An investigation into the dynamical and statistical properties of dominant ocean surface waves using close-range remote sensing

Abstract

Denne avhandlingen er basert på forskningsresultat som behandler statistiske og dynamiske egenskaper av dominante vinddrevne overflatebølger i åpent hav. Med uttrykket dominante bølger refererer vi her til de største bølgene, med størst energi, i en gitt sjøtilstand. Bølgedrevne prosesser er viktige både i klimasammenheng via atmosfære--hav interaksjon som drives i stor grad av bølgebrytning, samt for kommersiell og rekreasjonell offshorevirksomhet p.g.a. risikoen for å bli utsatt for f.eks. ekstreme enkeltbølger. Både bølgebrytning og ekstrembølgestatistikk er i skrivende stund ufullstendig representert i teoretiske og numeriske modeller. Arbeidet som presenteres i denne avhandlingen undersøker de ovennevnte temaene ved bruk av bølgeobservasjoner som er primært samlet inn på Ekofiskfeltet i den sentrale delen av Nordsjøen. Observasjonsdatasettene består av en langtidstidsserie av laser-altimetermålinger og stereoskopiske videodata fra Ekofisk, samt videomålinger av brytende bølger fra et forskningstokt i nordre Stillehavet.

Forskningsresultatene er presentert i artikkelform med to publiserte verk og ett innlevert manuskript. Det blir påvist en tydelig forbindelse mellom økt bølgebrytning og dominante bølgegrupper, et resultat som tidligere har blitt påvist i laboratorie- og modelleksperiment, men sjeldent ved bruk av feltobservasjoner. Tredimensjonale stereo-rekonstruksjoner viser også at ekstreme bølgekammer, både brytende og ikke-brytende, følger nylig utviklet teori om ikke-lineær bølgegruppedynamikk. Dette funnet har konsekvenser f.eks. for estimering av geometriske og kinematiske bølgeegenskaper såsom steilhet og kamhastighet fra endimensjonale tidsseriemålinger. Som følge av en langtidsanalyse av endimensjonal bølgestatistikk blir det vist at enrettet, langkammet og bratt sjø mest sannsynlig leder til ekstreme enkeltbølger med statistiske egenskaper som avviker systematisk fra ordinære statistiske modeller. Tredimensjonal, kortsiktig tid-rom-statistikk av ekstreme bølgekammer blir også undersøkt v.h.a. stereomålingene fra Ekofisk. Her blir det vist at statistiske modeller utvidet fra endimensjonale til tredimensjonale bølgefelt i snitt er velegnet til å beskrive forekomsten av de høyeste bølgekammene, spesielt for relativt store tid-rom segment.

The research presented in this thesis characterizes statistical and dynamical aspects of dominant wind-generated surface gravity waves inferred from field observations in intermediate-to-deep water. Dominant waves are the most energetic waves in a sea state, and as such, understanding their behavior is important in both engineering and geophysical contexts. Large waves impart considerable impact forces on marine structures such as oil and gas platforms and offshore wind turbines, and these forces may multiply manyfold when waves break. Wave breaking in deep water, often referred to as whitecapping, is also a key, though incompletely understood, process regulating the transfer of momentum, gas and heat across the air-sea interface, and must thus be accurately parameterized in large-scale weather and climate models. Current theory holds that the wave breaking process is closely linked kinematically and dynamically to the group structure inherent in ocean surface wave fields. Wave group dynamics is also believed to govern the characteristic shape and motion of so-called extreme or rogue waves, whose correct statistical description is central to many offshore activities.

The work presented herein shows, using state-of-the-art stereoscopic imaging techniques employed at the Ekofisk platform complex in the central North Sea, that large-scale wave breaking activity in the open ocean is strongly enhanced in dominant wave groups. The topic of wave group-modulated wave breaking has received considerable attention in the past two decades from theoretical, numerical and laboratory perspectives; however, quantitative field studies of the phenomenon remain comparatively rare. The current results also support the general notion that the dominant waves in a given sea state regulate the breaking of shorter waves.

The statistics of extreme wave crest elevations is investigated using a novel long-term laser altimeter data set, also located at the Ekofisk field. The validity of the extreme values is verified using a newly developed despiking methodology, and the quality controlled data set, which covers storm events over an 18-year period, is used to investigate the effects of wave steepness and directionality on crest height statistics. Narrow directional spread combined with high wave steepness is found to lead to crest height statistics that deviate the most from standard linear and second-order formulations.

Finally, geometric wave shape and crest speed dynamics are analyzed for the highest wave crests encountered in three-dimensional, spatially and temporally resolved segments of the stereo-reconstructed sea surface fields. The directly measured crest steepness is found to conform to the classical breaking limit of Stokes, whereas crest steepness estimated from one-dimensional time series measurements using the linear gravity-wave dispersion relation are systematically higher. This may be at least in part explained by the observation that the directly measured crest speed just before, during and after the moment of maximum crest elevation slows down compared to the linear gravity-wave phase speed estimate. For the first time, the crest speed slowdown is shown with field measurements to apply to both breaking and non-breaking dominant wave crests.