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Artículo preparado por Juan Carlos Carretero Albiac yMarta Gómez Lahoz del Área de Medio Físico de la Di-rección de Infraestructuras y Servicios Portuarios dePuertos del Estado

EL Departamento de Modelos de Predicción y Re-troanálisis de Puertos del Estado trabaja en el de-sarrollo y en la aplicación de modelos numéricos

de generación de oleaje. Este tipo de modelos, cuyoforzamiento consiste en campos de viento, es utiliza-do por una parte para conocer el clima marítimo me-diante retroanálisis del oleaje de épocas pasadas y porotra parte para la predicción del oleaje futuro. El ob-jetivo de este artículo es informar sobre las activida-des del Área en el campo de la predicción del oleaje ysobre los objetivos de Puertos del Estado en este ám-bito.

En dos artículos anteriores ya publicados en este bo-letín (febrero de 1996 y marzo de 2000) se describíacon detalle el sistema de predicción de oleaje desa-rrollado por Puertos del Estado y se mencionaba elconvenio en preparación entre el ente público y elInstituto Nacional de Meteorología (INM) para la po-tenciación de la meteorología marítima. Así mismo sedescribía la línea de trabajo iniciada por el Área deMedio Físico en relación con la predicción del oleajea escala portuaria.

En virtud de dicho convenio, firmado en junio de2001, el sistema de predicción de oleaje de Puertosdel Estado ya ha sido transferido al INM. Este orga-nismo se responsabiliza desde entonces de su mante-nimiento operativo, siendo conjunta la responsabili-dad para el desarrollo ulterior del mismo. Por otraparte la responsabilidad de suministrar la predicciónde oleaje a las Autoridades Portuarias sigue recayendosobre el Área de Medio Físico de Puertos del Estado ypara mejorar este servicio se está trabajando en el de-sarrollo de un sistema de predicción local de oleaje,

denominado proyecto SAPO (Sistema Autónomo dePredicción de Oleaje).

De esta forma, el INM se responsabilizará de la ges-tión del sistema de predicción de escala oceánica, quees de interés para toda la sociedad en general, y Puer-tos del Estado concentrará sus esfuerzos en la mejorade este sistema, liberándose de la carga que represen-ta su gestión diaria, y en el desarrollo de aplicacionesde escala portuaria que funcionarán de una forma ani-dada a las aplicaciones de escala oceánica.

EL CONVENIO ENTRE EL INM Y PUERTOS DEL ESTADO PARA LA POTENCIACIÓN DEL SERVICIO PÚBLICO DE INFORMACIÓN METEOROLÓGICA MARINA

Este convenio tiene como objeto establecer un marcode colaboración entre el INM y Puertos del Estadopara coordinar los recursos y la capacidad tecnológicade que disponen cada uno de estos organismos al ob-jeto de ofrecer una información marítimo-meteoroló-gica más completa.

En virtud de este convenio, el INM se comprometea llevar a a cabo la explotación operativa del sistemade información meteorológica marina, con inclusióndel sistema de predicción numérica de oleaje desa-rrollado por Puertos del Estado y suministrar a esteinformación de acuerdo con sus necesidades. Porotra parte, Puertos del Estado se compromete aponer a disposición del INM dicho sistema junto contoda la documentación necesaria. Así mismo, Puer-tos del Estado se compromete a suministrar al INM,tanto en tiempo real como diferido, los parámetrosoceanográfico-meteorológicos registrados por losequipos pertenecientes a las redes de medida dePuertos del Estado.

Todos los costes de explotación del sistema correrán acargo del INM que a su vez, será el receptor de de los

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Presente y Futuro de los Sistemas de Oleaje

Puertos del Estado preparará una Red deSistemas Locales de Predicción de OleajePuertos del Estado preparará una Red deSistemas Locales de Predicción de Oleaje

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ingresos generados por el sistema, de acuerdo con supolítica de precios. El servicio será gratuito para Puer-tos del Estado y las Autoridades Portuarias.

El trabajo de instalación del sistema, ya terminado, hasido llevado a cabo por un Equipo Técnico de Traba-jo compuesto por personal de ambas institucionessegún lo establecido en el convenio. Una Comisión deSeguimiento, integrada por personal de ambas institu-ciones, ha supervisado dicho trabajo y será responsa-ble en el futuro de supervisar y evaluar el desarrollodel convenio. Dicha Comisión será también responsa-ble de definir programas anuales de investigación queserán llevados a cabo por el Equipo Técnico de traba-jo ya establecido durante la fase de instalación, y ela-borar informes anuales sobre el cumplimiento de losobjetivos marcados.

La Comisión de Seguimiento ha celebrado hasta lafecha dos reuniones, habiendo definido los objetivospara la mejora del sistema de predicción.

EL PROYECTO SAPO

Dentro de los objetivos generales del sistema de pre-dicción de Puertos del Estado, se encuentra el objeti-vo particular de Puertos del Estado de proporcionar alas Autoridades Portuarias una predicción local deloleaje considerando las transformaciones inducidaspor el efecto de la linea de costa y por la plataformacontinental.

Dado que la plataforma continental española tienemuy pocos kilómetros de anchura con profundidadesmenores de 100 metros, (ver figura 1), para poder mo-delizar el oleaje entre el talud y profundidades de 10 a15 metros, fuera de la zona de rompientes, se necesi-tan pasos de malla del orden de centenares de metros.Aún habiendo refinado la malla de las aplicacionesoceánicas para poder resolver la costa, el paso de mallaobtenido no es suficiente como para poder reproduciradecuadamente la refracción y el ensombrecimientoprovocado por el fondo marino y por los cabos. Porejemplo, con un paso de malla de 2,5 minutos, (el co-rrespondiente a la aplicación operativa para la costacantábrica), solo un punto o dos de malla están situa-dos a profundidades menores de 100 metros.

Por lo tanto, se considera necesario el uso de un mo-delo espectral local anidado a las aplicaciones oceáni-cas, cubriendo un área de unos 25 kilómetros. Paraestas aplicaciones es conveniente utilizar un modelode generación en lugar de uno de propagación, por-que no se puede despreciar el efecto del viento enesta escala y porque su cobertura es demasiado gran-de como para imponer condiciones de contorno cons-tantes en el borde de la malla.

Adicionalmente se necesitan modelos locales de pro-pagación anidados a la aplicación anterior, para teneren cuenta fenómenos locales tales como la difracción,reflexión, rotura, etc. Estos modelos necesitan resolu-ciones del orden de las decenas de metros, cubriendoáreas del orden de los 5 × 5 km.

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Figura 1.

Batimetría de la Costa Cantábrica. Profundidad hasta 450 m.

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En una primera aproximación al problema se plante-an dos opciones para poder emitir una predicción deestas características:

1. Esquema centralizado: las aplicaciones oceánicas ylas locales serían procesadas por INM/Puertos delEstado

2. Esquema descentralizado: las aplicaciones oceáni-cas serían procesadas por INM/Puertos del Estadoy las aplicaciones locales serían procesadas directa-mente por el usuario.

La segunda opción ha sido la que se ha estimado másaporpiada y la seleccionada para este proyecto. La prin-cipal razón es que con esta opción el tiempo de com-putación es asumido por el usuario, por lo que no exis-tiría un límite al número de aplicaciones que se pudie-ran desarrollar al cabo del tiempo. Adicionalmente, elhecho de descentralizar estas aplicaciones implica eli-minar la necesidad de procesarlas todos los días, inclu-so cuando el usuario no lo desee. Por otra parte el ar-chivo de datos para cada usuario sería gestionado por élmismo. También se considera que la implicación del

usuario en la emisión de la predicción, redundaría enun mejor conocimiento de sus necesidades y en unamayor aportación de sugerencias por su parte.

Cada sistema local consiste en una aplicación de unmodelo espectral cubriendo un área reducida, recibien-do condiciones de contorno del sistema INM/Puertosdel Estado, y adicionalmente de una o varias aplicacio-nes de modelos de propagación anidados a esta aplica-ción local. El sistema incluye programas de postproce-so para generar mapas, series temporales, etc. y es capazde acceder, como complemento, a través de Internet alas predicciones globales de INM/Puertos del Estado, adatos de boyas oceanográficas, etc. (ver figura 2).

El sistema irá montado en un PC dotado de Linux, re-cibirá las condiciones de contorno por correo electró-nico y dispondrá de los siguientes módulos:

• Ejecución de modelos. Módulo gobernado por mediode procedimientos en C-Shell que arrancarán losmodelos al recibir un correo electrónico con lascondiciones de contorno. Incluirá procedimientospara el control de comunicaciones, para el prepro-

INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGÍA

PREDICCIÓN NUMÉRICA METEOROLÓGICA

PREDICCIÓN DE VIENTO

PUERTOS DEL ESTADO

PREDICCIÓN NUMÉRICA OLEAJE

USUARIOS INTERNET

REDESDE

MEDIDA

BANCODE

DATOS

MODELO WAMESCALA

ODEANICA

AUTORIDADES PORTUARIAS

PREDICCIÓN NUM. DE OLEAJE

MODELO DE ESCALA LOCAL

CONSULTAS

CONSULTAS

CONSULT

AS

CONSULTAS

CONSULT

AS

PREDICCIÓN DEVIENTO Y OLEAJE

CONDICIONESDE CONTORNO

MODELO HIRLAM0.5 GRADOS

RED LOCAL

(EN DESARROLLO)

MODELO HIRLAM0.2 GRADOS

MODELO WAMY WAVEWATCHESCALA COSTE

Figura 2.

Esquema de un nodo local de predicción de oleaje anidado al sistema INM/PE.

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ceso de datos, postproceso, etc. Este módulo, a otraescala, será similar al oPuertos del Estadorativo enINM/Puertos del Estado para la escala oceánica.

• Base de datos. Módulo que contendrá las salidas delos modelos y otros datos de interés tales como me-diciones de boyas, etc.

• Presentación de resultados. Programa para mostraren pantalla resultados de los modelos en forma demapas de isolíneas, series temporales, comparacio-nes con boyas, etc. Será manejado por el usuario atraces de iconos.

Este sistema será mantenido al día en su parte técni-ca y científica por Puertos del Estado, que mantendrápara su desarrollo una réplica operativa en sus ofici-nas. Periódicamente, las mejoras disponibles serán ins-taladas en los sistemas ya distribuidos a los usuarios.El mantenimiento operativo será responsabilidad delusuario, siendo este muy sencillo ya que el sistemaestá pensado para funcionar automáticamente sólocon tener el PC encendido.

Se ha desarrollado un prototipo de este sistema parael área de Gijón. El modelo espectral utilizado paraesta aplicación es el modelo SWAN, desarrollado porla universidad de Delft, Holanda.

En una primera versión de este prototipo se ha desa-rrollado un aplicación muy simple, que está siendo re-finada poco a poco, a medida que se comprueba la sen-sibilidad del modelo a los distintos factores que se pue-den modificar en la aplicación. De esta manera, en estaprimera versión el paso de malla utilizado es de 0,5 mi-nutos, que suponen 925,9 metros en latitud y 668,9metros en longitud, el paso de tiempo de integración esde 15 minutos, la resolución espectral es de 25 fre-cuencias y 24 direcciones, recibiendo condiciones decontorno de la aplicación operativa de Puertos del Es-tado/INM del Cantábrico, y campos de viento de laaplicación del modelo HIRLAM de 0.2 de resolución.En la figura 3 se puede ver el área cubierta por el mo-delo así como los puntos de malla, puntos negros, lospuntos en los que se reciben condiciones de contorno,rombos rojos, y los puntos en los que existen datos deviento, círculos verdes. En esta figura están así mismo

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Figura 3.

Aplicación del SAPO en el área de Gijón con la batimetría de la zona.

representadas las dos boyas de la red costera de Puer-tos del Estado, existentes en la zona y con las que serealiza la verificación de esta aplicación.

En la figura 4 se muestran resultados de esta primeraversión de la aplicación de Gijón comparando la sali-da del modelo SWAN con los datos de la boya máscercana al puerto, de la red costera de Puertos del Es-tado, cuya posición se muestran en la figura 3. Lacomparación se ha hecho para la altura significativade oleaje y el período de pico, corriendo la aplicaciónpara un caso seleccionado en el que los resultados dela aplicación del Cantábrico fueran óptimos, ya que loque se pretendía era comprobar que la aplicación fun-cionaba correctamente.

Como ya se ha comentado se ha comenzado por unaversión muy simple en la que actualmente se está tra-bajando para irla mejorando. Los siguientes pasos quese van a dar son:

• Introducir marea astronómica: A esta escala el efec-to sobre el oleaje de los cambios en la batimetríadebidos a la marea son importantes y el modeloSWAN está preparado para recibir como entrada labatimetría con dichas variaciones. Se está trabajan-do en la modificación de la batimetría con los ar-mónicos de la marea en la zona.

• Introducir marea meteorológica: Puertos del Estadoprocesa de manera operativa, dos veces al día, unapredicción del nivel del mar con el modelo NIV-MAR. La salida de esta predicción del nivel del marpodrá ser utilizada para modificar la batimetría de

las aplicaciones del SAPO teniendo en cuenta losresiduos meteorológicos.

• Aumentar la resolución de los campos de viento hasta0.1 grados: Un aplicación de esta escala necesita seralimentada con campos de viento de mucha másresolución que los actualmente disponibles. La uti-lización de estos campos de viento mejorará nota-blemente las aplicaciones del SAPO.

• Aumentar la resolución espacial y disminuir el pasode tiempo de integración: Las resoluciones de estaprimera versión de la aplicación de Gijón son clara-mente muy toscas. En este sentido es muy impor-tante tener en cuenta que para realizar un predic-ción de oleaje no se puede consumir mucho tiem-po de CPU, y aumentar el número de puntos demalla o disminuir el paso de tiempo repercute di-rectamente en el consumo de tiempo de computa-ción, por lo que hay que realizar un estudio deta-llado en el que se contraste los beneficios de au-mentar las resoluciones espaciales y temporalesfrente al perjuicio de aumentar el tiempo de pro-ceso, tratando de optimizar ambas cosas.

Para hacer frente a este último punto, y como alterna-tiva a la malla mostrada en la figura 3, se ha desarro-llado un malla girada 35 grados respecto a la direccióneste-oeste, con la que se pretende disminuir el área dela aplicación sin perder información en la zona en laque la batimetría influye más sobre el oleaje.

En la figura 5 se puede ver esta nueva malla, con lospuntos de contorno que se recibirán de la aplicación

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Figura 4.

Series temporales de altura significativa y período de pico del modelo comparadocon la boya de Gijón 1

6

5

4

3

2

1

0

DÍAS

0 4 8 12 16

SWAN BOYA

Comparación WAM Cantábrico - SWANAltura significativa a partir del espectro. Boya Gijón 1.Inicio: 200003240000 Final: 200004090000

Hm

o(m

)

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

DÍAS

0 4 8 12 16

SWAN BOYA

Comparación WAM Cantábrico - SWANPeriodo de pico. Boya Gijón 1.Inicio: 200003240000 Final: 200004090000

Tp(

s)

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del Cantábrico. Al reducir el tamaño de la malla sepuede aumentar la resolución espacial y disminuir elpaso de tiempo de integración sin penalizar el tiempode CPU. En esta figura se puede observar como lamalla cubre toda la zona de profundidades menoresde 60 metros por lo que no se está perdiendo infor-mación en la zona donde la batimetría influye mássobre el oleaje.

LAS LÍNEAS DE TRABAJO PARA EL FUTURO

• Implementación de uno o varios modelos de propaga-ción dentro del sistema: La idea principal de este sis-tema, como ya se ha mencionado varias veces eneste artículo, es proporcionar la mejor predicciónde oleaje posible a las diferentes Autoridades Por-tuarias. Para alcanzar este fin se hace necesaria lautilización de modelos de propagación de oleaje,

acoplados al modelo espectral, para tener en cuen-ta fenómenos locales tales como la difracción, re-flexión, rotura, etc.. Existen distintas opciones paraeste módulo (p.e modelos m.s.e, modelos tipo Bou-sinessq), por lo que desde Puertos del Estado seevaluaran distintas opciones y se seleccionará, de-pendiendo de cada caso, la mejor opción para suimplementación como parte del sistema.

• Aplicación del sistema a diferentes áreas: La estrate-gia de Puertos del Estado en el proyecto SAPO es irimplementando las aplicaciones del sistema enaquellas Autoridades Portuarias que manifiesten suinterés por disponer de un sistema de estas caracte-rísticas, habiéndoles dado previamente la informa-ción necesaria. En este sentido el Área de Medio Fí-sico de Puertos del Estado ya ha entrado en contac-to con alguna de ellas y está empezando a trabajaren el desarrollo de convenios para su instalación. �

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Figura 5.

Aplicación del SAPO en el área de Gijón con la malla girada 30° y la batimetría de la zona