The use of a wave prediction model for driving a near-surface current model

Summary

The current near the sea surface is an important influence on the drift and dispersion of plankton, fish eggs and larvæ and other marine organisms, of oil slicks, chemical pollutants and other substances, and contributes significantly to the forces on marine structures. Since it is intimately associated with air-sea momentum and energy transfer, it affects, and is affected by, the atmospheric conditions, and, in the long term, the global climate.

Since surface gravity waves are almost always present at the air-sea interface, and carry significant energy and momentum, they should be taken into account when estimating near-surface currents. A one-dimensional current model is presented which does take waves into account. It uses a Lagrangian coordinate system, and the source terms from a directional spectral wave prediction model act to transfer momentum from the wave field to the current. After the wave model is run, but before it is used to drive the current, the source terms in the tail of the wave spectrum are parameterized in a way which deals consistently with the balance of wave energy, momentum and action. Numerical integration is performed by using a finite difference grid with a fine resolution near the surface, and an implicit time-stepping scheme is used. The model results are consistent with present knowledge of the behaviour of the surface current. Within the upper 1 metre, they depend strongly upon the behaviour of the wave spectral tail. Oscillations in the modelled high-frequency wave components, which arise when the wind forcing is changed rapidly, give rise to corresponding oscillations in the current: this effect may be physical or it may be due to a slight instability in the wave model.

Zusammenfassung

Die oberflächennahe Strömung im Meer hat einen bedeutenden Einfluß auf die Drift und Ausbreitung von Plankton, Fischeiern, Larven und anderen marinen Organismen, von Ölflecken, chemischen Schadstoffen und anderen Substanzen und liefert den Hauptbeitrag der Kräfte, die auf marine Bauwerke einwirken. Da sie eng verknüpft sind mit dem Impuls- und Energietransfer zwischen Ozean und Atmosphäre, beeinflussen sie den Zustand der Atmosphäre und langfristig betrachtet das globale Klima, bzw. werden dadurch beeinflußt.

Da Schwerewellen an der Grenzfläche Luft-Wasser fast ständig vorhanden sind und Energie und Impuls transportieren, sollten sie bei der Abschätzung oberflächennaher Strömungen berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein eindimensionales Strömungsmodell vorgestellt, das den Einfluß von Wellen berücksichtigt. Das Modell rechnet in einem Lagrangeschen Koordinatensystem. Die Quellterme, die aus einem Vorhersagemodell für das Richtungsspektrum des Seegangs stammen, bewirken den Impulstransfer vom Wellenfeld zur Strömung. Nach dem Lauf des Wellenmodells werden die Quellterme im hochfrequenten Ende des Spektrums parametrisiert, bevor sie in das Strömungsmodell eingehen. Diese Parametrisierung ist konsistent mit dem Gleichgewicht der Wellenenergie, des Wellenimpulses und der Wellenwirkung. Die numerische Integration geschieht in einem zeitlich impliziten Differenzenverfahren mit einem Gitternetz, das in Oberflächennähe eine feinere Auflösung hat. Die Modellergebnisse sind in Übereinstimmung mit dem gegenwärtigen Kenntnisstand über das Verhalten der Oberflächenströmungen. Innerhalb des ersten oberen Meters hängen die Ergebnisse stark vom Verhalten des hochfrequenten Endes des Wellenspektrums ab. Schwingungen in der modellierten hochfrequenten Wellenkomponente, die bei einer abrupten Änderung der Windanregung auftreten, lassen korrespondierende Schwingungen in der Strömung anwachsen: Dieser Effekt könnte physikalischer Natur sein oder aus einer schwachen Instablilität des Wellenmodells herrühren.

Résumé

Le courant superficiel a une influence importante sur la dérive et la dispersion du plancton, des oeufs de poisson, des larves et autres organismes marins, sur celles des nappes de pétrole, des polluants chimiques et d'autres substances. Il contribue de façon significative aux forces qui agissent sur les structures marines. Puisque ce courant est intimement lié aux interactions air-mer il affecte et est affecté par les conditions atmosphériques et à long terme le climat.

Comme les ondes de gravité qui sont presque toujours présentes à l'interface air-mer transportent une énergie et une quantité de mouvement significatives, elles devraient être prises en compte lorsqu'on veut faire une estimation des courants superficiels. Ainsi est présenté un modèle unidimensionnel de courant prenant en compte ces ondes. Il utilise un système de coordonnées Lagrangien et les résultats d'un modèle spectral de prédiciton de direction des vagues pour transférer la quantité de mouvement du champ de vague au courant. Aprés avour fait tourner le modèle de vague, mais avant d'en utiliser les résultats pour modéliser le courant, les résultats obtenus pour l'extrémité du spectre de vagues sont paramétrés d'une façon qui respecte l'équilibre de l'énergie et de la quantité de mouvement des vagues avec le mouvement.

L'intégration numérique est obtenue à partir d'une grille aux différences finies avec une fine résolution près de la surface et d'un schéma implicite pour le pas de temps. Les résultats du modèle sont cohérents avec la connaissance actuelle du comportement des courants de surface.

Dans la couche 0–1 mètre, ils sont très sensibles au comportement de l'extrémité du spectre des vagues.

Les variations des composantes à haute fréquence des vagues qui apparaissent dans le modèle lorsque le forçage du vent change rapidement donnent lieu à des variations correspondantes du courant.

Cet effet peut être physique ou peut être dû à une légère instabilité du modèle de vague.