Nested modelling of wave processes from deep to shallow water: Building an operational wave model system

Pelli, Dario

In this thesis, a model system for simulating the wave processes from the open ocean to the shoreline is proposed. In particular, the focus is put on modelling extreme wave conditions in the Mediterranean Sea and the aim is to develop a supporting tool for decision making in the early-warning process. This aim is motivated by the high number of damages due to extreme high waves conditions which occur worldwide every year. Moreover, the increasing population density and climate change in coastal zones enhance the risk for human life and coastal activities in the next future. The model system is built by linking three existing models, properly selected for their ability of simulating physical In particular, the WAVEWATCH~III model is selected for the wave processes in deep water, the SWAN model for wave processes in intermediate/shallow water, and the XBeach model for wave processing in the nearshore where changes of seabed will affect wave propagation. The three models are nested by adopting a modular approach, in which each model works separately, and a new module is developed in order to transfer the initial and boundary conditions from the largest scale to the smallest scale of the model chain. The advantage of the modular approach is that no or only slight modifications of the source code of the existing models are needed. Moreover, the system can be easily updated by introducing improvements/extensions, or fully new versions of the single models without modification of the structure of the system. The developed model system, called NEMO system, is calibrated and validated, and applied to a real test case in the coast of Versilia (North Tuscany, Italy).

In dieser Doktorarbeit ist ein Modellsystem zur Simulation der Wellenprozesse vom offenen Ozean bis zur Küstenlinie entwickelt worden. Insbesondere liegt der Schwerpunkt dieser Studie auf der Modellierung extremer Wellenereignisse, welche durch extreme Sturmereignisse im Mittelmeer erzeugt werden. Das Ziel ist es ein Frühwarnsystem zu entwickeln, welches bei der Entscheidungsfindung über Küstenschutzmaßnahmen, auch im Katastrophenfall, unterstützen kann. Diese Arbeit ist durch die hohe Anzahl und die Größe der weltweiten Schäden in Küstengebieten, welche jedes Jahr als Folge von extremen Wellenereignisse auftreten, motiviert worden. Darüber hinaus erhöht sich in der nahen Zukunft das Risiko für die zunehmende Bevölkerung, welche in den Küstengebieten lebt und arbeitet, durch den Klimawandel, welcher zu einer Zunahme von Schlechtwetterereignissen führt. Das Modellsystem besteht aus der Verknüpfung von drei vorhandenen Modellen. Jedes Modell ist entsprechend seiner Fähigkeiten ausgewählt worden, um die Gesamtheit der physikalische Prozesse zu simulieren, welche die räumliche und zeitliche Verteilung der Wellen beeinflusst. Insbesondere sind das WAVEWATCH III-Modell für die Wellenprozesse in tiefem Wasser, das SWAN-Modell für Wellenprozesse in intermediärem / seichtem Wasser und das XBeach-Modell für Wellenprozesse im Küstenbereich, wo Veränderungen des Meeresbodens die Wellenausbreitung beeinflussen, ausgewählt worden. Die drei Modelle werden verschachtelt, indem ein modularer Ansatz gewählt wird, bei dem jedes Modell separat arbeitet und ein neues Modul entwickelt, um die Anfangs- und Randbedingungen vom größten Maßstab auf den kleinsten Maßstab der Modellkette zu übertragen. Der Vorteil des modularen Ansatzes besteht darin, dass keine oder nur geringfügige Modifikationen des Quellcodes der vorhandenen Modelle erforderlich sind. Darüber hinaus kann das System leicht aktualisiert werden, indem Verbesserungen / Erweiterungen oder vollständig neue Versionen der einzelnen Modelle einfach eingeführt werden, ohne die Struktur des Systems zu verändern. Das entwickelte Modellsystem, welches NEMO-System genannt wird, ist auf einen realen Testfall an der Küste der Versilia (Nordtoskana, Italien) kalibriert und validiert und angewendet worden.

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Pelli, Dario: Nested modelling of wave processes from deep to shallow water: Building an operational wave model system. 2018.

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