Zeegolven

Het KNMI heeft een lange traditie op het gebied van de studie van zeegolven. Daarbij zijn drie gebieden te onderscheiden. Ten eerste, het fundamentele golfonderzoek. Centrale vragen zijn: Hoe worden golven opgewekt? Hoe verplaatsen zij zich? Wat is de invloed van de wind? Hoe beīnvloeden golven elkaar onderling? Wat gebeurt er als verschillende golven elkaar kruisen? Wat gebeurt er als golven de kust naderen? Het tweede gebied is dat van de golfvoorspelling: Hoe goed en tot hoe ver vooruit kunnen we de golven op zee voorspellen? Wat is de beste methode? Het derde gebied is dat van de golfklimatologie: Hoe hoog worden golven gemiddeld in een bepaald gebied en in een bepaalde maand? Wat is de kans dat een bepaalde waarde overschreden wordt? En zijn deze gemiddeldes constant of veranderen ze in de loop van de tijd door natuurlijke klimaatschommelingen of door het broeikaseffect?

Golfopwekking

Als wind begint te waaien over een wateroppervlak dan vormen zich al snel oppervlaktegolven. Een kenmerkende eigenschap van deze golven is dat ze zich verplaatsen. Golven kunnen ook op een andere wijze worden opgewekt dan door de wind, bijvoorbeeld door een steen die in het water valt of door de beweging van schepen. Het 'klotsen' en de verplaatsing worden veroorzaakt doordat de zwaartekracht en de traagheid van de beweging 'haasje over' spelen. Golven hebben een hoogte, een lengte en een richting. Lange golven planten zich sneller voort dan korte golven. Als de wind pas begint te waaien worden er eerst betrekkelijk korte golven opgewekt. Dit is goed waar te nemen in vijvers en sloten. Het proces dat hiervoor verantwoordelijk is, is vergelijkbaar met het wapperen van een vlag in de wind. Een goede waarnemer kan gemakkelijk zien dat niet alleen de hoogte maar ook de golflengte toeneemt naarmate de wind langer over het water strijkt. Op zee kan de groei doorgaan, soms wel duizend kilometer, afhankelijk van de windsnelheid, tot een maximum golfhoogte bereikt wordt. Bij een windsnelheid van 20 m/s bijvoorbeeld wordt een 'significante' (= 'gemiddelde') golfhoogte van zo'n 9 m bereikt met af en toe uitschieters tot de dubbele hoogte. Als de wind wegvalt kunnen de golven nog weer duizenden kilometers afleggen tot ze op de kust te pletter lopen.

Golven worden opgewekt door mechanische verstoringen van het wateroppervlak en door de wind. Hier een voorbeeld van de mechanische opwekking van golven door eendjes.

Eenmaal opgewekt kunnen golven zich over grote afstanden verplaatsen, in de oceaan over meer dan 10 000 km. Rechts een schip in hoge, door de wind opgewekte deining.

Als de wind over het water waait gebeuren er ingewikkelde dingen. Eerst onstaan er korte golfjes (bovenste foto) door instabiliteit van de stroming. Deze korte golfjes wekken langere golven op die dan nog weer groeien onder invloed van de wind (onderste foto). Dit proces kan zich op zee over grote afstand voortzetten, waarbij uiteindelijk lange - en hoge - golven ontstaan. Als de golven te steil worden breken ze. Hierdoor bestaat er, bij gegeven windsnelheid, een maximale golfhoogte. Bij een windsnelheid van 10 m/s wordt dat maximum pas bereikt nadat de golven over een aftand van honderden kilometers de invloed van de wind hebben ondergaan. Het golfmodel van het KNMI houdt rekening met al deze effecten, en tevens met het effect van variabele winden.

Zeegolfvoorspelling

Het KNMI heeft de leiding gehad bij de ontwikkeling van het zg WAM (= 'WAve Model') model een computermodel voor de voorspelling van de golfhoogte. Groepen uit een groot aantal landen hebben hier aan bijgedragen. Het WAM model is gebaseerd op een beschrijving van alle relevante processen, zoals het voeden van de golven vanuit de wind, niet- lineaire processen in het water, het breken van de golven, het effect van de bodem en de stroming. Het model gebruikt windschattingen die aan een meteorologisch model ontleend zijn. Het is getest voor een groot aantal stormen en voor een groot aantal zee%n. Daarbij werden de modelvoorspellingen vergeleken met golfwaarnemingen van schepen, boeien en van satellieten. De resultaten waren zeer bevredigend. Het model wordt daarom op het ogenblik operationeel gebruikt voor het maken van golfvoorspellingen, zowel wereldwijd als - in meer detail - voor de Noordzee. De voorspellingen zijn van groot belang voor scheepvaart en visserij, maar ook voor de planning van allerlei off-shore activiteiten en voor de kustverdediging.

De golfvoorspellingen van het KNMI worden achteraf gecontroleerd door de voorspellingen met golfmetingen te vergelijken. Hier ziet u een voorbeeld (niet het slechtste) van een vergelijking voor een positie in het westen van de Noord-Atlantische oceaan.

Voorbeeld van een modelvoorspelling voor de Noordzee en wereldwijd. In beide gevallen betreft het voorspellingen voor een bepaald tijdstip. De lijnen geven de voorspelde (significante) golfhoogte aan.

Golfvoorspellingen zijn van groot belang voor de scheepvaart en visserij, maar ook voor de planning van allerlei off-shore activiteiten en voor de kustverdediging.

Worden de golven almaar hoger?

Voorspellingen zijn belangrijk, maar daarnaast er is ook veel behoefte aan klimatologische informatie. Een typische vraag is hoe hoog de golven in een bepaalde maand op een bepaalde plaats gemiddeld (kunnen) worden. Voor de Noordzee heeft het KNMI hier een gezaghebbend boek over gepubliceerd dat gebaseerd is op vrijwillige scheepswaarnemingen en op waarnemingen van lichtschepen. Uitgangspunt was wel dat de gemiddelde situatie niet verandert. In 1985 verscheen een publikatie in het tijdschrift Nature, waarin stond dat metingen van de golfhoogte bij het lichtschip Seven Stones in de Atlantische Oceaan, ieder jaar hoger werden. Aanvankelijk werd deze ontdekking met scepsis ontvangen. Sommigen zagen er een manifestatie van het broeikaseffect in. Het KNMI heeft in een computersimulatie onderzocht wat het effect van CO2 verdubbeling is op stormen en golfhoogtes. Dit effect bleek betrekkelijk klein te zijn. Toch is de waargenomen toename bevestigd, o.a. door een analyse van 10000 historische golfkaarten uit het KNMI archief. Er zijn nu aanwijzingen dat de toename samenhangt met een natuurlijke klimaatschommeling, de Noord-Atlantische Oscillatie (NAO). De NAO wordt gekarakteriseerd door variaties in het gemiddelde luchtdrukverschil tussen de Azoren en IJsland. In 1960 was dit verschil relatief klein; in 1990 werd een maximum bereikt. Een groot luchtdrukverschil gaat gepaard met sterke winden en hoge golven. De vraag blijft natuurlijk wat de NAO veroorzaakt. Daar wordt op dit moment wereldwijd onderzoek naar gedaan. Alle mogelijkheden zijn nog open: een interne schommeling in de atmosfeer, variaties in de oceaancirculatie, of variaties van het gekoppelde oceaan-atmosfeer systeem.

Deze figuur werd door het KNMI samengesteld op basis van scheeps- en lichtschipwaarnemingen.De lijnen geven de golfhoogte die gemiddeld eens in de 50 jaar overschreden wordt.

De variaties in de gemiddelde golfhoogte in de Noord-Atlantische Oceaan hangen samen met de Noord Atlantische Oscillatie, een onregelmatige schommeling in het gemiddelde luchtdrukverschil tussen IJsland en de Azoren. Er wordt op dit moment driftig gezocht naar een verklaring van Noord Atlantische Oscillatie

Het effect van CO2 verdubbeling op de golfhoogte is betrekkelijk gering, althans volgens een eerste computerschatting van het KNMI. Deze figuur heeft betrekking op de hoogte van de golven welke gedurende gemiddeld 10% van de tijd overschreden wordt. Getoond wordt het verschil van de waarde bij CO2 verdubbeling en de waarde in het huidige klimaat.

KNMI boeken op het gebied van zeegolven

Groen, P. De Wateren der Wereldzee (Amsterdam, 3de druk 1974)

Groen, P en R. Dorrestein, Zeegolven (Den Haag, 1976)

Korevaar C. G., North Sea Climate (Kluwer, Academic Publishers)

Komen G.J., L. Cavaleri, M. Donelan, K, Hasselmann, S. Hasselmann and P.A.E.M. Janssen, Dynamics and Modelling of Ocean Waves (Cambridge University Press, 1994)