Increased preparedness for oil spill modeling using improved ocean models

Formålet med OilWave prosjektet har vært å øke beredskapen for oljeutslipp ved å forbedre systemene for oljedriftmodellering. Systemene som er i bruk i Norge for operasjonelle oljedriftsberegninger er systemet på Norsk Meteorologisk Institutt (Met) (som også omfatter rutiner for mann-over-bord og skipdrift) og oljedriftmodellen som er tilgjengelig ved SINTEF (OSCAR). Per i dag gjør MET den opprinnelige prognosen, og SINTEF overtar etter omtrent de første 12-24 timer. I Norske farvann bruker SINTEF normalt MET varsler for eksempelvis havstrømmene i sin modell. Prosjektet har jobbet langs to linjer for å forbedre modellene for oljekjemi i vann og drivbaneneberegninger. Første del har vært å inkludere rollen som bølger har på oljen i modellene og andre del har vært å etablere en direkte forbindelse mellom OSCAR-modellen og informasjon om vær, bølger og havstrømmer som er tilgjengelig ved MET gjennom en web-portal. Det har vært kjent i lang tid at bølger induserer en viss avdrift i bølgenes retning. Men selv om dette har vært kjent i ca 150 år, så har måten å inkludere bølgedrift på en naturlig måte i havmodeller ikke vært kjent i mer enn omtrent 10 år (og det er fortsatt uenighet om hvordan man skal inkludere bølger i havmodeller). I dette prosjektet har vi vist at bølgedrift er viktig for å beskrive hvordan olje driver, særlig i kystnære farvann. Vi har vist at bølgedrift oftest er langsommere enn typiske havstrømmer, men ettersom den er mer persistent finner vi at i de tilfeller vi har studert at bølgedriften tilsvarer omtrent 20-50% av den totale driften, og må derfor tas med i driftmodeller. Siden bølgedrift kan varsles med høyere tilforlatelighet enn typiske havstrømmer innebærer det at systemet for å varsle drift blir mer pålitelig når bølge drift blir tatt hensyn til. I tillegg er det velkjent at bølgebryting er viktig for blanding av olje ned i havet. Når brytende bølger er tilstede så bryter de opp oljen og sammen med den økte nedblandingen (som også kommer fra bølgene) medfører det at oljen blir fordelt over større dyp når bølgene-brytning er viktig . Havstrømmene er svakere på større dyp, og vi finner (hvilket ikke er intuitivt) at oljen transporteres langsommere ved sterk vind enn ved svak vind. Vi har undersøkt rollen av bølgedrift og bølge-indusert miksing for tre forskjellige oljeutslipp og funnet at bølgeeffekter er viktig i alle disse tilfellene. Som et sidenotat, ønsker vi å peke på at driftmodeller for eksempelvis Nordøst-Atlantiske torskeegg vil dra nytte av resultatene fra dette prosjektet siden disse eggene oppfører seg likt som oljedråper i havet (de stiger mot overflaten på samme måte som olje-dråper). For å studere rollen som bølgebryting har på miksing ned fra overflaten i havet (si de øverste 50-20 m av havet), har vi jobbet sammen med National University of Galway i Irland, som har utviklet et instrument designet for å måle miksing i dette dypet. En viktig del av dette prosjektet har vært å undersøke hvordan observasjoner av høyfrekvente radarer (HF-radarer) kan brukes til å forbedre drift modellering. En HF-radar måler hastigheten på overflatebølger med en bestemt bølgelengde. Gitt at forplantningshastigheten av disse bølger er kjent, må ethvert avvik fra den teoretiske forplantningshastighet skyldes havstrømmer, som derfor kan beregnes. Et praktisk spørsmålet er hvorvidt en HF-radar også måler bølgedrift eller ikke. Ved å kombinere ulike instrumenter og driftere har vi konkludert med at radaren ikke måler bølgedrift. Ved beregning av oljedrift, må derfor bølgedrift legges til strømmene målt av HF-radarer. Gitt at HF-radarer utvikles til et standardverktøy for tilsyn av kystnære havområder, er det svært nyttig informasjon å vite hvordan signalet fra disse system bør brukes ved beregning av transport av olje eller andre gjenstander i havet. En viktig del av real-tid modellering av oljeutslipp er at relevant informasjon er tilgjengelig for oljedriftsmodellen som skal brukes. Oljedriftmodeller (som for eksempel OSCAR) beregner vanligvis kun drift og oljekjemi, ikke underliggende havstrømmer, bølger eller vind. Derfor, for å øke beredskapen i tilfelle ulykker, er det viktig at de beste data blir tilgjengelige når det skjer en ulykke. Som en del av dette prosjektet (og andre prosjekt) har MET organisert en portal for dataleveranser som inkluderer data som OSCAR-modellen trenger, og SINTEF har utviklet en rutine for å lese de data online i real-tid (leveranse i dette prosjektet). Ytterligere data fra MET bølgemodeller som er viktig for oljekjemi og drivbaneberegninger (som den bølgeinduserte driften og intensiteten av bølgebryting) er inkludert i dette grensesnittet. Dessuten benyttes de i modellen som en del av en forbedring som er utviklet som en del av dette prosjektet. Forbedringer vil bli tilgjengelige i fremtidige versjoner av OSCAR.

The drift currents and mixing is important for the dispersion and advection of oil in the ocean. However, it is difficult to model ocean currents correct in space and time due to the energetic eddies in the ocean. In an existing NFR project (BioWave) we d evelop a new model system that couples wave drift and ocean currents in a natural way and is thus able to use high quality forecast of the wave field, and the associated wave drift, to improve drift calculations in the ocean. In this proposal (OilWave) we aim at adapting this new model system to include wave-oil interaction (which are ignored in BioWave) to produces a more reliable system for forecasting oil drift. The main themes of the present proposal are i) to improve the upper ocean mixing scheme, ii ) improve parameterizations of small scale wave-oil interaction, and iii) validate the new system with observations from proposed field investigations, and from documented oil spill accidents.