Mathematisches Verfahren WARM

Kurze Beschreibung

Bei dem mathematischen Verfahren WARM (Wave Ray Model) handelt es sich um ein Seegangsmodell, das auf der Grundlage der Energietransportgleichung das zweidimensionale Energiedichtespektrum im Frequenz-Richtungsraum berechnet. Das Modell berücksichtigt bei der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Seeganges die strömungs- und topographiebedingte Seegangsumformung durch

• Refraktion,
• Shoaling, sowie den
• dissipativen Effekt der entgegenkommenden Strömung.

In einem ersten Arbeitsschritt werden die Ausbreitungswege und die relevanten Größen entlang dieser Wege für alle Komponenten des Seegangsspektrums im Frequenz-Richtungsraum prognostiziert. Dabei kann die Berechnung der Ausbreitungswege, vorwärts oder rückwärts in Raum und Zeit, problemorientiert gesteuert werden:

• mit Wasserstand

• mit Strömung

• stationär
• instationär

• ohne Strömung

• ohne Wasserstand.

Erfolgt die Berechnung unter Berücksichtigung der Strömungsrefraktion, kann die Welle durch die Strömung blockiert werden. Das geschieht immer dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer oder gleich der Gruppengeschwindigkeit der entgegenkommenden Welle ist.

Unter Verwendung der gesammelten Informationen werden dann in einem zweiten Schritt die Spektralkomponenten des Seegangsspektrums ermittelt. Die Seegangsenergie unterliegt hierbei einer Summe von Quellen und Senken:

• Energieeintrag durch die Atmosphäre (Windschub),
• Energiedissipation durch turbulente Diffusion und
• Bodendissipation.

Es werden hierbei die Quellterme unverändert nach H. Günther und W. Rosenthal (1995) verwendet. Unter Vernachlässigung der nicht-linearen Wechselwirkung konnte gezeigt werden, daß die Quellfunktionen die normalen Seegangswachstumskurven reproduzieren.

Prinzipiell gibt es keine Parameter, mit denen das Modell eingestellt werden muß. Die Qualität der Modellergebnisse wird bestimmt durch die Qualität der Eingangsdaten und von der Auflösung des zweidimensionalen Spektrums.

Das mathematische Verfahren WARM wurde auf der Grundlage bestehender Modelle im Auftrag der Bundesanstalt für Wasserbau, Außenstelle Küste, vom GKSS-Forschungszentrum Geesthacht entwickelt.

Am offenen seeseitigen Modellrand können optional Seegangsspektren berücksichtigt werden, die modellintern auf der Basis einer vorgegebenen Fetch-Länge oder einer vorgegebenen Dauer über die der Wind weht berechnet werden.

Programme für das Preprocessing

• siehe hierzu unter Erzeugung und Bearbeitung von Gitternetzen.

Programme für die Simulation

Falls stationärer Seegang simuliert werden soll:

• WARM: Durchführen der Simulationsrechnung.

Falls der instationäre Einfluß des Wasserstands sowie der Strömung bei der Simulation des Seegangs berücksichtigt werden soll:

• TRIM-2D: Numerische Berechnung der zweidimensionalen Felder für die Hydrodynamik (Wasserstand und Strömungsgeschwindigkeit);
• TR2GEOM: Erzeugen der Systemgeometrie bzw. des Berechnungsgitters;
• TR2DIDA: Konversion der Berechnungsergebnisse der Hydrodynamik;
• ZEITR: Umwandeln der synoptischen Datensätze in äquivalente Zeitreihendarstellungen für jeden Punkt des Berechnungsgitters;
• FD2MET: Bereitstellen meteorologischer Randwertdateien;
• WARM: Durchführen der Simulationsrechnung.

Programme für das Postprocessing

• GVIEW2D: Darstellen der Seegangszeitreihen an ausgewählten Positionen;
• FDGITTER05: zweidimensionale Darstellung der Ausbreitungswege in Kombination mit der Topographie;
• HVIEW2D: zweidimensionale Darstellung der Ausbreitungswege und Wellenhöhen in Kombination mit Topographie sowie Wasserstand und/oder Strömungsgeschwindigkeit.

Anwendungsbeispiele

• Marinestützpunkt Warnemünde: Untersuchung der Seegangsverhältnisse in Unterwarnow und Breitling; siehe hierzu auch den Beitrag Anwendung des Seegangsmodells WARM in Heft 1/1998 der Supercomputing News.
• Winkel, N., 1999, Investigations of Wave Climate in the Harbour of Rostock-Warnemünde with a Spectral Wave Model, Second German-Chinese Joint Seminar on Recent Developments in Coastal Engineering - The Sustainable Development in Coastal Zone, Tainan, Taiwan.

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Strukturübersicht