Advances in global wave modelling

At MetOcean Solutions, we continuously improve our models to ensure the highest possible performance.

Our science team has recently made great improvements in global wave hindcasting thanks to using more accurate historical winds and studying the effect of icebergs and ocean currents in ocean waves.

MetOcean’s Southern Ocean Programme in partnership with Defence Technology Agency has been collecting wave data in the Southern Ocean over the last 2 years (find out more at www.metocean.co.nz/southern-ocean). The area presents the highest modelling errors, and the data gathered is helping to reduce that. This is a crucial achievement due to the energetic swells constantly generated in this part of the ocean that have far reaching effects. Consequently, it will result in better wave prediction over coastal areas.

MetOcean Solutions’ physical oceanographer Dr Jorge Perez, responsible for improving wave hindcasting and forecasting capabilities, says the analysis undertaken and the historical reconstruction has made it possible to minimize errors in wave data from deep waters, allowing better boundary conditions for high-resolution grids in coastal regions.

“Lessons learned such as the importance of currents and icebergs will result in advancements to our wave forecasting operational systems and therefore, historical data and wave predictions of the highest quality to end users.”

Clear gains are apparent, with an approximate 30% improvement in model skill demonstrated overall. The resulting improvements for the year of 2015 are shown as an example in the figure below.

 
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Example of bias comparison with model improvements (top) and reference simulation (bottom) for the year 2015.

Example of bias comparison with model improvements (top) and reference simulation (bottom) for the year 2015.

 

MetOcean’s advancements in global wave modelling were presented by Dr Perez at Spanish Conference on Coastal and Port Engineering, XV Jornadas Españolas de Ingeniería de Costas y Puertos, held last week in Málaga, Spain.

The conference is a biennial scientific-technical event, gathering experts and decision makers to facilitate knowledge exchange between all sectors engaged in coastal and port activities. For more information, visit www.costasypuertos2019.com

MetOcean Solutions is a division of New Zealand’s National Meteorological Service.

The full abstract is provided below.


Avances en modelado de oleaje global

Pérez, Jorge* Rapizo, Henrique* Guedes, Rafael* y Durrant, Tom*

*Metocean Solutions, New Zealand Meteorological Service.

1.       Introducción

El modelado de oleaje a escala global ha experimentado un rápido desarrollo en los últimos años dando lugar a reconstrucciones históricas cada vez más precisas (e.g., Durrant et al., 2014; Pérez et al., 2017). No obstante, incluso las bases de datos más recientes presentan errores significativos en ciertas regiones. Esto plantea una doble problemática. Por un lado, la creciente internacionalización de los intereses de empresas e instituciones hace evidente la necesidad de contar con datos de calidad en todo el mundo. Por otro lado, los errores en una ubicación específica a menudo son consecuencia de errores a miles de kilómetros de distancia, en la zona de generación o propagación. Por ejemplo, el Océano Antártico es la región que actualmente presenta mayores errores; en parte porque es un área muy compleja desde el punto de vista del modelado y en parte por la tradicional escasez de medidas instrumentales en el hemisferio sur. No obstante, es crucial reducir dichos errores, ya que constituye la zona de generación de swells muy energéticos que alcanzan las costas de regiones mucho más pobladas.

La forma de más obvia de reducir errores es utilizar forzamientos (i.e., viento, hielo y corrientes) de mayor calidad. En este análisis se han utilizado y comparado las bases de datos más recientes para obtener la combinación de forzamientos que resulta en menores errores en el modelado de oleaje a escala global. Como es habitual en han analizado vientos y cobertura de hielo, en este caso del reanálisis CFSR generado por NCEP-NCAR y del reanálisis ERA5 generado recientemente por el centro europeo para predicciones de medio plazo (ECMWF). Adicionalmente, se han analizado el efecto de la probabilidad de icebergs derivada de imágenes de satélite y de las corrientes oceánicas de tres bases de datos: CFSR, HYCOM y GLORYS. La evaluación de los resultados se ha basado principalmente en mediciones de satélite, pero se ha complementado con boyas y drifters recientemente desplegados en Australia y Nueva Zelanda.

2.       Resultados y conclusiones

La comparación entre experimentos con distintos forzamientos se ha basado en el modelo numérico WaveWatch III en su versión 5.16 utilizando los términos fuente ST4. La configuración de referencia es una malla global de 0.5 grados por 0.5 grados, forzada con vientos y cobertura de hielo de CFSR, sin icebergs ni corrientes. La mejora de mayor magnitud respecto a esta configuración se obtiene al sustituir CFSR por ERA5, lo que reduce notablemente el sesgo y el error cuadrático en la mayor parte del mundo. Estos resultados indican que las mejoras en resolución, asimilación de datos, o modelado de ciclones tropicales respecto al anterior reanálisis del ECMWF han conseguido que actualmente ERA5 sea la opción más adecuada para forzar modelos globales de oleaje. La inclusión de corrientes también produce mejoras a nivel global pero de una magnitud menor. En concreto las tres bases de datos de corrientes ayudan a reducir los sesgos, siendo GLORYS la que produce mejores resultados a pesar de tener menor resolución espacial que HYCOM y menor resolución temporal que CFSR. Es especialmente notable la reducción del sesgo positivo en el Océano Antártico, principalmente por el efecto de la corriente circumpolar antártica, que reduce la transferencia de energía del viento al oleaje. No obstante, incluso con la introducción de corrientes sigue existiendo un sesgo positivo. Este sesgo se reduce aún más con la inclusión de icebergs, que aumentan el bloqueo de energía, pero no llega a desaparecer por completo. La comparación entre el sesgo de la configuración de referencia y el de la configuración óptima para el año 2015 se muestra en la figura 1. La comparación de errores cuadráticos (no mostrado) indica mejoras globales en torno al 30%.

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Fig. 1. Sesgo respecto a datos de satélite de la simulación global forzada con vientos de ERA5, icebergs, y corrientes GLORYS (panel superior) y la simulación de referencia, forzada con vientos de CFSR y sin icebergs ni corrientes (panel inferior) para el año 2015.

Fig. 1. Sesgo respecto a datos de satélite de la simulación global forzada con vientos de ERA5, icebergs, y corrientes GLORYS (panel superior) y la simulación de referencia, forzada con vientos de CFSR y sin icebergs ni corrientes (panel inferior) para el año 2015.

Este análisis a escala global y la reconstrucción histórica resultante ha permitido minimizar los errores en los datos de oleaje en aguas profundas y disponer de mejores condiciones de contorno para las mallas de detalle en zonas costeras. Adicionalmente, lecciones aprendidas de este análisis, como la importancia de corrientes y icebergs, van a resultar en mejoras en los sistemas operacionales de predicción de oleaje de Metservice. Esto permite proporcionar a los usuarios datos históricos y predicciones de oleaje de la mayor calidad posible.

Agradecimientos

Se agradece el apoyo a este estudio tanto de la armada de Nueva Zelanda (NZ Navy) como de la oficina de investigación naval (Office of Naval Research, ONR) por medio de la subvención NOOO14-17-S-B001.

Referencias

DURRANT, T., GREENSLADE, D., HEMER, M. y TRENHAM, C. (2014). “A Global Hindcast focussed on the Central and South Pacific”. CAWCR Technical Report , 46.

PEREZ, J., MENENDEZ, M. y LOSADA, I. J. (2017). “GOW2: A global wave hindcast for coastal applications”. Coastal Engineering, 124 , 1-11.