Waves in Archipelagos

Show full item record



Permalink

http://hdl.handle.net/10138/308954
Title: Waves in Archipelagos
Author: Björkqvist, Jan-Victor
Date: 2020-01
Belongs to series: Finnish Meteorological Institute Contributions 159
ISBN: 978-952-336-093-8
ISSN: 0782-6117
URI: http://hdl.handle.net/10138/308954
Abstract: Waves are important for both the leisure and safety of the human population. Open-sea waves have been studied since the 1940’s and their central properties are known. The wave field is described by the so called wave spectrum, which is a decomposition of the wave energy with respect to the wave frequency. In practice, the wave field is still often reduced to a few parameters, most importantly the dominant frequency (so called peak frequency) and the significant wave height. These parameters, however, does not sufficiently describe an archipelago wave field, but waves in archipelagos have still received rela - tively little attention from the scientific community. This thesis focuses on waves in archipelagos, and the study was carried out by using both numerical models and instrumental observations from the Helsinki archipelago and the Archipelago Sea in the Baltic Sea. Waves in archipelagos are heavily affected by the numerous small islands; they attenuate long waves arriving from the open sea, while also defining new fetches for local waves. As a result, the wave spectrum has a wide frequency range where the energy is practically constant. The existence of this energy carrying range is in contrast to open sea measurements where the energy is concentrated around one dominant frequency. This study proposed a characteristic frequency that quantified the centre of the energy carrying range. For a traditional open sea spectrum the characteristic frequency closely resembled the dominant frequency, thus making it suitable for a wide range of wave conditions. The height of single waves in the archipelago were lower relative to the significant wave height. As a consequence, there was a large (10-15%) discrepancy between two definitions of the significant wave height; in the open sea this discrepancy is typically only 7-8%. The three numerical models of this study simulated the archipelago wave field well. The largest discrepancy with the observations was found in an area just outside the archipelago that was sheltered by a peninsula. Inside the archipelago the models disagreed slightly on the energy distribution within the energy carrying range. These small differences strongly affected the dominant frequency in a way that was not representative of the good model performance. The differences were inconsequential for the significant wave height. During certain conditions the energy of the shortest waves were underestimated when using more advanced methods to calculate the energy transfer from the wind to the waves, most probably because a too small friction velocity. A simple older method to determine the friction velocity reproduced the shorter waves well. Coarse operational wind products were sufficient to force the high-resolution coastal wave models. Providing wind data only every third hour reduced the variability in the modelled wave field in the time scales between 2 and 10 hours. An hourly wind product captured all variations well, except for the statistical sampling variability in the measurements. Spatial properties of the wave field were inferred from high-frequency wave staff measurements taken by R/V Aranda. These measurements were used to form a new wave spectrum where the waves are decomposed according to their inverse phase-speed. The new spectrum agreed well with the spatial wavenumber spectrum for the shortest waves, while the frequency spectrum did not. The good agreement between the inverse phase-speed spectrum and the wavenumber spectrum meant that the effect of the Doppler shift was small. The reason for the disparate results of the frequency domain were attributed to wave non-linearities. Using direct measurements to determining the waves as a function of their phase speed can be useful when studying the interaction between the wind and the waves, since no additional current measurements are needed to quantify the real wave speed relative to the wind. *** Havsvågor är viktiga för människor både ur ett rekreations- och säkerhetsperspektiv. Det öppna havets vågor har studerats sedan 1940-talet och deras centrala egenskaper är kända. Vågfältet beskrivs av det så kallade vågspektrumet, i vilket vågornas energi bryts med avseende på deras frekvens. I praktiken reduceras vågfältet ofta till några beskrivande parametrar, varav de viktigaste är den dominanta vågfrekvensen och den signifikanta våghöjden. Dessa parametrar beskriver inte vågorna i skärgården tillräckligt bra, men skärgårdens vågor har ändå fått tämligen lite vetenskaplig uppmärksamhet. Denna avhandling undersökte skärgårdens vågor både med numeriska modeller och observationer från Helsingfors skärgård och Skärgårdshavet. Skärgårdens vågor påverkas i betydande grad av skärgårdens otaliga små öar; de dämpar längre vågor som anländer från det öppna havet, medan de samtidigt skapar nya svepsträckor för lokala vågor. Därför har vågspektrumet ett brett frekvensband där vågenergin är praktiskt taget konstant. Existensen av ett sådant här energibärande frekvensband står i kontrast till observationer från det öppna havet där energin är starkt koncentrerad kring en dominant frekvens. I detta arbete definierades en ny karakteristisk frekvens vilken beskriver medelpunkten av det energibärande frekvensbandet för skärgårdsvågor. För de typiska vågorna i öppna havet var denna nya karakteristiska frekvens nära den traditionella dominanta frekvensen, vilket gjorde denna nya parameter lämplig för att beskriva vågfält under vitt skilda omständigheter. I skärgården var höjden på de enskilda vågorna (i förhållande till den signifikanta våghöjden) lägre än på det öppna havet. Som en följd skilde sig de två traditionella definitionerna på den signifikanta våghöjden starkt (10-15%); på öppna havet är denna skillnad oftast bara 7-8%. De tre numeriska vågmodellerna simulerade vågfältet i skärgården väl. De största felen fanns i ett område utanför skärgården som var delvis skyddat av Porkala udden. Inom skärgården betonade modellerna energidistributionen i det energibärande frekvensbandet på olika vis. För den traditionella dominanta frekvensen införde de små skillnaderna en stark avvikelse gentemot observationerna, även om denna avvikelse inte stod i proportion till de egentliga skillnaderna mellan modellerna och observationerna. För beräknandet av den signifikanta våghöjden var skillnaderna obetydliga. Under vissa omständigheter underbetonades energin för de korta vågorna ifall energiflödet från vinden till vågorna beräknades enligt en mera avancerad metod. Detta var troligen ett resultat av en för låg friktionshastighet. En äldre metod för att beräkna energiflödet till vågorna uppvisade inte en liknande avvikelse. De grova operativa vindprodukterna var tillräckliga för att driva vågmodellerna vid kusten, men modellerna kunde inte simulera vågfältets variationer med en tidsskala på 2–10 timmar ifall vindinformationen uppdaterades bara var tredje timme. Med vinddata som gavs varje timme kunde modellen fånga alla variationer, förutom den statistiska variabiliteten i vågobservationerna. Genom att använda R/V Arandas högfrekventa vågobservationer tagna med kapacitiva trådar kunde även spatiell information deduceras. Dessa observationer användes för att definiera ett nytt vågspektrum i vilket vågorna beskrivs genom deras (inverterade) fashastighet istället för deras frekvens eller vågnummer (inversen av våglängden). Detta nya vågspektrum stämde överens med det rent spatiella vågnummerspektrumet för de kortaste vågorna, medan frekvensspektrumet gav olika resultat. Dopplereffekten bedömdes vara liten, eftersom den skulle ha påverkat fashastighetsspektrumet. Orsaken till skillnaderna var vågornas icke-linjära egenskaper, vilka påverkade den högfrekventa delen av frekvensspektrumet. Att beskriva vågorna med hjälp av den direkt observerade fashastigheten kan vara användbar då man undersöker interaktionen mellan vinden och vågorna, eftersom man då inte behöver skilda vattenströmningsmätningar för att bestämma vågornas verkliga hastighet i förhållande till vindhastigheten.
Subject: Waves
Archipelagos
Baltic Sea
Wave modelling


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Jan-Victor_Björkqvist_Thesis.pdf 27.06Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record