Observation and modelling of wave nonlinearities and infragravity waves in the nearshore

Abstract

Wave nonlinearities have long been recognised as being among the main drivers of sediment transport in the coastal zone. However, there are still signi cant errors in the prediction of this transport associated, partially due to inaccurate predictions of the velocity nonlinearities. The infragravity waves, which coexist with the short waves in the coastal zone, are long-period waves (with 20-200 s) associated to the shortwave groups. Their generation, propagation and dissipation mechanisms are already reasonably well understood, but their in uence on sediment transport is still very poorly characterised. In order to (i) improve current predictions of velocity nonlinearities and (ii) investigate the role of infragravity waves in sediment transport, new experiments were carried out both in a xed-bed wave ume and in a light-weight-sediment wave ume. The physical-modelling data set is used in combination with eld data and numerical simulations for studying both subjects. Existing parameterizations of velocity nonlinearities account only for the in uence of local wave parameters (e.g. wave height, wave length and water depth), which leads to considerable estimation errors, especially of the maximal values of nonlinearity. This work shows that the velocity nonlinearities depend also on non-local wave parameters: (i) o shore wave steepness, (ii) o shore spectral bandwidth and (iii) beach slope. A new parameterization is proposed, which reduces by about 50% the root-mean-square error relatively to former parameterizations. The experimental results in the light-weight-sediment wave ume demonstrate that wave conditions with the same short-wave energy, but di erent low-frequency modulation, shape di erent equilibrium beach pro les. The in uence of the infragravity waves on the sediment transport is con rmed and depends on two di erent mechanisms: (i) advection of the short-wave suspended sediment by the infragravity-waves, which is dependent on the infragravity-wave height and phasing with the short-wave groups and (ii) modulation of short-wave nonlinearities by infragravity-wave motion, both directly and indirectly, through waterdepth modulation. Changes in the beachface morphology induced by infragravity waves are connected to beach-pro le changes in the surf and inner-shoaling zones, highlighting the existent link between the di erent zones of the cross-shore beach pro le.

As não-linearidades das ondas de superfície são desde há algum tempo reconhecidas como um dos principais promotores do transporte sedimentar na zona costeira. Contudo, existem ainda erros signi cativos na estimativa do transporte devidos, entre outros, a uma imprecisa descrição das não-linearidades da velocidade do escoamento orbital. As ondas infragravíticas, que coexistem com as ondas curtas na zona costeira, são ondas de longo período (20-200 s) associadas aos grupos de ondas curtas. Os mecanismos de geração, propagação e dissipação destas ondas são actualmente razoavelmente bem compreendidos, mas a sua influência no transporte sedimentar ainda apresenta limitações. Com o objectivo de (i) melhorar as parameterizações existentes das não-linearidades da velocidade e (ii) investigar o papel das ondas infragrav íticas no transporte sedimentar, foram realizadas novas experiências em dois canais de ondas, um de fundo fi xo e outro de fundo móvel com sedimentos de baixa densidade. Os dados obtidos nos modelos físicos foram utilizados conjuntamente com dados de campo e de simulações numéricas para investigar ambos os temas. As parameterizações existentes para as não-linearidades da velocidade têm apenas em conta a influência de parâmetros locais de onda (e.g. altura de onda, comprimento de onda e profundidade de água), o que resulta em erros consideráveis nas estimativas, em particular dos valor máximos de não-linearidade. Este trabalho evidencia que a nãolinearidade da velocidade depende também de parâmetros que não são locais: (i) a declividade da onda ao largo, (ii) a largura da banda espectral ao largo e (iii) o declive da praia. Uma nova parameterização que reduz em cerca de 50% o erro dos resultados obtidos com as parameterizações existentes de proposta. Os resultados experimentais obtidos no canal de ondas com fundo móvel demonstram que climas de agitação marítima com a mesma energia de ondas curtas, mas com diferente modulação de baixa frequência, moldam perfís de praia diferentes. A influência das ondas infragravíticas no transporte sedimentar é posta em evidência e processa-se através de dois mecanismos distinctos: (i) advecção pelas ondas infragravíticas de sedimento colocado em suspensão pela acção das ondas curtas, a qual é dependente da altura das ondas infragravíticas e da sua fase relativamente aos grupos de ondas curtas e (ii) as ondas infragravíticas alteram as não-linearidades das ondas curtas, tanto directa como indirectamente, através da modulação da altura da coluna de água. As variações morfológicas da face da praia induzidas pelas ondas infragravíticas estão associadas a alterações do perfil de praia nas zonas de surf e de empolamento, evidenciando o elo existente entre as diferentes zonas do perfil transversal da praia.