Simulering av strømforhold i og rundt Vatlestraumen

Øyvind Thiem, Helge Avlesen og Guttorm Alendal

August 2005

Introduksjon

Vest for Bergen, mellom fastlandet og Sotraøyene ligger Raunefjorden. I sør møter Raunefjorden Korsfjorden, og i nord Byfjorden. Flere større øyer ligger i Raunefjorden. I den sørlige delen ligger Lerøyna og Bjelkarøyna, mens omtrent midt i Raunefjorden ligger Bjorøyna og Tyssøyna.

Kartutsnittet er hentet fra Norgesglasset, Statens Kartverk.

I området nær Bjorøyna strupes fjorden kraftig inn både i bredde og i dyp. Den vestlige leden kalles Kobbaleia (stiplet blått) og den østlige leden som er hovedleden heter Vatlestraumen (stiplet rødt). I begge ledene er det kjent at kraftige strømmer forekommer, da gjerne på grunn av tidevannsbevegelsene.


Kartutsnittet er hentet fra Arealis, Norges Geologiske Undersøkelse (NGU).

19. januar 2004 grunnstøtte MS "Rocknes", en selvlossende bulkcarrier, på et undervannsskjær i nærheten av Revskolten fyr i Vatlestraumen. Skipet begynte raskt å legge seg over og gikk helt rundt på under ett minutt. Av besetningen på 28 omkom 18.

I Kystverkets rapport for "Rocknes"-ulykken , datert 23. november 2004 står dette om området i nærheten av ulykkesstedet:

Vatlestraumen er en del av hovedleden i innseilingen til Bergen sydfra. Farleden mellom Litlesotra og fastlandet på Bergen-siden går i ca 2 nautiske mil rett sørover fra Sotrabroen. Her deler farleden seg i to hvor det ene løpet, Kobbaleia, går sørvestover og det andre, Vatlestraumen, går sørøstover. De fleste større skip velger vanligvis å gå gjennom Vatlestraumen fordi farvannet her i sin helhet er bredere enn Kobbaleia. Løpet gjennom Vatlestraumen er også bedre oppmerket med sektorlys. Men begge løpene er nautisk krevende på grunn av topografien, krav til flere store kursforandringer innenfor et kort tidsrom og den store trafikktetthet i og rundt farvannet av både større og mindre fartøy. I tilegg er strømpåvirkningene sterke og til dels uforutsigbare. I "Den norske los", som gir farvannsbeskrivelser som ikke finnes i sjøkart, fyr og merkelister, beskrives i bind 3a, utgitt av Sjøkartverket, Vatlestraumen slik:

"Vatlestraumen vender tidevannsstrømmen ved HW og LW. Den går N-over med stigende og S-over med fallende vann. På det sterkeste går strømmen flere knop og mange virvler oppstår til sjenanse for mindre fartøyer. Markerte bakevjer under land. Der blir krapp strømsjø når vind og tidevann går motsatt vei."

Strømmen i Vatlestraumen følger ikke alltid sundets retning. Kraftige virvler og stor hastighet på strømmen gjør at det til tider kan være vanskelige forhold. Strømmen kan sette mot Revskolten lykt, kanskje som følge av avbøyninger av overflatestrømmen nord for Hilleren lykt fra landet på nordsiden av Vatlestraumen. Målinger viser at strømmen kan øke i styrke fra overflaten og ned til 5 meter og at overflatestrømmen (ned til 7 meter) har en annen retning enn det strømmen fra 7 meter og dypere har. Vatlestraumen er på nord og østsiden omdekket av fjell og knauser med tett bebyggelse (Hilleren, Kongshaug og Håkonshella). Dette medfører at det ikke er visuelt mulig å se annen trafikk i selve Vatlestraumen før man skal til å endre kursen til den som leder gjennom selve straumen. På sør og vestsiden dvs. Bjorøyna, er lendet skogklett og forholdsvis lavt. På det smaleste av farbart farvann for større skip er Vatlestraumen ca. 220 m bred. Ettersom store fartøy er i konstant svingkondisjon i den ene eller andre retningen når de går gjennom Vatlestraumen, er det uforsvarlig for to større fartøy å møtes her. Derfor er det alminnelig praksis at større fartøy varsler på VHF kanal 16 om tidspunktet de vil passere gjennom Vatlestraumen. Dersom det ligger an til at to eller flere ankommer samtidig, avtaler disse seg i mellom hvem som skal slakke på farten for å unngå en møtesituasjon. I dagslys brukes optiske referanser, så som friseilinger, altså stedlinje som gir trygg passering av en grunne el.. Det er ikke oppgitt friseiling for Revskolten. I mørke har losen støtte i fyrbelysningen for å bestemme sin posisjon i farvannet

Som en forstår er strømmønsteret komplisert i denne delen av seilingsleden til og fra Bergen. Strømmønster og hydrografi påvirker både skipstrafikk og det marine miljøet, og er dermed viktig å forstå.

Når det gjelder å forstå hva som styrer fysiske hendelser i slike områder kan numeriske modeller være til stor hjelp. For å gjenskape et fenomen trenger man riktige startbetingelser og drivkrefter for modellen. Begrenset tilgang på gode drivkrefter er nok den største utfordringen for å oppnå realistiske resultat med numeriske modeller per i dag. Eksempel på fenomen kan være lokale vindforhold som endrer transporten av vannmasser på kort tidsskala, sterke lavtrykk som genererer vannstandsendringer, kraftig nedbør som endrer stratifiseringen i området, eller storskala bevegelser i vannmassene som skyldes lokale fenomener utenfor modellområdet. Bruk av måledata er heller ikke uproblematisk; de er ofte foretatt i et begrenset området eller i en viss tidsperiode. Det stilles også strenge krav til kvaliteten på måledataene.

Vi har i dette forstudiet kun brukt forenklede og idealiserte drivkrefter og initialverdier, basert så langt som mulig på målinger og observasjoner. Vi har ikke studert effekten av vind og storskala dynamikk fra Nordsjøen, men har med en enkel tidevannsmodell og initiell stratifisering som en første tilnærming.

Bunntopografi

Vi fikk en bunnmodell av området fra Hordaland Fylkeskommune basert på navigasjonsdata fra Statens kartverk, med en maksimal oppløsning på ca 50 meter. Vi har laget en griddet representasjon av dataene i denne modellen ved hjelp av "Natural neighbour interpolation", av mange regnet som den beste interpolasjonsmetoden for å ta irregulære data over til et regulært rutenett (grid). Rutenettet brukt i denne rapporten har en oppløsning på 20 meter. Konsekvensen av å bruke navigasjonsdata til modellering er ikke undersøkt, men vi antar at vi med dette vil regne med et underestimert dyp i området, og at vi derfor vil få noe lavere transport av vann enn "virkeligheten". I dette studiet er derimot andre feilkilder sannsynligvis langt større.

Modellområdet som er brukt under simuleringene. Enhetene for aksene er kilometer, for fargeskalaen meter. Dybdemodell basert på data fra Statens kartverk Sjø. Statens kartverk Sjø fraskriver seg ethvert ansvar for kvaliteten i dybdemodellen.

Modellområdet strekker seg fra nordlige Raunefjorden like sør for Tyssøyna til Byfjorden. I sørvest og sørøst er modellområdet avgrenset av Sotra og Flesland. Her er Raunefjorden ca 250 meter dyp på Sotrasiden og ca 100 meter dyp ved Fleslandsiden. Beveger man seg nordover treffer en først på Tyssøyna, så Bjorøyna, de to store øyene som ligger i den nordlige Raunefjorden. Øyene deler fjorden i to. Det vestlige løpet som heter Kobbaleia er grunt med ca 70 meter dyp langs Bjorøyna og en del dypere langs Tyssøyna, hvor det er ca 120 meter på det dypeste. Kobbaleia har et sideløp i nordvest der det er et sund som går mot Bildøy, som ligger mellom Sotra og Lille Sotra. Dette sundet er åpent mot nord gjennom to grunne og trange passasjer som vi har neglisjert og "lukket" i modellområdet. Mot nordøst går Kobbaleia gjennom Steinsundet. Midt i dette sundet ligger det noen mindre øyer, og det er relativt grunt.

På den østre siden av Tyssøyna er dypet rundt 80 meter. Langs den østre siden av Bjorøyna har vi en grop med dyp opp mot 150 meter. Denne blir grunnere der Grimstadfjorden åpner seg i øst. Innerst i Grimstadfjorden ligger Straume der Nordåsvannet renner ut. I modellene er avrenning fra Nordåsvannet ikke tatt med. Videre nordover langs Bjorøyna begynner Vatlestraumen. Vatlestraumen vender mot nordvest og har en terskel som er på rundt 35 meter på det grunneste. Vatlestraumen og Steinsundet møtes på nordsiden av Bjorøyna og går ganske rett nordover til Byfjorden avgrenset på sidene av Lille Sotra og fastlandet. Dypet her er på ca 80 meter.


Utsnitt av Vatlestraumen. Enheten for aksene er kilometer, for fargeskalaen meter. Dybdemodell basert på data fra Statens kartverk Sjø. Statens kartverk Sjø fraskriver seg ethvert ansvar for kvaliteten i dybdemodellen.

Figuren viser at den farbare leden for større skip gjennom Vatlestraumen er ca 220 meter bred. Videre ser en at det er relativt langstrakte grunner på Bjorøyna siden, mens det på fastlandssiden er ganske dypt.

Kort beskrivelse av modellene som er brukt

Vi har satt opp to sirkulasjonsmodeller for dette studiet. Modellene er "Bergen Ocean Model" (BOM) og "Massachusetts Institute of Technology general circulation model" (MITgcm). Hovedforskjellen mellom de to modellene er måten de beskriver vertikale gridkoordinater. BOM har et såkalt terrengfølgende koordinatsystem mens det i MITgcm brukes "vanlige" kartesiske koordinater. Slike modeller kalles ofte "z-nivå modeller".

Bergen Ocean Model

The Bergen Ocean Model (BOM) er en tredimensjonal numerisk havmodell utviklet ved Matematisk Institutt Universitetet i Bergen (UiB) i samarbeid med Havforskningsinstituttet (IMR) og Parallab (og senere BCCS) siden 1995.

Modellen bruker et terrengfølgende kurvelineært koordinatsystem i den vertikale retningen (sigma koordinater), og vanlige "kartesiske" koordinater i de horisontale retningene.

Modell-likningene var opprinnelig basert på antagelsene om hydrostatisk fysikk, men har i de senere år blitt utvidet til også å inkludere ikke-hydrostatiske effekter. Modellen brukes vanligvis i studier med oppløsning på noen titalls km, som ved sokkelkanten, men har med de siste utvidelsene også blitt testet ned på mikroskala nivå med kun få centimeters oppløsning.

I dette studiet har modellen blitt kjørt hydrostatisk. Det vil si at antagelsen om at trykket av en væskesøyle kun er avhengig av vekten av væskesøylen er brukt. Denne antagelsen er ikke helt korrekt siden væskensøylen kan ha en vertikal bevegelse som vil påvirke trykket, men antagelsen reduserer regnetiden betraktelig og er derfor brukt i de fleste havmodeller i dag. For eksperiment hvor den horisontale skalaen er mye større enn den vertikale er dette som regel en svært god tilnærming. I denne simuleringen er den horisontale skalaen av størrelsesorden 10 km, mens den vertikale er noen titalls meter, dvs. mye mindre enn den horisontale.

En annen tilnærming som er gjort er at tetthetsforskjeller blir neglisjert i alle ledd i bevegelsesligningen, bortsett ifra tyngdeleddet. Denne tilnærmelsen er kalt Boussinesq antagelse og er også vanlig å gjøre i havmodeller.

Ligningene som er brukt i BOM finnes i brukermanualen, se http://www.mi.uib.no/BOM. Disse ligningene er i hovedsak likningen for massebevaring, bevegelseslikningene for væske med ovenfornevnte forenklinger, transportlikninger for saltholdighet, temperatur og turbulens, samt en tilstandsligning som beskriver hvordan tettheten kan bli beregnet fra temperatur og saltholdighet.

Det kurvelineære vertikale griddet har den fordelen at koordinatsystemet følger den komplekse bunntopografien, og at man derfor "løser opp", dvs. får tilstrekkelig med grid punkt, til å representere bunn- eller overflatefenomen. Ulempen er at griddet introduserer en numerisk feil i beregningen av trykkgradienter i områder med sterkt skrånende bunn. Disse feilene vil kunne sette opp strømmer som ikke er reelle. Denne svakheten er velkjent, men systemet brukes fortsatt både i atmosfære og havmodeller siden fordelene ser ut til å være større enn ulempene.

Oppsett av BOM.

I horisontalen er gridavstanden 20 meter. I vertikalen er det valgt 30 sigma lag. Her vil gridavstanden variere med dypet, men en fin oppløsning i overflaten og nært bunnen er valgt, se figuren under.

Eksempel på hvordan de vertikale lagene kan bli fordelt i en terrengfølgende modell. Figuren er hentet fra nord-sør seksjonen der Vatlestraumen er på det smaleste. Dybdemodell basert på data fra Statens kartverk Sjø. Statens kartverk Sjø fraskriver seg ethvert ansvar for kvaliteten i dybdemodellen.

I nordlig og sørlig rand er det brukt FRS soner til å force tidevann. En FRS sone er en del av modellområdet som brukes til å relaksere modell-løsningen mot en ekstern tilstand, i dette tilfellet et tidevannssignal. FRS soner har også sine fordeler og ulemper. De er effektive i og med at de er svært robuste numerisk, og hindrer refleksjoner av støy/numeriske feil som genereres inne i modellområdet og som beveger seg mot rendene. På den annen side er løsningen inne i selve FRS sonen av diverse årsaker ikke fysisk riktig. FRS sonene er i våre eksperiment 7 gridceller brede.

I havet, og turbulente strømninger generelt, foregår det en energioverføring fra lange lengdeskalaer, f.eks. lange bølger eller store virvler, over til kortere lengdeskalaer. En numerisk modell har begrenset romlig oppløsning, dvs. avstanden mellom hvert diskrete punkt i rommet. Dette fører til at modellen ikke kan representere fysikken på så korte lengdeskalaer som fysikken tilsier, og energien som skulle blitt overført til de fineste skalaene må taes ut av modellen på en annen måte. Dette gjøres i de fleste numeriske modeller ved å øke viskositeten, eller regne med noe man kaller Eddy-viskositet. Man kan bruke egne regneverktøy inne i modellen for å estimere denne viskositeten eller man kan sette den eksplisitt. Blir viskositeten for stor blir resultatene urealistisk "glatte" og sirupsaktige, er den for liten kan man risikere numerisk ustabilitet, dvs. at modellen krasjer. Vi har i dette studiet sett litt på effekten av forskjellige nivå for bakgrunnsviskostitet, og fant at man BOM kan bruke 2D viskositet på 0.2m^2/s og 3D viskositet på 0.01m^2/s.

Modellen er ikke diskret bare i rom, men også i tid. En numerisk modell har, hvis den benytter såkalte eksplisitte numeriske skjema begrensinger på hvor store tidsskritt som kan brukes for at det skal gå numerisk stabilt. BOM er en eksplisitt, modesplittet modell. Rent fysisk har den frie havoverflaten en bølgeforplantningshastighet som er mye raskere enn bølgeforplantnings, advektive, og diffusive prosesser i det indre av havet. Siden overflatesignalene kan modelleres til god nøyaktighet med en 2D modell kan vi beregne disse separat med korte tidsskritt, og så beregne de andre prosessene (modene) i 3D med lange tidsskritt. Dette gjør at vi sparer mye beregningstid. I simuleringene beregnes 2D signalene 30 ganger oftere enn 3D signalene, hvert 3D steg er 6 sekunder.

MIT general circulation model

The MIT general circulation model (MITgcm) er en tredimensjonal numerisk havmodell utviklet ved Massachusetts Institute of Technology i USA. Denne modellen benytter tradisjonelle Z koordinater, og har også muligheten til å inkludere ikke-hydrostatiske effekter. Modellen har en stor internasjonal brukergruppe som bruker modellen til studier fra global skala ned til meter oppløsning. MITgcm er modulær, dvs. den består av en kjerneløser som et mangfold av pakker kan kobles opp mot. Disse pakkene inneholder blant annet forskjellige turbulensmodeller, karbonkjemi, eller drivkrefter. På toppen ligger en overbygning, "wrapper", som tar hånd om områdedekomponering og som benytter MPI og/eller threads som parallelliseringsteknologi. Ellers skiller modellen seg fra BOM i og med at den ikke er modesplittet, og at den frie overflaten løses vha. en implisitt numerisk metode. Å bruke en implisitt numerisk metode medfører at man kan bruke så lange tidsskritt man vil. Dette har sine fordeler, men blir tidsskrittene for store, medfører dette at man ikke klarer å representere prosesser som endres raskt. For mer informasjon eller nedlasting av MITgcm besøk hjemmesiden ved MIT på mitgcm.org.

Oppsett av MITgcm

Generelt er oppsettet av MITgcm ganske likt BOM sitt. I horisontalen er det brukt en gridoppløsning på 20 meter, med unntak av simuleringene med fokusert grid (se under). I vertikalen er er griddet plassert ved: 1.3, 4.3, 6.9, 12.4, 21.0, 43.2, 53.4, 79.7, 112.8 og 150 m dyp.

Viskositeten er beregnet ved hjelp av et Smagorinsky skjema, dvs. at viskositeten og diffusiviteten endres lokalt for å ta hensyn til turbulens som ikke blir oppløst. Dette skjer typisk i områder med stort skjær i strømmen. (Stort skjær vil si stor gradient/endring.)

På den nordlige og sørlige randen er det brukt såkalte svamplag. Disse fungerer omtrent likt som FRS-sonene. Hvert av svamplagene er 10 celler brede.

Fokusering av grid.

I MITgcm kan en velge om en vil bruke fokusert grid. Dette vil si at en kan øke oppløsningen i områder man er interessert i, mens områder av mindre interesse kan ha grov oppløsning. Dette er en effektiv måte å spare regnetid, men det er forbundet ulemper med metoden. Hovedproblemet ligger i at finskala signaler der griddet er fokusert ikke kan representeres på den grovere delen av gridet. Differanseformler for approksimering av for eksempel deriverte vil også miste orden, dvs. bli mer unøyaktig, men dette vil ofte oppveies av den økte oppløsningen.

Metoden for fokusering av griddet som er brukt i simuleringene kan en lese mer om her.

Minste gridavstand i senteret av Vatlestraumen er satt til 2.1 meter. Ved rendene blir største gridavstand henholdsvis 279 og 233 meter i Øst-Vest og Nord-Sør retning. For å unngå problemer med FRS sonen ved rendene har 10 grid celler blitt lagt utenpå gridet i nord og sør. I disse grid punktene er dypet satt likt første dyp i det opprinnelige gridet.


Fokusering av grid i MITgcm.

Andre modelltyper

Både BOM og MITgcm benytter et såkalt staggered C-grid i den horisontale retningen. Denne grid typen har svært gode egenskaper for å propagere bølger i modeller med relativt høy oppløsning, men har en svakhet i forbindelse med kompleks geometri, som for eksempel kystlinjen vi observerer i Vatlestraumen. Kystlinjen får mange steder trappeform. Hvis randbetingelsen mot kystlinjen er såkalt "no slip", dvs. null hastighet langs land, har studier vist at C-grid modeller har like god nøyaktighet som f.eks. finite element modeller. Vanligvis er randbetingelsen langs kysten av "free slip" typen, og da kan det vises at effekten av trappetrinnene er ekvivalent med å introdusere lateral friksjon i modellen. Det finnes numeriske løsningsteknikker for å bruke andre typer celler enn rektangler, f.eks. finite volume og finite element metoder. Disse har også muligheten for å variere cellestørrelsen, og å representere kompleks geometri på en nøyaktig måte f.eks. vha triangel formede celler og irregulære grid. Finite element metoder har også matematiske egenskaper som gjør det enklere å implementere åpne randbetingelser uten bruk av triks som de ovenfornevnte FRS soner.

Det har i de senere år dukket opp mange forskningsmodeller som bruker disse teknikkene, men de er ennå lite i bruk operasjonelt. Man slipper nemlig ikke automatisk unna de fundamentale problemene mange finite difference modeller møter. Det kan f.eks. vises at variabel grid-/celle størrelse fører til en redusert numerisk nøyaktighet (orden), som ikke alltid kan oppveies av høyere oppløsning. Irregulære grid vil også ha problem med adveksjon, og må gjerne bruke høyere viskositet enn en tilsvarende finite difference modell for å oppnå numerisk stabilitet. Vi regner med at disse problemene vil bli løst over tid, men foreløpig ser det ut som finite difference modeller holder stand som operasjonelle 3D-modellverktøy. I tidevannsberegning er lineære likninger gode nok approksimasjoner, så der kan det se ut til at finite element modeller dominerer.

Initialisering.

Modellene er startet med null hastighet og med en initiell overflatehevning på rendene.

Tetthet.

I de første simuleringene er tettheten konstant.

I 1973-1974 undersøkte Hans B. Helle fjordsystemene i nærheten av Bergen. På bakgrunn av rapporten hans "Byfjordundersøkelsen 1973-1974. Oseanografisk resipientundersøkelse av fjordene rundt Bergen" (1975) ble en idealisert lineær sjiktning for Raunefjorden satt opp for bruk i modellene. Sjiktningen er laget på bakgrunn av dataene til Helle fra mars 1974 og gitt under.


Temperatur i grader Celsius (y-aksen) gitt ved T = 0.025*d + 4.0, der d er dypet gitt i meter (x-aksen). Avlesninger fra Helles rapport er kryss, og linjen er idealisert lineær sjiktning brukt i modellene. Legg merke til at mars målingene bærer preg av at overflaten er kjølt kraftig ned slik at overflate vannet er kaldere enn mer dypliggende vannmasser. Målinger fra seinsommeren vil normalt sett være motsatte, med kaldt vann nede med varmere vann liggende på toppen.

Saltholdighet i psu (y-aksen) gitt ved S = 0.025*d + 31.45, der d er dypet gitt i meter (x-aksen). Avlesninger fra Helles rapport er kryss, og linjen er idealisert lineær sjiktning brukt i modellene.

Fra målingene til Helle ser det ut til at isolinjene for temperatur og saltholdighet skråner oppover mot Byfjorden. Dette er ikke tatt hensyn til når sjiktningen ble laget.

Tidevann.

Modellene blir drevet via de åpne rendene i nord og sør med tidevann. Dette er gjort ved å løfte og senke vannstanden i randsonene i henhold til de fire viktigste tidevannskomponentene M2, S2, N2 og K1 hentet fra tidevannstabellen for Bergen havn. Vi har antatt en tidsforsinkelse på en halv time fra den sørlige til den nordlige randen. Vi vet at tidevannsignalet forplanter seg nordover langs norskekysten, og ved hjelp av en antagelse om et midlere dyp på utsiden av Sotra kan man komme frem til en forsinkelse på ca en halv time. Tidsforsinkelsen brukt i modellene er ikke bekreftet fra målinger.

Resultater BOM.

Figurene som vises er av dybdemidlede strømhastigheter. Disse er å betrakte som transporten av vannmassene. Maksimal 3D hastighet i modellen vil være høyere, og for simuleringen med lineær sjiktning ligger maksimalverdiene ofte opp mot 0.7 m/s i strømsterke områder. Man må også ha i bakhodet at modell-likningene er de såkalte Reynoldsmidlede likninger, og at hastigheten dermed representerer en middelstrøm også med hensyn på tid.

Barotrop kjøring.

Viskositet.

I numerisk fluiddynamikk er viskositet et viktig verktøy for å balansere energien fra lengdeskalaer som modellen ikke løser opp, siden denne energien kan få modellene til å bli numerisk ustabile. Det å velge hvor stor viskositet som skal brukes og hvilken måte den skal beregnes kan være vanskelig. Et eksempel på hvor forskjellige resultater en kan få ser en i figuren under. Eksempelet her er hentet fra Vatlestraumen etter 7 timer (modelltid). Strømretningen er sørlig, og det er brukt konstant viskositet i hele modellområdet på hver av kjøringene.


Figuren lengst til venstre er den med lavest viskositet og er den kjøringen som er brukt som "hovedkjøring". I denne figuren ser en at det er to sterke virvler tilstede som intensiverer hovedstrømmen mellom virvlene. Den nordlige virvelen er positiv og den sørlige virvelen er negativ. Virvlene setter opp sterke strømmer som strekker seg inn over de grunnere områdene langs land.
Figuren i midten er fra en simulering der viskositeten 5 ganger høyere enn i figuren til venstre. I denne figuren ser en at den nordlige (positive) og den sørlige (negative) virvelen er til stede, men de er en del svakere og intensiverer ikke hovdestrømmen mellom virvlene på samme måte som simuleringen til venstre. Strømmen ut av området er derimot sterkere enn i den venstre figuren, noe som tyder på at virvlene tapper hovedstrømmen for energi.
Figuren til høyre er hentet fra en simulering der viskositeten er 5 ganger høyere enn i simuleringen i den midterste figuren, dvs. 25 ganger høyere enn i simuleringen i den venstre figuren. Her ser en at løsningen ikke har noen virvler tilstede i Vatlestraumen, og at hovedstrømmen dermed får en bredere profil med mindre maksimalhastigheter.

Figurene over viser dermed at mengden viskositet som blir brukt i numeriske modeller påvirker resultatet i vesentlig grad, og et fornuftig valg av denne størrelsen er viktig for å få troverdige resultater.

Strømningsforholdene i Vatlestraumen.

Modellresultatene er kvalitativt i samsvar med Den Norske Los, der det står at tidevannsstrømmen går nordover på stigende og sørover på fallende vannstand. Den Norske Los nevner også virvler og bakevjer opp mot land. Dette er også i samsvar med modellresultatene, som viser at det blir bygget opp sterke virvler som påvirker hovedstrømmen ved skifte i strømretning, og kan som det er kommentert i rapporten fra Kystverket om "Rocknes"-ulykken, 23 November 2004, føre til at strømmen går rett mot land (Revskolten lykt nordvest på Bjorøyna). Virvlene langs land bygges som regel opp nedstrøms, og da tidevannstrømmen snur river de seg løs og kan forflytte seg med hovedstrømmen.

Klikk på bildet for å se en animasjon (2.3MB nedlastning) av den dybdemidlede strømmen gjennom Vatlestraumen for to tidevannsperioder. For større bilde klikk her (7.8MB nedlastning).

Fenomen observert i modell.

I tidevannsdrevne områder som nordlige Raunefjorden dukker det ofte opp fenomen som påvirker tidevannssyklusen lokalt. Eksempler på dette finnes også i modellresultatene.

Like nord for Vatlestraumen ligger det en liten holme som heter Trollholmen. Modellresultatene viser at Trollholmen kan ha et interessant strømbilde i sundet inn mot fastlandet. Modellen predikerer at strømmen gjennom sundet for det meste er rettet sørover selv om tidevannstrømmen gjennom Vatlestraumen er nordlig. Det viser seg at en virvel dannes på nordsiden av holmen, se figur, og at denne virvelen sørger for den sørgående strømmen. I en tidevannsperiode på rundt 24 timer er strømmen rettet sørover i ca 20 timer. I de resterende ca 4 timene er strømmen svak og rettet nordover. Dette skjer når tidevannstrømmen gjennom Vatlestraumen snur og går mot nord. I dette området er det visstnok en strøm som heter Minnestraumen. Det kunne vært interessant å sammenlikne modellresultatene med målinger av Minnestrømmen i dette området.


Trollholmen like nord for Vatlestraumen. Figuren viser en virvel som er lokalisert nord for Trollholmen, som gir sørgående strøm langs holmen, selv om strømmen gjennom Vatlestraumen er nordgående.

Steinsundet deles av Vestre Steinsundholmen som er en relativ stor øy som ligger på vestsiden av Bjorøyna med Austre Steinsundholmen tett ved. Mellom Bjorøyna og Steinsundholmen går Steinsundet eller det Sørlige Steinsundet. Dette er et ganske trangt sund som er rundt 10 m dypt. Nord for Steinsundholmen, midt i det nordlige Steinsundet, ligger Kjerringholmen. Sørvest for Kjerringholmen ligger en grunne, og denne grunnen og Kjerringholmen styrer mesteparten av strømforholdene i det Nordlige Strømsundet. Når sørgående tidevannstrøm avtar viser modellresultatene at man kan finne to virvler i det Nordlige Stramsundet. Den ene er lokalisert nordvest for Steinsundsholmen og den andre som er en del svakere er plassert nært grunnen sørvest for Kjerringholmen. Strømretningen i det Nordlige Steinsundet er sørover, mens i det Sørlige Steinsundet er strømretningen allerede dreiet nordover.


Når den sørlige tidevannsstrømmen avtar, starter en nordlig strøm gjennom det Sørlige Steinsundet.

Idealisert sjiktning.

Strømmingsmønsteret er i grove trekk det samme når modellområdet er satt opp med lineær sjiktning som når modellen er kjørt med homogen sjiktning. Tidevannsstrømmen går som før nordover på stigende og sørover på fallende vannstand som beskrevet i Den Norske Los. Men det er vesentlige forskjeller når det gjelder detaljene i strømningsmønsteret mellom den "barotrope" kjøringen, dvs. ingen stratifisering, og kjøringen med idealisert sjiktning. I hovedsak viser resultatene at når en vertikal sjiktning er til stede, rettes strømmen mer inn etter topografien. Dette gjør at i enkelte trange områder, som f.eks. Vatlestraumen, kan det gi utslag i fokusering av strømmen rundt de dypeste områdene.

Strømningsmønsteret i Vatlestraumen etter 7 timer og 45 minutter ifra modellstart for homogen væske til venstre og lineær sjiktning til høyre. Figurene viser at når sjiktning er tilstede styres strømmen mer av topografien.

Den dybdemidlede maksimalhastigheten blir for det meste redusert, men i områder med sterk fokusering kan den også øke. Virvlene blir for det meste svekket når sjiktning er til stede. Dette skyldes nok dels at hovedstrømmen blir mer fokusert og gjerne redusert i tillegg, noe som gjør at medrivningen blir mindre, og dels at det blir vanskeligere å danne barotrope virvler inn mot grunnere områder på grunn av sjiktningen.


Klikk på bildet for å se en animasjon (1.9M) av den dybdemidlede strømmen gjennom Vatlestraumen for to tidevannsperioder, eller klikk her her for å se fullversjonen (6.0M) i et eget vindu.

Fenomener observert i modellresultatene.

Modellresultatene fra kjøringen med lineær sjiktning viser at strømmen i sundet mellom Trollholmen og land fremdeles er rettet sørover. Siden virvelen nord for holmen er svekket er strømhastigheten redusert i forhold til den barotrope kjøringen.

På grunn av at strømmen ved tetthetssjiktning blir mer fokusert over dypere områder endres strømstyrken i det Nordlige Steinsundet. I sundet sør for Kjerringholmen øker hastigheten mens i sundet nord for Kjerringholmen blir den redusert. Den nordgående strømmen i det Sørlige Steinsundet blir kraftig styrket. Transporten over grunnen vest for Kjerringholmen som i den barotrope simuleringen var påtagende er nesten ikke tilstede i simuleringen med sjiktning.


Når den sørlige tidevannsstrømmen avtar, starter en nordlig strøm gjennom det Sørlige Steinsundet.

Både i Helle sin rapport og i Kystverket sin rapport for "Rocknes"-ulykken beskrives det at strømretningen kan skifte med dypet. Dette finner en også i modellen med sjiktning. Et eksempel fra et nord-sør snitt tatt på det smaleste over Vatlestraumen er vist i figuren under.


Figuren viser strømhastigheten i m/s gjennom snittet, der negative hastigheter er ut av figuren og positive er inn i figuren.

Resultater MITgcm.

Resultatene under presenterer strømningen i overflaten.

Hydrostatiske vs. ikke-hydrostatiske simuleringer

To barotrope simuleringer er gjennomført, en hydrostatisk og en ikke-hydrostatisk. Figuren over viser strømfeltet i overflaten for de barotrope simuleringene etter 4 og 7.5 timer.

Barotrope modellresultater fra MITgcm etter 4 (oppe) og 7.5 (nede) timer. Hydrostatisk til venstre og ikke-hydrostatisk til venstre.
Når den hydrostatiske tilnærmelsen er tatt (venstre kollone) blir hastighetene noe større enn for tilsvarende ikke-hydrostatisk simulering. Men likevel er de mindre enn for tilsvarende simuleringer for BOM, se senere for en sammeligning MITgcm og BOM. En annen vesentlig forskjell mellom de to simuleringene er et noe mer "rotete" strømbilde for den hydrostatiske simuleringen. Dette kan være forårsaket av trapperepresentasjonen av topografien, som kan lage forstyrrelser i strømningen langs bunnen. I hydrostatiske simuleringer er det ingen mekanismer som hindrer slike forstyrrelser å nå overflaten. I en full ikke-hydrostatisk simulering vil disse forstyrrelsene kunne dempes ut ved at energien i dem blir overført til de horisontale hastighetskomponentene og dermed forbli lokale. Strømbildet endres også noe ved ikke-hydrostatiske simuleringer. Fokuseringen på nord og sørsiden av Vatlestraumen blir mer konsentrert for ikke-hydrostatisk simulering, mens høyhastighetsområdet sprer seg over nesten hele sundet i det hydrostatiske tilfellet.

Resultater med fokusert grid

I disse simuleringene er gridet fokusert i Vatlestraumen som beskrevet ovenfor. I tillegg er den idealiserte stratifiseringen lagt på. I resultatene som blir vist nedenfor er hastighetsvektorene interpolert tilbake på et grid med 40 meters oppløsning. Dette er gjort for å kunne skille vektorene fra hverandre. I denne prosessen mistes noe av variasjonen i strømmønsteret.

Hydrostatiske (venstre) og ikke- hydrostatiske (høyre) modellresultater fra MITgcm ved max. nordlig (oppe) og max sørlig (nede) strøm. Simuleringene er gjort med det fokuserte gridet og idealiser tetthetsprofil. For animasjon av den hydrostatiske simuleringen klikk her(7 MB). Tilsvarende for ikke-hydrostatisk simulering klikk her(3.3 MB).
I disse simuleringene oppnås en langt høyere hastighet gjennom Vatlestraumen. Som for de barotrope simuleringene, den hydrostatiske tilnærmelsen gir høyere hastigheter. Strukturene i hastighetsfeltet strammes opp ved en ikke-hydrostatisk simulering. Ser også at støyen fra underliggende topografi blir mindre med høyere oppløsning.

Sammenligning av BOM og MITgcm.

Det er den dybdemidlede strømmen som vil bli sammenlignet i modellene. Transporten ved to tidspunkt er valgt for sammenligning. Det første er etter 4 timer. Da er strømmen omtrent på det svakeste og virvlene som er i området er mest fremtredende. Sammenligningen går da mye ut på å se om modellene viser virvler i samme område og med tilsvarende styrke. Neste tidspunkt som er valgt for å se på transporten er etter 7 timer og 30 minutter. Da er transporten omtrent på det sterkeste. Det som er interessant nå er om modellene viser maksimum strømstyrke i samme område, og om hovedstrømmen følger samme trase gjennom modellene.

Hydrostatisk barotrop kjøring


Modellresultater fra BOM (til venstre) og MIT (til høyre) etter 4 timers simulering. Legg merke til at hastighetskalaen mellom figurene er forskjellig.

Figurene etter 4 timer viser at virvler er lokalisert i omtrent samme område. Det er to hovedvirvler tilstede i simuleringene, og disse er lokalisert i rett øst for den trangeste passasjen i Vatlestraumen. Her er det en nordlig virvel som roterer i positiv retning, og en sørlig virvel som roterer i negativ retning. Størrelsen på virvlene er større og glattere og strekker seg mer østover i simuleringen med BOM i forhold til simuleringen med MIT. Styrken på virvlene er kraftigere i BOM. Begge modeller gir svake strømmer langs Gavlen som er det nordligste punktet på Bjorøyna. Denne strømmen strekker seg sørover langs vestsiden av Bjorøyna. Nordover for Vatlestraumen viser BOM en svak, jevn homogen strøm. Denne er også tilstede i nærheten av Trollholmen i MIT kjøringen, men her er den mer oppstykket.


Modellresultater fra BOM (til venstre) og MIT (til høyre) etter 7 1/2 timers simulering. Legg merke til at hastighetskalaen mellom figurene er forskjellig.

Etter 7 1/2 timer er tidevannsstrømmen rettet nordover i modellene. Begge modellene gir en intensifisering av strømmen over grunnene der Revatangen lykt og Minnestraumen lykt er plassert. Dette er på det smaleste av Vatlestraumen, og her er det en renne som har en tendens til å styre strømmen. I resultatene fra MIT koden ser en at strømmen blir spredd på vei nordover etter å ha passert den smaleste delen av Vatlestraumen og at en hoveddel går nordover mot Håkonshella. I BOM simuleringen formes en relativ smal jet som er rettet inn mot dypere vann i det samme området og spredningen av strømmen er liten. Også i disse figurene ser man at BOM gir glattere resulterer.

Oppsummering sammenlikning av barotrope modellkjøringer.

Hovedtrekkene i modellresultatene fra de to modellene er de samme, men når en ser grundigere etter er det en del ulikheter tilstede. At BOM har en tendens til å gi glattere resultater i et slikt område som Vatlestraumen, kommer ikke som en overraskelse. BOM har sine 31 lag intakt i Vatlestraumen og en glatt topografi, mens MIT må reduserer antall lag mot grunnere vann og har trappetrinn i bunntopografien sin. Dette kan forklare at det er noe mer støy i resultatene i MIT koden.

Det som kanskje er mest påfallende er likevel de store forskjellene i strømmønster og strømretning når det er sterk tidevannstrøm gjennom Vatlestraumen. Mens BOM ser ut til å ha en tendens til å fokusere strømmen mot dypere vann, er det nesten det motsatte som skjer i MITgcm, der hovedstrømmen blir spredd utover og kan gå mot grunnere vann.

Hastighetene er forskjellige i simuleringene. Hastighetene er generelt omtrent dobbelt så store i resultatene fra BOM. Dette henger nok sammen med at BOM har glattere bunntopografi og derfor bremser strømningen mindre enn hva som er tilfellet i MITgcm. Viskositetene påvirker også hastighetene i modellkjøringene. I BOM og MIT er viskositetene forskjellige, og dette vil naturligvis også påvirke modellresultatet.

Oppsummering

Numeriske havmodeller blir i dag ofte brukt som et supplement til laboratorieeksperiment og målinger. Men hvor gode er resultatene fra numeriske modeller? Er numeriske modeller til å stole på? For å kunne svare autorativt på disse spørsmålene er det nødvendig å legge inn en innsats langs flere akser.

Kunnskap om oppbygning og numeriske egenskaper for modellen er i mange tilfeller uvurderlig. Løser egentlig modellen de matematiske likningene på en tilfredsstillende måte?

Et viktig poeng er at en modell aldri kan gi et godt svar hvis geometri, drivkrefter og initialverdier ikke har god nok nøyaktighet. For å oppnå realisme og ha evne til prediksjon er man altså sjanseløs uten gode måledata. Og hva er gode måledata?

En annen svært viktig modelleringsaktivitet er validering. Vi trenger selvfølgelig også måledata for i det hele tatt å vite om vi har evne til prediksjon. Noen hevder numerisk modellering av sjøen er meningsløst uten bruk av høykvalitets måledata - ved å endre parametere i modellen innen en forventet naturlig variasjon vil den kunne gi "hva som helst" som svar. Argumentet går i at nytteverdien av numeriske modeller kun ligger i det å fylle i hullene i måledata.

Hvis hovedmålet med modelleringen ikke er prediksjon, men å øke forståelsen for fysiske prosesser er ikke måledata like kritisk. Man kan komme langt ved å bruke idealiserte drivkrefter som kvalitativt likner de reelle. Det er ofte hensiktsmessig å forenkle problem mest mulig for å forstå de grunnleggende elementene før en øker kompleksiteten. I denne rapporten har en variant av denne metoden blitt brukt, ved å vende hovedfokuset mot tidevannsdrevet strøm med og uten stratifisering gjennom den nordlige Raunefjorden. Vi har vist at vi med hjelp av enkle antagelser om randverdiene har kunnet reprodusere kvalitative beskrivelser av strømningsforholdene i området. Stratifiseringen som er brukt er beregnet fra måledata der målingene ble gjennomført våren 1974. Stratifiseringen brukt i modellen er videre idealisert, ved å anta at både temperaturen og saltholdigheten vil være lineære funksjoner med hensyn på dypet.

Viskositet i numeriske havmodeller.

Den første delen av resultatene omhandler bruken av viskositet i numeriske havmodeller. En viss mengde viskositet må være til stede i numeriske modeller for å hindre at energi på lengdeskalaer som modellen ikke kan løse opp vokser opp og fører til ustabiliteter. På den andre siden viser resultatene at det er viktig at det ikke blir brukt for mye viskositet, da dette påvirker modell resultatet ved å redusere friheten til modellen. Både ved å redusere strømhastigheter og drepe virveldannelser som en kan forvente at er tilstede i virkeligheten.

Simulering av strøm gjennom Vatlestraumen med BOM.

I denne delen blir det i hovedsak fokusert på hydrostatisk strøm gjennom Vatlestraumen. Den dybdemidlede strømmen viser seg å bli litt redusert når sjiktning er introdusert i forhold til når modellen er kjørt barotropt. Maksimum dybdemidlet strøm gjennom Vatlestraumen over to tidevannsperioder er på rundt 0.2 m/s. For simuleringen med sjiktning er maksimum strømhastighet opp mot 0.7 m/s registrert i modellområdet. Ved sjiktning viser det seg et strømmen gjennom Vatlestraumen er dybdeavhengig, og at overflate strøm og strøm i dypere lag kan være motsatt rettet.

Simulering av strøm gjennom Vatlestraumen med MITgcm.

Simuleringene med MITgcm viser klart ulempen med z-koordinater i vertikalen. Støyen som genereres av trapperepresentasjonen kan ha innvirkning på strømningsfeltet. Noe av dette kan reduseres ved å anvende såkalte Shapirofilter på dataene langs bunnen, noe som betyr økt viskositet nær bunnen. I tillegg bruker MITgcm en metode for å redusere innvirkningen fra topografien ved å variere høyden på "trappetrinnene". I dette studiet har ikke denne metoden blitt optimalisert. Det ser ut som om ikke-hydrostatikk kan redusere denne "støyen", det samme gjør stratifisering. I resultatene presentert her synes det som om den hydrostatiske tilnærmelsen gir høyere hastigheter i overflaten. Det er ikke undersøkt hvorvidt dette gjelder i hele vannsøylen, eller om fluksen gjennom Vatlestraumen endres. Som ventet oppnås mer struktur i strømningsfeltet ved høyere oppløsning.

Sammenligning BOM og MITgcm.

Sammenligningen er gjort mellom resultater fra hydrostatisk barotrope kjøringer. Modellresultatene viser at de grove hovedtrekkene i strømningen er de samme i de to modellene, mens det er større forskjeller når en ser på detaljene i strømmen. I hovedtrekk kan en si at den dybdemidlede strømhastigheten fra MITgcm er halvparten av hva man får med BOM. I tillegg er resultatene i BOM glattere, og overflatestrømmer ser ut til å ha en tendens til enten å følge bunnkonturene eller gå mot dypere områder.

Videre arbeid.

Raunefjorden er et område som er utfordrende å modellere. Når det gjelder topografien er den bratt noen steder, flat og grunn andre steder og har smale sund der høye hastigheter opptrer. En fremtidig studie bør undersøke om det å øke antall lag i vertikalen for MITgcm vil redusere forskjellene mellom de to modellene.

I den første tilnærmingen ble flere forenklinger gjort og mange viktige drivkrefter utelatt. Av forenklinger som ble gjort var å bruke en tidsforsinkelse på en halv time på tidevannet mellom nordlig og sørlig rand. Denne tidsforsinkelsen ble beregnet utifra hastigheten på en tidevannsbølge og bør bli sjekket ved målinger. Profiler for temperatur og saltholdighet ble beregnet fra (midlede) målinger fra mars måned, og her kan særlig sette spørsmålstegn til temperatur profilen som ser ut til å ha en mer S form enn en den lineære som er brukt i modellene. Når det gjelder målinger fra høsten, vil nok ihvertfall temperaturprofilen være en ganske annen enn for våren, da overflatetemperaturen gjerne er nærmere 15-16 grader Celsius enn de 4 gradene som ble brukt i modell kjøringene.

Dette studiet ble gjennomført med en forenklet dybdematrise. Det vil være viktig i videre studier å få tilgang til en enda mer nøyaktig bunntopografi. Dybdematrisen er interpolert fra navigasjonsdata, og vil dermed konsekvent være et underestimat for dypet i modellområdet.

Av drivkrefter som er utelatt kan en nevne den Norske Kyststrømmens styrke og dens påvirkning av strømmønsteret i Raunefjorden og Vatlestraumen. Ferskvannsavrenningen fra Nordåsvannet som trolig vil påvirke strømningen gjennom Vatlestraumen, særlig på høsten da større nedbørsperioder opptrer og det øverste vannlaget kan bestå av hovedsakelig ferskvann. Den sannsynligvis største drivkraften som er utelatt er nok vind. Den lokale vinden vil i stor grad drive overflatestrømmen, mens vind fra større lavtrykk vil være med å flytte vannmasser til eller fra kysten, og dermed påvirke både sjiktning og vannstand.

Vi tror at de to modellene som er satt opp er et godt utgangspunkt for videre arbeid med modellvalidering i området, og de vil også være godt egnet til eksperimentering med forbedrede drivkrefter i studentoppgaver på hovedfags eller doktorgradsnivå.

Etterord

Dette studiet er finansiert gjennom såkornmidler for utvikling av samarbeid mellom Christian Michelsen Research (CMR) and Universitetet i Bergen. I dette tilfellet et samarbeid mellom Dept. of Industrial Instrumentation (CMR), Geofysisk Institutt (UiB) og BCCS (UiB). Vi vil gjerne takke Fylkeskommunen i Bergen ved Inge Døskeland og Arne Klingsheim for velvillig deling av bunndata.

Referanser

J. Berntsen. USERS GUIDE for a modesplit sigma-coordinate numerical ocean model.
Teknisk Rapport 135, Matematisk Institutt, Universitetet i Bergen, Bergen 2000.

H. B. Helle
Byfjord undersøkelsen 1973-1974. Oseanografisk resipientundersøkelse av fjordene rundt Bergen.
Delrapport nr 1, Geofysisk Institutt, Universitetet i Bergen, Bergen 1975.

Kystverket
"Rocknes"-ulykken.
Kystverket, 23 Nov. 2004.

J. Marshall, C. Hill, L. Perelman og A. Adcroft.
Hydrostatic, quasi--hydrostatic, and nonhydrostatic ocean modeling.
Journal of Geophysical Research, nr 102, 1997.

J. Marshall, C. Hill, A. Adcroft, L. Perelman og C. A. Heisey.
Finite-volume, incompressible Navier Stokes model for studies of the ocean on parallel computer.
Journal of Geophysical Research, nr 102, 1997.

J. F. Thompson, B. K. Soni, and N. P. Weatherhill, editors.
Handbook of grid generarion.
CRC press, London, 1999.

G. Dahlquist and Å. Björk.
Numerical Methods.
Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1974.