Space-time extremes of sea wave states: field, analytical and numerical investigations

Il tema di ricerca di questa tesi è la valutazione degli estremi di moto ondoso che si possono verificare in stati di mare a creste corte. Questa è infatti la condizione tipica durante le tempeste marine. La pratica ingegneristica e l'esperienza di chi opera nel settore off-shore (e.g. su piattaforme o navi), stanno sollevando interrogativi circa l'adeguatezza della statistica d'onda convenzionale per quanto riguarda la stima degli estremi durante condizioni di mare a creste corte in tempesta. Infatti, la statistica delle onde è stata tradizionalmente ricavata da misure temporali, cioè ottenute in un punto fisso. Recentemente, è stata provata l'evidenza sperimentale secondo cui la massima elevazione di superficie che si verifica in un punto del mare è minore della massima elevazione che si verifica su un area circostante. Perciò, a meno che la dinamica spaziale di un gruppo d'onda sia completamente inclusa all'interno dell'area, il massimo misurato ad un punto o su un area più piccola sottostima il massimo effettivo. Per ovviare a ciò, nella scorsa decade sono stati applicati alla statistica del moto ondoso alcuni modelli stocastici per la stima dei massimi di campi multidimensionali Gaussiani, ovvero il teorema di Piterbarg e l'approccio alle caratteristiche di Eulero di Adler e Taylor. In base a queste teorie, siamo in grado di stimare i massimi attesi che si possono verificare su un area (spazio) durante uno stato di mare a creste corte di una data durata (tempo), fornendo così una spiegazione dell'evidenza sperimentale. Lo scopo di questa tesi dottorale è quello di investigare e discutere questi modelli stocastici di recente applicazione al fine di contribuire ad un cambio di paradigma nell'analisi del moto ondoso: dal dominio del tempo al dominio dello spazio-tempo. Quindi, ci siamo concentrati su diversi fronti utilizzando approcci differenti. Campagne di misura ci hanno consentito di validare i modelli stocastici e di proporre una procedura di analisi dei dati volta a caratterizzare gli stati di mare in un sito, relativamente agli estremi nel dominio spazio-tempo. Approcci analitici e approcci numerici ci sono invece serviti per fornire possibili soluzioni al ben noto problema della mancanza di spettri direzionali d'onda, ovvero gli input del modelli stocastici multidimensionali. Infatti, abbiamo proposto delle formule chiuse per calcolare i parametri spettrali di input in un contesto di stati di mare concettualizzati e abbiamo sviluppato una versione ad hoc del modello numerico SWAN (Simulating WAves Nearshore), chiamata SWAN-ST (SWAN Space-Time) per permettere l'analisi degli estremi nel dominio spazio-tempo su domini realistici. Inoltre, i risultati ottenuti da questi approcci analitici e numerici sono stati utilizzati per studiare la dipendenza degli estremi di moto ondoso da parametri fisici specifici che governano la meccanica delle onde da vento, ovvero la velocità del vento, la lunghezza del fetch, la presenza di una corrente e la pendenza del fondo. Infine, abbiamo testato la possibilità di modellare numericamente gli estremi spazio-tempo su domini realistici, simulando 3 anni di eventi sul mare Mediterraneo.