Nytt verktøy for beregning av drivbaner i havet

Å kunne utføre beregninger av drift av objekter eller substanser i havet er nyttig for mange ulike formål:

  • Man ønsker å beregne hvor olje eller kjemikalier driver, for å kunne koordinere mannskap og utstyr for mest effektiv oppsamling.
  • En person er falt i vannet for noen timer siden, og man ønsker beregninger av hvor personen kan ha drevet, for å koordinere en søk- og redningsaksjon.
  • En konteiner er observert drivende i havet, og man ønsker å hente den opp før den utfører skade.
  • Man ønsker å forstå hvordan fiskeegg driver fra gyteområder, og hvor stor andel som kommer fram til gunstige områder for klekking. For en god fiskeriforvaltning trenger man også kunnskap om hvor mye dette varierer med år-til-år-variasjoner i havstrømmer og vindsystemer.
  • Man ønsker å beregne og forstå hvordan plast og mikroplast driver i havet fra de viktigste utslippsområdene, og hvor mye som for eksempel havner i Arktis.

For slike beregninger brukes “drivbanemodeller”, som vanligvis henter informasjon om havstrømmer, bølger og vind fra andre varslingsmodeller, og bruker dette for å beregne hvordan ulike objekter eller substanser driver.

Drivbanemodeller utvikles vanligvis for ett spesifikt formål, men nylig har forskere ved Meteorologisk Institutt utviklet et generisk og modulært rammeverk (“OpenDrift”) som kan benyttes for alle typer drivbaneberegninger. Dette er, som navnet indikerer, åpen kildekode, som fritt kan lastes ned fra https://github.com/OpenDrift

OpenDrift er utviklet i Python, og bruker standardbiblioteker som PyProj og Basemap for geografiske beregninger.

Animasjonen nedenfor viser en to måneders simulering av gjenstander som passivt følger havstrømmene. Olje og andre objekter vil ha mer kompliserte drivbaneberegninger, som forklart nedenfor.

 

OpenDrift har en «kjerne» som inneholder all funksjonalitet som er felles for alle type drivbaneberegninger, som for eksempel:

  • Lese inn data fra ulike typer havmodeller, bølgemodeller og atmosfæremodeller, og interpolere dette (effektivt og nøyaktig) til posisjonen til partiklene (olje, objekter, fiskeegg…),
  • Mekanismer for å «så» partikler i gitte posisjoner (f.eks. innenfor et polygon, fra et satellittbilde…) ved et gitt tidspunkt,
  • Interaksjon med kystlinje,
  • Stokastisk simulering av variabilitet og usikkerheter, for mer realistisk geografisk utbredning,
  • Konfigurering av en simulering,
  • Skrive output til standard format for trajektoriedata (NetCDF CF-konvensjon).

All funksjonalitet som beskriver drivegenskaper og andre prosesser (f.eks. oljekjemi, hvordan fiskelarver svømmer…) for spesifikke substanser eller objekter ligger i separate moduler som kan gjenbruke all felles funksjonalitet som er felles. Forskere og andre med et minimum erfaring med Python kan dermed «lett» utvikle moduler for egne formål.

En annen viktig kjernefunksjonalitet ved OpenDrift er å kunne hente hav- og værdata direkte fra internett. Dette baseres på teknologien Thredds og protokollen OPeNDAP, som tillater nedlasting av subset av data i rom og tid. Brukeren trenger dermed ikke å laste ned mange gigabyte med netCDF eller GRIB-filer på forhånd, men kan la OpenDrift hente ned de begrensede mengder data som faktisk behøves (typisk noen kilobyte) i løpet av simuleringen.

Mye data innenfor meteorologi og oseanografi gjøres i dag tilgjengelig av institutter og sentere over hele verden via Thredds. Her er et eksempel på data fra Meteorologisk Institutt.

Eksempel på OpenDrift-modul: oljedrift

Drift av olje er blant de mest kompliserte (og dermed mest spennende) type beregninger. Foruten kjemiske prosesser som fordamping og emulsifisering, er drift av olje nemlig sterkt avhengig av hvor oljen befinner seg i vertikalen:

  • Olje på havoverflaten følger overflatestrømmen, men driver også med bølgene (Stokes-drift), i tillegg til at den drives av vinden (tommelfingerregel: 2% av vindhastigheten, evt 3.5% dersom Stokes-drift utelates). Disse tre komponentene (strøm, bølger og vind) kan alle ha ulik retning.
  • Olje i havoverflaten kan bli blandet ned i vannsøylen av brytende bølger. Oljen blir da delt opp i små dråper, typisk 1-100 mikrometer. Disse dråpene blir igjen påvirket av vertikale krefter:
    • oppdrift er avhengig av oljens tetthet, men også av oljedråpenes størrelser, som bla avhenger av oljens viskositet. Store dråper kan stige relativt raskt tilbake overflaten, mens små dråper vil være nedblandet lenger, og kan til slutt bli løst opp i havet eller spist av bakterier.
    • havet er turbulent, så oljedråper kan bli blandet videre nedover til flere hundre meters dyp.
  • Den horisontale driften av nedblandet olje er avhengig av vertikalposisjon: nær overflaten vil bidraget fra bølgebevegelser være signifikant, mens dypere enn ca 5m vil oljen hovedsaklig følge havstrømmene horisontalt.

Animasjonen nedenfor viser et vertikalsnitt av olje som driver østover pga vind, bølger og strøm, samtidig som oljedråper blandes nedover mot 40m dyp på grunn av turbulens.

 

 

OpenDrift er i operasjonell bruk hos Meteorologisk Institutt for beregning av oljedrift. De viktigste brukerene av denne tjenesten er Kystverket og Norsk Oljevernforening for Operatørselskap (NOFO). Meteorologer på vakt hos Meteorologisk Institutt trener daglig på å utføre drivbaneberegninger og levere en rapport innen 30 minutter fra mottatt melding om oljesøl. I tillegg kan statlige brukere også selv utføre beregninger via et webgrensesnitt i portalen halo.met.no, som igjen baseres på en maskinell webtjeneste (Web Processing Service).

Kystverket kan importere resultatene fra drivbaneberegningene inn i sin beredskapsportal, hvor de kan sammenfattes med annen geografisk informasjon. Skjermdumpen nedenfor viser et oljesøl på 50m3 med «Draugen»-olje utenfor Bergen.

Screenshot_beredskap_kystverket

 

4 kommentarer om “Nytt verktøy for beregning av drivbaner i havet

Legg til din

  1. Hei, Knut-Frode
    Jeg lurer på om det finnes en how-to for å sette opp en OpenDrift arbeidsstasjon, en slags «full pakke» men i skala skoleformat? En litt kraftid PC med noen realistiske start datasett, og driverdata, selvsagt. Jeg skal skrive semesteroppgave i naturfagsdidaktikk, og har selv selv deltatt litt i met.no sin utvikling av ECOM-familien (Martinsen, Engedahl et.al) for ca 20 år siden.

    Hva bør jeg regne med av kostnader for å kunne ende opp med å ha noe å vise elever om for eksempel deres nære havområder, f.eks Oslo-fjorden?

    Liker

  2. Hei Christian,
    OpenDrift krever ikkje mykje regnekraft eller minne, så ein vanlig, rimelig PC eller laptop vil fungere fint. Installering av koden er beskrevet på GitHub: https://github.com/opendrift/opendrift/wiki
    Dette krever litt basiskunnskap, men ta gjerne kontakt på epost (knutfd@met.no) eller opprett ein tråd på GitHub-sida for spesifikke spørsmål. Andre har installert OpenDrift på både Windows og Mac, men eg har sjølv kun brukt Linux (Ubuntu), og trur det vil være det greieste (og rimeligste). OpenDrift har eit innebygd grafisk grensesnitt, som er ganske enkelt, men som kanskje skulle fungere for ditt formål: https://github.com/OpenDrift/opendrift/wiki/Graphical-User-Interface
    Dette grensesnittet henter vind, bølger og strøm automatisk fra diverse Thredds-servere ved behov, men det krever internett-tilkobling. Det er også mulig å legge inn statiske datasett på maskina (netCDF eller GRIB-filer), og konfigurere til å heller bruke dette.
    Helsing Knut-Frode

    Liker

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut /  Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut /  Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut /  Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut /  Endre )

Kobler til %s

WordPress.com.

opp ↑

%d bloggere like this: