Evaluating “BinWaves”, a highly efficient nearshore wave propagation hybrid model

Abstract

RESUMEN: La propagación de olas oceánicas lejanas hacia las regiones costeras es un cálculo ingenieril complejo. Se han desarrollado métodos numéricos, pero que conllevan una operación costosa. BinWaves es una metodología híbrida que se concentra en la propagación de sistemas de olas multivariables hacia el litoral. Funciona desagregando el espectro de oleaje en un número de contenedores (Bins), cada uno caracterizado por un par de dirección y frecuencia, después propagar cada uno para captar el resultado de la propagación. Basándose en una hipótesis de linealidad de olas, todo tren entrante al sistema puede ser deconstruido en una combinación linear compuestas por estos contenedores, para los cuales la propagación ya es conocida en todo punto de la malla. En esencia, un cálculo inicial costoso permite una reconstrucción menos costosa. El objetivo de este estudio es la evaluación del desempeño de BinWaves frente a datos instrumentales y una propagación numérica espectral clásica, tanto desde el punto de vista de la calidad como del rendimiento. Los resultados determinarán los casos de utilización más adecuados a la aplicación de esta metodología. El proyecto consiste en cuatro etapas. En un principio se hará una introducción esquemática a la metodología que determinará las etapas requeridas para ejecutar esta metodología híbrida, ya que esta es más compleja conceptualmente que una propagación espectral numérica normal. Después, se presentarán los recursos utilizados para el desarrollo de este proyecto, tanto bases de datos como el software requerido para hacer funcionar este método. Más adelante, se detallan los procedimientos específicos según se han ejecutado en el marco de una propagación con BinWaves y también para una propagación numérica espectral. Aquí se discutirán también una serie de test que se han efectuado en estos modelos, con la intención de comprenderlos mejor e identificar los posibles usos de estas metodologías. La evaluación muestra que BinWaves funciona bien contra los modelos de propagación numérica y también contra los datos instrumentales de boya en la región estudiada, particularmente considerando el coste de computación. El cambio climático, las estructuras costeras y la evaluación del litoral son disciplinas que pueden beneficiarse de esta metodología

ABSTRACT: Propagating oceanic waves towards the nearshore coastal regions is a complex engineering problem. Numerical methods have been developed as computers and research evolved, but they entrain a costly operation. BinWaves is a hybrid methodology that focuses on the propagation of multivariate wave systems to the nearshore. It works by disaggregating the wave spectra in a discrete number of bins, each characterized by a direction-frequency couple, then performing the propagation of each bin’s wave train to capture the resulting spectra. By using a hypothesis of wave linearity, any incoming wave train can be expressed by a linear combination of monochromatic wave trains, for which the propagation is known at each point of the mesh. In essence, a high-cost upfront computation allows for a quick and cheap reconstruction. The objective of this study is evaluating BinWaves’ performance against instrumental data and a classic spectral numerical propagation, both from a quality and performance point of view. The results will also determine the best use-cases for this methodology. The project will therefore consist of four steps: To start with, a conceptual schematic introduction to the methodology will determine the required steps to run the hybrid method, as it is conceptually more complex than a standard numerical approach. Then, the resources used for the development of the project are introduced, both for the data sources, including how they fit into the case study’s region; and the software that is specifically required to run the whole BinWaves environment. Next, the specific procedures are detailed as they are run for both propagating oceanic wave trains with BinWaves and a normal numerical wave model. Here we will also discuss some testing performed on these models, trying to better understand the model, and to some extent, identify its possible use cases. Finally, all the results are gathered and compared to each other to evaluate the objectives. This evaluation has shown that this innovative hybrid methodology performs well against both the instrumental and classic propagation models in the studied region, especially regarding computational savings. Climate change studies, structural coastal structures, shoreline evolution and forecasting are identified as some of the most interesting use cases for BinWaves.