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