Improving wave forecasting in variable wind conditions : the effect of resolution and growth rate for the catalan coast

Abstract

The main objective of this study is to improve wind wave forecasting in the NW Mediterranean Sea while focusing on the characteristic sharp gradients of the wind and wave conditions. This work was motivated by the limited accuracy of wave models in semi-enclosed-basins and orography-controlled wind conditions, especially during fetch-limited storm events. First, to reduce the commonly observed under-estimation of wave parameters, the mesoscale variability of wind and wave fields was characterized in time (1 h to 1 day) and in space (10 km to 100 km). Second, to better capture the typical sharp gradients, the grid size of the input wind fields was decreased during a characteristic storm event from 18 km to 4 km and the wind input frequency was increased from 6 h to 1 h. Third and last, the rate of wave growth in the numerical model was tuned in order to match the local rate of wave growth. The rate of non-dimensional growth in the region of study, which was calculated using measurements along the fetch, turned out to be faster than simulated using the default physical parameterizations and faster than reported in previous studies. Adjusting the wave growth rate in the model to the observations improved the estimated wave height about 18 % and the peak frequency about 4%. Decreasing the grid size of the numerical models from 12 km to 4 km improved the timing of the wave peaks but not the maximum values of the storm. Increasing the frequency of the wind input (from 6 h to 3 h) improved the estimation of the maximum wave height values (peaks) of the storm about 13%. Summarizing, the results of this work indicated that tackling wind and wave gradients in complex regions such as the study area it is posible to reduce the under-estimation of wave parameters and to improve wave forecasting.

L’objectiu principal d’aquest estudi és millorar les prediccions de l’onatge generat pel vent al Mediterrani Noroccidental enfocant-se en els forts gradients de vent i d’onatge característics de la zona. Aquest treball sorgeix de la falta d’exactitud dels models d’onatges en conques semi tancades i en condicions de vent controlades per l’orografia, especialment durant temporals d’onatge limitats pel ‘fetch’. En primer lloc, per tal reduir les sub-estimacions dels parametres de l’onatge, s’ha caracteritzat la variabilitat dels camps de vent i d’onatge tant en temps (entre 1 h i un 1 dia) com en espai (entre 10 i 100 km). En segon lloc, per tal de capturar els forts gradients típics de la zona en els models numèrics d’onatge, durant un temporal característic s’ha reduit el tamany de malla dels vents d’entrada al model de 18 km a 4 km i s’ha augmentat la freqüència d’entrada dels vents de 6 h a 1 h. En tercer i últim lloc, s’ha ajustat la tasa de creixement de l’onatge en els models numèrics d’acord amb la tasa de creixement obtinguda a partir d’observacions locals. La tasa de creixement a la zona d’estudi, que s’ha calculat utilitzant mesures al llag del fetch, ha resultat ser més rápida que la predita utilitzant les parametritzacions incorporades per defecte en els models, i més rápida que les tases obtingudes en experiments anteriors. El fet d’ajustar la tasa de creixement en el model d’onatge ha permès millorar un 18% l’alçada d’ona significant estimada i un 4 % la freqüència de pic de l’onatge. Reduir el tamany de malla dels vents d’entrada de 12 km a 4 km ha permès millorar l’estimació en el temps dels pics d’onatge, però no els valors màxims del temporal. En canvi, augmentar la freqüència dels vents d’entrada (de 6 h a 3 h) ha millorat un 13% l’estimació dels valors màxims d’alçada d’ona durant el temporal. En resum, els resultats d’aquest treball indiquen que abordant els gradients de vent i onatge en regions complexes és posible reduir la sub-estimació dels paràmetres de l’onatge i millorar-ne la seva predicció.

El objetivo principal de este estudio es mejorar las predicciones del oleaje generado por el viento en el Mediterráneo Noroccidental enfocando los fuertes gradientes de viento y oleaje característicos de la zona. Este trabajo surge de la falta de exactitud de los modelos de oleaje en cuencas semi-cerradas y en condiciones de viento controladas por la orografía, especialmente durante temporales de oleaje limitados por el ‘fetch’. En primer lugar, para reducir las sub-estimaciones de los parámetros del oleaje, se caracterizó la variabilidad de los campos de viento y oleaje tanto en tiempo (entre 1 h y un 1 día) como en espacio (entre 10 y 100 km). En segundo lugar, para capturar los fuertes gradientes típicos de la zona en los modelos numéricos de oleaje, para un temporal característico, se redujo el tamaño de malla de los vientos de entrada al modelo de 18 km a 4 km y se aumentó la frecuencia de entrada de los vientos de 6 h a 1 h. En tercer y último lugar, se ajustó la tasa de crecimiento del oleaje en los modelos numéricos de acuerdo a la tasa de crecimiento obtenida a partir de observaciones locales. La tasa de crecimiento en la zona de estudio, que se calculó usando medidas de viento y oleaje a lo largo del fetch, resultó ser más rápida que la predicha utilizando las parametrizaciones incorporadas por defecto en los modelos, i más rápida que les tases obtenidas en experimentos anteriores. El hecho de ajustar la tasa de crecimiento en el modelo de oleaje permitió mejorar un 18% la altura de ola significante estimada y un 4 % la frecuencia de pico del oleaje. Reducir el tamaño de malla de los vientos de entrada de 12 km a 4 km permitió mejorar la estimación en el tiempo de los picos de oleaje, pero no los valores máximos del temporal. En cambio, aumentar la frecuencia de los vientos de entrada (de 6 h a 3 h) ha mejorado un 13% la estimación de los valores máximos de altura de ola durante el temporal. En resumen, los resultados de este trabajo indican que abordando los gradientes de viento y oleaje en regiones complejas se reduce la subestimación de los parámetros del oleaje y se mejora su predicción.