High-resolution wave forecasting : the Catalan coast case : modelling, coupling and validation

It is widely known that wind and wave predictions in the nearshore are less precise for semi enclosed domains than in the open ocean. The Catalan coast is a clear example of this situation, with a wave climate controlled by short fetches, complex bathymetry, high wind field variability in time and space, and sea and swell waves combined that generate bimodal spectra. These characteristics, typical for a semi-enclosed basin, limit the reliability of wave predictions in the area, with errors on the significant wave height around 10% and a clear under-prediction of the wave period with errors around 30%. The motivation of this work is to improve the actual wave forecasting abilities for the Catalan Coast using the SWAN v.4091 wave model. In order to achieve this goal, three working lines are considered: (1)adapting the model to the Catalan coast conditions, tuning the wave growth rates included in the model to better reproduce the observed values, (2) evaluate the effect of the currents and wind into the wave field by using a coupled system and (3) consider the use of unstructured grids as an alternative to the traditionally nested systems in order to obtain high resolution wave forecasts in coastal areas reducing the computational time and avoiding the use of internal boundary conditions with their associated errors. The results obtained support previous studies where the limited ability of the models to reproduce wave growth rates in young seas have been detected. The whitecapping term correction proposed in this document helps reducing under-prediction of the wave period observed with almost no effect on the significant wave height. This correction can be applied to similar environments. However, the proposed formulation is only suitable for the early stages of generation and should be discontinued after waves reach a certain maturity. Two coupling strategies are considered, a one-way coupling where current fields are directly introduced into the wave model, and a two-way coupling where the waves, currents and winds models run in parallel. The effects of the coupling are evaluated during calm periods but also during energetic events. The results show that during calm conditions the coupling does hardly improve the results while during energetic events, such as superficial currents intensifications or wind jet events, the coupling has greater importance. However, the two-way coupling has extremely high computational requirements, not always available. In this sense, the use of unstructured grids as an alternative to the traditional nested systems is presented. The main benefit of unstructured grids is that allows working with a single grid with different resolutions in each sub-domain, improving the resolution in coastal areas. Other advantage is the capacity to better reproduce the sharp coastline and the areas around the islands. The design of unstructured grids has been shown as one of the most delicate parts of this methodology, requiring special attention for the grid generation criteria. The validation of the results, performed with buoy measurements in the nearshore but also for the entire domain with altimetry measurements, allows stating that unstructured grids perform correctly in the study area. Finally, the proposed work suitability for an operational forecasting system has been considered. The whitecapping term modification is proven to be decisive in the quality of the wave forecast, while the coupling is not always recommended depending on computational capabilities. The use of unstructured grids with a regional triangular mesh covering the entire Western Mediterranean sea is considered as the first option, providing accurate high resolution wave conditions near the coast with a clear reduction of the computational time in comparison with a traditional nested system.És sobradament conegut que les prediccions d'onatge i vent a prop de la costa són menys precises en regions semi tancades que en mar obert. La costa Catalana és un clar exemple d'aquesta situació, amb un clima d'onatge controlat per fetch curts, batimetries complexes, camps de vent fortament variables tant en el temps com en l'espai, i combinacions de mar de fons i de vent que generen espectres bimodals. Aquestes característiques, típiques de dominis semi tancats, limiten la precisió de les prediccions d'onatge, obtenint errors de l'alçada d’ona significant sobre el 10% i una clara subpredicció del període d'ona amb errors al voltant del 30%. La motivació d'aquesta treball és doncs millorar la capacitat de predicció d'onatge actual per la costa Catalana utilitzant el model d’onatge SWAN v.4091. Per tal d'assolir aquest objectiu, es consideren tres línies de treball: (1) adaptar el model a les condicions de la costa Catalana, calibrant les corbes de creixement d'onatge per que reprodueixin millor la realitat, (2) examinar l'efecte de les corrents i el vent sobre l'onatge utilitzant sistemes acoplats i (3)considerar l'ús de malles no estructurades com a alternativa a sistemes aniuats tradicionals per tal d'obtenir prediccions d'onatge d'alta resolució en zones costeres reduint el temps de càlcul i evitant les condicions de contorn i els errors associats. Els resultats obtinguts concorden amb estudis previs en els quals la incapacitat dels models per reproduir correctament les corbes de creixement de l'onatge havia estat ja detectada. La proposta de modificació del terme de whitecapping presentada en aquest document ajuda a reduir la subpredicció del període d’ona sense gairebé cap efecte en l'alçada d'ona. Aquesta correcció es aplicable a entorns similars. Tan mateix, la formulació proposada és només vàlida en els primers estats de generació d'onatge, i hauria de ser substituïda quan les ones adquireixen certa maduresa. Es consideren dues estratègies d'acoplament, un acoplament one-way en el que el camp de corrents s'introdueix directament en el mode d'onatge, i un acoplament two-way en el que models d'onatge, corrents i vent corrent paral·lelament. Els efectes de l'acoplament son avaluats durant períodes de calma i episodis més energètics. Els resultats obtinguts mostren que durant períodes de calma l'acoplament aporta ben poc, mentre que durant episodis energètics tals com intensificacions de corrents o vents canalitzats presenta més importància. Finalment cal tenir en compte que l'acoplament two-way presenta uns requeriments computacionals no sempre disponibles. En aquest sentit es proposa l’ús de malles no estructurades com alternativa al mètode tradicional de malles aniuades. El principal avantatge de les malles no estructurades es que permeten treballar amb una única malla que té diferents resolucions segons el subdomini, millorant així la resolució en zones costeres. Un altre avantatge es la capacitat de reproduir millor la línia de costa o les zones al voltant de illes. Una de les parts més delicades de tot el procés consisteix en el disseny de les malles, on s’ha de prestar especial atenció en els criteris considerats. La validació dels resultats, realitzada amb mesures de boies en zones costeres i dades de satèl·lit per mar obert, ens permeten afirmar que les malles no estructurades funcionen correctament a la zona d’estudi. Finalment, es considera l’adequació de les diferents propostes per a un sistema de predicció operacional. Queda demostrat que la modificació del terme de whitecapping millora decisivament la qualitat de les prediccions, mentre que l’acoplament es recomana en funció de la capacitat de càlcul disponible. L’ús de malles no estructurades per a tot el Mediterrani Occidental es considera com la primera opció, obtenint així onatge d’alta resolució en zones costaneres reduint considerablement el temps de càlcul en comparació amb el sistema aniuat tradicional.Postprint (published version

Comparison between nested grids and unstructured grids for a high-resolution wave forecasting system in the western Mediterranean sea

This is an Accepted Manuscript of an article published by Taylor & Francis Group in Journal of Operational Oceanography on 2017, available online at: http://www.tandfonline.com/10.1080/1755876X.2016.1260389Traditionally wave modelling uses a downscaling process by means of successive nested grids to obtain high-resolution wave fields near the coast. This supposes an uncertain error due to internal boundary conditions and a long computational time. Unstructured grids avoid multiple meshes and thus the problem of internal boundary conditions. In the present study high resolution wave simulations are analysed for a full year where high-resolution meteorological models were available in the Catalan coast. This coastal case presents sharp gradients in bathymetry and orography and therefore correspondingly sharp variations in the wind and wave fields. Simulations with SWAN v.4091A using a traditional nested sequence and a regional unstructured grid have been compared. Also a local unstructured grid nested in an operational forecast system is included in the analysis. The obtained simulations are compared to wave observations from buoys near the coast; almost no differences are found between the unstructured grids and the regular grids. Simultaneously, tests have been carried out in order to analyse the computational time required for each of the alternatives, showing a decrease to less than half the time when working with regional unstructured grids and maintaining the forecast accuracy and coastal resolution with respect to the downscaling system.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Análisis numérico y experimental de las "seixas" de las bahías del Delta del Ebro

El Delta del Ebro tiene dos flechas litorales muy marcadas que delimitan dos bahías de aguas someras, la del Fangar al Norte y la de Alfacs al Sur. La principal actividad que se lleva a cabo en ellas, junto con la pesca, es la producción mejillonera. Esta actividad se ha visto afectada por el desarrollo de corrientes en la zona que provocan importantes daños y pérdidas económicas. Al analizar los datos del nivel del mar, proporcionados por la “Red de Instrumentación Oceanográfica y Meteorológica” (XIOM), durante estos episodios de corrientes, se observan unas oscilaciones del nivel del mar con una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia natural de la bahía. El presente trabajo trata el análisis de dichas oscilaciones. Los seiches, o "seixas" tal y como se llaman en la zona, son fenómenos de elevación del nivel del mar amplificados por una cierta resonancia local. En este punto suelen ser episodios con ascensos y descensos del nivel del mar de unos 20 centímetros, con una periodicidad de 3 o 4 horas según la bahía, y que comportan la aparición de unas corrientes marinas asociadas, más intensas de lo habitual en esta zona. Una parte importante de nuestro estudio ha consistido en estudiar los mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro. De este mecanismo se sabe que presenta una fuerte correlación con la presión atmosférica, es por eso que el primer paso a efectuar ha sido estudiar la relación existente entre ambos parámetros. Para estudiar dicha relación primeramente ha sido necesario identificar los episodios de seixa que se han producido entre los años 2005 y 2008 y una vez determinados los periodos a estudiar hemos realizado un análisis de harmónicos con el objetivo de extraer la componente de marea astronómica de los valores medidos por las boyas, y poder así trabajar únicamente con la sobreelevación del mar provocada por factores meteorológicos. Con estos datos se ha procedido a realizar un análisis mediante wavelets. Éste nos ha permitido comparar las oscilaciones del nivel del mar y los cambios de presión para cada instante de tiempo a partir de sus frecuencias de oscilación y determinar así los diferentes mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro y las características de las oscilaciones resultantes. Una vez establecido el origen y características de las seixas, y su relación con las ondas de presión atmosférica, se ha implementado el modelo numérico ROMS en la bahía de Alfacs, con la intención de determinar el patrón de corrientes en el interior de la bahía durante dichos episodios. Ha sido necesaria la realización de dos implementaciones diferentes del modelo, forzadas con parámetros diferentes, para intentar determinar el comportamiento del agua dentro de la bahía dels Alfacs. Con esto, se pretendía determinar la mejor ubicación posible de las mejilloneras para que no sufrieran daños, teniendo en cuenta no dificultar la navegación de los barcos que entran o salen de los puertos de las bahías

The land–sea coastal border: a quantitative definition by considering the wind and wave conditions in a wave-dominated, micro-tidal environment

A quantitative definition for the land–sea (coastal) transitional area is proposed here for wave-driven areas, based on the variability and isotropy of met-ocean processes. Wind velocity and significant wave height fields are examined for geostatistical anisotropy along four cross-shore transects on the Catalan coast (north-western Mediterranean), illustrating a case of significant changes along the shelf. The variation in the geostatistical anisotropy as a function of distance from the coast and water depth has been analysed through heat maps and scatter plots. The results show how the anisotropy of wind velocity and significant wave height decrease towards the offshore region, suggesting an objective definition for the coastal fringe width. The more viable estimator turns out to be the distance at which the significant wave height anisotropy is equal to the 90th percentile of variance in the anisotropies within a 100 km distance from the coast. Such a definition, when applied to the Spanish Mediterranean coast, determines a fringe width of 2–4 km. Regarding the probabilistic characterization, the inverse of wind velocity anisotropy can be fitted to a log-normal distribution function, while the significant wave height anisotropy can be fitted to a log-logistic distribution function. The joint probability structure of the two anisotropies can be best described by a Gaussian copula, where the dependence parameter denotes a mild to moderate dependence between both anisotropies, reflecting a certain decoupling between wind velocity and significant wave height near the coast. This wind–wave dependence remains stronger in the central baylike part of the study area, where the wave field is being more actively generated by the overlaying wind. Such a pattern controls the spatial variation in the coastal fringe width.Peer ReviewedPostprint (published version

Wind-wave characterization in a wind-jet region: the Ebro delta case

This manuscript describes the wind-wave generation, development and fading in a complex area: a wind-jet region. The study region is the offshore Ebro Delta (NW Mediterranean Sea) where strong cross-shelf winds occur due to a topographic channelization. This leads to relatively short-fetch conditions, which interact with the swell component. The third-generation wave model SimulatingWAves Nearshore (SWAN) is implemented and fed by high-resolution wind fields. A combination of buoy and High Frequency (HF) radar data is used for model validation, resulting in a reasonable level of agreement. The numerical results characterize the wind-wave evolution during a wind jet. A bimodal spectrum is observed due to the interaction of swell and sea systems. The wave directional spreading exhibits lower values at the wind-jet axis. Finally, a reliability analysis of the wave data from an HF radar deployed at the region is carried out.Peer ReviewedPostprint (published version

Modelling barrier beaches under storms with XBEACH: The case of the Trabucador bar

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Meteo-oceanographic simulations and observations to assess the potential of offshore wind farm in a NW Mediterranean shelf

Renewable marine energy is important in squeezed Mediterranean coastal zones. Wind turbines deployed over the narrow Catalan continental shelf require accurate wind/wave/current fields for a reliable design, operation and maintenance. This paper presents the large (comparative to other open sea areas) errors in meteo-oceanographic predictions for semi enclosed domains such as the coastal sea off the Ebro Delta coast. The emphasis is on the sequence of high resolution coupled and nested models and the role of in situ collocated measurements for calibration and validation.Postprint (published version

Análisis numérico y experimental de las "seixas" de las bahías del Delta del Ebro

El Delta del Ebro tiene dos flechas litorales muy marcadas que delimitan dos bahías de aguas someras, la del Fangar al Norte y la de Alfacs al Sur. La principal actividad que se lleva a cabo en ellas, junto con la pesca, es la producción mejillonera. Esta actividad se ha visto afectada por el desarrollo de corrientes en la zona que provocan importantes daños y pérdidas económicas. Al analizar los datos del nivel del mar, proporcionados por la “Red de Instrumentación Oceanográfica y Meteorológica” (XIOM), durante estos episodios de corrientes, se observan unas oscilaciones del nivel del mar con una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia natural de la bahía. El presente trabajo trata el análisis de dichas oscilaciones. Los seiches, o "seixas" tal y como se llaman en la zona, son fenómenos de elevación del nivel del mar amplificados por una cierta resonancia local. En este punto suelen ser episodios con ascensos y descensos del nivel del mar de unos 20 centímetros, con una periodicidad de 3 o 4 horas según la bahía, y que comportan la aparición de unas corrientes marinas asociadas, más intensas de lo habitual en esta zona. Una parte importante de nuestro estudio ha consistido en estudiar los mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro. De este mecanismo se sabe que presenta una fuerte correlación con la presión atmosférica, es por eso que el primer paso a efectuar ha sido estudiar la relación existente entre ambos parámetros. Para estudiar dicha relación primeramente ha sido necesario identificar los episodios de seixa que se han producido entre los años 2005 y 2008 y una vez determinados los periodos a estudiar hemos realizado un análisis de harmónicos con el objetivo de extraer la componente de marea astronómica de los valores medidos por las boyas, y poder así trabajar únicamente con la sobreelevación del mar provocada por factores meteorológicos. Con estos datos se ha procedido a realizar un análisis mediante wavelets. Éste nos ha permitido comparar las oscilaciones del nivel del mar y los cambios de presión para cada instante de tiempo a partir de sus frecuencias de oscilación y determinar así los diferentes mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro y las características de las oscilaciones resultantes. Una vez establecido el origen y características de las seixas, y su relación con las ondas de presión atmosférica, se ha implementado el modelo numérico ROMS en la bahía de Alfacs, con la intención de determinar el patrón de corrientes en el interior de la bahía durante dichos episodios. Ha sido necesaria la realización de dos implementaciones diferentes del modelo, forzadas con parámetros diferentes, para intentar determinar el comportamiento del agua dentro de la bahía dels Alfacs. Con esto, se pretendía determinar la mejor ubicación posible de las mejilloneras para que no sufrieran daños, teniendo en cuenta no dificultar la navegación de los barcos que entran o salen de los puertos de las bahías

Análisis numérico y experimental de las "seixas" de las bahías del Delta del Ebro

El Delta del Ebro tiene dos flechas litorales muy marcadas que delimitan dos bahías de aguas someras, la del Fangar al Norte y la de Alfacs al Sur. La principal actividad que se lleva a cabo en ellas, junto con la pesca, es la producción mejillonera. Esta actividad se ha visto afectada por el desarrollo de corrientes en la zona que provocan importantes daños y pérdidas económicas. Al analizar los datos del nivel del mar, proporcionados por la “Red de Instrumentación Oceanográfica y Meteorológica” (XIOM), durante estos episodios de corrientes, se observan unas oscilaciones del nivel del mar con una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia natural de la bahía. El presente trabajo trata el análisis de dichas oscilaciones. Los seiches, o "seixas" tal y como se llaman en la zona, son fenómenos de elevación del nivel del mar amplificados por una cierta resonancia local. En este punto suelen ser episodios con ascensos y descensos del nivel del mar de unos 20 centímetros, con una periodicidad de 3 o 4 horas según la bahía, y que comportan la aparición de unas corrientes marinas asociadas, más intensas de lo habitual en esta zona. Una parte importante de nuestro estudio ha consistido en estudiar los mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro. De este mecanismo se sabe que presenta una fuerte correlación con la presión atmosférica, es por eso que el primer paso a efectuar ha sido estudiar la relación existente entre ambos parámetros. Para estudiar dicha relación primeramente ha sido necesario identificar los episodios de seixa que se han producido entre los años 2005 y 2008 y una vez determinados los periodos a estudiar hemos realizado un análisis de harmónicos con el objetivo de extraer la componente de marea astronómica de los valores medidos por las boyas, y poder así trabajar únicamente con la sobreelevación del mar provocada por factores meteorológicos. Con estos datos se ha procedido a realizar un análisis mediante wavelets. Éste nos ha permitido comparar las oscilaciones del nivel del mar y los cambios de presión para cada instante de tiempo a partir de sus frecuencias de oscilación y determinar así los diferentes mecanismos de generación de las seixas en el Delta del Ebro y las características de las oscilaciones resultantes. Una vez establecido el origen y características de las seixas, y su relación con las ondas de presión atmosférica, se ha implementado el modelo numérico ROMS en la bahía de Alfacs, con la intención de determinar el patrón de corrientes en el interior de la bahía durante dichos episodios. Ha sido necesaria la realización de dos implementaciones diferentes del modelo, forzadas con parámetros diferentes, para intentar determinar el comportamiento del agua dentro de la bahía dels Alfacs. Con esto, se pretendía determinar la mejor ubicación posible de las mejilloneras para que no sufrieran daños, teniendo en cuenta no dificultar la navegación de los barcos que entran o salen de los puertos de las bahías

Condicionament de la B-431. Prats de Lluçanès-Avinyó PK 62+000 al 67+000

La zona de l’àmbit del Projecte s’ubica en un tram de la carretera B-431 que va des de el PK 62+000 al PK 67+000, situada dins els termes municipals de Sant Feliu Sasserra, al nord-est de la comarca del Bages, i el municipi d’Oristà, al sud-oest de la comarca d’Ososna, tot dins la subcomarca del Lluçanès. L’objecte del present Projecte “Condicionament de la carretera B-431 de Prats de Lluçanès a Avinyó, entre el PK 62+000 al PK 67+000” és la definició, justificació i valoració de les obres necessàries per condicionar la B-431 al seu pas per Sant Feliu Sasserra, i l’anàlisi comparatiu de les alternatives de traçat, per tal d’adoptar entre les solucions estudiades la més adient des del punt de vista tècnic, funcional, social, econòmic i mediambiental, aplicant les corresponents mesures correctores. La carretera B-431 es un dels principals eixos viaris de la comarca natural del Lluçanès, ja que és un punt de connexió entre els municipis afectats pel present Projecte i l’Eix Transversal (C-25). Aquest últim és la principal via de comunicació de la zona, possibilitant la ràpida connexió amb Vic –Girona i Manresa- Barcelona- Lleida. El Projecte està motivat per aconseguir millorar diverses problemàtiques concretes que presenta aquest tram: · És una carretera estreta amb un traçat sinuós, un relleu accidentat i a on són difícils els avançaments. · Té alguns punts especialment conflictius amb corbes que tenen radis molt petits. · Existeix un percentatge important de vehicles pesats que circulen per aquesta carretera, amb la conseqüent perillositat fruit del traçat actual de la via i de l’escassa visibilitat en alguns trams o revolts. Amb la millora del traçat objecte del present Projecte es pretén aconseguir una: · Disminució notable del temps de desplaçament entre Avinyó i Prats de Lluçanès, i alhora disminució del temps de desplaçament entre l’eix transversal i Prats de Lluçanès. · Millora de la connexió dels pobles propers a la via, Avinyó, Sant Feliu Sasserra i Prats de Lluçanès. · Millorar la seguretat de la població al municipis de Sant Feliu Sasserra · Reducció de la pressió sonora dins la població de Sant Feliu Sasserra provocada pel pas de vehicles per la carretera. Un cop millorada la qualitat de la via es pot afirmar que hi haurà un augment de trànsit important degut al tràfic induït provinent de les vies BV-4401 de Navàs a Prats de Lluçanès passant per Gaià, i de la BV-4406 que uneix l’eix del Llobregat (C-16) amb Prats de Lluçanès. Per tal de minimitzar l’impacte ambiental i paisatgístic de la millora, es considera adequar estudiar la viabilitat de l’aprofitament del traçat actual en aquells trams de carretera que acompleixin amb el que estableix la normativa vigent de traçat. Per contra, en els trams amb més concentració de revolts, es plantejaran i estudiaran diverses alternatives. També es objecte del present Projecte la travessera de Sant Feliu Sasserra, per on l’actual carretera B-431 discorre dins de població en una longitud de 925 m. Es proposen, per aquest tram, diverses alternatives, des de la construcció d’una variant fins al condicionament de la travessera passant a ser una via segregada. Per més detall de les diferents alternatives es pot consultar l’annex 5. Anàlisi d’alternatives