Assimilatie van satelliet- en boeigegevens in de voorspelling van golven op zee

Abstract

Baggeraars en offshore aannemers hebben groot belang bij goede voorspellingen van zowel windzee als deining. Deze voorspellingen kunnen gebaseerd zijn op observaties of op numerieke golfmodellen. Data assimilatie is een manier om de observaties zodanig te gebruiken, dat de model golfparameters zo dicht mogelijk de gemeten golfparameters benaderen. Hierbij worden zowel het golfmodel als de windvelden, die als invoer dienen voor het golfmodel, aangepast door correctie van wind- en modelparameters (stuurvariabelen). De windvelden bevatten namelijk fouten, die een belangrijke bron van fouten zijn in golfvoorspellingen. De in dit onderzoek toegepaste assimilatie methode (de multi-time-level methode der kleinste kwadraten) is gebaseerd op het minimaliseren van een kostfuctie, die o.a. het kwadratische verschil tussen de gemeten en de berekende significante golfhoogte (//,) bevat, waarbij de waarden van de stuurvariabelen (constant in de tijd en de plaats) gecorrigeerd worden. De nieuwe waarden van de stuurvariabelen, die behoren bij het minimum van de kostfunctie, worden gebruikt in een nieuwe (geassimileerde) golfmodelrun. De methode is toegepast op twee stormen in de Groenlandzee/Noorse Zee in de periode 1-10 maart 1993. De geassimileerde significante golfhoogten zijn afkomstig van de radar altimeter van de ERS-1 satelliet en de Waverider boeien bij Scott (Noordzee) en Haltenbanken (Noorse Zee). Het gebruikte golfmodel is DOLPHIN-B, een le/2e generatie diep water, discreet, spectraal, éénpunts golfmodel, dat de spectrale energiedichtheid berekent langs stralen vanuit het voorspellingspunt. In dit onderzoek is een klein aantal 'overall' windparameters als stuurvariabelen gebruikt om de assimilatie te sturen, zoals de lokatie van de storm, de diepte van de depressie etc.. Tevens is een dissipatie coëfficiënt in het golfmodel als stuurvariabele gebruikt. In de geassimileerde modelrun zijn de nieuwe waarden van de stuurvariabelen geëxtrapoleerd naar de 'forecast' periode. Verschillende (combinaties van) metingen van H, zijn in de assimilaties gebruikt om de invloed van assimilatie van lokale (boei) en/of globale (satelliet) informatie op de golfvoorspelling te onderzoeken, zowel in de assimilatieperiode als in de 'forecast'. Tevens is de invloed van de grootte van de gekozen onzekerheid in de stuurvariabelen op de correctie van die stuurvariabelen onderzocht. De resultaten van de geassimileerde golfmodelruns zijn vergeleken met de metingen en de eerste schattingen ('first guess' runs) van het golfmodel. De berekeningen zijn gedaan ter plaatse van de tracks van de ERS-1 en de lokaties van de boeien. Het resultaat, uitgedrukt in een scatterindex (= r.m.s.-verschil tussen metingen en modelresultaat, genormaliseerd met het gemiddelde van de metingen) is zeer verheugend voor de voorspelling van HS: de scatterindex in de forecast periode bij Scott neemt af van 36.8% in de first guess naar 13.1% na assimilatie. Bij Haltenbanken neemt deze af van 12.4% naar 9.1%. In de assimilatieperiode nemen de scatterindices af met dezelfde orde van grootte. Assimilatie van alléén (lokale) boeigegevens blijkt over het algemeen betere resultaten voor de voorspelling van HA in een voorspellingspunt op te leveren dan bij het gebruik van (combinatie van boeigegevens met) de globale ERS-1 gegevens. Het totale golfveld wordt door de ERS-1 gegevens gecorrigeerd, waardoor de correctie in één punt niet optimaal zal zijn, maar een soort van 'gemiddelde correctie' is. De assimilatie van H, voor het voorspellen van deining blijkt minder goede resultaten op te leveren: de scatterindices voor de deiningshoogte worden na sommige assimilaties zelfs slechter dan in de first guess. Indien er hoofdzakelijk deiningsenergie in het first guess spectrum aanwezig is, wordt de voorspelling van de deiningshoogte wèl significant verbeterd bij assimilatie van H5, voornamelijk bij assimilatie van de globale ERS-1 metingen. De grootte van de gekozen standaard deviatie van de stuurvariabelen heeft geen grote invloed op de correcties van de stuurvariabelen, noch op de golfvoorspelling. Wel levert een grote standaard deviatie (> 10°) van de draaiing van de windvectoren zeer grote (fysisch onacceptabele) correcties van de richting van de windvectoren op: 30° a 40°. De dissipatie coëfficiënt van het golfmodel wordt bij alle assimilaties zoveel gecorrigeerd, dat nader onderzoek naar de first guess waarde van deze stuurvariabele gewenst is. Het golf assimilatie systeem in deze opzet is een effectieve en efficiënte manier gebleken om een verbeterde golfvoorspelling te maken. Effectief omdat er bij grove correctie van slechts een paar stuurvariabelen reeds een significante verbetering in de golfvoorspelling optreedt. Efficiënt omdat het systeem slechts een paar uur rekentijd op een eenvoudige PC behoeft en dus geschikt lijkt voor operationele doeleinden (op snellere machines) en dus vrij goedkoop is.