Wave modulation by strong currents: A study in the Lofoten Maelstrom and surrounding areas

Abstract

Bølger og strøm – allestedsnærværende trekk ved havet – er i en konstant tilstand av gjensidig vekselvirkning. Disse prosessene forårsaker sterkt inhomogene sjøtilstander. Samspillet dem imellom regulerer utvekslingsprosesser mellom hav og atmosfære i både tid, rom, og omfang. Bølge-strøm veskelvirkninger utgjør også en trussel for maritime aktiviteter på grunn av, eksempelvis, betydelige modulasjoner av bølgehøyden. Det er fortsatt stor usikkerhet knyttet til hvor stort avtrykk strømmen setter på bølgefeltet, som i stor grad skyldes mangel på observasjoner. Formålet med denne oppgaven er å forstå de strøm-induserte fysiske prosessene som modulerer bølgefeltet, og i hvilken grad bølgefeltet endres. Målet er også å evaluere påliteligheten til bølgeprognoser fra spektrale bølgemodeller med strøm-pådrag i realistiske og energiske strømningsfelt.

Disse aspektene er analysert i en svært kraftig tidevannsstrøm i Nord-Norge – nemlig Moskstraumen – samt i det omkringliggende kystområdet. Et bredt utvalg av konven- sjonelle og ukonvensjonelle metoder er blitt brukt i valideringsarbeidet. Blant annet: Særegne in situ-observasjoner av bølger, strøm og dybden til luftbobler injisert via bry- tende bølger, fjernmålings-observasjoner fra satellitt, og lokal kunnskap. Disse har blitt nøye evaluert mot en rekke modelleringsverktøy, som høyoppløselige spektrale bølgemod- eller både med og uten strøm-pådrag, i kombinasjon med størrelsesorden-estimater.

Moskstraumen har en stor innvirkning på bølgefeltet; den modulerer bølgebrytnings- statistikken, bølgehøydene (opptil 90 % økning), retningsspekteret, i tillegg til korttids- ekstrembølgestatistikken (opptil 15 % økning). I Moskstraumen, og de omkringliggende områdene, er bølge-modulasjonene preget av lokale og ikke-lokale effekter. Disse inntre- ffer på rom- og tidsskalaer som er nært knyttet til strømningsfeltets dynamikk, i tillegg til de rådende bølgeforholdene. En slik type variasjon er kartlagt ved hjelp av en ny diagnostisk metode. Modellresultatene stemmer godt overens med de tilgjengelige ob- servasjonene. Dette gjelder særlig modulasjonene i bølgespekteret. Det er imidlertid behov for flere observasjoner for å kunne trekke enda sikrere konklusjoner om effekten av strøm på bølgefeltet, siden dette er et problem – som av natur – er sterkt inhomogent i tid og rom.

Ocean waves and currents—ubiquitous features of the sea—are in a constant state of mutual interaction, which causes strongly inhomogeneous sea states. Their interplay regulates air–sea interaction processes in space, time, and magnitude and also poses a threat to marine activities because of, for example, substantial wave height modulations. The imprint of currents on the sea state is still not properly understood, largely due to the lack of observations. The research presented in this thesis aims to understand the current-induced physical processes that modulate the sea state, and the degree to which it changes. Furthermore, the aim is to evaluate the reliability of sea state predictions by spectral wave models including current forcing in realistic, energetic, flow fields.

These aspects are quantified in a very strong tidal current in northern Norway— namely the Lofoten Maelstrom—and its surrounding coastal area. A set of conventional, and unconventional, metrics for validation have been utilized; this includes novel in situ observations of waves, currents, and wave breaking-induced air bubble penetration depths, as well as satellite remote sensing observations, in addition to local knowledge. These assets have been carefully evaluated against a range of modeling tools, including high-resolution spectral wave models both with and without surface current forcing, in combination with order-of-magnitude estimates.

The Lofoten Maelstrom strongly modulates the sea state. This includes the wave breaking statistics, wave heights (up to 90 % increase), directional spectrum, as well as the short-term extreme wave statistics (up to 15 % increase). Both in the Maelstrom and the coastal area of northern Norway surrounding it, the wave–current interaction mechanisms include local and non-local effects. These take place over a range of spatio- temporal scales that are closely related to the flow field dynamics and wave conditions. Such variability is mapped out using a novel diagnostic method. The modeling results agree well with the available observations, in particular the wave spectrum modulations. However, more observations are needed to draw even more firm conclusions on the effect of currents on waves, which, by nature, is a strongly inhomogeneous problem in both the temporal and horizontal domain.