Αριθμητικά Μοντέλα Ωκεανογραφίας

Στόχος του μαθήματος των Αριθμητικών Μοντέλων στην Ωκεανογραφία είναι:

• η εμβάθυνση στις βασικές έννοιες που διέπουν τις αριθμητικές προσομοιώσεις και η εφαρμογή τους στο γνωστικό πεδίο της ωκεανογραφίας,

• η μελέτη βασικών διεργασιών και λειτουργιών του θαλάσσιου οικοσυστήματος (φυσικών  και βιογεωχημικών) μέσω πρακτικών εφαρμογών με χρήση Η/Υ,

• η εξοικείωση στη χρήση ρουτίνων γλώσσας προγραμματισμού και απλών μοντέλων προσομοίωσης,

• η ενίσχυση του γνωστικού υπόβαθρου (θεωρία και τεχνικές - πρακτικές δεξιότητες που απαιτούνται) για την μελλοντική ενασχόληση με το αντικείμενο της προσομοίωσης διεργασιών του θαλάσσιου συστήματος.

Στο τέλος αυτού του μαθήματος ο φοιτητής αναμένεται:

• να γνωρίζει και να κατανοεί έννοιες και αρχές των αριθμητικών προσομοιώσεων και της εφαρμογής τους στο γνωστικό πεδίο της ωκεανογραφίας,

• να είναι εξοικειωμένος με την ποσοτική περιγραφή και διερεύνηση φαινομένων και μηχανισμών του θαλάσσιου συστήματος με χρήση αριθμητικών μοντέλων σε Η/Υ,

• να είναι εξοικειωμένος με τη χρήση έτοιμων ρουτίνων σε γλώσσα προγραμματισμού,

• να είναι σε θέση να αναπτύξει απλό κώδικα προγραμματισμού για την επίλυση προβλημάτων σχετικών με διεργασίες θαλάσσιου οικοσυστήματος,

• να κατέχει τη γνωστική βάση και εμπειρία για την μελλοντική του ενασχόληση με το αντικείμενο των αριθμητικών προσομοιώσεων διεργασιών του θαλάσσιου περιβάλλοντος αλλά και για τη μελλοντική επαγγελματική του σταδιοδρομία.

• να είναι σε θέση να αλληλεπιδρά με άλλους σε ζητήματα σχετιζόμενα με το θαλάσσιο σύστημα που απαιτούν σύνθεση πληροφορίας διεπιστημονικής φύσης

Δεξιότητες: τεχνικές και μέθοδοι αριθμητικών προσομοιώσεων διεργασιών θαλάσσιου περιβάλλοντος.

• Εφαρμογή της θεωρίας στην πράξη

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με χρήση των απαραίτητων τεχνολογιών

• Λήψη αποφάσεων

• Αυτόνομη εργασία

• Ομαδική εργασία

• Εργασία σε διεπιστημονικό περιβάλλον

• Σεβασμός στο φυσικό περιβάλλον

•  Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής

• Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Το θεωρητικό μέρος περιλαμβάνει αρχικά σύντομη επανάληψη βασικών εννοιών (διακριτοποίηση, αριθμητική επίλυση μερικής διαφορικής εξίσωσης, προσέγγιση παραγώγου με πεπερασμένες διαφορές, αριθμητικό σφάλμα, ακρίβεια, ευστάθεια και σύγκλιση αριθμητικής λύσης, άμεσα -explicit- και πεπλεγμένα -implicit- σχήματα επίλυσης, περιορισμοί και κριτήριο Courant–Friedrichs–Lewy, απαίτηση αρχικών και οριακών συνθηκών, στοιχεία υδροδυναμικών μοντέλων). Στη συνέχεια γίνεται  περιγραφή και εφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης

• διεργασιών που περιγράφονται από συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) και συστήματα ΣΔΕ (μεταβολή μόνο ως προς χρόνο),  

• διεργασιών μεταφοράς και διάχυσης ιχνηθετών σε μία (οριζόντια και κατακόρυφη) χωρική διάσταση (1-D) και σε δύο χωρικές διαστάσεις (2-D, οριζόντιο επίπεδο),

• διεργασιών υδροδυναμικής κυκλοφορίας (π.χ. μακρά κύματα επιφάνειας σε μία και δύο διαστάσεις, εξισώσεις ρηχού νερού και ανεμογενής κυκλοφορία σε ρηχή λεκάνη με μεταβλητή βαθυμετρία),

• διεργασιών οικοσυστήματος που εξετάζονται με σύζευξη φυσικής - βιολογίας (π.χ. ετήσιος κύκλος πρωτογενούς παραγωγής στη στήλη νερού σε παράκτια συστήματα),

• κλιματικών διεργασιών, κ.α.

Οι πρακτικές ασκήσεις περιλαμβάνουν την προσομοίωση των φαινομένων αυτών τόσο με την ανάπτυξη απλού κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού, όσο και με τη χρήση έτοιμου λογισμικού, όπως υπορουτίνες MATLAB, μοντέλο φυσικής-βιολογίας στήλης νερού S2P3, λογισμικό Delft-Dashboard (με χρήση του οποίου οι φοιτητές εφαρμόζουν σε ομάδες στο τέλος του εξαμήνου μοντέλο κυκλοφορίας δύο διαστάσεων σε παράκτια περιοχή).

- Προτεινόμενη Βιβλιογραφία:

Σημειώσεις διδάσκοντα.

Glover, D. M., W. J. Jenkins and S. C. Doney (2011). Modeling Methods for Marine Science. Woods Hole Oceanographic Institution, Cambridge University Press, pp588.

Kämpf, J. (2009). Ocean modelling for beginners. Using open-source software. Springer-Verlag, pp175.

- Συμπληρωματική Βιβλιογραφία:

Dyke, P.P.G. (2001). Coastal and Shelf Sea Modelling. Topics in Environmental Fluid Mechanics, Kluwer Academic Publishers, pp257.

Haidvogel, D.B. and A. Beckmann (1999). Numerical Ocean Circulation Modelling. Imperial College Press, pp320.

Hearn, C. J. (2008). The dynamics of coastal models. Cambridge University Press, pp488.

Kantha, L. and C.A. Clayson (2000). Numerical Models of Oceans and Oceanic Processes, 1st Edition, Academic Press, pp750.

Kämpf, J. (2009). Advanced ocean modeling. Using open-source software. Springer-Verlag, pp181.

- Συναφή επιστημονικά περιοδικά:

Ocean Modelling- https://www.journals.elsevier.com/ocean-modelling

Journal of Advances in Modelling Earth Systems - https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/journal/19422466

Ecological Modelling- https://www.journals.elsevier.com/ecological-modelling

Estuarine, Coastal and Shelf Science- https://www.journals.elsevier.com/estuarine-coastal-and-shelf-science

Journal of Marine Systems - https://www.journals.elsevier.com/journal-of-marine-systems

Continental Shelf Research - https://www.journals.elsevier.com/continental-shelf-research

- Χρήσιμοι σύνδεσμοι:

http://www.oc.nps.edu/nom/modeling/

http://ocean-modeling.org/

http://www.poseidon.hcmr.gr/