Estudio no estacionario de clima medio de oleaje en la costa central de Chile
RESUMEN
El oleaje, fenómeno generado por el viento
trascendente en la ingeniería marítima, es supuesto
por simplicidad como estacionario, es decir, que las
características presentes en una estadística no
variarán en el tiempo, haciéndola representativa de
la condición futura. Evidencias encontradas sobre las
influencias de los fenómenos (no estacionarios) El
Niño – Oscilación Sur (ENOS) y Calentamiento
Global en los patrones de viento (Garreaud y Falvey 2008, Avaria
et al. 2004) permiten suponer que el oleaje es en
realidad no estacionario.
Esto conduce a buscar una metodología que permita
incorporar las influencias de estos fenóm enos en los
estudios de clima medio de oleaje para obtener pronósticos
con mayor certidumbre. Los resultados encontrados indican la
presencia de variaciones en el oleaje relacionados con ambos
fenómenos en los promedios y desviaciones estándar
mensuales de los parámetros de altura significativa,
periodo peak, periodo medio, dirección
peak y dirección media en la estadística
de 20 años de parámetros de resumen en 4 puntos de
la costa central de Chile en las latitudes 31°S,
35°S, 37°S y 39°S (desde la IV a la XIV
región exceptuando la V).
Se obtienen las condiciones base de oleaje a partir de
un estudio de oleaje tradicional y luego se simulan las
características del oleaje bajo tres escenarios de ENOS en
el futuro: Niño extremo, normal y Niña extrema en
el año 2031, usando el índice SSTA Niño 3.4.
Se estima que las condiciones futuras (año 2031) del clima
medio de oleaje en condición normal de ENOS
presentarían variaciones de hasta +0,22 [m] en la altura
de ola, hasta +0,7 [s] en los periodos y hasta -22,6° en las
direcciones respecto a las condiciones medias actuales (8,7%,
5,8% y 9,5% respectivamente), mientras que en condiciones
extremas de ENOS se presentarían variaciones de hasta
+0,42 [m] en la altura, hasta +0,7 [s] en los periodos y hasta
-28,17° en las direcciones (16,9%, 5,9% y 12,3%
respectivamente).
ABSTRACT
In the conventional design of maritime works, wind waves
are usually supposed to be statistically stationary, i.e. wave
parameters are assumed to have a constant behavior in statistical
sense, during the lifetime. However, recent studies (Garreaud
& Falvey 2008, Avaria et al. 2004) indicate that
large scale climate phenomena such as El Niño Southern
Oscillation (ENSO) and Global Warming may affect winds and
therefore the wave patterns.
A methodology incorporating long-term fluctuations of
the mean wave climate is proposed herein. The methodology was
applied to 20-year statistical wave parameters in 4 nodes off the
central coast of Chile (31°S, 35°S, 37°S and
39°S). Results of the historical dataset indicate the
presence of long term fluctuations in the relevant wave
parameters (i.e. monthly averages and standard deviations of the
significant height, peak period, mean period, peak direction and
mean direction).
Once a model to characterize the long term fluctuations
was obtained, 3 ENSO scenarios derived on the SSTA Niño
3.4 index were used to forecast the wave parameters in a 20 years
horizon (2031): extreme Niño, normal and extreme
Niña. These scenarios were compared to an estimation
considering statistically stationary behavior of the data. The
forecast indicated that mean wave climate in the normal ENSO
conditions would present increments of 0.22 [m] in the wave
height, 0.7 [s] in the periods and deviations of -22.6 in the
directions when compared to the stationary model (8.7%, 5.8% and
9.5% respectively). In extreme ENSO conditions, the increments in
significant height are of 0.42 [m] and of 0.7 [s] in periods. The
direction chance -28.17° (16.9% 5.9% and 12.3%
respectively).
1
INTRODUCCIÓN
Desde que el hombre se aventura en el mar, ha debido
encontrar la manera de sortear las condiciones que impone el
oleaje. Desde los antiguos navegantes y pescadores hasta los
modernos surfistas y turistas, el oleaje, por su imponencia,
fuerza, belleza o constante presencia, ha sido fuente de
interés, admiración y respeto. Asimismo,
áreas del quehacer humano tan diversas como el desarrollo
urbano, conflictos bélicos, conservación del medio
ambiente, fuentes de energía, comercio, deportes,
recreación y otros, se han interesado en el estudio y
compresión de este fenómeno, cuyos esfuerzos no
tienen más de dos siglos de antigüedad.
En la actualidad, el oleaje convive con diversidad de
actividades y estructuras relacionadas con el desarrollo de la
sociedad en el ámbito económico (puertos, granjas
de energía undimotriz, plantas petroleras, carreteras,
etc.) y recreacional (marinas deportivas, paseos costeros,
playas, acuarios, etc.). Sin embargo, para asegurar la
permanencia y utilidad de dichas actividades y estructuras se
deben considerar las condiciones de mayor frecuencia y de mayor
magnitud (consideradas extremas). Así, las condiciones de
oleaje de mayor frecuencia condicionarán el diseño
operacional, mientras que las condiciones extremas
definirán el diseño estructural. Para estos efectos
se requieren estudios precisos en base a estadística de
adecuada extensión.
Respecto a los estudios de oleaje, el autor ha tenido
variadas experiencias en su desempeño académico y
profesional, tanto en su calidad de ayudante de cátedra en
las asignaturas de Mecánica de Olas e Hidráulica
Marítima en la carrera de Ingeniería Civil
Oceánica de la Universidad de Valparaíso, como
participante del Grupo de Ingeniería Civil Oceánica
de la misma institución, estamento que ofrece servicios de
consultoría en ingeniería marítima. Las
principales participaciones son la realización del
proyecto interno "Análisis de estadística de
parámetros de resumen de 5 años en el nodo 33°S
del proyecto Olas Chile II" en 2008 en calidad de ejecutor; el
desarrollo del "Estudio de evaluación del potencial de
energía de oleaje entre las IV y X regiones, Chile" para
la empresa HydroChile S.A. en 2009 en calidad de coordinador del
grupo de análisis estadístico; y el desarrollo del
estudio "Efectos del cambio climático en las costas de
Chile, informe de recopilación y análisis
preliminar de antecedentes" desarrollado para CEPAL en 2009 en
calidad de ejecutor del estudio de evolución de
oleaje.
De estas experiencias se han obtenido antecedentes de la
presencia de oscilaciones de baja frecuencia y de tendencias que
escapan de los criterios considerados en los estudios de oleaje
tradicionales, aspectos que motivan el desarrollo del presente
proyecto
Cabe consignar que un estudio tradicional de oleaje
considera por simplicidad que éste no varía en el
tiempo, haciendo la estadística disponible representativa
de la condición futura asociada a la vida útil del
proyecto a desarrollar, es decir, se supone al oleaje como
estacionario.
No obstante, el carácter global de los cambios
producidos por los fenómenos (no estacionarios)
Calentamiento Global y El Niño – Oscilación
Sur (ENOS) hacen prever que influyan de manera significativa en
los campos de vientos que generan el oleaje, haciéndolo no
estacionario.
Por tal razón, en este trabajo se desarrolla un
estudio de oleaje no estacionario que permite identificar las
influencias que en él tienen ENOS y el Calentamiento
Global, y con ello una estimación de la condición
de oleaje futura en la costa Central de Chile a partir de la
estadística de 20 años de
parámetros de resumen disponible en cuatro puntos del
país.
2 Objetivos y
alcances
2.1 OBJETIVOS
El objetivo general del proyecto es proponer una
metodología de estudio de oleaje que permita realizar
pronósticos con menor incertidumbre al considerar las
influencias de los fenómenos Calentamiento Global y El
Niño – Oscilación Sur (ENOS).
Mientras que los objetivos específicos
son:
1. Caracterizar el clima medio de oleaje en aguas
profundas de la costa central de Chile.
2. Identificar la influencia de ENOS en el
oleaje.
3. Identificar la influencia del Calentamiento
Global en el oleaje.
2.2 ALCANCES
Se utiliza estadística de oleaje obtenida de un
modelo de hindcasting global en los nodos de
latitud 31°S, 35°S, 37°S y 39°S en
la costa de Chile, desarrollado por Fugro OCEANOR y facilitados
por HydroChile S.A.
Se utilizan solo los parámetros de resumen
espectrales de oleaje correspondientes a altura significativa
(Hs), periodo peak (Tp), periodo medio (Tm),
dirección peak (Dirp) y dirección media
(Dirm), sin considerarse la información de
espectros.
El estudio se realiza solo en aguas profundas y para
clima medio.
El oleaje se caracteriza mediante el uso de tablas de
incidencia, rosas de incidencia, gráficos de frecuencia
relativa y acumulada y los estadígrafos promedio mensual y
desviación estándar mensual.
Se utiliza solo la estadística mensual de los
índices SSTA Niño 3.4, SSTA Niño 3, SSTA
Niño 4 y SSTA Niño 1+2, además
del Índice de Oscilación sur (IOS), todos
pertenecientes a NOAA.
Las posibles influencias del oleaje en la
ingeniería marítima se describen de manera
intuitiva en base a la experiencia del autor.
3 Marco
teorico
3.1 EL OLEAJE
El oleaje es un fenómeno característico
del comportamiento del océano. Su presencia obliga a
considerar todos los resguardos posibles con tal de asegurar la
operación y permanencia de cualquier obra marítima
y/o costera en el tiempo, ya que al ser un fenómeno
incontenible e ineliminable, el imperante diseñar
cualquier facilidad en convivencia con este
fenómeno.
En este capítulo se tratan todos aquellos
aspectos que permitan lograr una comprensión cabal del
oleaje, desde su generación, desarrollo y
propagación, hasta las metodologías existentes para
su caracterización.
3.1.1 DEFINICIÓN DEL OLEAJE
"El oleaje es un fenómeno que
está determinado por la acción de las fuerzas de la
naturaleza en cualquier superficie libre de agua, las cuales
condicionan el tipo de ola que será inducida. La
más obvia de estas fuerzas es la acción del viento
sobre la superficie del mar".
La definición de oleaje planteada por Silva
(2005) encierra todas las posibilidades que puedan darse de este
fenómeno, ya que cada fuerza perturbadora generará
una condición de oleaje distinta, caracterizada por los
parámetros, altura (H), periodo (T) y
dirección (Dir). La primera está definida
como la distancia vertical entre la cresta y el valle, la segunda
señala el tiempo que transcurre entre el paso de dos
crestas o valles consecutivos por un mismo punto, mientras que la
tercera señala la orientación con la que incide la
trayectoria de la ola, tal como se presenta en la Figura
1.
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