Computational modeling of storm surges

Abstract

The environmental and socio-economic importance of coastal areas is widely recognized, but at present these areas face severe weaknesses and high-risk situations. The increased demand and growing human occupation of coastal zones have greatly contributed to exacerbating such weaknesses. Today, throughout the world, in countries with coastal zones, episodes of coastal flooding are frequent. Flooding is caused by coastal storms primarily due to the action of very strong winds. The propagation of these storms towards the coast induces high water levels. In a first phase of this work, historical storm tracks and intensities are characterized for the Northern Atlantic Basin, specifically the northeastern region of United States coast and the northwestern region of the Portuguese coast, in terms of their probability of occurrence. Several chosen tropical storm events are generated using a specific tool of Delft Dashboard interface for the Delft3D-FLOW software. Implemented hydrodynamic models are then used to simulate the generated storms' effects on currents and coastal water levels and subsequently compared with observed results. For both the United States' northeastern coast case (surrounding the area of The Battery, New York) and the northwestern Portuguese coast case (encompassing the area between the cities of Porto and Viana do Castelo), highly refined regional domains are considered. It is expected that climate change phenomena will contribute to the intensification of coastal storms. In this context, an estimation of coastal flooding hazards is of paramount importance for the planning and management of coastal zones. A contribution to the preservation and sustainability of coastal zones constitutes the main aim of this work. Consequently, in a second phase, carrying out a series of hypothetical storm scenarios and analyzing their impacts through numerical modeling, known as ensemble forecasting, is of prime interest to coastal decision-makers. Based on statistical data and numerical modeling, reviews of the impact of coastal storms to these two different study areas are performed.

A importância ambiental e socioeconómica das zonas costeiras é amplamente reconhecida, mas atualmente as zonas costeiras enfrentam graves enfraquecimentos e situações de alto risco. A crescente ocupação populacional e o aumento da pressão nas zonas costeiras têm contribuído para agravar essas fraquezas. Atualmente, em todo o mundo, em países com zonas costeiras, os incidentes de inundações costeiras são frequentes. Inundações costeiras são causadas por tempestades, principalmente devido à ação de ventos muito fortes. A propagação destas tempestades à costa induz a grandes aumentos de níveis de água. Numa primeira fase deste trabalho, trajetórias de tempestades previamente registadas e intensidades são caracterizadas para a Bacia do Atlântico Norte em termos da sua probabilidade de ocorrência, especificamente na região nordeste do litoral dos Estados Unidos e da região noroeste do litoral Português. Numa seguinte etapa, várias tempestades são geradas utilizando uma ferramenta específica, Delft Dashboard, para o software Delft3D-FLOW. Modelos hidrodinâmicos implementados são utilizados para simular os efeitos das tempestades gerados sobre as correntes e os níveis de água nas costas e, posteriormente, comparados com os resultados observados. Para ambos os casos, a costa nordeste dos Estados Unidos (englobando a área de The Battery, New York) e a costa noroeste Portuguesa (abrangendo a área entre o Porto e Viana do Castelo), são considerados domínios regionais altamente refinados. É previsto que os fenómenos de alterações climáticas irão contribuir para a intensificação das tempestades costeiras. Neste contexto, uma estimativa dos riscos das inundações costeiras é de grande importância para o planeamento e gestão das zonas costeiras. Uma contribuição para a preservação e a sustentabilidade das zonas costeiras constitui o principal objetivo deste trabalho. Assim, numa segunda fase, a realização de uma série de situações hipotéticas de tempestades e análise dos seus impactos através de modelação numérica, o método conhecido como ensemble forecasting, é de primordial interesse em termos de decisões de planeamento costeiro. Com base em dados estatísticos e modelação numérica, são realizadas avaliações do impacto das tempestades nestas duas áreas de estudo.