Optimization of an operational forecast system for extreme tidal events in Santos estuary (Brazil)

Abstract

Forecasting estuarine circulation is in high demand, especially in regions of high population density like Santos region. Present work intends to optimize the performance of the water level forecast for Santos Estuary, particularly, the physical forcing determining the residual tide. In extreme cases, predicted and observed water level can significantly differ, increasing significantly the predicting errors, which highlights the need to understand the factors that affect the residual tide to propose corrective measures. Furthermore, the extreme events have potentially hazardous consequences not only for navigation purposes, as also to the population that live nearby the channels. This dissertation analyzes the water level and significant wave height dataset covering the period of 2016 to 2017. Datasets comprehend 5 tide gauge stations in Santos channel and were obtained from the Pilotos da Barra and Praticagem. MOHID 2D hydrodynamic model (www.mohid.com) was used, implemented with a nested downscaling approach, being linked to AQUASAFE software that provides high-resolution forecast to give support to navigation in real-time. The model was validated for the period of 2016-2017, being minimum RMSE found of 12.5 cm and practically all stations present an excellent SKILL. The most recent astronomical global solution (FES2014) was implemented as oceanic boundary condition. Additionally, the meteorological boundary condition (CMEMS) was altered from daily to hourly data. It was also researched the possible influence of wave height on the forecast of water level (particularly the residual tide). Due to the great correlation found among these parameters, a linear regression method was developed to correct in post-processing stage the residual tide under specific wave height conditions. The appliance of distinct boundary conditions on forecasting models (meteorological and astronomical) decreased errors when compared to observations, evidencing the improvement of forecast capacity. On the other hand, the use of FES2014 shows improvements at the bay entrance, however, results get worst in the inner stations. This portrays the need of reliable bathymetric data due to increasing errors on the astronomical tidal components towards the end of the estuary. Residual tide errors remain practically constant along the estuary, however, they increase under extreme conditions. The results evidence that model modifications improve the accuracy in reproducing the water level evolution, comparing to the previous version, particularly under extreme events

Atualmente, a previsão da circulação estuarina é um tópico de grande importância, especialmente em regiões com elevada densidade populacional, como é o caso da região de Santos. O presente trabalho pretende optimizar a qualidade da previsão do nível de água no estuário de Santos, particularmente os forçamentos físicos que determinam as marés residuais. Em casos extremos, os níveis de água observados e previstos podem diferir significativamente, aumentando os erros de previsão, revelando a importância da compreensão destes fenómenos, para proposta de medidas corretivas. Estes eventos têm consequências tanto para as atividades de navegação portuária, como para as populações que habitam nas zonas marginais ao estuário. A presente dissertação analisa dados observados do nível de água e altura significativa da onda, para o período de 2016 a 2017. Os dados utilizados foram registados em 5 estações e foram cedidos pelos Pilotos da Barra e Praticagem. Foi utilizado o modelo hidrodinâmico MOHID 2D (www.mohid.com), usando um método de "downscaling", conectado ao software AQUASAFE que fornece previsões de alta resolução para auxílio em tempo-real à navegação. O modelo foi validado para o período de 2016-2017, sendo que os valores mínimos RMSE foram de 12.5 cm e praticamente todas as estações apresentaram um SKILL excelente. Foi implementada a mais recente solução global astronómica (FES2014) como condição de fronteira oceânica. Adicionalmente, foi alterada a implementação da condição fronteira oceânica meteorológica (CMEMS) de dados diários para horários. Foi ainda estudada a possível influência da altura significativa da onda na previsão do nível de água (particularmente na maré residual). Devido à grande correlação encontrada entre ambos os parâmetros, foi desenvolvida uma metodologia de regressão linear para correção em pós-processamento da maré residual para determinadas condições de agitação marítima. A aplicação de diferentes condições fronteira nos modelos preditivos (meteorológico e astronómico) diminuíu os erros das previsões numéricas, o que claramente melhorou a capacidade preditiva dos modelos. No entanto, a aplicação da solução FES2014 apesar de reduzir os erros na embocadura do estuário, conduz ao seu aumento nas zonas interiores. Este resultado indica a necessidade da obtenção de novos dados batimétricos, considerando que os erros na componente astronómica de maré aumentam em direção à cabeceira do estuário. Os erros da maré residual mantêm-se praticamente inalteráveis ao longo das estações, sendo superiores em situações de tempestade. Os resultados evidenciam que as modificações do modelo melhoram a precisão na reprodução do nível de água, comparando com a versão anterior, particularmente no caso de ocorrência de eventos extremos