Πιθανοθεωρητική μοντελοποίηση γραμμικών και κατευθυντικών μεταβλητών ανεμολογικών και κυματικών χαρακτηριστικών με εφαρμογές στο θαλάσσιο περιβάλλον

Abstract

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 θαλάσσιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 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. 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. Οι δύο ανωτέρω θεωρήσεις 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.