Configuración del viento

Aumento del nivel del agua debido al viento que sopla sobre la superficie del agua

Efecto de la formación de viento durante el huracán Katrina en 2005

El efecto del viento , también conocido como efecto del viento o efecto de tormenta , se refiere al aumento del nivel del agua en mares, lagos u otros grandes cuerpos de agua causado por los vientos que empujan el agua en una dirección específica. A medida que el viento se mueve a través de la superficie del agua, aplica una tensión cortante al agua, generando una corriente impulsada por el viento. Cuando esta corriente encuentra una costa, el nivel del agua aumenta debido a la acumulación de agua, lo que crea una contrafuerza hidrostática que equilibra la fuerza cortante aplicada por el viento. ^{[1] [2]}

Durante las tormentas, la formación de viento forma parte de la marejada ciclónica general . Por ejemplo, en los Países Bajos , la formación de viento durante una marejada ciclónica puede elevar los niveles de agua hasta 3 metros por encima de los niveles normales de marea. En las regiones tropicales, como el Caribe , la formación de viento durante los ciclones puede elevar los niveles de agua hasta 5 metros. Este fenómeno se vuelve especialmente significativo cuando el agua se canaliza hacia áreas poco profundas o estrechas, lo que da lugar a marejadas ciclónicas más altas. ^[3]

Entre los ejemplos de los efectos de la formación de viento se incluyen los huracanes Gamma y Delta en 2020, durante los cuales la formación de viento fue un factor importante cuando los fuertes vientos y las caídas de presión atmosférica provocaron inundaciones costeras mayores a las esperadas en toda la península de Yucatán en México. ^{[4] De manera similar, en} Suisun Marsh de California , se ha demostrado que la formación de viento es un factor importante que afecta los niveles de agua locales, con fuertes vientos que empujan el agua hacia los diques , lo que contribuye a frecuentes rupturas e inundaciones. ^[5]

Observación

Observación de la formación de viento en Vlissingen en 1953

En los lagos , la configuración del viento suele provocar fluctuaciones notables en los niveles de agua. Este efecto es particularmente claro en lagos con niveles de agua bien regulados, como el IJsselmeer , donde la relación entre la velocidad del viento, la profundidad del agua y la longitud de alcance se puede medir y observar con precisión. ^[6]

Sin embargo, en el mar, la configuración del viento suele quedar enmascarada por otros factores, como las variaciones de las mareas. Para medir el efecto de la configuración del viento en las zonas costeras, la marea astronómica (calculada) se resta del nivel de agua observado. Por ejemplo, durante la inundación del Mar del Norte de 1953 , el nivel de agua más alto a lo largo de la costa holandesa se registró a 2,79 metros en la estación de mareas de Vlissingen , mientras que la configuración de viento más alta, que midió 3,52 metros, se observó en Scheveningen .

El viento más fuerte jamás registrado en los Países Bajos, que alcanzó los 3,63 metros, se produjo en Dintelsas, Steenbergen, durante la inundación de 1953. Sin embargo, a nivel mundial, las regiones tropicales como el Golfo de México y el Caribe suelen experimentar vientos aún más fuertes durante los huracanes, lo que subraya la importancia de este fenómeno en las estrategias de gestión costera y de inundaciones . ^[4]

Cálculo de la configuración eólica

Con base en el equilibrio entre el esfuerzo cortante debido al viento sobre el agua y la contrapresión hidrostática, se utiliza la siguiente ecuación: ^[7]

${\displaystyle {\frac {dh}{dx}}={\frac {\kappa u^{2}\cos \phi }{gh}}}$

En el cual:

h = profundidad del agua

x = distancia

u = velocidad del viento

${\displaystyle \kappa =c_{w}{\frac {\rho _{air}}{\rho _{water}}}}$, Ippen ^[7] sugiere = 3,3*10 ⁻⁶ ${\displaystyle \kappa }$

${\displaystyle \phi }$= ángulo del viento con respecto a la costa

g = aceleración de la gravedad

c _w tiene un valor entre 0,8*10 ⁻³ y 3,0*10 ⁻³

Aplicación en costas abiertas

Para una costa abierta, la ecuación se convierte en:

${\displaystyle \Delta h={\sqrt {2\kappa {\frac {u^{2}}{g}}F\cos \phi +h^{2}}}-h}$

En el cual

Δ h = configuración del viento

F = longitud de alcance , esta es la distancia que el viento sopla sobre el agua

Sin embargo, esta fórmula no siempre es aplicable, en particular cuando se trata de costas abiertas o de profundidades de agua variables. En tales casos, se necesita un enfoque más complejo, que implica resolver la ecuación diferencial utilizando una cuadrícula unidimensional o bidimensional. Este método, combinado con datos del mundo real, se utiliza en países como los Países Bajos para predecir la configuración del viento a lo largo de la costa durante posibles tormentas. ^[8]

Aplicación en lagos (poco profundos) y áreas confinadas de poca profundidad

Gráfico que muestra el resultado de utilizar el valor modificado κ=1,7*10-7 para el cálculo de la configuración del viento, según Feij (2015). ^[6]

Para calcular la configuración del viento en un lago, se utiliza la siguiente solución para la ecuación diferencial:

${\displaystyle \Delta h=0.5\kappa {\frac {u^{2}}{gh}}F\cos \phi }$

En 1966, el Comité de Obras del Delta recomendó utilizar un valor de 3,8*10 ⁻⁶ para en condiciones holandesas. Sin embargo, un análisis de los datos de medición del IJsselmeer entre 2002 y 2013 condujo a un valor más confiable para , específicamente = 2,2*10 ⁻⁶ . ^[6] ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle \kappa }$

Este estudio también descubrió que la fórmula subestimaba la configuración del viento a velocidades más altas. Como resultado, se ha sugerido aumentar el exponente de la velocidad del viento de 2 a 3 y ajustarlo aún más a =1,7*10 ⁻⁷ . Esta fórmula modificada puede predecir la configuración del viento en el IJsselmeer con una precisión de aproximadamente 15 centímetros. ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle \kappa }$

Para entornos confinados, como pantanos o pequeñas zonas de captación, Algra et al. (2023) propusieron un modelo empírico simplificado para la configuración del viento. ^[5] Este modelo fue diseñado para estimar la configuración del viento en el pantano de Suisun, donde las longitudes de las zonas de captación son más pequeñas y se aplican condiciones de poca profundidad del agua. La ecuación se expresa como:

${\displaystyle \delta h=\kappa {\frac {u_{10}^{2}}{g\cdot h}}\cdot F\cdot \cos(\phi )}$

Dónde:

• ${\displaystyle \delta h}$= configuración del viento (aumento del nivel del agua),
• ${\displaystyle \kappa }$= constante (normalmente derivada empíricamente),
• ${\displaystyle u_{10}}$= velocidad del viento medida a 10 metros sobre la superficie del agua,
• ${\displaystyle g}$= constante gravitacional,
• ${\displaystyle h}$= profundidad media del agua,
• ${\displaystyle F}$= longitud de búsqueda,
• ${\displaystyle \phi }$= ángulo entre la dirección del viento y la zona de alcance.

Esta ecuación supone que el alcance es pequeño y simplifica el proceso de configuración del viento al hacer que la configuración del viento sea linealmente proporcional al cuadrado de la velocidad del viento. En su análisis de 2023 de la isla Van Sickle, Algra et al. encontraron que este modelo era eficaz para entornos con alcance limitado y poca profundidad, donde los enfoques más complejos utilizados para costas abiertas son innecesarios. A diferencia de las formulaciones de ecuaciones diferenciales más detalladas utilizadas para costas abiertas o lagos más grandes, el modelo de Van Sickle proporciona una aproximación práctica para áreas confinadas donde la configuración del viento aún puede ser significativa pero donde las limitaciones espaciales simplifican la dinámica general del movimiento del agua. ^[5]

Nota

No se debe confundir la formación de viento con el aumento de la altura de las olas , que se refiere a la altura que alcanza una ola en una pendiente, o la formación de olas , que es el aumento del nivel del agua causado por las olas rompientes. ^[9]

Véase también

• Marejada ciclónica
• Inundaciones costeras
• Ingeniería costera

Referencias

1. Smith, SD (1988). "Coeficientes de tensión eólica en la superficie del mar, flujo de calor y perfiles del viento en función de la velocidad del viento y la temperatura". Journal of Geophysical Research: Oceans . 93 (C12): 15467–15472. Bibcode :1988JGR....9315467S. doi :10.1029/JC093iC12p15467 . Consultado el 26 de junio de 2023 .
2. Garvine, RW (1985). "Un modelo simple de fluctuaciones submareales estuarinas forzadas por el estrés del viento local y remoto". Journal of Geophysical Research: Oceans . 90 (C6): 11945–11948. Bibcode :1985JGR....9011945G. doi :10.1029/JC090iC06p11945 . Consultado el 26 de junio de 2023 .
3. Verboom, GK; van Dijk, RP; deRonde, JG (1 de noviembre de 1987). "Een model van het Europese Kontinentale Plat voor windopzet en waterkwaliteitsberekeningen" [Un modelo de la plataforma continental europea para cálculos de la configuración del viento y la calidad del agua]. Z0096 (en holandés). Deltares (WL) . Consultado el 26 de junio de 2023 .
4. Torres-Freyermuth, A.; Medellí, G.; Kurczyn, JA; Pacheco-Castro, R.; Arriaga, J.; Appendini, CM; Allende-Arandía, ME; Gómez, JA; Franklin, GL; Zavala-Hidalgo, J. (2022). "Evaluación de peligros y respuesta hidrodinámica, morfodinámica e hidrológica a los huracanes Gamma y Delta en el norte de la península de Yucatán". Ciencias de los sistemas terrestres y riesgos naturales . 22 (12): 4063–4085. Código Bibliográfico :2022NHESS..22.4063T. doi : 10.5194/nhess-22-4063-2022 .
5. Algra, S.; Huijbregts, J.; Prins, S.; Terliden-Ruhl, L.; Lanzafame, RC; Pearson, SG (2023). Análisis de riesgos: Isla Van Sickle (Informe de proyecto multidisciplinario: Grupo MDP 350). Universidad Tecnológica de Delft . Consultado el 27 de septiembre de 2024 .
6. Feij, CCL; Verhagen, HJ (2015). Nauwkeurigheid van formules voor windopzet aan de hand van meetgegevens van het IJsselmeer [ Precisión de las fórmulas para la configuración del viento basada en datos de medición del IJsselmeer ] (Tesis) (en holandés). TU Delft, departamento de ingeniería hidráulica. doi :10.4121/uuid:4b0483fe-b258-4c1a-900f-8adb030bb42f . Consultado el 26 de junio de 2023 .
7. Ippen, Arthur T. (1966). Hidrodinámica de estuarios y costas . McGraw Hill, Nueva York. pág. 245.
8. Walton, TL; Dean, RG (2009). "Límite terrestre de la configuración del viento en las playas". Ingeniería oceánica . 36 (9–10): 763–766. Código Bibliográfico :2009OcEng..36..763W. doi :10.1016/j.oceaneng.2009.03.004 . Consultado el 28 de julio de 2024 .
9. Choi, BH; Kim, KO; Yuk, JH; Lee, HS (2018). "Simulación de la marejada ciclónica de 1953 en el Mar del Norte". Ocean Dynamics . 68 (12): 1759–1777. Bibcode :2018OcDyn..68.1759C. doi :10.1007/s10236-018-1223-z. ISSN  1616-7341 . Consultado el 28 de julio de 2024 .