Configuración del viento

El sobreelevamiento del nivel del agua por efecto del viento , también conocido como efecto del viento o efecto de tormenta , se refiere al aumento del nivel del agua en mares, lagos u otras grandes masas de agua causado por el viento que empuja el agua en una dirección específica. A medida que el viento se desplaza sobre la superficie del agua, aplica una tensión cortante al agua, generando una corriente impulsada por el viento. Cuando esta corriente encuentra una costa, el nivel del agua aumenta debido a la acumulación de agua, lo que crea una contrafuerza hidrostática que equilibra la fuerza cortante aplicada por el viento. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Durante las tormentas, la sobreelevación del nivel del mar provocada por el viento forma parte de la marejada ciclónica general . Por ejemplo, en los Países Bajos , la sobreelevación del nivel del mar durante una marejada ciclónica puede elevar los niveles de agua hasta 3 metros por encima de los niveles normales de marea. En regiones tropicales, como el Caribe , la sobreelevación del nivel del mar durante los ciclones puede elevar los niveles de agua hasta 5 metros. Este fenómeno se vuelve especialmente significativo cuando el agua se canaliza hacia áreas poco profundas o estrechas, lo que provoca marejadas ciclónicas más intensas. ^{[ 3 ]}

Ejemplos de los efectos de la sobreelevación del nivel del mar por el viento incluyen los huracanes Gamma y Delta en 2020, durante los cuales la sobreelevación del nivel del mar por el viento fue un factor importante cuando los fuertes vientos y las caídas de presión atmosférica causaron inundaciones costeras mayores de lo esperado en la península de Yucatán en México. ^{[ 4 ]} De manera similar, en el pantano de Suisun en California , se ha demostrado que la sobreelevación del nivel del mar por el viento es un factor significativo que afecta los niveles locales del agua, con fuertes vientos que empujan el agua hacia los diques , contribuyendo a frecuentes rupturas e inundaciones. ^{[ 5 ]}

En los lagos , la sobreelevación del nivel del agua provoca fluctuaciones notables debido al viento. Este efecto es particularmente evidente en lagos con niveles de agua bien regulados, como el IJsselmeer , donde la relación entre la velocidad del viento, la profundidad del agua y la longitud de la zona de oleaje puede medirse y observarse con precisión. ^{[ 6 ]}

En el mar, sin embargo, la sobreelevación del nivel del mar causada por el viento suele quedar enmascarada por otros factores, como las variaciones de las mareas. Para medir el efecto de la sobreelevación del nivel del mar causada por el viento en las zonas costeras, se resta la marea astronómica (calculada) del nivel del agua observado. Por ejemplo, durante la inundación del Mar del Norte de 1953 , el nivel máximo del agua a lo largo de la costa holandesa se registró en 2,79 metros en la estación mareográfica de Vlissingen , mientras que la sobreelevación del nivel del mar causada por el viento, de 3,52 metros, se observó en Scheveningen .

La mayor altura sobre el nivel del mar registrada en los Países Bajos, de 3,63 metros, se produjo en Dintelsas, Steenbergen, durante las inundaciones de 1953. Sin embargo, a nivel mundial, las regiones tropicales como el Golfo de México y el Caribe suelen experimentar alturas sobre el nivel del mar aún mayores durante los huracanes, lo que subraya la importancia de este fenómeno en las estrategias de gestión costera y de inundaciones . ^{[ 4 ]}

Basándose en el equilibrio entre el esfuerzo cortante debido al viento sobre el agua y la contrapresión hidrostática, se utiliza la siguiente ecuación: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\frac {dh}{dx}}={\frac {\kappa u^{2}\cos \phi }{gh}}}$

en el cual:

h = profundidad del agua

x = distancia

u = velocidad del viento

${\displaystyle \kappa =c_{w}{\frac {\rho _{aire}}{\rho _{agua}}}}$, Ippen ^{[ 7 ]} sugiere${\displaystyle \kappa }$= 3,3*10 ⁻⁶

${\displaystyle \phi }$= ángulo del viento con respecto a la costa

g = aceleración de la gravedad

c _w tiene un valor entre 0,8*10 ⁻³ y 3,0*10 ⁻³

Aplicación en lagos (poco profundos) y áreas confinadas de corto alcance.

Para calcular la sobreelevación del nivel del mar en un lago, se utiliza la siguiente solución para la ecuación diferencial:

${\displaystyle \Delta h=0,5\kappa {\frac {u^{2}}{gh}}F\cos \phi }$

En 1966, el Comité de Obras del Delta recomendó utilizar un valor de 3,8*10 ⁻⁶ para${\displaystyle \kappa }$en condiciones holandesas. Sin embargo, un análisis de los datos de medición del IJsselmeer entre 2002 y 2013 condujo a un valor más fiable para${\displaystyle \kappa }$, específicamente ${\displaystyle \kappa }$= 2,2*10 ⁻⁶ . ^{[ 6 ]}

Este estudio también encontró que la fórmula subestimaba la sobreelevación del viento a velocidades de viento más altas. Como resultado, se ha sugerido aumentar el exponente de la velocidad del viento de 2 a 3 y realizar ajustes adicionales.${\displaystyle \kappa }$a${\displaystyle \kappa }$=1,7*10 ⁻⁷ . Esta fórmula modificada puede predecir la configuración del viento en el IJsselmeer con una precisión de aproximadamente 15 centímetros.

Para entornos confinados como marismas o tramos de oleaje reducidos, Algra et al. (2023) propusieron un modelo empírico simplificado para la sobreelevación del nivel del mar por el viento. ^{[ 5 ]} Este modelo fue diseñado para estimar la sobreelevación del nivel del mar por el viento en la marisma de Suisun , donde las longitudes de oleaje son menores y se aplican condiciones de poca profundidad. La ecuación se expresa como:

${\displaystyle \delta h=\kappa {\frac {u_{10}^{2}}{g\cdot h}}\cdot F\cdot \cos(\phi )}$

Dónde:

• ${\displaystyle \delta h}$= sobreelevación del nivel del agua por el viento,
• ${\displaystyle \kappa }$= constante (generalmente derivada empíricamente),
• ${\displaystyle u_{10}}$= velocidad del viento medida a 10 metros sobre la superficie del agua,
• ${\displaystyle g}$= constante gravitacional,
• ${\displaystyle h}$= profundidad media del agua,
• ${\displaystyle F}$= longitud de obtención,
• ${\displaystyle \phi }$= ángulo entre la dirección del viento y el alcance.

Esta ecuación asume que el alcance del viento es pequeño y simplifica el proceso de sobreelevación del viento al hacer que esta sea linealmente proporcional al cuadrado de la velocidad del viento. En su análisis de 2023 de la isla Van Sickle , Algra et al. encontraron que este modelo es efectivo para entornos con alcance limitado y poca profundidad, donde los enfoques más complejos utilizados para costas abiertas son innecesarios. A diferencia de las formulaciones de ecuaciones diferenciales más detalladas utilizadas para costas abiertas o lagos más grandes, el modelo de Van Sickle proporciona una aproximación práctica para áreas confinadas donde la sobreelevación del viento aún puede ser significativa, pero donde las restricciones espaciales simplifican la dinámica general del movimiento del agua. ^{[ 5 ]}

No debe confundirse la sobreelevación del nivel del agua por el viento con la sobreelevación del nivel del agua por las olas , que se refiere a la altura que alcanza una ola en una pendiente, ni con la sobreelevación del nivel del agua por las olas rompientes. ^{[ 9 ]}

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• Inundaciones costeras
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