recente aggiornamento del Sistema di Analisi e Previsione per il Mar Nero per la fornitura di prodotti quasi in tempo reale (Black Sea Physical Analysis and Forecasting System), include molti aspetti innovativi (vedi Figura 3):

  1. Un nuovo dominio spaziale di circa 2,5 km di risoluzione orizzontale (e una più alta risoluzione in senso verticale) che include lo Stretto del Bosforo e una porzione del Mar di Marmara;
  2. L’implementazione di condizioni al contorno di tipo aperto al Mar di Marmara per migliorare la rappresentazione delle dinamiche allo Stretto del Bosforo e di conseguenza  dei processi fisici nel Mar Nero;
  3. Una migliore rappresentazione dei fiumi, con un focus sul fiume Danubio, per rappresentare al meglio le peculiarità del suo delta e il suo ruolo determinante nei processi fisici a scala di bacino.
  4. Un aggiornamento dello schema di data assimilation per tener conto dell’aumento della risoluzione spaziale del dominio e migliorare la capacità di assimilare un maggior numero di dati in-situ e da satellite

Il Mar di Marmara connette fisicamente il Mar Mediterraneo e il Mar Nero attraverso lo stretto del Bosforo e dei Dardanelli:, per rappresentare la connessione tra i due bacini regionali, è stata messa a punto una nuova implementazione del modello del Mar di Marmara ad altissima risoluzione, basato sul modello Shyfem, e denominato Unstructured Turkish Strait Systems (UTSS), in grado di fornire per la prima volta climatologie su scala mensile per il Mar Nero attraverso il “box model” del Mar di Marmara (in particolare temperatura, salinità, altezza del mare alla superficie e velocità).

Chi sono i principali beneficiari di queste previsioni?

Fra i principali utenti e le applicazioni chiave maggiormente avvantaggiati dai nuovi prodotti di previsione figurano: gli operatori che si occupano della gestione delle emergenze da sversamento di idrocarburi in mare, le applicazioni del settore industriale e privato, i policy makers che sono responsabili dell’implementazione della Direttiva quadro sulla Strategia per l’ambiente marino (MSFD), la pianificazione sostenibile dell’ambiente marino e costiero, l’ottimizzazione delle rotte marittime, la gestione dei porti e il monitoraggio climatico.

Con un elevatissimo numero di download, Med-PHY NRT è il prodotto a vantare il maggior numero di utenti tra i prodotti regionali di CMEMS (più di 150 utenti solo nel corso dell’ultimo mese di maggio); circa la metà degli utenti provengono dal mondo accademico, mentre gli utenti del settore pubblico e del settore aziendale/privato rappresentano entrambi il 25% degli utenti del prodotto. I dati sono principalmente utilizzati nell’ambito di ricerche scientifiche (più del 50%), ma anche per attività di formazione, usi commerciali e servizi pubblici.
I prodotti di BS-PHY, analogamente, sono pensati per il settore privato e industriale, per il settore pubblico e il mondo della ricerca. Le applicazioni che utilizzano i prodotti BS-PHY sono utilizzate principalmente per la ricerca scientifica e per il settore commerciale, dimostrando come i Paesi del Mar Nero stiano diventando attrattivi per la crescita blu.
Tali statistiche incoraggianti nell’utilizzo di entrambi i prodotti sono supportate anche da un servizio molto robusto che garantisce un numero minimo di incidenti / ritardi nella produzione dei dati grazie ad un servizio di monitoraggio e supporto molto rigoroso alle Unità di Produzione.

Il ruolo della Fondazione CMCC

Il CMCC coordina, sviluppa e mantiene costantemente aggiornati i sistemi di modellistica operativa per il Mar Mediterraneo e il Mar Nero. Il team comprende ricercatori della Fondazione CMCC delle divisioni scientifiche OPA – Ocean Predictions and Applications e ODA – Ocean modeling and Data Assimilation, ed esperti internazionali (di Italia, Turchia e Bulgaria) nel campo della modellistica numerica e dell’osservazione degli oceani.

In particolare, il CMCC è responsabile delle componenti fisiche del Mar Mediterraneo e del Mar Nero, fornendo analisi, previsioni e reanalisi operative per alcune variabili essenziali delle due regioni. Coordina CMEMS Med-MFC, ovvero il Centro di Monitoraggio e Previsione per il Mediterraneo del servizio marino europeo di Copernicus (CMEMS) e co-coordina BS-MFC, il Centro di Monitoraggio e Previsione del Mar Nero diretto da IO-BAS (Bulgaria).

Inoltre, il CMCC è responsabile del Service Management e del Local Service Desk per il supporto delle attività operative e delle richieste degli utenti per entrambi i servizi.

Il costante miglioramento e mantenimento dei servizi di analisi e previsione per il Mar Mediterraneo e il Mar Nero è realizzato in particolare grazie al lavoro di un numeroso team di ricercatori, ingegneri e tecnici:

Med-PHY: Emanuela Clementi (1), Ali Aydogdu (1), Anna Chiara Goglio (1), Jenny Pistoia (1), Romain Escudier (1,*), Mohamed Omar (1), Massimiliano Drudi (2), Alessandro Grandi (2), Antonio Mariani (2), Vladislav Lyubartsev (2), Rita Lecci (2), Sergio Cretí (2), Simona Masina (1), Giovanni Coppini (2), Nadia Pinardi (1,3)

BS-PHY: Stefania Ciliberti (2), Eric Jansen (2), Diana Azevedo (2), Murat Gunduz (2), Mehmet Ilicak (4), Salvatore Causio (2), Leonardo Lima (1), Ali Aydogdu (1), Sergio Creti’ (2), Laura Stefanizzi (2), Rita Lecci (2), Francesco Palermo (2), Ivano Barletta (2,3), Ivan Federico (2), Elisaveta Peneva (5), Marius Matreata (6), Simona Masina (1), Giovanni Coppini (2), Nadia Pinardi (1,3)

(1) Ocean Modeling and Data Assimilation Division, Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici, Italy
(2) Ocean Predictions and Applications Division, Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici, Italy
(3) Department of Physics and Astronomy, University of Bologna, Italy
(4) Istanbul Technical University, Turkey
(5) Sofia University, Bulgaria
(6) National Institute of Hydrology and Water Management, Romania
(*) adesso a Mercator Ocean International, France