Giacomo De Carolis, Francesca De Santi
Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IREA), Milano
Obiettivi del tema di ricerca
L’integrazione di prodotti EO quali SST, back-scattering e informazioni sul moto ondoso sono un importante contributo per i modelli di circolazione a mesoscala [1]. La capacità dei sistemi SAR di rilevare le proprietà spettrali e direzionali delle onde oceaniche è stata ampiamente dimostrata negli ultimi decenni [2]. Molto meno è stato fatto per il monitoraggio delle onde marine nelle zone costiere a causa delle complesse interazioni geofisiche che possono verificarsi nell’ambiente costiero. Tuttavia, ad una distanza adeguata dalla costa, le osservazioni SAR delle onde superficiali possono essere impiegate come input per i modelli di moto ondoso che, considerando i processi geofisici quali i complessi cambiamenti batimetrici e la rifrazione, ne possono prevedere l’impatto sulle strutture costiere [3]. Questo tema di ricerca mira a valutare le metodologie di inversione SAR sviluppate per l’oceano aperto per bacini semichiusi come il Mar Mediterraneo e in particolare i mari italiani.
Materiali e Metodi
Aree di studio
Per questo tema di ricerca sono stati presi in considerazione due casi di studio.
Il primo, nei pressi di La Spezia (Mar Ligure), sfrutta la disponibilità di dati di boe d’onda sincroni al SAR come benchmark per validare la procedura di inversione d’onda. Infatti, dal 1989, su tutte le coste italiane, una rete di boe d’onda denominata RON (Rete Ondametrica Nazionale) è regolarmente operativa per monitorare lo stato del mare. Gestito da ISPRA, RON fornisce misure per lo spettro delle onde direzionali, la temperatura della superficie del mare e parametri meteorologici come velocità e direzione del vento, temperatura dell’aria e pressione barometrica.
Per essere sinergici con il tema 2.2 e per fornire lo stato ondoso che colpisce le coste particolarmente esposte all’erosione costiera, abbiamo considerato l’area di Piscinas (Sardegna) come il secondo caso di studio. Questa attività rappresenta un ulteriore esempio di come il SAR possa essere un utile strumento per valutare l’impatto delle tempeste di vento / onde sui cambiamenti osservati delle coste sabbiose.
Dati satellitari
Per il caso studio situato nel Mar Ligure, è stata elaborata l’immagine SAR ad alta risoluzione ERS – 1 del 16 settembre 1994 alle 10:11 GMT. L’immagine è associata a un intenso campo di vento che soffia verso sud-ovest (55 ° –60 ° N) producendo un campo d’onda moderato di circa 3 m di altezza. Per il caso studio di Piscinas, è stata elaborata l’immagine SAR Sentinel-1B raccolta il 6 maggio 2019 alle 05:28 UTC. L’acquisizione dell’immagine è concomitante a un campo d’onda intenso con altezza significativa, secondo le previsioni del modello d’onda (WAM), di circa 5 m.
Metodologia
Questo tema di ricerca sfrutta una tecnica per invertire gli spettri di immagine SAR. Si assume che lo spettro delle onde sia costituito principalmente dalle onde generate dal vento e, se presenti, dalle onde di swell, onde non influenzate dal vento locale in quel. Per entrambe le tipologie si utilizzano modelli completamente parametrici per lo spettro d’onda.
La stima dello spettro oceanico generato dal vento si basa sulla procedura di inversione proposta in [4]. A tal fine, è necessaria una conoscenza a priori del vettore del vento. Questo compito può essere svolto sfruttando il potenziale del SAR di stimare la velocità del vento sulla superficie del mare a partire dai dati di intensità dell’immagine SAR radiometricamente calibrati. Secondo una procedura di inversione bayesiana descritta in [5], le informazioni sul vento vengono stimate dall’immagine SAR utilizzando i valori forniti dal’ ECMWF come prima ipotesi.
Per la parametrizzazione dello spettro delle onde di vento seguiamo Donelan et al. (1985) [6], che assume lo spettro essere dipendente dall’inverso dell’età dell’onda dominante. Lo spettro d’onda residuo, relativo ai contributi delle onde di swell, viene stimato assumendo la forma spettrale di JONSWAP-Glenn accoppiata alla funzione di diffusione direzionale del tipo Mitsuyasu, opportunamente estesa per tenere conto della propagazione delle onde [7].
Lo spettro, in numero d’onda, corrispondente dell’immagine SAR viene stimato all’interno di un riquadro, tipicamente 512 x 512 pixel in range e in azimut. Lo spettro dell’immagine SAR simulato viene calcolato utilizzando l’espressione, in forma chiusa, della mappa non lineare che converte lo spettro d’onda (oceano) in spettro SAR descritta in [8] e i successivi accorgimenti descritti in [9].
I parametri del campo d’onda sono infine ottenuti minimizzando le differenze fra lo spettro SAR e lo spettro simulato con il metodo Newton troncato implementato in IDL © minimizzando sui seguenti parametri: il numero d’onda dell’onda di vento dominante; il numero d’onda dell’onda di swell dominante; l’altezza significativa e i parametri di forma di la diffusione direzionale.
Risultati e Discussione
Confronto con dati di boa
La velocità del vento in prossimità della posizione della boa viene stimata a partire dal backscatter dell’immagine SAR ERS-1 e utilizzando i modelli empirici CMOD-4 e CMOD-IFREMER. La velocità del vento stimata varia da 11 m / s, utilizzando il CMOD-4, a circa 12,5 m / s, utilizzando CMOD-IFREMER. La procedura di inversione SAR viene eseguite utilizzando come input la velocità e la direzione del vento stimate dal SAR. Per poter riprodurre le osservazioni di boa, nello schema di ottimizzazione l’inverso dell’età dell’onda è vincolata ad appartenere all’intervallo [0,1, 5,0]. La figura 1 mostra i risultati. Prendendo la velocità del vento stimata da SAR come il valore medio tra le previsioni del CMOD (11,5 m / s) e la direzione dell’onda dominante uguale all’osservazione della boa, lo spettro dell’altezza dell’onda invertita risulta di 2,87 m, un valore coerente con quello osservato alle 09:00 ( 3,00 m). Al contrario, l’inverso dell’età dell’onda risulta W = 0,95, un valore che indica che il campo d’onda è prossimo ad un regime di onda pienamente sviluppata. Tale valore è tuttavia superiore a quello misurato della boa W£0,69).
Figura 1: Spettri d’onda misurati e recuperati presso il sito di La Spezia il 16 settembre 1994. Risultati dell’inversione degli spettri di onde SAR per il sito di La Spezia utilizzando la velocità media del vento stimata da SAR (11,50 m / s). Tutti gli spettri si riferiscono alla posizione (43,93 ° N, 9,83 ° E).
Piscinas
Un campo d’onda intenso con un’altezza significativa fino a circa 5 m con un campo del vento fino a 14 m / s sono previsti dal modello d’onda (WAM) e dal modello atmosferico ECMWF il 6 maggio 2019. La procedura di inversione SAR è stata eseguita su questo località ipotizzando una velocità del vento di 16 m / se una direzione di 35 gradi rispetto alla direzione di vista SAR. Il pannello in alto a destra nella Figura 2 mostra lo spettro SAR simulato più adatto. L’analisi SAR condotta sul caso di studio analizzato conferma la previsione WAM di forti tempeste di onde che colpiscono il litorale. L’altezza significativa dell’onda rilevata da SAR è sorprendentemente in accordo con il modello WAM, con pochi centimetri di differenza, così come i parametri recuperati per l’onda dominante confermano un buon accordo con le predizioni WAM.
Figura 2: (in alto a sinistra spettro SAR bidimensionale; (in alto a destra) spettro SAR simulato; (in basso a sinistra) spettro d’onda bidimensionale; (in basso a destra) spettro d’onda unidimensionale in frequenza (rosso) recuperato dalla procedura di inversione SAR e (nera) predetto da WAM. Tutti gli spettri si riferiscono alla posizione (39,5 N, 8,25 E)
Possibili sviluppi futuri
La procedura di inversione SAR proposta sembra essere idonea per stimare le caratteristiche dei moti ondosi che si sviluppano nei mari italiani. Come attività futura, prevediamo di effettuare un ulteriore confronto con i dati di boe ondametriche sul Mar Mediterraneo per valutare la metodologia per altre aree di studio selezionata. L’obiettivo è fornire spettri di onde stimate da SAR come input per i modelli di circolazione marina in modo da migliorare le previsioni sull’impatto delle onde nelle aree costiere. I risultati sul sito di Piscinas ottenuti con diversi approcci nell’ambito di questo progetto (vedi temi 2.2) hanno evidenziato una variabilità temporale della morfologia del litorale. Osservazioni sistematiche del campo d’onda da SAR possono essere utilizzate per valutare l’impatto delle mareggiate sui cambiamenti del litorale sabbioso, che si stimano tramite immagini ottiche e/o tramite la coerenza interferometrica da immagini SAR multi-temporali. Al momento l’unica conclusione che si può trarre dallo studio dei casi descritti è che il SAR può stimare in modo soddisfacente i campi d’onda che influenzano le coste italiane, e quindi fornire uno strumento utile per un monitoraggio efficace dei cambiamenti dei litoranei.
Pubblicazioni e Presentazioni
- N. Ghirardi, M.Bresciani, G. Luciani, G. Fornaro, V. Zamparelli, F. De Santi, G. De Carolis, C. Giardino, “Mapping of the risk of coastal erosion for two case studies: Pianosa island (Tuscany) and Piscinas (Sardinia)” In book Eighth International Symposium “Monitoring of Mediterranean Coastal Areas. Problems and Measurement Techniques”, Vol.126, pag. 713-722, Editore Firenze, 2020.
- M. Bresciani, N. Ghirardi, G. Fornaro, V. Zamparelli, F. De Santi, G. De Carolis, D. Tapete, M. Palandri, C. Giardino, “Mapping Of The Risk Of Coastal Erosion For The Case Study Of Piscinas (Sardinia)”, In Proc. IGARSS 2021
Bibliografia
- Falcini, F., Khan, N. S., Macelloni, L., Horton, B. P., Lutken, C. B., McKee, K. L., … & D’Emidio, M. (2012). Linking the historic 2011 Mississippi River flood to coastal wetland sedimentation. Nature Geoscience, 5(11), 803.
- Hasselmann, K., Chapron, B., Aouf, L., Ardhuin, F., Collard, F., Engen, G., Hasselmann, S., Heimbach, P., Janssen, P., Johnsen, H., Krogstad, H., Lehner, S., Li, J.-G., Li, X.-M., Rosenthal, W., and Schulz-Stellenfleth, J. (2012). The ERS SAR Wave Mode – A Breakthrough in global ocean wave observations. In: ERS Missions – 20 Years of Observing Earth. ESA Scientific Publications, SP-1326. ESA., 1-38.
- Collard, F., Ardhuin, F., and Chapron, B. (2005). Extraction of coastal ocean wave fields from SAR images. IEEE J. Oceanic. Eng., 30 (3), 526—533.
- Mastenbroek, C. D., & De Valk, C. F. (2000). A semiparametric algorithm to retrieve ocean wave spectra from synthetic aperture radar. Journal of Geophysical Research: Oceans, 105(C2), 3497-3516.
- Portabella, M., Stoffelen, A., & Johannessen, J. A. (2002). Toward an optimal inversion method for synthetic aperture radar wind retrieval. Journal of Geophysical Research: Oceans, 107(C8).
- Donelan, M. A., Hamilton, J., & Hui, W. (1985). Directional spectra of wind-generated ocean waves. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 315(1534), 509-562.
- Goda, Y. (2010). Random seas and design of maritime structures (Vol. 33). World Scientific Publishing Company.
- Hasselmann, K., & Hasselmann, S. (1991). On the nonlinear mapping of an ocean wave spectrum into a synthetic aperture radar image spectrum and its inversion. Journal of Geophysical Research: Oceans, 96(C6), 10713-10729.
- Engen, G., and Johnsen, H. (1995). SAR-ocean wave inversion using image cross spectra. IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., 33, 4, 1047-1056.