ETD

• high-order spectral method (HOS)
• JONSWAP spectrum
• modulational instability
• nonlinear modeling
• onde anomale
• phase-resolving
• rogue waves
• Sobol’ sensitivity indices
• sparse grids
• uncertainty quantification (UQ)
• wave breaking dissipation
• wave modeling

Le onde anomale sono manifestazioni estreme del moto ondoso, generate da processi non lineari che concentrano l’energia in creste isolate raggiungendo ampiezze eccezionali. Lo studio e l'implementazione di strumenti per migliorare la predicibilità di tali eventi, anche se rari, è di importanza rilevante per numerose applicazioni, come la sicurezza della navigazione e la progettazione di strutture offshore. Questa tesi analizza la probabilità di occorrenza di tali eventi in mari irregolari mediante simulazioni numeriche phase-resolving e tecniche avanzate di Uncertainty Quantification (UQ). Il campo d’onda è descritto con il modello spettrale ad alto ordine (High-Order Spectral method), che risolve la dinamica direzionale non lineare delle onde gravitazionali in acque profonde, includendo gli effetti di instabilità modulazionale e dissipazione per breaking. Le simulazioni dirette sono state eseguite con il codice open-source HOS-Ocean, inizializzandole con spettri di tipo JONSWAP e variando i parametri spettrali al fine di rappresentare diversi stati di mare reali. L’incertezza sui parametri spettrali è trattata con un approccio non intrusivo basato su griglie sparse adattive e metodi di collocazione stocastica, che consentono di stimare in modo efficiente le quantità d’interesse (altezza significativa, skewness, kurtosis e probabilità di onde estreme) e di condurre un’analisi di sensibilità globale tramite gli indici di Sobol’. L’integrazione tra simulazioni phase-resolving e metodi di UQ fornisce una rappresentazione quantitativa dell’influenza dei parametri spettrali sulla probabilità di occorrenza delle onde estreme, contribuendo alla comprensione dei processi non lineari coinvolti. In tal modo, il lavoro offre una base metodologica per l'impiego operativo dei modelli phase-resolving integrati con approcci phase-averaged.

Rogue waves are extreme manifestations of ocean wave dynamics, generated by nonlinear processes that concentrate energy into isolated crests reaching exceptional amplitudes. The study and implementation of tools aimed at improving the predictability of such rare events is of great relevance for several applications, including maritime safety and the design of offshore structures. This thesis investigates the occurrence probability of such events in irregular seas through phase-resolving numerical simulations and advanced Uncertainty Quantification (UQ) techniques. The wave field is described using the High-Order Spectral method, which resolves the directional nonlinear dynamics of gravity waves in deep water, including modulational instability and dissipation due to breaking. Direct simulations were performed with the open-source code HOS-Ocean, initialized with JONSWAP-type spectra and varying the spectral parameters to represent different realistic sea states. Uncertainty in the spectral parameters is treated through a non-intrusive approach based on adaptive sparse grids and stochastic collocation methods, enabling the efficient estimation of quantities of interest (significant wave height, skewness, kurtosis and probability of extreme waves) and the execution of global sensitivity analysis via Sobol’ indices. The integration of phase-resolving simulations and UQ methods provides a quantitative representation of the influence of spectral parameters on the probability of extreme waves, thereby contributing to the understanding of the underlying nonlinear processes. In this way, the work offers a methodological basis for the operational use of phase-resolving models integrated with phase-averaged approaches.