Hydrodynamische modellen

De kern van elk numeriek watermodel is het "hydrodynamisch-fysisch" gedeelte; dit staat in voor de berekening van de vier basisparameters: stromingen, zeehoogte, temperatuur en saliniteit (zoutgehalte). Enkele belangrijke aspecten van dit gedeelte kunnen als volgt worden samengevat:

• Stromingen: twee typen kunnen worden onderscheiden. Getijdestromingen treden periodisch op en zijn vooral belangrijk voor voorspellingen op korte termijn. "Residuele" stromingen zijn meestal trager en vertonen een constant seizoensgebonden patroon gedurende weken en zelfs maanden. Een typisch residueel circulatiepatroon, berekend door een computermodel, is geïllustreerd voor een winter en een zomer situatie in de Noordzee.
  
  
• Fronten: in analogie met meteorologische situaties vormen deze de scheidingslijn tussen verschillende watermassa's en kunnen worden geobserveerd via satellietbeelden. Thermische fronten treden op in de zomermaanden en geven de scheiding weer tussen ondiep gemengd water, waar de temperatuur onder invloed van turbulentie een constante waarde behoudt, en diep gelaagde water bestaande uit een warme bovenlaag en een koude onderlaag. De twee lagen worden gescheiden door een dunne laag, met sterke variaties in temperatuur de zogenaamde "thermocline". Zoetwaterfronten vormen de scheiding tussen zoet rivierwater en zout zeewater en zijn daarom vooral aanwezig langsheen de kustlijnen. Een nauwkeurige simulatie van de intensiteit en de locatie van fronten is van belang voor de berekening van residuele stromingen en voor de productie van microplankton, dat aan de basis ligt van de voedselketen.
  
  
• Turbulentie onstaat voornamelijk in reactie op de wind en getijden en genereert een complex patroon van microfluctuaties, variërend van enkele millimeters tot enkele meters. Deze fluctuaties beïnvloeden op hun beurt de stromingen en de verspreiding van temperatuur, saliniteit en andere substanties op macro-schaal. Een exacte beschrijving van turbulentie voor een gebied als de Noordzee is met de huidige generatie computers praktisch onmogelijk zodat men een beroep dient te doen op zogenaamde "turbulentiemodellen" in de vorm van complexe mathematische vergelijkingen.
  
  
• Interacties met de atmosfeer: voor het berekenen van de watertemperatuur dient men rekening te houden met de zonnestraling die de bovenste 10 tot 20 meter van de waterkolom opwarmt, en met andere effecten van warmteuitwisseling aan het zeeoppervlak. De wind in de onderste laag van de atmosfeer ligt aan de basis van golven en turbulentie. Om deze effecten in te brengen in het model moet men beschikken over meteorologische gegevens (wind snelheid en richting, atmosferische druk, luchtvochtigheid en temperatuur, bewolkingsgraad) die gewoonlijk geleverd worden via een weermodel.

De ontwikkeling van snellere supercomputers maakt het mogelijk complexere "geïntegreerde" drie-dimensionele (lengte, breedte en diepte) te ontwerpen en te testen met bijkomende componenten voor biologie, sedimenten en contaminanten. Een voorbeeld is het recente COHERENS computerprogramma ontwikkeld door de BMM. Het model heeft momenteel wereldwijd ongeveer 600 gebruikers en werd al voor diverse applicaties gebruikt.