An operational dispersion model for wind over swell seas

Abstract

In this report, we develop an operational contaminant transport model suitable for offshore conditions. Although the model is, in principle, independent of sea state, we expect it to be most useful for swell sea calculations, that is, for long and fast waves. The model is based on tracking of Lagrangian particles with turbulent motion stemming from a random walk procedure. As in standard operational models, the mean wind is given as a simple logarithmic vertical profile. In this model, the novel element is the addition of quasi-laminar wave-correlated forcing. In order to properly model the influence of waves on the flow of the atmospheric boundary layer, it is generally necessary to utilize high fidelity computational fluid dynamics models (CFD models). These models lead to computationally demanding simulations, which makes them infeasible for operational dispersion modeling. For a less demanding alternative, we extend the laboratory-scale framework proposed by Åkervik and Vartdal in “The role of wave kinematics in turbulent flow over waves” (2019) to create a simple flow model on an operational scale, in other words on spatial scales ranging from meters to kilometers. This model does not fully model the influence of waves on the flow, but we believe that it covers the most important features from a dispersion point of view. The resulting dispersion problem can be solved on a regular computer in minutes. We develop and test our transport model on a laboratory scale, for which we have high-fidelity reference data. Thereafter, we extend the model to full scale and compare it with a Gaussian puff model as well as published high-fidelity data. We demonstrate that the model yields reasonable results and that it can describe the effect of swell waves on the dispersion of aerosols.

I denne rapporten utviklar vi ein operasjonell modell for transport av farestoff til havs. I prinsippet skal modellen fungere for alle sjøtilstandar, men vi forventar at han er mest nyttig for berekningar med dønningar, altså for lange og raske bølger. Modellen er basert på ein partikkelmetode der turbulente rørsler vert modellerte ved hjelp av ein såkalla tilfeldig gonge-metode (random-walk). Akkurat som i dei fleste operative spreiingsmodellar bruker vi ein enkel analytisk vertikalprofil til å skildre middelvinden. Det nyskapende elementet i modellen er at partiklane vert påverka av ei kvasilaminær bølgekorrelert kraft. Dersom ein hadde hatt som mål å modellere alle aspekt av påverknaden til bølgene på det atmosfæriske grensesjiktet, ville ein måtte bruke ein høgkvalitets numerisk fluiddynamikkmodell (computational fluid dynamics-modell - CFD-modell). Bruken av slike modellar fører til særs krevjande berekningar, noko som gjer dei ueigna til operasjonell spreiingsmodellering. For å unngå dette utvidar vi rammeverket til Åkervik og Vartdal i "The role of wave kinematics in turbulent flow over waves" (2019) til å skape ein enkel strømningsmodell på operasjonell skala, altså på romlege skalaer frå meter til kilometer. Modellen fangar ikkje fullt ut påverknaden frå bølgene på straumdraget, men frå et spreiingsperspektiv meiner vi at han inneheld dei viktigaste effektane. Det resulterande spreiingsproblemet kan løysast på ei vanlig datamaskin på få minutt. Vi utviklar og testar transportmodellen vår på laboratorieskala, der vi har referansedata med høg nøyaktigheit. Deretter utvidar vi modellen til full skala og samanliknar han med ein gaussisk puffmodell og med publiserte data som stammar frå ein veggmodellert storvirvelmodell. Vi demonstrerer at modellen gir rimelege resultat, og at han kan skildre effekten frå dønningane på spreiinga av aerosolar.