Simulación del oleaje durante huracanes y su impacto...

SimulaciSimulacióón del oleaje durante huracanes n del oleaje durante huracanes y su impacto costeroy su impacto costero

Dr. Omar G. Dr. Omar G. LizanoLizano

Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI), Centro de Investigación en Ciencias del Mar y Limnología (CIMAR), Departamento de Física Atmosférica, Oceánica y Planetaria (DFAOP), Escuela de Física, Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica. E-mail: omar.lizano@ucr.ac.cr

Amenazas durante un huracán

Las principales amenazas durante un huracán son:

La marejada de tormenta o borrascamarina

Vientos de gran intensidad

Alta precipitación

Oleaje

Formación de tornados

1- La marejada de tormenta o borrasca marina

2. Viento

3- Precipitación:

Precipitaciones de 6 a 12 pulgadas son comunes El riesgo de las inundaciones depende de un número de factores:Κ La velocidad de la tormentaΚ Su interacción con otros sistemas meteorológicosΚ El tipo de terreno en el lugar Κ El grado de saturación.

Precipitación tierra adentro inundaciones repentinas. Ej: Cabeza de agua en el cause de los ríos, que junto con los deslizamientos en regiones montañosas, constituyen una de las mayores amenazas.

4- OLEAJE

El oleaje montado sobre la borrasca y el agua apilada por el viento es la que produce mayor destrucción tierra adentro.

El nivel de alcance de esta marejada depende de la pendiente de la plataforma frente al lugar donde está impactando el huracán.

Niveles del marNiveles del mar

Modelos numModelos numééricos en el ocricos en el océéanoano

•• Modelos de circulaciModelos de circulacióónn•• Modelos de mareasModelos de mareas•• Modelos de generaciModelos de generacióón de olasn de olas•• Modelos de vientoModelos de viento•• Modelos de marejada de huracModelos de marejada de huracáánn

Modelos de generaciModelos de generacióón de n de olasolas

Modelos de generaciModelos de generacióón de olasn de olas

EcuaciEcuacióón de balance de energn de balance de energíía:a:

donde: donde:

F = F (F = F (ωω,,θθ,x,t,x,t)) es el espectro de energes el espectro de energíía de ola, a de ola, ccgg = = ccgg ((ωω,,θθ)); ; velocidad de propagacivelocidad de propagacióón del grupo de olas, n del grupo de olas, SStottot= = SStottot((ωω,,θθ, , x,tx,t)) la funcila funcióón neta de todos los procesos que n neta de todos los procesos que agrupan, remueven o distribuyen energagrupan, remueven o distribuyen energíía en el espectro de olas, a en el espectro de olas, ωω ((=2=2ππff) es la frecuencia angular de ola,) es la frecuencia angular de ola, θθ es la direccies la direccióón de la ola, n de la ola, xx es el vector posicies el vector posicióón de la ola y n de la ola y tt es el tiempo.es el tiempo.

totgg SFcFctF

=∇∂∂

+⋅∇+∂∂ )).(()( θ

θ

Modelos de generaciModelos de generacióón de olasn de olas

nldsintot SSSS ++=

Términos fuente:

Sin: energía de entrada por el viento. Sds: disipación de energía de olaSnl: interacciones no lineal entre ondas

Ejemplo de aplicaciEjemplo de aplicacióón costeran costera

Modelo SWAN 40.01

Condiciones promedio de oleaje y viento (noroeste):

Condiciones promedio de oleaje y viento (oeste):

Condiciones promedio de oleaje y viento (suroeste):

Condiciones extremas de oleaje y viento (NW1: H1/3 TpA Viento=0 ):

Condiciones extremas de oleaje y viento (NW2: H1/3 TpA Viento≠0 ):

Modelos de generaciModelos de generacióón de olasn de olas

Modelos de olas mas usados:- WAM (WAve Model): aguas profundas- SWAN (Simulating WAves Nearshore): aguas

llanas, someras o poco profundas- WAVEWATCH III: aguas profundas

Modelos de vientoModelos de viento

rR

n

max

epppp−

−+= )( 00

[ ]maxonmax fRPPKV 5.0)( 2/1 −−=

Según Myer (1954):

Utilizando la expresión de viento gradiente en r = Rmax:

Donde “p es la presión atmosférica, “p0” la prisión central,“pn” la presión ambiente, “r” es la distancia al centro del huracán,“R” es el radio de viento máximo.

VVóórtice rtice RankineRankine (1947)(1947)

)()( max RrVrV =

)()( max rRVrV =

r < R

r > R

r < R

r > R

2/3max )()(

RrVrV =

2/1max )()(

rRVrV =

Modelo de Jelesniansky (1974)

Perfiles de viento de huracán

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000Distancia (Km)

Vel

ocid

ad (m

/seg

) JelesniRankine

donde donde CC11 = 3.354, = 3.354, CC22 = 1.265x10= 1.265x103 3 ((CollinsCollins andand ViehnamanViehnaman, 1971), , 1971), kk y m y m son constantes ajustados empson constantes ajustados empííricamente con datos de huracanes.ricamente con datos de huracanes.

CollinsCollins y y ViehnamanViehnaman (1971):(1971):

r > Rr > R

R > r > R/3R > r > R/3

R/3 > rR/3 > r

)()()(21mk

max

rCRLog

rCVrV ∗=

)3/1(5.1)( −=RrVrV max

0)( =rV

Modelo del Modelo del NationalNational WeatherWeather ServiceService (1979):(1979):

r < Rr < R

r > Rr > R

Donde A, a y b son coeficientes ajustados con datos de huracanesDonde A, a y b son coeficientes ajustados con datos de huracanes..

El Modelo de El Modelo de HollandHolland (1980):(1980):

)2

()(RrsinVrV A

max∏

=

[ ] )*3.11()(1

)/)((−

−−−=bRRra

max eVrV

2422)/exp()(

)(5.0rffr

rrAppAB

rUg B

bon −

+

−−=

ρ

Modelo de Combinado (Modelo de Combinado (LizanoLizano , 1990):, 1990):

r > Rr > R

r < R r < R

Con:Con:

)2()( 22 rRRrVrV max +

=

)()()(21

maxmk rCRLog

rCVrV ∗=

[ ] fonmax VRfPPV 5.025.0)(364.63885.0 2/1 +−−=

DistribuciDistribucióón espacial del viento en n espacial del viento en caso de un huraccaso de un huracáánn

Perfiles de viento verticales en un huracán

05

1015202530354045

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85Distancia (Km)*5

Vel

ocid

ad (m

/seg

)

CombinadoHolland

Perfiles de viento horizontales para un hurcán

0

10

20

30

40

50

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103

Distancia (Km)*5

Vel

ocid

ad (m

/seg

) CombinadoHolland

Combinado Holland

Algunas aplicaciones con huracanesAlgunas aplicaciones con huracanes

Huracán George - Boya 42040

02468

10121416

25 26 27 28 29Día

Altu

ra (m

)

BoyaCombinadoHolland

A Huracán George - Boya 42039

0

2

4

6

8

10

25 26 27 28 29Día

Altu

ra (m

)

BoyaCombinadoHolland

B

Huracán George - Boya 42001

0

1

2

3

4

5

25 26 27 28 29

Día

Altu

ra (m

)

BoyaCombinadoHolland

C Huracán George - Boya 42036

0

1

2

3

4

5

6

25 26 27 28 29Día

Altu

ra (m

)

BoyaCombinadoHolland

D

Huracanes en el PacHuracanes en el Pacíífico Tropical fico Tropical EsteEste

Frecuencia mensual de huracanes

Dos aplicaciones de interDos aplicaciones de interééss

H. Lane set., 2006 H. John, ago.-set., 2006

BatimetrBatimetrííaa

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n LaneLane

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SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n JohnJohn

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SimulaciSimulacióón de oleaje para el n de oleaje para el HuracHuracáán n JohnJohn

Procesos costerosProcesos costeros

Datos de entradaDatos de entrada

Rejilla Topografía y batimetría

ImplementaciImplementacióón de modelo n de modelo numnumééricorico

Un ejercicio para AcapulcoUn ejercicio para Acapulco

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

SimulaciSimulacióón de viento y oleajen de viento y oleaje

Viento Oleaje

Modelo de marejada de huracanesModelo de marejada de huracanes

gDU

dxdS 2)cos( φζ=

donde: donde:

•• S es la altura de la marejada, S es la altura de la marejada, •• x es la distancia, x es la distancia, •• ζζ eses una constante, una constante, •• U la velocidad delU la velocidad del viento, viento, •• D la nueva profundidad d + S D la nueva profundidad d + S •• φφ es el es el áángulo entre el viento y la direccingulo entre el viento y la direccióón x.n x.

Perfiles batimPerfiles batiméétricostricos

Modelo de marejada de huracanesModelo de marejada de huracanes

)()cos( 2

1n

nn SdgUxSS

+∆+=+

φ

donde: donde:

•• S es la altura de la marejada, S es la altura de la marejada, •• x es la distancia, x es la distancia, •• ζζ eses una constante, una constante, •• U la velocidad delU la velocidad del viento, viento, •• d la profundidadd la profundidad•• φφ es el es el áángulo entre el viento y la direccingulo entre el viento y la direccióón x.n x.

Solución de Euler de primer orden:

Altura de marejada sobre AcapulcoAltura de marejada sobre Acapulco

Marejada de tormenta para Huracán John sobre Acapulco

05

1015202530354045

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Puntos a lo largo de perfil

Altu

ra (c

m)

Hora 48Hora 42Hora 36

Marea en Acapulco el 30 ago, 06Marea en Acapulco el 30 ago, 06