Development of new methodologies for upscaling local  models into regional models

João Luís Lopes da Cruz de Barros Sobrinho

Key information

Authors:

João Luís Lopes da Cruz de Barros Sobrinho (João Luís Lopes da Cruz de Barros Sobrinho)

Supervisors:

Ramiro Joaquim De Jesus Neves (Ramiro Joaquim De Jesus Neves); Lígia Laximi Machado de Amorim Pinto (Lígia Laximi Machado de Amorim Pinto)

Published in

12/22/2021

Abstract

Recentemente, a Europa tem aumentado os seus esforços na transferência de conhecimento das universidades para a indústria, com foco nos oceanos e os seus recursos, como demonstrado pelos fundos dirigidos para os digital twin oceans, que contribuirão para o Green Deal da Comissão Europeia. Para estes objetivos, a modelação oceânica servirá como ferramenta para melhor entender as dinâmicas do oceano e para prever estado do mar - útil não só para o sector industrial, como para entidades públicas. Para fornecer informação útil (e em modo de previsão) aos decisores destes sectores, são precisas maiores resoluções de malha para representar os processos hidrodinâmicos locais, e incluir as principais características de uma zona costeira, como rios e estuários. No entanto, o custo computacional de aumentar a resolução de malha é alto, e o padrão atual para descargas de água doce em modelos regionais de previsão consiste na descarga direta com base em dados climatológicos. Este tipo de implementação é mais simples, mas tem falhas na representação de plumas de água doce, devido à maior difusão numérica, e por ignorar o efeito de mistura exercido pela maré. Esta tese fornece três metodologias diferentes para estes problemas através do upscaling de domínios locais para regionais. As duas primeiras consistem no upscaling através da relaxação do domínio regional para o modelo local, mas enquanto a primeira se aplica a acoplamentos online, a segunda foca-se no modo de simulação offline, onde os domínios correm em separado, sendo uma ótima abordagem para modelação operacional por não afetar os tempos de simulação. Também aproveita a vantagem do serviço CMEMS, ao permitir o upscaling de domínios locais produzidos por diferentes instituições num mesmo domínio regional. A terceira foi implementada diretamente no MOHID, calcula os fluxos de maré a partir dos resultados de representações esquemáticas (e rápidas) de rios e estuários, e impõe-nos no domínio regional como descarga de quantidade de movimento. Desta forma, é conseguida a mistura de águas doces e salgadas a uma escala global sem os grandes custos computacionais e de infraestrutura normalmente associados. Todas as metodologias de upscaling por relaxação foram testadas e validadas com domínios esquemáticos e num sistema de modelação composto pelo modelo para a costa portuguesa (PCOMS) e um domínio para o estuário do Tejo. O upscaling offline de fluxos de mare por descarga de quantidade de movimento foi testado e validado usando o PCOMS e os maiores rios portugueses e o Guadalquivir. Recently, Europe has been increasing its efforts in the transfer of knowledge from universities to the industry, with a focus on the ocean and its resources, as demonstrated by the funds for digital twin oceans, which will contribute to the European Commission’s Green Deal. Ocean modelling will play its part in these efforts, as a tool for understanding the ocean dynamics and sea state forecasts – useful not only to several industries, such as aquaculture or offshore energy, but also states and municipalities. To provide reliable model-driven information to decision makers, higher model grid resolutions have been required to properly represent local hydrodynamic processes. Also, all main features of a given area must be included in the models (such as rivers and estuaries), and all ocean variables must be forecasted. However, the cost of increasing a regional structured grid domain resolution is too high, and the current standard in regional forecasts is a direct discharge of freshwater obtained from river runoff climatology, which will not properly reproduce a freshwater plume due to the higher diffusion of a regional domains lower grid resolution, and because tide-driven mixing of saltwater with freshwater is neglected. This thesis addresses these issues through the upscaling local domains into regional domains. Three different upscaling approaches were developed. The first two consist on the upscaling through nudging of the regional domain towards the local domain, but while the first applies to online coupling, the second is made for offline couplings, where both domains are run separately, which is an optimal solution for forecast modelling as it comes at zero expense in time consumption. It also takes advantage of the CMEMS capabilities, allowing the upscaling of local models produced in local institution into a regional model developed by another. The third one consists on the computation (integrated in MOHID) of tidal fluxes from fast running schematic local rivers and estuary domains, which are imposed in the regional domain via a momentum discharge. This way, salt and freshwater mixing on a global scale can now be performed at a low cost of simulation time, power and infrastructure. All upscaling by nudging methodologies were tested and validated using schematic domains and a nested system comprised of the Portuguese Coast Operational Modelling System (PCOMS) and a Tagus estuary model domain. The offline upscaling via momentum discharges was tested and validated using PCOMS and all major Portuguese rivers plus Guadalquivir.