Staats- und Universitätsbibliothek Hamburg Carl von Ossietzky
Erscheinungsjahr:
2022
Medientyp:
Text
Schlagworte:
Wellen
Statistik
Nordsee
Solitone
nichtlineare Interaktion
550: Geowissenschaften
38.99: Geowissenschaften: Sonstiges
ddc:550:
Beschreibung:
Rogue waves are exceptionally high waves, relative to the surrounding sea state. They occur rarely, which makes them difficult to predict. Due to their particular height and limited predictability, they pose a threat to offshore structures and operations. A first step towards the prediction of rogue waves in a region is the investigation of their occurrence frequency. Knowing whether rogue waves occur as often as expected at random, or more frequently, gives a hint on the mechanisms that may have contributed to their formation. It is likely that different processes can be responsible for rogue wave formation. In deep and intermediate water, rogue wave occurrence frequencies beyond the expectations of common wave height distributions have been explained mathematically and experimentally, for example, by nonlinear focusing. In shallow water, in which wave dynamics experience the influence of the sea floor, the presence of solitons has been suspected as a cause of increased rogue wave occurrence. An improved understanding of the mechanisms that form rogue waves is crucial for their prediction. The prediction of rogue waves can prevent accidents at sea. This thesis concerns rogue waves in the southern North Sea, in both intermediate-water and shallow-water regimes. In an extensive set of surface elevation data from six buoy and five radar measurement stations, rogue waves with exceptional crest and crest-to-trough heights were identified. Their occurrence frequencies were compared to the expectations of common wave height distributions of a Weibull type. The statistical analysis in intermediate water depths revealed that wave buoys did not identify more rogue waves than expected. However, rogue wave frequencies recorded at radar stations exceeded the expectations of the common wave height distributions. The discrepancy between the results might be due to the different measurement techniques. Following the statistical analysis at intermediate-water sites, it was investigated whether nonlinear focusing, that has led to deep-water rogue wave formation in numerical and physical experiments, provides a conceivable explanation for rogue wave generation at the considered sites. An investigation of wave energy spectra at the intermediate-water stations yielded broad-banded conditions in both frequency and angular direction. These are unlikely conditions for nonlinear focusing to occur. In shallow water, the statistics revealed an exceptionally high number of rogue waves at one buoy and one radar device. In the shallow-water time series at these sites, the recorded rogue waves could be associated with the presence of solitons. The study leads to the conclusion that intermediate-water rogue waves in the southern North Sea are probably not the result of nonlinear focusing. At some sites in shallow water above a sloping sea floor, rogue wave occurrence frequencies exceeding the expectations of common wave height distributions, could be explained by the presence of solitons.
Extremwellen oder "Rogue Waves" sind außergewöhnlich hohe Wellen, bezogen auf den umgebenden Seegangszustand. Sie treten selten auf, was ihre Vorhersage erschwert. Auf Grund ihrer ungewöhnlichen Höhe und eingeschränkten Vorhersagbarkeit stellen sie eine Bedrohung für Bauwerke und Tätigkeiten auf See dar. Ein erster Schritt auf dem Weg zur Vorhersage von Extremwellen in einer Region ist die Ermittlung ihrer Häufigkeit. Das Wissen darüber, ob Extremwellen so oft auftreten wie zufällig erwartet, oder häufiger, gibt einen Hinweis darauf, welche Mechanismen zu ihrer Entstehung beigetragen haben könnten. Es ist anzunehmen, dass unterschiedliche Prozesse für das Entstehen von Extremwellen verantwortlich sein können. In großen und mittleren Wassertiefen wird eine Extremwellenhäufigkeit, die über die Erwartungen gebräuchlicher Verteilungen von Wellenhöhen hinausgeht, mathematisch und experimentell beispielsweise durch nichtlineare Fokussierung erklärt. In flachem Wasser, in welchem die Dynamik von Wellen den Einfluss des Meeresbodens erfährt, wird das Vorhandensein von Solitonen als Ursache für eine erhöhte Extremwellenhäufigkeit in Betracht gezogen. Ein verbessertes Verständnis der Mechanismen, die Extremwellen ausbilden, ist wesentlich für deren Vorhersage. Die Vorhersage von Extremwellen kann Unfällen auf See vorbeugen. Diese Dissertation betrifft Extremwellen in der südlichen Nordsee, sowohl in mittleren, als auch in geringen Wassertiefen. In einem umfangreichen Satz von Wasserspiegelauslenkungsdaten von sechs Bojen- und fünf Radarmessstationen wurden Extremwellen mit außergewöhnlichen Wellenbergen und Wellenhöhen von Berg zu Tal identifiziert. Ihre Häufigkeiten wurden mit den Erwartungen üblicher Wellenhöhen-Verteilungen der Art einer Weibull-Verteilung verglichen. Die statistische Auswertung in mittleren Wassertiefen zeigte, dass Wellenbojen nicht mehr Extremwellen identifizierten als erwartet. Extremwellenhäufigkeiten, die an Radarstationen erfasst wurden, überschritten jedoch die Erwartungen der üblichen Wellenhöhen-Verteilungen. Die Unstimmigkeiten zwischen den Ergebnissen liegen möglicherweise in den unterschiedlichen Messmethoden begründet. Im Anschluss an die statistische Auswertung an Standorten in mittlerer Wassertiefe wurde überprüft, ob nichtlineare Fokussierung, die in numerischen und physikalischen Experimenten zur Entstehung von Extremwellen in tiefem Wasser geführt hat, eine denkbare Erklärung für die Erzeugung von Extremwellen an den betrachteten Standorten bietet. Die Untersuchung von Wellenenergiespektren an den Stationen in mittleren Wassertiefen ergab breitbandige Zustände, sowohl in der Frequenz-, als auch in der Richtungsverteilung. Diese Bedingungen machen die Entstehung nichtlinearer Fokussierung unwahrscheinlich. In flachem Wasser offenbarte die Statistik eine außergewöhnlich hohe Anzahl an Extremwellen an einer Boje, sowie an einem Radargerät. In den Flachwasser-Zeitreihen dieser Standorte konnten die aufgezeichneten Extremwellen mit dem Vorhandensein von Solitonen in Verbindung gebracht werden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Extremwellen in den mittleren Wassertiefen der südlichen Nordsee wahrscheinlich nicht das Ergebnis nichtlinearer Fokussierung sind. An einigen Standorten in flachemWasser oberhalb eines abschüssigen Meeresbodens konnten Extremwellenhäufigkeiten, die die Erwartungen üblicher Wellenhöhen-Verteilungen überschritten, durch das Vorhandensein von Solitonen erklärt werden.