Analysis and Development of Oceanographic Models: reaching the Swash Zone The swash zone is the part of the beach where the final dissipation of short- wave energy usually occurs, while low-frequency wave energy is, generally, reflected back to sea. In addition, there is generation and reflection of further low-frequency waves. Swash zone flows are of fundamental importance not only because of their local effects but also because they can affect the surf zone dynamics as a whole. Notwithstanding its importance, typical circulation models do not account for the swash zone dynamics and simplified boundary conditions are often used, like that of perfect absorption or perfect reflection (rigid wall), at the inshore boundary of the computational domain. However, within such infinitesimal swash zone no generation or modification of low frequency waves can occur and all incoming low frequency waves are reflected at a single point. With this contribution we explore the possibility of implementing into wave-averaged solvers, a theoretical model that gives full account, through an integral approach, of the swash zone dynamics. Once such model is im- plemented, the wave-averaged solver will be able to calculate the position of a mean shore line and provide along it shoreline boundary condition (SBCs) which take in account of the swash zone dynamics.The hydrodynamic model ROMS and the wave driver SWAN have been both run alone into the COAWST modeling system (reference solution ROM Ssl ) and run in conjunction with a purpose-built routine for both: the calcula- tion of a mean shoreline and to provide along it shoreline boundary condi- tion (SBCs) which take into account of the swash zone dynamics (solution ROM SSBCs to be tested). Forcing was provided by imposing shore-normal waves at the off-shore boundary of the SWAN domain. Running ROM Ssl at really high resolutions, allows to reach the very shallow waters where the artificial shoreline conditions of rigid wall describes well the shoreline motion. Using the proposed SBCs allowed us to reproduce a shoreline close to the one obtained by ROM Ssl with a 0.1 m cross-shore resolution, but using a much coarser grid of 4 m. At the coarser resolution of 8 m also the proposed SBCs cannot properly represent xl . The time needed for the simulation run with the best resolved ROMS solution is in the order of some hours, while the one carried out with the proposed SBCs and a fourty times coarser cross-shore resolution is in the order of some minutes. Hence, the great advantage, in terms of computational costs, of using the proposed SBCs is very evident. A parametric analysis of the evolution equation for the mean shoreline reveals that the swash zone volume, seems to change in importance across different numerical experiments thus, further investigations are needed to clarify its importance. Sensitivity analyses have been carried out also to test the best location where to start the integration of the Riemann function. These analysis confirmed the importance of a good estimation of positive Riemann variable for a good estimation of the shoreline motion.

Analisi e sviluppo di modelli oceanografici: per raggiungere la zona di battigia La battigia è la parte della spiaggia dove la dissipazione finale delll’energia delle onde di solito si verifica, mentre l’energia delle onde a bassa frequenza è, generalmente, riflessa verso mare. Inoltre, avviene anche la generazione e la riflessione di ulteriori onde a bassa frequenza. I flussi nella zona di bat- tigia sono di fondamentale importanza non solo per i loro effetti locali ma anche perché possono influenzare la dinamica di tutta la zona costiera. No- nostante la sua importanza, i tipici modelli di circolazione non tengono conto della dinamica della zona di battigia e al contorno di riva vengono applicate condizioni semplificate. Spesso queste condizioni sono prevedono il totale assorbimento o la perfetta riflessione delle onde incidenti (parete rigida), al confine verso costa del dominio computazionale. Tuttavia, all’interno di una zona di battigia infinitesimale nessuna generazione o modifica di onde a bas- sa frequenza può verificarsi e tutte le onde in arrivo a bassa frequenza sono riflesse in un unico punto. Con questo contributo si esplora la possibilità di implementare in solutori di tipo wave-averaged , un modello teorico che tiene pienamente conto, attraverso un approccio integrale, delle dinamiche zona di battigia. Una volta che tale modello è implementato, il risolutore wave-averaged sarà in grado di calcolare la posizione della linea di riva e di fornire lungo questa le principali proprietà del flusso. Che tengono conto della dinamiche della zona di battigia.Il modello idrodinamico ROMS e il modello d’onda SWAN sono stati entrambi utilizzati individualmente (soluzione di riferimento ROM Ss l) o in combinazione con un di routine per il calcolo delle SBCs per il calcolo di una linea di riva media e per fornire lungo di essa le condizione al contorno (SBCS) che tengono conto della dinamica della zona di battigia (soluzione ROM SSBC da testare). La forzante è stata fornita imponendo treni dionde entranti lungo il bordo del dominio di calcolo a largo di SWAN. L’utilizzo di ROM Ssl ad alte risoluzioni, consente di raggiungere ac- que poco profonde dove la condizione di muro artificiale descrive bene il movimento litorale. Utilizzando le SBCs proposte ci hanno permesso di riprodurre una linea di riva simile a quella ottenuta da ROM Ssl con una risoluzione di 0,1 m ma utilizzando una griglia più grossolana di 4 m. Alla risoluzione più grossolana di 8 m anche le SBCs proposte non possono adeguatamente rappresentare xl . Il tempo necessario per la simulazione eseguita con ROMS ad alta ri- soluzione è dell’ordine di alcune ore, mentre quello effettuato con le SBCs proposte con una risoluzione quaranta volte più grossolana è dell’ordine di alcuni minuti. Qui, il grande vantaggio, in termini di costo computazionale, di utilizzare le proposte SBC è molto evidente. Analisi parametriche dell’equazione di evoluzione della linea di riva media, rivela che il volume della zona di battigia, sembra cambiare per importanza tra i diversi esperimenti numerici

Analysis and Development of Oceanographic Models: reaching the Swash Zone

MEMMOLA, FRANCESCO
2017-03-22

Abstract

Analisi e sviluppo di modelli oceanografici: per raggiungere la zona di battigia La battigia è la parte della spiaggia dove la dissipazione finale delll’energia delle onde di solito si verifica, mentre l’energia delle onde a bassa frequenza è, generalmente, riflessa verso mare. Inoltre, avviene anche la generazione e la riflessione di ulteriori onde a bassa frequenza. I flussi nella zona di bat- tigia sono di fondamentale importanza non solo per i loro effetti locali ma anche perché possono influenzare la dinamica di tutta la zona costiera. No- nostante la sua importanza, i tipici modelli di circolazione non tengono conto della dinamica della zona di battigia e al contorno di riva vengono applicate condizioni semplificate. Spesso queste condizioni sono prevedono il totale assorbimento o la perfetta riflessione delle onde incidenti (parete rigida), al confine verso costa del dominio computazionale. Tuttavia, all’interno di una zona di battigia infinitesimale nessuna generazione o modifica di onde a bas- sa frequenza può verificarsi e tutte le onde in arrivo a bassa frequenza sono riflesse in un unico punto. Con questo contributo si esplora la possibilità di implementare in solutori di tipo wave-averaged , un modello teorico che tiene pienamente conto, attraverso un approccio integrale, delle dinamiche zona di battigia. Una volta che tale modello è implementato, il risolutore wave-averaged sarà in grado di calcolare la posizione della linea di riva e di fornire lungo questa le principali proprietà del flusso. Che tengono conto della dinamiche della zona di battigia.Il modello idrodinamico ROMS e il modello d’onda SWAN sono stati entrambi utilizzati individualmente (soluzione di riferimento ROM Ss l) o in combinazione con un di routine per il calcolo delle SBCs per il calcolo di una linea di riva media e per fornire lungo di essa le condizione al contorno (SBCS) che tengono conto della dinamica della zona di battigia (soluzione ROM SSBC da testare). La forzante è stata fornita imponendo treni dionde entranti lungo il bordo del dominio di calcolo a largo di SWAN. L’utilizzo di ROM Ssl ad alte risoluzioni, consente di raggiungere ac- que poco profonde dove la condizione di muro artificiale descrive bene il movimento litorale. Utilizzando le SBCs proposte ci hanno permesso di riprodurre una linea di riva simile a quella ottenuta da ROM Ssl con una risoluzione di 0,1 m ma utilizzando una griglia più grossolana di 4 m. Alla risoluzione più grossolana di 8 m anche le SBCs proposte non possono adeguatamente rappresentare xl . Il tempo necessario per la simulazione eseguita con ROMS ad alta ri- soluzione è dell’ordine di alcune ore, mentre quello effettuato con le SBCs proposte con una risoluzione quaranta volte più grossolana è dell’ordine di alcuni minuti. Qui, il grande vantaggio, in termini di costo computazionale, di utilizzare le proposte SBC è molto evidente. Analisi parametriche dell’equazione di evoluzione della linea di riva media, rivela che il volume della zona di battigia, sembra cambiare per importanza tra i diversi esperimenti numerici
Analysis and Development of Oceanographic Models: reaching the Swash Zone The swash zone is the part of the beach where the final dissipation of short- wave energy usually occurs, while low-frequency wave energy is, generally, reflected back to sea. In addition, there is generation and reflection of further low-frequency waves. Swash zone flows are of fundamental importance not only because of their local effects but also because they can affect the surf zone dynamics as a whole. Notwithstanding its importance, typical circulation models do not account for the swash zone dynamics and simplified boundary conditions are often used, like that of perfect absorption or perfect reflection (rigid wall), at the inshore boundary of the computational domain. However, within such infinitesimal swash zone no generation or modification of low frequency waves can occur and all incoming low frequency waves are reflected at a single point. With this contribution we explore the possibility of implementing into wave-averaged solvers, a theoretical model that gives full account, through an integral approach, of the swash zone dynamics. Once such model is im- plemented, the wave-averaged solver will be able to calculate the position of a mean shore line and provide along it shoreline boundary condition (SBCs) which take in account of the swash zone dynamics.The hydrodynamic model ROMS and the wave driver SWAN have been both run alone into the COAWST modeling system (reference solution ROM Ssl ) and run in conjunction with a purpose-built routine for both: the calcula- tion of a mean shoreline and to provide along it shoreline boundary condi- tion (SBCs) which take into account of the swash zone dynamics (solution ROM SSBCs to be tested). Forcing was provided by imposing shore-normal waves at the off-shore boundary of the SWAN domain. Running ROM Ssl at really high resolutions, allows to reach the very shallow waters where the artificial shoreline conditions of rigid wall describes well the shoreline motion. Using the proposed SBCs allowed us to reproduce a shoreline close to the one obtained by ROM Ssl with a 0.1 m cross-shore resolution, but using a much coarser grid of 4 m. At the coarser resolution of 8 m also the proposed SBCs cannot properly represent xl . The time needed for the simulation run with the best resolved ROMS solution is in the order of some hours, while the one carried out with the proposed SBCs and a fourty times coarser cross-shore resolution is in the order of some minutes. Hence, the great advantage, in terms of computational costs, of using the proposed SBCs is very evident. A parametric analysis of the evolution equation for the mean shoreline reveals that the swash zone volume, seems to change in importance across different numerical experiments thus, further investigations are needed to clarify its importance. Sensitivity analyses have been carried out also to test the best location where to start the integration of the Riemann function. These analysis confirmed the importance of a good estimation of positive Riemann variable for a good estimation of the shoreline motion.
Swash zone
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