dsd-int 2015 - storm surge modelling for the december 5th 2013 storm in the waddensea

Storm surge modelling 05/12/2013 Wadden Sea A computational experiment

Jeroen Adema, Gijs van Banning, Nathanaël Geleynse

Motivation • Delta program for the Wadden Sea

• Results of Multifunctional Access Tool foR

Operational Oceandata Services

(MATROOS) inaccurate for some storms

• De Hydraulische Randvoorwaarden (HR)

Wadden Sea

• Uncertainty over-optimalisation of dikes

Question:

Are we able to accurately predict

(hindcast mode) storm surges in the (eastern) Wadden Sea?

| 04 november 2015 | © ARCADIS 2015 Dia 2

Goal • Are we able to accurately predict (hindcast

mode) storm surges in the Wadden Sea?

• Can we identify the processes that allow for

a more accurate prediction of storm surges?

or

What is relevant to a proper

simulation of storm surges?

…following a pragmatic approach


Storm 5/6-12-2013

plus

• 28 storms available since winter 2008 –2009

• Choice based on largest deviation between

6-hour forecast and measurement, for the

Wadden Sea and Ems-Dollard

• 5/6 december storm shows largest

deviations:

• -30 to -60 cm in de western Wadden Sea

• Up to 74 cm in the eastern Wadden See at

Nieuw Statenzijl


http://www.google.nl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.stockpodium.com/en/image-photo-8360079/Chemical-experiment/&ei=aS5hVMylOYXWPcr4gIgK&bvm=bv.79189006,d.ZWU&psig=AFQjCNGsEkr6G-Lt39yfGs_mNf_dl5mWVw&ust=1415741412663468

Set-up of

experiment

• More physics

• More interaction (important)

• More resolution in space and time

• Latest insights

• Latest models

• Consequently, many problems


Interactions 1. Wave propagation - Water motion

Wave height & direction, dissipation and

momentum flux (Stokes drift)

Water levels and flow velocities

2. Meteorology - Water motion

Wind, pressure, cloudiness

temperature and humidity

One-way

3. Meteorology - Wave propagation

Wind

One-way


Wave propagation

Water motion

Meteorology

Delta T = 10 minutes


Water motion

(Delft3D)

DSCMv6 smaller 2 x 2 km.

DDHOR DCSMv6 3 x 3 denser

smaller 700 x 700 m.

Kuststrook denser

~ 400 x 200 m,

coastal area much finer

outer boundary 426 to 677 m.

max


Wave propagation

(SWAN)

DSCMv6 3 x 3 denser

5,6 x 5,6 km.

DCSMv6 smaller 2 bij 2 km.

DDHOR DCSMv6 3 x 3 denser

smaller 700 x 700 m.

Kuststrook denser

~ 400 x 200 m,

coastal area much finer,

outer boundary 426 to 677 m.

max

Sorting things

out

• Hirlam or WRF NMM wind model

• Charnock or Zijlema wind drag formulation

• 2D or 3D with salt and temperature

• With or without waves

• High or low resolution wind time and space


No Kalman filtering (data assimilation)

WRF-NMM = Weather Research and Forecasting – Nonhydrostatic Mesoscale Model


Water

level

=

• Tidal level +

• Wind set-up +

• Wave set-up +

• Salinity-induced +

• Temperature-induced +

• …

• RSLR +

• …


Tidal

level

Comparison

measured-modelled

low-frequency

components

(large-scale effects):

amplitude & phase

station Huibertgat


Wind

set-up

Comparison

measured-modelled

wind

speed & direction,

station Texelhors-MM


Wind

set-up

Sensitivity to

resolution wind

station Texel

Noordzee


Wave

set-up

Comparison

measured-modelled

waves

height, period and

direction, station

Westereems Oost


Wave

set-up

Comparison

measured –

modelled

water levels,

station Texel

Noordzee

Conclusies 1. Het DCSMv6 model geeft een goede weergave van de

getijvoortplanting naar de Waddenzee. De astronomie van de lang

periodieke componenten laat onder de invloed van wind flinke

afwijkingen zien. De blokken met afwijkende ruwheden geven een

volstrekt vertekend beeld van de werkelijkheid.

2. De afwijkingen in de opzet in de Oostelijke Waddenzee en Delfzijl

lijken deels te worden veroorzaakt door het niet goed weergeven

van de lang periodieke componenten onder invloed van wind en

getij.

3. Het rekenen met voldoende horizontale resolutie is onontbeerlijk

om een goede weergave te krijgen van de werkelijkheid

4. Temporele resolutie 10 min versus 3 uur is van groter belang dan

ruimtelijke resolutie al lijkt een resolutie van 1 km goed haalbaar


Conclusies 5. De Charnock formulering geeft vooralsnog een beter resultaat dan

de Zijlema formulering althans voor de waterstanden.

6. 2D geeft vergelijkbare resultaten als 3D uitgezonderd voor stations

waar zout een belangrijke rol speelt (KWZ en DO)

7. Het SWAN golfmodel lijkt goede tot zeer goede resultaten te geven

maar kent een grote ruimtelijke variatie

8. Het terugkoppelen van de golfresultaten op de

waterbewegingsmodellen geeft een bijdrage van orde decimeters

op de totale waterstand. Het meenemen daarvan is in algemene

zin relevant.

9. Er lijkt een afhankelijkheid te bestaan tussen golf opzet en

waterstand in die zin dat tijdens laag water de opzet hoger is dan

tijdens hoog water.


Aanbevelingen 1. Er is meer onderzoek nodig naar de variatie van de langperiodieke

componenten in het getij en tevens in de wijze waarop zij in

perioden met sterke wind veranderen.

2. De reproductie van waterstanden voor ondiepe stations is nog

onvoldoende nauwkeurig door een gebrek aan resolutie, waardoor

de geulen onvoldoende juist kunnen worden weergegeven.

Domeindecompositie kan hier een uitkomst brengen

3. Het verdient aanbeveling gebruik te maken van de windsnelheid

aan het wateroppervlak in plaats van op een hoogte van 10 m.

4. Het meenemen van de temperatuur middels een Ocean Heat Flux

model lijkt vooralsnog weinig meerwaarde te leveren. Het gebruik

van een equation of state in 2D lijkt voldoende soelaas te bieden.


Aanbevelingen 5. Het meenemen van de derde dimensie is alleen van belang als

zout een belangrijke rol speelt in een station. Dat is weliswaar

bijvoorbeeld het geval in Kornwerderzand en Den Oever, maar

daar staat tegenover dat er tijdens storm niet geloosd wordt.

6. Het is bij een tijdstap van 10 minuten of minder voldoende na het

inspelen in een in-stationaire SWAN simulatie slechts 1 iteratie uit

te voeren.

7. Het verdient aanbeveling bij de aansturing van SWAN de nieuwe

brekerformulering en de nieuwe whitecapping formulering toe te

passen.

8. Het verdient aanbeveling na dit gevoeligheidsonderzoek 3 extra

stormen door te rekenen met de beste instellingen uit dit rapport.


Ongoing work

Hindcast of multiple storms, to infer generality of 2013 storm surge

Results coming soon…………


dsd-int 2015 - storm surge modelling for the december 5th 2013 storm in the waddensea

Software