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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