The representation of the surface pressure field in a two-dimensional hydrodynamic numeric model for the North Sea, the Skagerrak and the Kattegat

Summary

For the practical use of hydrodynamic numeric methods in surge forecasting the meteorological input data are assumed to be available as grid point values originating from numerical models of the atmosphere.

In the present investigation an attempt has been made to introduce into a HN model of the Hansen-type covering the North Sea, the Skagerrak and the Kattegat, the fields of pressure gradient and real wind near sea surface, which are derived from grid point distributions of surface pressure and temperature of air and sea.

It appears that a linear relation between geostrophic and real wind velocity near surface, as is suggested by other authors, is not sufficient for the highest wind velocities, but it might suitably be replaced by a square root function.

The model was tested by three major storm surge situations in the North Sea and the verification of the results is illustrated in diagrams comparing the time variation of the computed residual with hourly records from selected tide gauges.

Furthermore, a quality test has been carried out by means of a statistical analysis of computed residuals and hourly values of recorded residual from 16 tide gauges.

Regarding the representation of the meteorological data in the model the following demands should be met:

• 1. The grid point distance of the meteorological field must not exceed 150 km.

• 2. The input data from meteorological models have to be given at least for every three hours.

Zusammenfassung

Zur praktischen Anwendung von hydrodynamisch-numerischen Methoden in der Sturmflutvorhersage wird vorausgesetzt, daß die meteorologischen Eingangsdaten als Gitterpunktwerte von numerischen Modellen der Atmosphäre vorgegeben sind.

In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, für ein HN-Modell vom Typ Hansen für Nordsee, Skagerrak und Kattegat die für die Eingangsdaten notwendigen Feldverteilungen von Druckgradient und wahrem Wind an der Meeresoberfläche aus einer Gitterpunktverteilung von Luftdruck, Lufttemperatur und Wassertemperatur herzuleiten.

Eine lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des geostrophischen und des wahren Windes, wie sie von manchen Autoren angegeben wird, scheint für die hohen Windgeschwindigkeiten unzureichend zu sein. Eine Quadratwurzelfunktion dürfte für die Reduktion der Windgeschwindigkeit besser geeignet sein.

Versuche mit dem Modell wurden durchgeführt für drei schwere Sturmfluten in der Nordsee. Eine Verifikation der Resultate ist dargestellt in Diagrammen, die den zeitlichen Verlauf des berechneten Residuums zusammen mit registrierten Daten von ausgewählten Pegeln wiedergeben.

Weiterhin ist eine Qualitätsuntersuchung des Modelles durchgeführt worden mit Hilfe einer statistischen Analyse von berechneten Residua und entsprechenden Registrierungen von insgesamt 16 Pegeln.

Für die Repräsentation der meteorologischen Daten im Modell sollten folgende Minimalforderungen erfüllt sein:

• 1. Der Gitterabstand im meteorologischen Feld darf 150 km nicht überschreiten.

• 2. Die meteorologischen Eingangsdaten für das HN-Modell müssen mindestens alle 3 Stunden vorgegeben werden.

Résumé

Pour l'utilisation pratique de méthodes numériques hydrodynamiques dans la prévision des ondes de tempête, les données météorologiques collectées sont supposées être disponibles sous forme de valeurs ponctuelles d'un carroyage provenant de modèles numériques de l'atmosphère.

Dans la présente étude, on a essayé d'introduire dans un modèle HN du type Hansen couvrant la mer du Nord, le Skagerrak et le Kattegat, les champs de gradient de pression et de vent vrai au voisinage de la surface de la mer, qui sont dérivés de distributions de pression de surface et de température de l'air et de la mer définies par des points d'un carroyage.

Il apparaît qu'une relation linéaire entre les vitesses réelles et géostrophiques du vent vrai au voisinage de la surface, comme d'autres auteurs le suggèrent, n'est pas suffisante pour les plus grandes vitesses du vent, mais peut être remplacée de façon appropriée par une fonction racine carrée.

Le modèle a été essayé au cours de trois circonstances de fortes ondes de tempête en mer du Nord et la vérification des résultats est illustrée sous forme de diagrammes comparant la variation en fonction des temps du résidu calculé avec les enregistrements d'heure en heure de marégraphes choisis.

En outre, un test de qualité a été effectué au moyen d'une analyse statistique de résidus calculés et de valeurs d'heure en heure de résidus enregistrés de 16 marégraphes.

En ce qui concerne la représentation des données météorologiques dans le modèle, les conditions suivantes devraient être réunies:

• 1- La distance entre deux points du carroyage du champ météorologique ne doit pas excéder 150 km;

• 2- Les données provenant de modèles météorologiques doivent être données au moins toutes les 3 heures.