Study of the wave characteristics of the greek seas in relation to the present and future atmospheric conditions and their impact on the coastal zone

Abstract

The present study has as main goal the description of wave and selected meteorological characteristics from in-situ data (Poseidon System - HCMR) of the Greek Seas and their sub-regions, so that new details can be added to already known information and to enhance existing knowledge. In addition, as the insitu measurements do not spatially cover the total area of Greek waters, the reanalysis database ERAInterim (ECMWF) has been used, after statistically compared with the database of Poseidon System (buoys).The measurements analysed include parameters given directly from the buoys or from the ERA-Interim database such as height, period and wave direction, wind speed and direction, air temperature and atmospheric pressure, as well as measurements of sea surface elevation. The latter was analysed to obtain the spectral and statistical characteristics of the wave. For the collocation of the two databases, three different methods were used: (i) nearest intersect; (ii) weighted distance average from the buoy; and (iii) weighted distance average of the 4 grid boxes closest to the buoy. For selected points at the Greek Seas, the possibility of having trends in monthly and annual values and mean monthly anomalies has been investigated for the following parameters: wave height and period, wind speed and temperature at 2 m.The ERA-Interim database is also used as initial input of the study of wave propagation from offshore to the nearshore zone of Pinios River (Thessaly) with the use of the mathematical model (MIKE 21 PMS).Additionally, the impact of sea level rise (as presented in the 5th Report of IPCC) on wave propagation is examined for the aforementioned area.The most important findings of the present research are: (i) the analysis of sea surface elevation can provide more characteristics for the wave state than the direct data obtained by the buoys and it is, therefore, suggested to be preferred than the direct buoy measurements; (ii) the effect of the complex coastline and the presence of the islands to wave propagation is evident; (iii) the database of ERAInterim can be considered representative for the wave and meteorological state of the Greek Seas, but for offshore locations; (iv) the empirical equations, suggested in literature, for the ratios of spectral / statistical wave characteristics, as well as those used for wave propagation from the offshore to the nearshore zone differ for the Greek Seas and should be used carefully; (v) sea level rise has an impact on the nearshore hydrodynamic conditions (i.e. moving the wave breaking zone closer to the coastline).

Η παρούσα μελέτη έχει ως πρωταρχικό στόχο την περιγραφή των κυματικών και μετεωρολογικών χαρακτηριστικών από επιτόπιες μετρήσεις (Σύστημα Ποσειδών – ΕΛΚΕΘΕ) στις Ελληνικές Θάλασσες και τις υπο-περιοχές τους, ώστε νέα στοιχεία να προστεθούν στις ήδη υπάρχουσες πληροφορίες και να ενισχυθεί η υπάρχουσα γνώση. Επιπροσθέτως, καθώς οι επιτόπιες μετρήσεις είναι διάσπαρτες χρονικά και χωρικά και δεν καλύπτουν χωρικά τα ελληνικά νερά, στα πλαίσια της εργασίας αυτής, αξιοποιείται μια ακόμα βάση δεδομένων (ERA-Interim, ECMWF), η οποία και συγκρίνεται με τη βάση δεδομένων του Συστήματος Ποσειδών (πλωτοί μετρητικοί σταθμοί).Οι μετρήσεις που αναλύονται περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά που δίνονται είτε αυτούσια από τους πλωτούς ωκεανογραφικούς μετρητικούς σταθμούς (ΠΩΜΣ), είτε από τη βάση Reanalysis δεδομένωνERA-Interim και αφορούν ύψος, περίοδο, διεύθυνση κύματος, ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου,θερμοκρασία αέρα και ατμοσφαιρική πίεση, καθώς και μετρήσεις της διακύμανσης της στάθμης της θάλασσας από όπου προέκυψαν μετά από επεξεργασία, τα φασματικά και στατιστικά χαρακτηριστικά του κύματος. Για τη σύγκριση των δύο βάσεων, χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές μέθοδοι χωρικής τοποθέτησης ΠΩΜΣ - (ERA-Interim, 0.125x0.125) καννάβου: (i) του κοντινότερου σημείου, (ii) του σταθμικού μέσου (με βάρος την απόσταση από τη σημαδούρα), (iii) των σταθμικών μέσων των 4 κοντινότερων κουτιά του καννάβου στη σημαδούρα.Σε επιλεγμένα σημεία των Ελληνικών Θαλασσών, διερευνάται η πιθανότητα να υπάρχουν τάσεις αλλαγής στις μηνιαίες και ετήσιες τιμές, καθώς και στις μηνιαίες ανωμαλίες, των παρακάτω παραμέτρων: ύψος και περίοδος κύματος, ταχύτητα του ανέμου και θερμοκρασία της ατμόσφαιρας.Η βάση δεδομένων ERA-Interim χρησιμοποιείται ως αρχική πληροφορία για τη μελέτη της διάδοσης του κύματος από τα ανοιχτά νερά στην παράλια ζώνη του Πηνειού Ποταμού (Θεσσαλίας) με χρήση του μαθηματικού μοντέλου (MIKE 21 PMS). Ακόμα, ερευνάται η επίδραση της αύξησης της στάθμης της θάλασσας, όπως αυτή ορίζεται από την 5η Έκθεση του IPCC, στη διάδοση του κύματος στην προαναφερθείσα περιοχή.Τα σημαντικότερα ευρήματα της παρούσας μελέτης είναι ότι: (i) η επεξεργασία των δεδομένων της διακύμανσης της στάθμης της θάλασσας μπορεί να προσφέρει περισσότερα χαρακτηριστικά για το κυματικό καθεστώς και προτείνεται να προτιμάται αντί των απευθείας μετρήσεων από τους ΠΩΜΣ, (ii) είναι εμφανής η επίδραση της περίπλοκης Ελληνικής ακτογραμμής και της παρουσίας των νησιών στη διάδοση των κυμάτων, (iii) τα δεδομένα της βάσης ERA-Interim μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικά για την κυματική και μετεωρολογική κατάσταση που επικρατεί στις Ελληνικές Θάλασσες, ως καταστάσεις ανοικτής θάλασσας, (iv) οι εμπειρικές εξισώσεις για τους λόγους των φασματικών / στατιστικών κυματικών χαρακτηριστικών, καθώς και αυτές που χρησιμοποιούνται για τη διάδοση του κύματος από τα ανοικτά νερά στην παράλια ζώνη, διαφέρουν στις Ελληνικές Θάλασσες και θα πρέπει να εφαρμόζονται με προσοχή, (v) η άνοδος της στάθμης της θάλασσας επιδρά στις παράκτιες υδροδυναμικές συνθήκες (π.χ. μετατοπίζοντας τη ζώνη θραύσης των κυμάτων πιο κοντά στην ακτογραμμή).