Onderzoek naar oceaangolfvorming verbetert voorspellingen voor bescherming tegen overstromingen aan de kust

Onderzoek naar Golfvorming Aan de Universiteit van Miami

Wetenschappers van het Alfred C. Glassell Jr. SUrge‐STructure‐Atmosphere INteraction (SUSTAIN) laboratorium aan de Universiteit van Miami hebben een baanbrekend onderzoek uitgevoerd naar hoe golven zich vormen en toenemen onder winderige en orkaansituaties. Dit onderzoek, dat het tweedimensionale profiel van druk en luchtstroom boven golvende oppervlakken reconstrueert, biedt nieuwe inzichten in de groei van oceaangolven en de bredere implicaties voor weersvoorspelling en kustweerbaarheid.

Het onderzoeksteam heeft tegelijkertijd luchtdruk, luchtstroom en waterhoogte gemeten in een gecontroleerde omgeving, waarbij tot 1.000 datapunten per seconde werden vastgelegd. Door deze gegevens te analyseren, bestudeerden ze hoe verschillende factoren—zoals golfhoogte, golffrequentie en windkracht—de beweging van lucht en de overdracht van momentum tussen de lucht en het oceaanoppervlak beïnvloeden. Het onderzoek, gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research: Oceans, heeft als doel te begrijpen hoe golven zich ontwikkelen en hoe winden interactie hebben met de oceaan onder extreme weersomstandigheden.

Met behulp van deze hoogtemeetgegevens hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van de geavanceerde mogelijkheden van de SUSTAIN wind-golf tank, die in staat is om windsterkten van categorie 5 te simuleren, om de luchtstroompatronen te reconstrueren die de groei van golven in sterke winden aandrijven. Door Constant Temperature Anemometry te gebruiken om snelle luchtstromingsveranderingen vast te leggen, Particle Image Velocimetry om de beweging van lucht en water te volgen, en Multi-beam Imaging om golfstructuren in kaart te brengen, verkregen ze diepere inzichten in de dynamische interacties die oceaangolven vormgeven.

“Luchtdruk fungeert als brandstof voor oceaangolven—hogere druk duwt op de voorkant van een golf, waardoor deze hoger wordt en sneller beweegt,” zei Peisen Tan, de hoofdauteur van de studie en recent afgestudeerd aan de Universiteit van Miami’s Rosenstiel School of Marine, Atmospheric, and Earth Science.

“Het meten van de druk boven de open oceaan is uiterst uitdagend. Ons onderzoek in SUSTAIN stelde ons in staat om te documenteren dat windsnelheid alleen kan worden gebruikt om deze druk te schatten en de groei van golven te voorspellen.”

De onderzoekers ontdekten dat de traditionele modellen (waarbij de luchtstroom zich aan het water hecht) meer dan 90% van de momentumoverdracht in luchtstromen over water correct voorspellen totdat er een scheiding optreedt. Echter, wanneer de luchtstroom zich aan de loefzijde van de golven scheidt (afgeschermd van de wind), onderschatten deze modellen de momentumoverdracht met meer dan 30%.

“Deze studie markeert een belangrijke stap in het begrijpen van de lucht-zeemomentumoverdracht,” zei Brian Haus, professor aan de afdeling Ocean Sciences van de Rosenstiel School en medeauteur van de studie. “Onze experimentele aanpak reconstrueerde het tweedimensionale profiel van druk en luchtstroom boven golvende oppervlakken—een prestatie die, voor zover wij weten, een doorbraak van ongekende aard is. Deze inzichten kunnen helpen bij het verfijnen van numerieke golfmodellen door de effecten van luchtstroomscheiding te integreren.”