SWAN Wave Modelling in Fetch-Limited Seas: Influence of Wind Data and White-Capping Formulations on Wave Modelling in Öresund

Abstract

Flooding of coastal infrastructure due to rising sea levels and storm surges can be mitigated by coastal protection. The design of such infrastructure depends not only on the storm surge still-water level but also strongly on storm-wave characteristics. Therefore, numerical wave modelling is essential in the absence of wave observations. Fetch-limited seas with low moderate wave-energy climates are understudied environments in storm-wave modelling, with the Öresund Strait as an example. Among others, high-quality wind data and suitable white-capping formulation are essential when modelling storm-waves in fetch-limited seas. The aim of this study is to evaluate the reliability of the ERA-5 reanalysis wind data set, investigate how different wind data inputs affects wave modelling in Öresund, and how the choice of white-capping formulation influences the model performance focusing on large wave heights. A SWAN-model is used in the study as well as a regional model for comparison. The results showed that ERA-5 underestimates large wind velocities, and was calibrated by linear regression for a better fit in Öresund. The magnitude of the underestimation varied between the analysed wind stations, depending on their surroundings. Different wind data had a significant impact on the wave model, where reanalysis datasets achieved a better model performance than windfields based on measured data. The model performance of the reanalysis datasets ERA-5 and CERRA differed due to differences in spatial and temporal resolution. Using calibrated ERA-5, (adjusted ERA-5), resulted in overestimation of wave heights. However, when combining it with a white-capping formulation adapted for wind-sea conditions a good model performance was achieved. The study highlights the importance of both good-quality wind data and well-suited white-capping formulation when modelling Öresund.

Popular Abstract (Swedish)

Hur påverkar vinden Öresunds kust?

Öresund har ett komplext vågklimat som är viktigt att förstå för att skydda dess kust vid stormar. Hur ska vinden och vita gäss beskrivas i en vågmodell för att Öresunds vågor ska motsvara verkligheten så bra som möjligt?

Öresunds kuster med sin varierande natur och vackra städer är en plats för rekreation, umgänge och naturupplevelser. Däremot är kusten särskilt utsatt av kraftiga vågor som riskerar att bidra till översvämning vid stormar och höga vindar. I kontrast till den fridfulla och friska miljön blir kustområdena istället platser med skadad infrastruktur och byggnader. Som tur är kan man skydda kusten och dess bebyggelse med kustskydd. men att designa dessa för alla möjliga scenarion är inte lätt. Lösningen är vågmodellering.

I en vågmodell beskrivs havet och kustområdet matematiskt för att sedan simuleras för att efterlikna verkligheten så bra som möjligt. Därför behöver man ha en god kännedom om området i fråga, inklusive vindförhållandena. Att använda rätt typ av vinddata i modeller är inte lätt. Tidigare modelleringar har använt modellerad vinddata från en databas som heter ERA-5. Denna datan har däremot varit ifrågasatt på grund av att den riskerar att vara för generell när man modellerar små områden. I detta arbete har därför påverkan av olika typer av vinddata undersökts, samt vilken typ av matematisk formulering av vågbrytning på djupt vatten, så kallade vita gäss, som passar bäst när vågor i Öresund ska beskrivas.

Studien visar att den omtalade vindmodellen ERA-5 ger för små vindhastigheter i Öresund, vilket i sin tur gör att modellerade vågor blir lägre än i verkligheten. Vid kalibrering av vindhastigheterna motsvarade de verkligheten bättre men den simulerade våghöjden blev istället för stor. En förbättring av höga våghöjder observerades när en vindmodell med finare upplösning, CERRA, användes. Användningen av observerad vinddata från utsatta mätstationer i sundet gav däremot inte bättre resultat i modellen, på grund av att mätdata från en position inte kan representera ett helt område.

Den matematiska formuleringen av vågbrytning skiljer sig beroende på vilket typ av hav man vill modellera. Hav med stor geografisk yta kräver en typ av formulering på grund av att vinden har möjlighet att blåsa över en stor yta, vilket i sin tur påverkar våggenereringen. Däremot kräver mindre, begränsade, hav en annan formulering på grund av att vinden endast kan blåsa över ett begränsat område. Det bästa resultatet för modellering av höga vågor i Öresund i denna studien visade sig vara en kombination av kalibrerad ERA-5 vinddata med en vågbrytnings-formulering som passar begränsade hav. Denna modellen simulerade höga vågor som stämmer överens med verkliga förhållanden.

Slutligen visar studien att bra kvalité av vinddata samt vågbrytnings-formulering som beskriver de verkliga förhållandena på rätt sätt är viktigt för att få en bra modell. Öresund är ett komplicerat område att modellera på grund av dess geografiska position samtidigt som modelleringen är viktig för att vi ska kunna fortsätta njuta av sundets fridfulla och vackra miljö i framtiden.

• author: Stengard-Olsson, Astrid
• supervisor: Björn Almström; Caroline Hallin; Emanuel Schmidt
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVRM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Wave Modelling, SWAN, Wind Data, ERA5, ERA5 Calibration, Öresund
• publication/series: TVVR 5000
• report number: TVVR26/5014
• ISSN: 1101-9824
• language: English
• additional info: Examiner; Magnus Larson
• id: 9243169
• date added to LUP: 2026-06-23 17:50:22
• date last changed: 2026-06-23 17:50:22