En dinámica de fluidos , el modelado de olas de viento describe el esfuerzo por representar el estado del mar y predecir la evolución de la energía de las olas de viento utilizando técnicas numéricas . Estas simulaciones consideran el forzamiento del viento atmosférico, las interacciones no lineales de las olas y la disipación por fricción, y generan estadísticas que describen las alturas de las olas , los períodos y las direcciones de propagación para los mares regionales u océanos globales. Tales onda predicciones retrospectivas y onda previsiones son extremadamente importantes para los intereses comerciales en alta mar. [1] Por ejemplo, elLa industria naviera requiere orientación para la planificación operativa y fines tácticos de mantenimiento del mar . [1]
Para el caso específico de predecir estadísticas de olas de viento en el océano, se utiliza el término modelo de olas de la superficie del océano .
Otras aplicaciones, en particular la ingeniería costera , han llevado al desarrollo de modelos de olas de viento diseñados específicamente para aplicaciones costeras.
Panorama historico
Los primeros pronósticos del estado del mar se crearon manualmente sobre la base de relaciones empíricas entre el estado actual del mar, las condiciones esperadas del viento, el alcance / duración y la dirección de propagación de las olas. [2] Alternativamente, la parte de oleaje del estado se pronosticó ya en 1920 utilizando observaciones remotas. [3]
Durante las décadas de 1950 y 1960, se sentó gran parte de la base teórica necesaria para las descripciones numéricas de la evolución de las olas. A efectos de pronóstico, se descubrió que la naturaleza aleatoria del estado del mar se describía mejor mediante una descomposición espectral en la que la energía de las olas se atribuía a tantos trenes de olas como fuera necesario, cada uno con una dirección y un período específicos. Este enfoque permitió realizar pronósticos combinados de mares de viento y oleajes. El primer modelo numérico basado en la descomposición espectral del estado del mar fue operado en 1956 por el Servicio Meteorológico Francés y se centró en el Atlántico Norte. [4] La década de 1970 vio el primer modelo operacional de ondas hemisféricas: el modelo oceánico de ondas espectrales (SWOM) en el Centro de Oceanografía Numérica de la Flota . [5]
Los modelos de ondas de primera generación no consideraron interacciones de ondas no lineales. Los modelos de segunda generación, disponibles a principios de la década de 1980, parametrizaron estas interacciones. Incluían las formulaciones "híbridas acopladas" y "discretas acopladas". [6] Los modelos de tercera generación representan explícitamente toda la física relevante para el desarrollo del estado del mar en dos dimensiones. El proyecto de modelado de olas (WAM), un esfuerzo internacional, condujo al refinamiento de las técnicas modernas de modelado de olas durante la década 1984-1994. [7] Las mejoras incluyeron el acoplamiento bidireccional entre el viento y las olas, la asimilación de los datos de las olas por satélite y la predicción operativa de mediano alcance.
Los modelos de olas de viento se utilizan en el contexto de un sistema de predicción o retroaviso. Las diferencias en los resultados del modelo surgen (con orden decreciente de importancia) de: diferencias en el forzamiento del viento y del hielo marino, diferencias en la parametrización de los procesos físicos, el uso de asimilación de datos y métodos asociados, y las técnicas numéricas utilizadas para resolver la ecuación de evolución de la energía de las olas. .
Estrategia general
Aporte
Un modelo de olas requiere como condiciones iniciales información que describa el estado del mar. Se puede crear un análisis del mar o del océano mediante la asimilación de datos, donde las observaciones como las mediciones de boyas o altímetros satelitales se combinan con una suposición de fondo de un pronóstico o climatología anterior para crear la mejor estimación de las condiciones en curso. En la práctica, muchos sistemas de pronóstico se basan solo en el pronóstico anterior, sin asimilación de observaciones. [8]
Una entrada más crítica es el "forzamiento" de los campos de viento: un mapa variable en el tiempo de la velocidad y las direcciones del viento. Las fuentes más comunes de errores en los resultados del modelo de olas son los errores en el campo de viento. Las corrientes oceánicas también pueden ser importantes, en particular en las corrientes fronterizas occidentales, como la Corriente del Golfo, la Corriente de Kuroshio o Agulhas, o en las zonas costeras donde las corrientes de marea son fuertes. Las olas también se ven afectadas por el hielo marino y los icebergs, y todos los modelos operativos globales de olas tienen en cuenta al menos el hielo marino.
Representación
El estado del mar se describe como un espectro ; la superficie del mar se puede descomponer en ondas de diferentes frecuencias utilizando el principio de superposición . Las ondas también están separadas por su dirección de propagación. El tamaño del dominio del modelo puede variar desde el océano regional hasta el global. Los dominios más pequeños se pueden anidar dentro de un dominio global para proporcionar una resolución más alta en una región de interés. El estado del mar evoluciona de acuerdo con ecuaciones físicas, basadas en una representación espectral de la conservación de la acción de las olas , que incluyen: propagación / advección de las olas , refracción (por batimetría y corrientes), bajío y una función de fuente que permite que la energía de las olas sea aumentado o disminuido. La función de fuente tiene al menos tres términos: forzamiento del viento, transferencia no lineal y disipación por captación de blancos. [6] Los datos del viento se proporcionan normalmente a partir de un modelo atmosférico separado de un centro operativo de pronóstico del tiempo.
Para profundidades de agua intermedias, también se debe agregar el efecto de fricción del fondo. [9] A escala oceánica, la disipación del oleaje, sin romperse, es un término muy importante. [10]
Producción
La salida de un modelo de onda de viento es una descripción de los espectros de onda, con amplitudes asociadas con cada frecuencia y dirección de propagación. Los resultados se resumen típicamente por la altura significativa de la ola , que es la altura promedio de las olas un tercio más grandes, y el período y la dirección de propagación de la ola dominante.
Modelos acoplados
Las ondas de viento también actúan para modificar las propiedades atmosféricas a través de la fricción de los vientos cercanos a la superficie y los flujos de calor. [11] Los modelos acoplados bidireccionales permiten que la actividad de las olas se retroalimente sobre la atmósfera. El sistema de pronóstico de ondas atmosféricas acoplado del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Medio Plazo (ECMWF) que se describe a continuación facilita esto mediante el intercambio del parámetro Charnock que controla la rugosidad de la superficie del mar . Esto permite que la atmósfera responda a los cambios en la rugosidad de la superficie a medida que el viento del mar se acumula o decae.
Ejemplos de
WAVEWATCH
Los sistemas operativos de pronóstico de olas en NOAA se basan en el modelo WAVEWATCH III (R). [12] Este sistema tiene un dominio global de aproximadamente 50 km de resolución, con dominios regionales anidados para las cuencas oceánicas del hemisferio norte a aproximadamente 18 km y aproximadamente 7 km de resolución. La física incluye la refracción del campo de ondas, interacciones resonantes no lineales , representaciones de subred de islas no resueltas y cobertura de hielo actualizada dinámicamente. Los datos del viento provienen del sistema de asimilación de datos GDAS para el modelo meteorológico GFS. Hasta 2008, el modelo se limitaba a regiones fuera de la zona de surf donde las olas no se ven fuertemente afectadas por profundidades poco profundas. [13]
El modelo puede incorporar los efectos de las corrientes sobre las olas desde su diseño inicial de Hendrik Tolman en la década de 1990, y ahora se amplía para aplicaciones cercanas a la costa.
WAM
El modelo de onda WAM fue el primer modelo de onda de pronóstico de tercera generación en el que se permitió que el espectro de onda bidimensional evolucionara libremente (hasta una frecuencia de corte) sin restricciones en la forma espectral. [14] El modelo se sometió a una serie de actualizaciones de software desde su inicio a fines de la década de 1980. [15] El último lanzamiento oficial es Cycle 4.5, mantenido por el alemán Helmholtz Zentrum, Geesthacht . [dieciséis]
ECMWF ha incorporado WAM en su sistema de pronóstico determinístico y por conjuntos , [17] conocido como el Sistema Integrado de Pronóstico (IFS). El modelo comprende actualmente 36 contenedores de frecuencia y 36 direcciones de propagación con una resolución espacial promedio de 25 km. El modelo se ha acoplado al componente atmosférico de IFS desde 1998. [18] [19]
Otros modelos
Los pronósticos de olas de viento son emitidos regionalmente por Environment Canada . [20]
Las universidades también producen predicciones de olas regionales, como el uso del modelo SWAN (desarrollado por la Universidad Tecnológica de Delft ) de Texas A&M University para pronosticar olas en el Golfo de México. [21]
Otro modelo, CCHE2D-COAST es un modelo integrado basado en procesos que es capaz de simular procesos costeros en diferentes costas con costas complejas como la deformación irregular de las olas de mar adentro a tierra adentro, corrientes cercanas a la costa inducidas por tensiones de radiación, configuración de olas, configuración de olas -descenso, transporte de sedimentos y cambios morfológicos del fondo marino. [22]
Otros modelos de olas de viento incluyen el modelo estándar de surf de la Marina de los EE. UU . (NSSM). [23]
Validación
La comparación de los pronósticos del modelo de olas con las observaciones es esencial para caracterizar las deficiencias del modelo e identificar áreas de mejora. Las observaciones in situ se obtienen de boyas, barcos y plataformas petrolíferas. Los datos altimétricos de satélites, como GEOSAT y TOPEX , también se pueden utilizar para inferir las características de las olas de viento.
Los retrocasts de modelos de olas durante condiciones extremas también sirven como un banco de pruebas útil para los modelos. [24]
Reanálisis
Un análisis retrospectivo, o reanálisis, combina todas las observaciones disponibles con un modelo físico para describir el estado de un sistema durante un período de décadas. Las ondas de viento son parte del Reanálisis del NCEP [25] y del ERA-40 del ECMWF. [26] Dichos recursos permiten la creación de climatologías de olas mensuales y pueden rastrear la variación de la actividad de las olas en escalas de tiempo interanuales y de varias décadas. Durante el invierno del hemisferio norte, la actividad de olas más intensa se encuentra en el centro del Pacífico norte al sur de las Aleutianas y en el centro del Atlántico norte al sur de Islandia. Durante el invierno del hemisferio sur, la intensa actividad de las olas circunscribe el polo alrededor de los 50 ° S, con alturas de olas significativas de 5 m típicas del sur del Océano Índico. [26]
Referencias
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