Tormentas de oleaje en el Mediterráneo: Física y Predicción.

Abstract

En la zona costera mediterránea se llevan a cabo una gran cantidad de actividades socioeconómicas. En estas áreas los eventos meteorológicos son un factor importante para su manejo y gestión. Esto ha generado la necesidad de mejorar el conocimiento y la predicción de eventos como las tormentas de oleaje. Por ello, se ha planteado como objetivo principal de esta tesis la caracterización y simulación numérica de tormentas de oleaje.<br/>La generación del oleaje es el resultado del sistema acoplado océano - atmósfera. Esta interface y los flujos de momentum entre ambas capas ha sido de interés y ha generado una gran cantidad de investigaciones. Un avance importante ha sido el desarrollo de los modelos de tercera generación de oleaje, capaces de predecir espectros de oleaje a partir de campos de viento. Estos modelos que constituyen la base de esta tesis, consideran el aporte de energía por el viento, la disipación e interacciones no lineales entre ondas.<br/>Para este trabajo se han utilizado los modelos WAM y SWAN junto con mediciones de oleaje en la costa catalana. Para forzar los modelos se han utilizado campos de vientos de los modelos atmosféricos MASS ARPEGE. Se han utilizado también datos de viento de estaciones meteorológicas costeras.<br/>El viento y oleaje en la franja costera catalana están caracterizados principalmente por componentes del este, noroeste y del sur. Para el caso de tormentas con impacto en la costa, las del este son las más intensas, pero las tormentas del Noroeste pueden generar condiciones de riesgo para la navegación.<br/>Se han descrito tormentas características de la costa catalana, considerando su dirección, duración, e intensidad. De manera paralela se han analizado mas detalladamente dos eventos particulares que se registraron en Noviembre 2001 y Marzo-Abril 2002. Ambas tormentas presentaron oleaje de componente principal del este y una cantidad importante de espectros bimodales. Esta característica no se había estudiado a detalle con anterioridad y se debe al oleaje swell del este y a la rotación de los vientos en la costa catalana para volverse del noroeste generando localmente un sistema de oleaje en esta dirección. Debido a esto, la anchura espectral se comporto de manera opuesta a la esperada, pero mostró ser un indicador de la complejidad del estado del mar por lo que se propone que sea utilizada en la estimación del coeficiente de arrastre.<br/>Se han utilizado los modelos de oleaje en diferentes situaciones: en un dominio idealizado, en los eventos de Noviembre y Marzo - Abril y durante el invierno 2002 -2003. Los resultados muestran diferencias entre modelos en tiempo y espacio. Utilizando el parámetro integrado de Hs el SWAN mostró un mejor comportamiento para la detección de tormentas. Sin embargo el espectro del WAM mostró en la mayoría de los casos aproximarse mas al espectro medido. Una parte de los errores registrados en los modelos durante las tormentas, se debieron a la mala simulación de la bimodalidad la cual a su vez se debe a una mala resolución espacial y temporal tanto de los modelos de viento como de oleaje. La correcta definición espacial de las islas en el mediterráneo mostró ser poco significante para la validación de las predicciones en la zona costera catalana.<br/>Finalmente debemos decir que a pesar de que este trabajo ha avanzado en el conocimiento del oleaje en la costa catalana y el comportamiento de los modelos, este solo es el principio y se debe de dar continuidad a este esfuerzo. Una manera (indispensable) es mejorando las observaciones disponibles e incluir medidas espaciales (satélite, por ejemplo) para la mejor descripción y validación de los modelos.

Many socio-economic activities take place on the Mediterranean coast. Meteorological events are an important factor for the proper management and administration of these activities in this area.<br/>This has inspired an improvement of knowledge and forecasting of environmental phenomena such as wave storms. Thus, the main objective of this dissertation is the characterisation and numerical simulation of wave storms.<br/>The generation of wind waves are the result of the coupled system which connects the air and the ocean. This layer, and its fluxes, have been of great interest and generated a large amount of research. The development of third generation wave models has been an important step. Such models are able to reproduce directional wave spectra from wind fields taking into consideration wind energy input, dissipation and non-linear interactions. These models are the basis of this dissertation.<br/>For this work, we have used the WAM and SWAN models, together with the wind and wave measures on the Catalan coast. The forcing winds came from the MASS and ARPEGE atmospheric models.<br/>The wind and waves on the Catalan coast are characterised by an east, northwest and south component. For coastal damage, the storms from the east cause the most severe coastal damage while the northwest storm can create risky conditions for navigation.<br/>Typical storms on the Catalan coast are described, taking into account the direction, duration, and significant wave height. Additionally, it was studied in detail two severe storms that were measured during November 2001 and March-April 2002. Both storms presented a mean eastern wave component, however, a large amount of bimodal spectra were found. This feature had not been studied before at this area and it is produced due to the wind rotation (to northwest) at the coast because of the orography. This produces a different behaviour of the spectral width than expected, but such a parameter was an indicator of the complexity of the sea state and thus it is proposed to apply it in the drag coefficient estimation.<br/>The wave models were applied under different situations: idealised domain, November 2001 and March-April storms and during a winter period. The results show differences between models in time and space. When considering significan wave height, the SWAN model showed a better behaviour for storm detection. However, the spectral shape was better predicted by WAM. Part of the errors were due to the bad simulation of bimodal features, and at the same time, this was produced by the coarse time and spatial resolution of wind and wave models.<br/>Finally we have to outline that this work is an advance in the knowledge of waves on the Catalan coast and the behaviour of the models. However, this is only the beginning and an effort should be made for the continuos development and improvement on this topic. A good start is by increasing the wind and wave measurements available including spatial measures, such as satellite, for the better description and model validation.