Modelos Operacionales de Oleaje R. Padilla Hernandez BIO Francisco Ocampo Torres CICESE Curso de oleaje ‘03 Curso de oleaje. CICESE ‘03

CONTENIDO 1. Introducción. 2. Modelos numéricos del oleaje. 3. La ecuación de balance de acción. 4. Términos fuente 5. Modelación numérica 6. WAM y SWAN 7. Sistema Entradas/Salidas 8. GoMOOS: Sistema de predicción de oleaje 9. Batimetría y campos de viento. 10. Simulaciones. Curso de oleaje ‘03

Impacto del oleaje sobre diferentes procesos oceánicos y costeros 1. Introducción Impacto del oleaje sobre diferentes procesos oceánicos y costeros Las olas tienen un impacto muy importante sobre todos los procesos en la interacción océano atmósfera y también en la mayoría de los procesos costeros. Físicos: Mareas (interacciones olas-corrientes) Apilamiento de agua (surge) Interacciones océano-atmósfera, intercambio de gases, calor, momentum, . . . . Geológicos: Transporte de sedimento, configuración de la costa (erosion, depositación), ondulitas, . . . Biológicos: Alta productividad orgánica en arrecifes y su distribución, Eclosión de larvas, . . . Curso de oleaje ‘03

Importancia de contar con predicciones de oleaje confiables: 1. Introducción Importancia de contar con predicciones de oleaje confiables: Predicción del estado del mar :operaciones marítimas, explotación de gas y petroleo,. .. Criterios de diseño (costero y oceánico) (Hindcasting) Busqueda y rescate Transporte y dispersion de materia disuelta y en suspension Estimación de la erosión costera Rutas de navegación Diseño y protección de puertos Seguridad de asentamientos costeros. .. Curso de oleaje ‘03

Descripción de la superficie del mar en tiempo y espacio 2. Modelos numéricos Modelos numéricos del oleaje Resueltos en fase Descripción de la superficie del mar en tiempo y espacio Promediados en fase Descripcion de la superficie del mar en funcion de la densidad de energia espectral Los modelos resultos en fase deben ser usados donde las condiciones del oleaje cambian muy rapidamente, pues son, computacionalmente muy caros. Tienen la ventaja de que los efectos de la difraccion, refraccion e interacciones no lineales estan de manera implicita.. En los modelos promediados en fase Lagrangianos cada componente espectral se propaga de manera independiente a lo larlo de las trayectorias (en rayos) lo caul hace el que el calculo de las inter. no lineales numericamente ineficientes y es muy comun que los resultados se vean de manera caotica haciendo su interpretacion muy dificil In the Eulerian approach the wave propagation is formulated on a grid. Every grid point has the information of the whole wave spectrum. With this the problem of chaotic wave patterns is avoided and the inclusion of generation, dissipation and nonlinear wave--wave interactionscan be done efficiently. Aprox. Hamiltonianos Aprox. Bousinesq Ecuacion de pendiente suave Aprox. Lagrangiana Aprox. Euleriana Combinacion Curso de oleaje ‘03

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2. Modelos numéricos Energía en frecuencia y dirección, . . . no hay información acerca de la fase . . . Curso de oleaje ‘03

Espectrales F(f,θ) Paramétricos (Hs, fm) 2. Modelos numéricos Modelos numéricos del oleaje Modelos Eulerianos Espectrales F(f,θ) Paramétricos (Hs, fm) WAM Wave Watch SWAN ... HISWA ... Curso de oleaje ‘03

Modelos Espectrales WAM SWAN Escalas Oceanicas Global - 10’s kms 2. Modelos numéricos Modelos Espectrales WAM SWAN Escalas Oceanicas Global - 10’s kms Escalas Pequeñas 100’s km~10’ metros Esquema Explicito CFL-Criterio Esquema Implicito No CFL-Criterio Curso de oleaje ‘03

Equation de Balance Acción 3. Ecuación de balance de acción Equation de Balance Acción Aguas profundas Aguas someras Curso de oleaje ‘03

Entrada de energía debida al viento: Sin 4. Términos fuente Entrada de energía debida al viento: Sin Phillips’ (1957) Teoría de crecimento lineal Miles’ (1957) Teoría de crecimento exponencial Interacciones no-lineales (quadrupletas): Snl4 Hasselman (1962, 1963a, 1963b) Integrales de Boltzmann El principio del desarrollo del oleaje el termino mas importante es el lineal sin embargo este termino es sobrepasado rapidamente por el termino exponencial. Los primeros modelos numericos se aplicaron de manera exitosa sin embargo a fin de reproducir el crecimiento observado del oleaje el termino de Phillips tenia que aumentarse en varios ordenes de magnitud y el segundo (Milles;) en al menos un orden de magnitud para simular las razones de crecimiento observadas (esos modelos tampoco fueron capaces de reproducir el sobre-crecimiento del oleaje). Esos procesos fueron clarificados a traves de mediciones intensivas. El analisis de esos datos combio completamente la vision de del balance de energia espectral del oleaje en la fase de crecimiento. Se encontro que la principal fuente de energia para las olas de baja frecuencia era las interacciones no lineales en lugar del forzamiento directo del viento. Rompimiento en aguas profundas: Swc Hasselman (1974) “Pulsos de presión” Curso de oleaje ‘03

Fricción con el fondo: Sbf Collins (1972) 4. Términos fuente Fricción con el fondo: Sbf Collins (1972) Hasselman et al. (1974) JONSWAP model Madsen et al (1988) Viscosidad turbulenta (VT) Weber (1989, 1991) VT Christoffersen et al (1985) VT . . . . . Todas estas expresiones reflejan las diferencias de opinion acerca del termino de friccion con el fondo y nos dan una idea de lo complejo que es este proceso. Interacciones no-lineales (triadas): Snl3 Eldeberky y Battjes (1995) Curso de oleaje ‘03

Rompimiento inducido por la profundidad: Sbk 4. Términos fuente Rompimiento inducido por la profundidad: Sbk Eldeberky y Battjes (1996) Otros Dispersión de la energía del oleaje inducidad por irregularidades en el fondo Disipación de la energía de oleaje debido a la percolación . . . . Curso de oleaje ‘03

6. WAM y SWAN WAMC4-PROMISE1 Modelo de olaje usado principalmente para la simulación del oleaje en aguas profundas e intermedias. (Esquema Explicito) SWAN2 Simulación del oleaje en intermedias y someras con alta resolución. (Esquema Implicito) Esquema Explícito Esquema Implícito t1 t1 CFL limit. tiempo tiempo NO CFL limit. to to x- espacio geografico x- espacio geografico Curso de oleaje ‘03 SWAN es, computacionalmente, más barato

to t1 t2 θ3 Explícito θ2 Implícito y θ1 x 6. WAM y SWAN Dispersión y Difusion numerica to t1 t2 θ3 f1 < f2 < f3, Explícito Implícito θ2 y f1 f2 θ1 f3 f1, f2 ,f3, x Curso de oleaje ‘03

to t1 t2 θ3 Explícito θ2 Implícito y θ1 x 6. WAM y SWAN Dispersión y Difusion numerica to t1 t2 θ3 f1 < f2 < f3, Explícito Implícito θ2 y f1 f2 θ1 f3 f1, f2 ,f3, x Curso de oleaje ‘03

WAM Wind Speed at BIO Loc. JAN ‘02 Curso de oleaje ‘03 6. WAM y SWAN Wind Speed [m/s] JAN ‘02 Curso de oleaje ‘03

Limitaciones factores internos y externos 6. WAM y SWAN Limitaciones factores internos y externos WAM SWAN Difracción Corrientes inducidas por el oleaje Aproximacion de Interacciones discretas (DIA) No existen terminos de difraccion en los modelos de oleaje No se calculan las corrientes inducidas por el oleaje La calidad de las simulaciones depende en gran medida de la calidad de los campos de viento (en aguas profunadas y someras) La calidad de las simulaciones en aguas someras tambien dependen de la calidad de los datos de batimetria y de las condiciones de frontera . A medida que las escalas son menores, la batimetria y las condiciones de frontera son mas importantes que el forzamiento (viento). Campos de viento y batimetría Curso de oleaje ‘03

Modelo Numérico de Oleaje 7. Sistema entradas/salidas Mareas (η, u) Surge Batimetría Viento Boun. Cond. Modelo Numérico de Oleaje F(f,θ), Hs, Tp,m,1,2,... ub, τb, θm,p, . . . , u*, zo, Setup, Coef. friccion. Interacciones océano-atmósfera (temperatura, intercambio de gases, . . .) , Transporte de sedimento, etc. etc., esfuerzos sobre estructuras, Curso de oleaje ‘03

Comparaciones entre modelos 8. -GoMOOS 2 Sistemas de anidamiento (a) WAM-P in WAM-P. (b) SWAN(fine-grid) in WAM (interm-grid) Comparaciones entre modelos Espacio geográfico Comparacion Modelos-mediciones in situ : DWR y ADCP Series de tiempo Curso de oleaje ‘03

8. GoMOOS Depth Jan 10-16, 2002 Curso de oleaje ‘03

Aparato Δt Medic. in situ wamnear ww3 swan ADCP 2 h. 19 46 43 43 8. GoMOOS BIO Location (-66.99, 43.31) ADCP: Perfilador Acustico Doppler Propiedades del olejae por medio de la medición de velocidades orbitales 3 mediciones independientes:Presion, velocidad orbital y localizacion de la superficie por medio de eco DWR: Boya direccional Propiedades del olejae por medio del movimiento de la boya 3 mediciones independientes : balanceo e-o y n-s, aceleraciones en z. Profundidad [m] Aparato Δt Medic. in situ wamnear ww3 swan ADCP 2 h. 19 46 43 43 DWR 0.5 h. 19 46 43 43 Curso de oleaje ‘03

Bomba atmosférica. Enero - 2002 9. Campos de viento. Bomba atmosférica. Enero - 2002 Curso de oleaje ‘03

Sistema de directorios, subdirectorios y archivos 10. Simulaciones Sistema de directorios, subdirectorios y archivos bin: Archivos de mandos, exe: Ejecutables $HOME/../coarse/ inp: Archivos de entrada /interm/ work: Dir. auxiliar de trabajo (compilar y ligar). /fine/ output: Resultados. work: Directorio principal de trabajo. /tmp/ temp: Directorio temporal (cond. de frontera) coarse; interm;fine Curso de oleaje ‘03