Modelowanie probabilistyczne falowania wiatrowego w warunkach

Celem projektu jest rozwój teoretycznych i obliczeniowych metod opisu probabilistycznego zjawisk falowych i meteorologicznych w warunkach ograniczonych i małych głębokości wody, ze szczególnym uwzględnieniem nieliniowości procesu falowania wiatrowego. Rdzeniem projektu będzie wyznaczanie nowych funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF) dla wielkości opisujących wiatr i falowanie – takich jak prędkość wiatru, wzniesienia swobodnej powierzchni morza, wysokości fal indywidualnych oraz miary ekstremów sztormowych — z wykorzystaniem narzędzi teorii informacji, w tym metod maksymalnej entropii, oraz nowoczesnych procedur parametryzacji rozkładów.

Projekt obejmie (i) konstrukcję rodzin rozkładów uwzględniających asymetrię oraz własności ogonów (częstość wartości skrajnych) charakterystyczne dla nieliniowego falowania w wodach o ograniczonej głębokości, (ii) opracowanie efektywnych numerycznie metod estymacji parametrów i ich powiązania z parametrami stanu morza (w szczególności z wysokością fali znacznej) oraz z wybranymi zmiennymi meteorologicznymi, a także (iii) weryfikację opracowanych modeli na podstawie danych pomiarowych, w tym danych z Morskiej Stacji Badawczej IBW PAN w Lubiatowie. Ważnym elementem będzie porównanie proponowanych rozkładów z klasycznymi przybliżeniami stosowanymi w inżynierii i oceanografii (np. rozkłady Gaussa/Rayleigha/Weibulla) oraz ocena, w jakim stopniu nowe modele poprawiają opis zjawisk rzadkich i ekstremalnych.

Oczekiwanym efektem naukowym projektu będzie zaproponowanie spójnego, teoretycznie uzasadnionego aparatu probabilistycznego dla nieliniowego falowania wiatrowego w warunkach ograniczonej głębokości, w tym nowych postaci PDF oraz procedur ich parametryzacji i walidacji. Efektem praktycznym będzie możliwość dokładniejszego wyznaczania parametrów ekstremalnych (np. maksymalnych fal sztormowych) i związanych z nimi wielkości projektowych, istotnych dla oceny ryzyka i projektowania konstrukcji morskich oraz planowania bezpiecznych operacji w morzu i w strefie brzegowej.

Uzasadnienie: Planowany projekt dotyczy opracowania i weryfikacji nowych modeli probabilistycznych opisujących wiatr i falowanie w warunkach nieliniowych oraz na wodach o ograniczonej i małej głębokości. Uzasadnieniem realizacji projektu jest rosnące zapotrzebowanie na wiarygodne, ilościowe wyznaczanie parametrów ekstremalnych środowiska morskiego, w szczególności w kontekście intensywnych inwestycji infrastrukturalnych na południowym Bałtyku.

W praktyce inżynierskiej kluczowe znaczenie ma wyznaczanie wartości projektowych (m.in. prędkości projektowych wiatru, maksymalnych wysokości fal sztormowych oraz parametrów ekstremalnej fali projektowej), które determinują zarówno obciążenia konstrukcji, jak i warunki operacyjne (okna pogodowe, bezpieczeństwo prac instalacyjnych i serwisowych). Zagadnienia te są szczególnie istotne dla planowanych i realizowanych konstrukcji morskich farm wiatrowych (fundamenty, konstrukcje wsporcze, kable, operacje instalacyjne i O&M) oraz dla planowanej konstrukcji terminala FSRU w Porcie Gdańsk i jego osłony hydrotechnicznej. W obu przypadkach konieczna jest ocena prawdopodobieństwa zdarzeń rzadkich i ekstremalnych, a więc rzetelny opis „ogonów” rozkładów i zachowania procesu falowania w warunkach sztormowych.

W aktualnie stosowanych podejściach często wykorzystuje się uproszczone, klasyczne rozkłady i parametryzacje, które nie zawsze oddają specyfikę nieliniowego falowania w wodach płytkich i o ograniczonej głębokości. Projekt zakłada opracowanie rozkładów wyprowadzanych w ramach teorii informacji (metod maksymalnej entropii) oraz opracowanie efektywnych procedur parametryzacji i walidacji, co powinno przełożyć się na większą wiarygodność estymacji ekstremów i wynikających z nich wielkości projektowych.

Realizacja projektu wymaga znaczących mocy obliczeniowych. Część analiz ma charakter masowy i iteracyjny (np. estymacja parametrów rozkładów w wielu wariantach, testowanie stabilności dopasowań, przetwarzanie długich szeregów czasowych i/lub wielu punktów siatki), a także obejmuje obliczenia numeryczne i analizy statystyczne, które przy rozsądnych założeniach dokładności są czasochłonne i w praktyce nieefektywne do wykonania na pojedynczych stacjach roboczych. Dostęp do zasobów centrum jest zatem niezbędny zarówno do przeprowadzenia obliczeń w rozsądnym czasie, jak i do zapewnienia powtarzalności oraz kontroli jakości wyników.