Analysis of coastal storms for their application in harbours and coastal structures design

Οι καταιγίδες και οι φυσικές καταστροφές που συχνά προκαλούν, απασχολούν τον άνθρωπο από την αρχαιότητα. Στις μέρες μας, η σφοδρότητα των καταιγίδων είναι εντονότερη από αυτή του παρελθόντος. Πιο συγκεκριμένα, οι επιπτώσεις των καταιγίδων στις ακτές και τις παράκτιες περιοχές θεωρείται ότι θα είναι ακόμη πιο καταστροφικές στο άμεσο μέλλον λόγω της κλιματικής κρίσης, καθιστώντας πλέον επιτακτική τη συστηματική έρευνα και την ανάλυση των καταιγίδων.Οι καταιγίδες συχνά ταυτίζονται με τους κυκλώνες και τους τυφώνες, ενώ ουσιαστικά ως μια ευρύτερη έννοια περιγράφουν τα ακραία υδρομετεωρολογικά γεγονότα. Ωστόσο, ο όρος των «παράκτιων καταιγίδων» χρησιμοποιείται ειδικότερα για να περιγράψει τις καταιγίδες που πλήττουν τις ακτές και προκαλούν επιπτώσεις στη μορφολογία των ακτών, στη λειτουργικότητα και στην ευστάθεια των λιμενικών και παράκτιων έργων. Η επίδραση των παράκτιων καταιγίδων στη ζωή των ανθρώπων και η φύση τους ως ακραία φαινόμενα ήταν τα αρχικά κίνητρα για την εκπόνηση της παρούσας διατριβής.Για τον ορισμό και τον εντοπισμό των παράκτιων καταιγίδων χρησιμοποιούνται συνήθως οι ατμοσφαιρικές και οι κυματικές παράμετροι, όπως το ύψος κύματος (Η) και η περίοδος του κύματος (Τ). Ακολουθώντας τη θεωρία των ακραίων τιμών, o εντοπισμός των παράκτιων καταιγίδων πραγματοποιείται μέσω της εφαρμογής των κατωφλιών των σημαντικών αυτών παραμέτρων και στη συνέχεια γίνεται η ανάλυσή τους. Για την καλύτερη κατανόηση των παράκτιων καταιγίδων, ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στην περιγραφή της σχέσης των μεταβλητών που τις ορίζουν και κατά συνέπεια στη μοντελοποίηση τους. Στη βιβλιογραφία η ανάλυση των παράκτιων καταιγίδων περιορίζεται συνήθως σε συγκεκριμένες περιοχές, ενώ για τη μοντελοποίηση τους χρησιμοποιείται η θεωρία των συζεύξεων, λαμβάνοντας υπόψη δυο ή τρείς μεταβλητές. Η θεωρία των συζεύξεων αναπτύχθηκε κυρίως στον τομέα της Στατιστικής και χρησιμοποιείται ευρέως στα Οικονομικά και στην Υδρολογία. Η εφαρμογή των συζεύξεων απαιτεί αρκετούς μαθηματικούς υπολογισμούς και χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή, ωστόσο ενδείκνυται για τη μελέτη πολυμεταβλητών φαινομένων, όπως είναι οι παράκτιες καταιγίδες. Λόγω των παραπάνω, στόχοι της παρούσας διατριβής αποτελούν 1) η ανάλυση των παράκτιων καταιγίδων και 2) η μοντελοποίηση τους μέσω των συζεύξεων. Παράλληλα, επιδιώκεται η περιγραφή μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τον εντοπισμό των παράκτιων καταιγίδων και η εφαρμογή των συζεύξεων για α) τη μελέτη της εξάρτησης δυο μεταβλητών κατά τη διάρκεια μιας παράκτιας καταιγίδας, β) την προσομοίωση των παράκτιων καταιγίδων μιας περιοχής και γ) τον υπολογισμό των περιόδων επαναφοράς. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται για την ανάλυση και την μοντελοποίηση των παράκτιων καταιγίδων εφαρμόζεται σε πρωτογενή κυματικά δεδομένα και όχι σε δεδομένα προσομοιώσεων. Δεδομένα 30 διαφορετικών περιοχών αναλύονται για πρώτη φορά στη Μεσόγειο θάλασσα, αλλά και γενικότερα, μελετώντας 4008 ιστορικές παράκτιες καταιγίδες για την χρονική περίοδο 1985-2019. Πιο αναλυτικά, για τον ορισμό της παράκτιας καταιγίδας χρησιμοποιούνται τα κατώφλια του ύψους κύματος, της ελάχιστης διάρκειας ενός γεγονότος και του χρονικού διαστήματος ηρεμίας που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών γεγονότων. Μέσω αυτών εντοπίζονται οι παράκτιες καταιγίδες σε κάθε περιοχή και στη συνέχεια εξετάζονται τα χαρακτηριστικά τους, υπολογίζοντας τη συχνότητα εμφάνισης τους, τις υπόλοιπες σημαντικές μεταβλητές (ενέργεια, ροή ενέργειας και κατεύθυνση κύματος), τα περιγραφικά τους στατιστικά στοιχεία και το σχήμα των καταιγίδων. Στη συνέχεια εξάγονται οι αντιπρόσωποι των μεταβλητών κάθε γεγονότος και ακολουθεί η μοντελοποίηση τους. Μέσα από ένα σύνολο 40 διαφορετικών συζεύξεων εξετάζονται οι βέλτιστες συζεύξεις που περιγράφουν την εξάρτηση των Η και Τ κατά τη διάρκεια μιας παράκτιας καταιγίδας και γίνεται διερεύνηση των δύο καλύτερων συζεύξεων. Για την προσομοίωση των παράκτιων καταιγίδων μιας περιοχής επεκτείνονται οι αλγόριθμοι των De Michele et al. (2007), Aas et al. (2009) και Stöber and Czado (2017) σε πέντε διαστάσεις, εφαρμόζοντας σε αυτούς τις C-Vine συζεύξεις και συγκρίνονται ως προς την αποτελεσματικότητα τους. Για τις περιόδους επαναφοράς ορίζονται οι πιο ακραίες τιμές κάθε μεταβλητής, κατασκευάζονται οι συζεύξεις δύο έως πέντε μεταβλητών (π.χ. Gumbel, elliptical, t) και C-Vine συζεύξεις τριών έως πέντε μεταβλητών, υπολογίζονται οι κοινές πιθανότητες και στη συνέχεια υπολογίζονται οι περίοδοι επαναφοράς για κάθε συνδυασμό των σημαντικών μεταβλητών των παράκτιων καταιγίδων μιας περιοχής.Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ανάλυση και τη μοντελοποίηση των παράκτιων καταιγίδων για την εφαρμογή τους στο σχεδιασμό των λιμενικών και παράκτιων έργων. Ειδικότερα αναδεικνύει τη σημασία της ανάλυσης των ιστορικών καταιγίδων μιας περιοχής και την εφαρμογή της θεωρίας των συζεύξεων, και κυρίως των C-Vine συζεύξεων, για την προσομοίωση των παράκτιων καταιγίδων, τον υπολογισμό κοινών πιθανοτήτων και τον υπολογισμό των περιόδων επαναφοράς. Όλα τα παραπάνω αποτελούν σημαντικά εργαλεία αφού, βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση και προσέγγιση των παράκτιων καταιγίδων και μπορούν να ενσωματωθούν στον τεχνικό σχεδιασμό για την ανάλυση της επικινδυνότητας των ακραίων αυτών φαινομένων στην ευστάθεια, στη λειτουργικότητα αλλά και στη βελτίωση της ανθεκτικότητας των παράκτιων κατασκευών.