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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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