C:/Dissertation/Ver3/Diss_comp_n23.dvi

GKSS 2007/12
Die Wechselwirkung von Seegang und Strömung: Eine theoretische Grundlegung mit
Modellanwendungen
(Vom Department Geowissenschaften der Universität Hamburg als Dissertation angenommene Arbeit)
Jens Murawski
140 Seiten mit 24 Abbildungen und 3 Tabellen
Zusammenfassung
In der vorliegenden Doktorarbeit wurde die Wechselbeziehung von Seegang und Strömung theoretisch
und numerisch untersucht. Dazu sind Computersimulationen mit einem interaktiv gekoppelten
Modell für die großskalige Zirkulation und die windgenerierten Wellen in der Nord- und Ostsee
durchgeführt worden. Die beiden, verschiedenskaligen Prozesse: Seegang und Strömung beeinflussen
sich nicht nur in der Brandungszone, wo die Wellen brechen, sondern auch im gesamten Off-Shore-
Bereich vor der Küste. So sagt die nichtlineare Wellentheorie einen nicht verschwindenden Impulsbeitrag
zur mittleren Strömung voraus. Andererseits hängen Propagation und Refraktion der Wellen
nichtlinear von der Wassertiefe und der Strömungsgeschwindigkeit ab. Der Seegang wird als periodische
Störung des hydrodynamischen Grundzustandes aufgefasst, der mit der Eulerschen Strömung
identifiziert wird. Variable Umgebungsbedingungen, z.B. unbeständige Winde, Wassertiefen und
Strömungen, beeinflussen die Entwicklung des Seegangs. Die mittlere Strömung, welche ohne den
Einfluss der Wellen der Eulerschen Strömung gleicht, passt sich den Veränderungen im Wellenfeld
an. Das gekoppelte Seegangs-Strömungs-Modell beschreibt diesen Anpassungsprozess. Der hergeleitete
Satz hydrodynamischer Gleichungen für die großskalige Zirkulation ist das Ergebnis einer
nichtlinearen Störungsrechnung unter Verwendung der WKB-Approximation. Eine nicht-kanonische,
i.a. strömungsabhängige Wirkungsbilanzgleichung für den Seegang ist aus den linearisierten Störungsgleichungen
abgeleitet worden. Für räumlich inhomogene und tiefenabhängige Strömungen wurde die
Dispersionsrelation harmonischer Wellen mit kleinen Amplituden aus den Gleichungen niedrigster
Ordnung, i.a. den Reynoldsgleichungen, abgeleitet. Das Ergebnis ist naturgemäß strömungsabhängig.
Das Seegangs-Strömungs-Modell wurde auf verschiedene Sturmperioden in der Nord- und Ostsee
angewandt. Dabei sind die Simulationsergebnisse des gekoppelten Modellsystems mit den Resultaten
der separaten Modelle für die mittlere Zirkulation und die windgenerierten Wellen verglichen, und
Messwerten gegenübergestellt worden. In Übereinstimmung mit den Beobachtungen zeigen die
numerischen Simulationen eine seegangsbedingte Wasserstandserhöhung in der Brandungszone und
eine balancierende Strömung entlang der Küste. Die durch Seegangs-Strömungs-Wechselwirkung
hervorgerufenen Effekte können von Bedeutung für den Küstenschutz und für küstennahe Applikationen
sein.