Probabilistic modelling of linear and directional wind and wave data with applications to the marine environment

Abstract

Οι μετεωρολογικές και ωκεανογραφικές μεταβλητές (metocean variables) διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε μια σειρά από αλληλένδετες φυσικές διεργασίες που απαντώνται στο θαλάσσιο περιβάλλον. Η ακριβής γνώση των σημαντικότερων πτυχών του ανεμολογικού και κυματικού κλίματος καθώς και η εκτίμηση ακραίων γεγονότων είναι θεμελιώδους σημασίας και συμβάλλουν στο μετριασμό κινδύνων είτε αυτές αφορούν κατασκευές είτε την ασφάλεια της ανθρώπινης ζωής στη θάλασσα. Ενδεικτικά, ορισμένοι από τους τομείς εφαρμογών που είναι στενά συνδεδεμένοι με την καλή γνώση της κλιματολογίας είναι τα έργα θαλάσσιας μηχανικής (π.χ., σχεδιασμός και κατασκευή παράκτιων υποδομών), οι υπεράκτιες δραστηριότητες (π.χ., πλατφόρμες εξόρυξης πετρελαίου), η διασπορά ρύπων σε αέρα και νερό, ο προγραμματισμός πορειών πλεύσης πλοίων, το φαινόμενο διάβρωσης-απόθεσης και οι θαλάσσιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΘΑΠΕ), που παρουσιάζουν αυξανόμενο ενδιαφέρον για ανάπτυξη τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Γενικά, το μετεωρολογικό και ωκεανογραφικό κλιματικό σύστημα δεν μπορεί να περιγραφεί λεπτομερώς λόγω της μη επαρκούς ή ελλιπούς γνώσης των φυσικών νόμων και των αναρίθμητων παραγόντων που επηρεάζουν τις αντίστοιχες συνιστώσες του και προκαλούν αστάθειες και μη-γραμμικότητες. Επομένως, η ανάγκη εισαγωγής πιθανοθεωρητικών εννοιών και στατιστικών μεθόδων είναι αναγκαία για την εν λόγω περιγραφή σε μια συγκεκριμένη περιοχή και χρονική περίοδο. Οι συνήθεις γραμμικές τυχαίες μεταβλητές που χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό των ανεμολογικών και κυματικών συνθηκών είναι η ταχύτητα του ανέμου, και το σημαντικό ύψος κύματος και η μέση περίοδος κύματος, αντίστοιχα. Παρόλα αυτά, η περιγραφή αυτή σήμερα θεωρείται αρκετά ελλιπής και για το λόγο αυτό, οι αντίστοιχες κατευθυντικές μεταβλητές (δηλ. η διεύθυνση ανέμου και κύματος) θα πρέπει επίσης να συμπεριλαμβάνονται για την ολοκληρωμένη περιγραφή του ανεμολογικού και κυματικού κλίματος. Η σημασία της κατευθυντικότητας έχει επισημανθεί από πρόσφατες μελέτες τόσο για τις ΘΑΠΕ όσο και την παράκτια διάβρωση, που καθιστούν και τους δύο κύριους άξονες εφαρμογών της παρούσας διατριβής.Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης, κατά το δυνατόν, προσέγγισης για την πιθανοθεωρητική μοντελοποίηση γραμμικών και κατευθυντικών μεταβλητών ανεμολογικών και κυματικών παραμέτρων. Παρόλο που η ανάπτυξη αυτή αφορά τις συγκεκριμένες παραμέτρους εντούτοις μπορεί εύκολα να καλύψει και οποιοδήποτε άλλο κατευθυντικό περιβαλλοντικό χαρακτηριστικό (π.χ., θαλάσσια ρεύματα). Για την επίτευξη αυτού του στόχου, η εργασία εκτείνεται σε ένα ευρύ φάσμα λιγότερο γνωστών πιθανοθεωρητικών προσεγγίσεων, όπως είναι τα διδιάστατα μοντέλα (παραμετρικά και μη παραμετρικά) γραμμικών και κατευθυντικών μεταβλητών, η παλινδρόμηση και διόρθωση κατευθυντικών μεταβλητών, η εκτίμηση ακραίων γεγονότων λαμβάνοντας υπόψη την κατευθυντικότητα ως συμμεταβλητή, κ.ά. Τα μαθηματικά εργαλεία και οι μεθοδολογίες που παρουσιάζονται, εστιάζονται σε συγκεκριμένες πτυχές του κλίματος που είναι είτε άγνωστες είτε εφαρμόζονται σπάνια. Επίσης, γενικά, ενώ αναφέρονται στη μακροπρόθεσμη κλίμακα, βρίσκουν εντούτοις εξίσου καλή εφαρμογή σε οποιαδήποτε χρονική κλίμακα. Επιπρόσθετα, η ανάλυση μπορεί εύκολα να επεκταθεί και σε άλλες συναφείς περιβαλλοντικές μεταβλητές, όπως είναι το παλιρροιακό εύρος (μεταξύ πλήμμης και ρηχίας), η θερμοκρασία και η πυκνότητα αέρα και νερού, η αλατότητα και η ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και σε άλλα πεδία των γεωεπιστημών, όπως η μετεωρολογία, η γεωλογία, η γεωγραφία και η οικολογία. Σχετικά με την ανάλυση και μοντελοποίηση μετεωρολογικών και ωκεανογραφικών μεταβλητών, η εργασία επικεντρώνεται στους ακόλουθους στόχους: ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης για την μοντελοποίηση γραμμικών και κατευθυντικών τυχαίων μεταβλητών μετεωρολογικών και ωκεανογραφικών παραμέτρων επισήμανση νέων χαρακτηριστικών σχετικών με την κατευθυντική μεταβλητότητα του ανεμολογικού και κυματικού κλίματος συστηματική μελέτη και σύγκριση διάφορων παραμετρικών μοντέλων για γραμμικές και κατευθυντικές μεταβλητές τόσο στη μονοδιάστατη όσο και τη διδιάστατη περίπτωση μέσω στατιστικών δεικτών διεξοδική αξιολόγηση παραμετρικών και μη παραμετρικών μοντέλων κατάλληλων για την από κοινού περιγραφή γραμμικών και κατευθυντικών μεταβλητών ανεμολογικών και κυματικών χαρακτηριστικών ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αξιολόγηση λιγότερο αξιόπιστων πηγών δεδομένων που λαμβάνουν υπόψη τις έκτροπες παρατηρήσεις σε ένα δείγμα γραμμικών μεταβλητών, καθώς και η διόρθωση κατευθυντικών μεταβλητών (η οποία συνήθως δεν εφαρμόζεται στη συνηθισμένη πρακτική) χρήση τεχνικών από τη μονομεταβλητή ανάλυση ακραίων τιμών μέσω μοντέλων που περιλαμβάνουν την κατευθυντικότητα ως συμμεταβλητή, η εισαγωγή ενός νέου κριτηρίου ποινικοποιημένης πιθανοφάνειας για την εκτίμηση των παραμέτρων και η διερεύνηση της συμπεριφοράς του μοντέλου με βάση διαφορετικές μεθόδους επιλογής κατωφλίου και απο-ομαδοποίησης (declustering) ακραίων δεδομένων. Η εκτίμηση και η πρόβλεψη των πεδίων της μεταφοράς ιζημάτων και των μεταβολών του θαλάσσιου πυθμένα λόγω της δράσης των κυμάτων αφορά ένα ακόμα ευρύ πεδίο εφαρμογών με ιδιαίτερο ενδιαφέρον και σε άμεση σχέση με τα ανωτέρω μαθηματικά εργαλεία που εξετάζονται. Οι μεταβαλλόμενες χρονικές κλίμακες μελέτης των κυματισμών, από την εκδήλωση καταιγιδικών συμβάντων μέσα σε κάποιες ώρες έως το τυπικό κυματικό κλίμα σε μια παράκτια περιοχή, έχουν ως αποτέλεσμα τη διαφορετική απόκριση των ιζημάτων στην παράκτια ζώνη. Για το λόγο αυτό, η μετακίνηση των ιζημάτων εξετάζεται i) λαμβάνοντας υπόψη μεμονωμένα καταιγιδικά φαινόμενα που εξελίσσονται σε ένα σύντομο χρονικό διάστημα, και ii) την επαναλαμβανόμενη δράση των κυματισμών μέσα σε ένα έτος. Στο πλαίσιο αυτό, τέθηκαν ορισμένοι πρόσθετοι στόχοι για την παρούσα διατριβή: αξιολόγηση των επιπτώσεων των κυματισμών στις διεργασίες ιζηματομεταφοράς κατά τη διάρκεια και έπειτα από έντονες καταστάσεις θάλασσας ανάπτυξη μεθοδολογίας για την εκτίμηση και πρόβλεψη του επιπέδου του πυθμένα, η οποία είναι αποδοτικότερη ως προς τον υπολογιστικό χρόνο και βασίζεται στη φιλοσοφία των τεχνικών μείωσης κυματικών δεδομένων εισαγωγής (wave input reduction techniques), λαμβάνοντας υπόψη την αθροιστική δράση των κυμάτων. Οι δύο ανωτέρω στόχοι αποσκοπούν στην καλύτερη κατανόηση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός παράκτιου συστήματος, την αναγνώριση μοτίβων διάβρωσης/απόθεσης και την γρήγορη και αποδοτική πρόβλεψη αντίστοιχων μελλοντικών τάσεων. Όλες αυτές οι απόψεις είναι μεγάλης σπουδαιότητας κατά το σχεδιασμό και τη διαχείριση παράκτιων δραστηριοτήτων, εφόσον βέβαια υπάρχει αξιολόγηση της ικανότητας του μοντέλου αναφορικά με τις τάσεις που παρατηρούνται σε σύγκριση με την πραγματική κατάσταση.