Supervisors: Senior Scientist Xiaoli Guo Larsén (DTU Vindenergi), Scientist Rodolfo Bolaños (DHI), Professor Søren Larsen (DTU Vindenergi), Mark Kelly (DTU Vindenergi)
External examiners: Professor Anna Rutgersson (Uppsala University), Senior Scientist Jean Raymond Bidlot (European Centre for Medium Range Weather Forecasting), Associate Professor Henrik Bredmose (DTU Vindenergi)
Abstract: Coupling Atmospheric and Ocean Wave Models for Storm Simulation
Denne afhandling studerer vekselvirkninger mellem vind og bølger ved kobling af atmosfæriske modeller og havbølge modeller. Studiet fokusere særlig på storm simuleringer i Nordsøen med henblik på kystnære vindenergi applikationer. De to aspekter, storm betingelser og kystområder, er udfordrende for vind-bølge kobling, fordi: i storme bliver bølgefeltet konstant ændret af hurtigt-varierende vind områder; i kystområder, er bølgefeltet kraftigt påvirket af dybdeforholdende. Begge forhold bidrager til en havtilstand som er kompleks, og som variere både i tid og rum, hvilket er en udfordring for de nuværende koblede modelsystemer.
Den konventionelle fremgangsmåde til estimering af impulsudveksling mellem atmosfære og hav sker gennem parameterisering af den aerodynamiske ruhedslængde (z0) med bølgeparametre såsom bølge alder, stejlhed, signifikant bølgehøjde m.m. I stormvejr og i kystområder har det dog vist sig at denne metode ofte giver et dårligt estimat af z0 på grund af at den komplekse havtilstand ikke kan repræsentateres af det begrænsede antal bølge parametre. Andre ’Fysiske’ baserede metoder baseres på den antagelse at alt tab af impuls og kinetisk energy i atmosfæren må, pga. energibevarelse, give anledning til bølge- og strømdannelse i havet. Disse metoder er følsomme overfor hvordan funktionen for vind-input (Sin) defineres og overfor hvordan højfrekvente bølger parameteriseres. Desværre viser en gennemgang af litteraturen enten at formuleringen af momentum flux er forskellig mellem atmosfære model og bølge model, eller at de anvendte metoder er overfølsomme overfor parameteriseringen af højfrekvente bølger. For at takle de ovennævnte udfordringer, implemeteres en bølge grænselagsmodel (WBLM) i bølgemodellen SWAN som en ny definition af Sin. Den nye definition er baseret på impuls og kinetisk energibevarelse. Ændringer af middelvinds-profilen pga. bølgetilstanden i hele det bølge-inducerede grænselag, samt den spektrale effekt af afskærmning, bliver behandlet explicit. Den nye WBLM Sin anvendes både til udregning af bølgevækst og impuls flux. Ydermere giver den nye metode forbedrede resultater i højfrekvensområdet, så de føromtalte parameteriseringsproblemer undgås. Det vises at den nye WBLM metode både forbedre simulering af bøgler og overflade-stress i idealiserede studier af vindbølge vekselvirkninger.
For at anvende WBLM metoden i virkelige simuleringer, skal der tages højde for numerisk stabilitet, dissipation og nøjagtiged. Derfor anvendes en ændret formulering af dissipations funktionen i bølgemodellen, og af de numeriske metoder til løsning af Sin i WBLM. De nye vind-input og dissipations funktioner evalueres under både storme over hav og land ved vestkysten i Danmark. Det vises at WBLM metoden er i stand til at modellere signifikant bølgehøjde og gennemsnits bølgeperiode mere præcist end de andre metoder i SWAN når man sammeligner med målinger.
Det vises ydereligere hvordan WBLM metoden, anvendt i vind-bølge koblingssystemet for en række storme i Nordsøen, klare sig i sammenligning med seks andre koblingsmetoder. Modelresultater for de seks metoder sammenlignes med punktmålinger af vind, bølger, og overfladestress for et kystnært sted med lav vanddybde. Den rumlige fordeling af z0 for WBLM metoden udviser tilsvarende mønstre sammenlignet med målinger med Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) backscatter, mønstre som følger havdybden. Sammenligninger af vildfeltet mellem atmosfære modellen uden kobling med atmosfæremodellen koblet til WBLM viser vind-bølge koblingen er vigtig i blæsende betingelser, stærkt variende betingelser som frontpassager og i forbindelser med konvektive systemer, samt i kystnære områder