Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России (РФФИ)НИР

Numerical modeling and forecast of wind waves and storm surges in the coastal zone of the southern seas of Russia

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 31 мая 2018 г.-31 декабря 2018 г. Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России
Результаты этапа: Создана подробная база данных рельефа дна, скорости и направления ветра, атмосферного давления, сплоченности льда для исследуемых акваторий. Создана вычислительная триангуляционная сетка для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей. Реализована спектральная модель ветрового волнения WAVEWATCH III для исследуемых акваторий. Проведены тестовые расчеты. Реализована модель течений и уровня ADCIRC для исследуемых акваторий. Проведены тестовые расчеты.
2 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России
Результаты этапа: Создание подробной базы данных рельефа дна, создание базы данных скорости и направления ветра, атмосферного давления, сплоченности льда для исследуемых акваторий. Создание вычислительной триангуляционной сетки для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей. Реализация спектральной модели ветрового волнения WAVEWATCH III для исследуемых акваторий. Проведение тестовых расчетов. Реализация модели течений и уровня ADCIRC для исследуемых акваторий. Проведение тестовых расчетов. Оценка качества полей ветра из систем прогноза GFS, COSMO-RU, SKIRON Проведение экспедиционных инструментальных измерений ветрового волнения в прибрежной зоне Черного моря
3 1 января 2020 г.-31 мая 2020 г. Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России
Результаты этапа: Создание подробной базы данных рельефа дна, создание базы данных скорости и направления ветра, атмосферного давления, сплоченности льда для исследуемых акваторий. Создание вычислительной триангуляционной сетки для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей. Реализация спектральной модели ветрового волнения WAVEWATCH III для исследуемых акваторий. Проведение тестовых расчетов. Реализация модели течений и уровня ADCIRC для исследуемых акваторий. Проведение тестовых расчетов. Оценка качества полей ветра из систем прогноза GFS, COSMO-RU, SKIRON Проведение экспедиционных инструментальных измерений ветрового волнения в прибрежной зоне Черного моря
4 1 июня 2020 г.-31 декабря 2020 г. Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России
Результаты этапа: Создание базы данных ветрового волнения высокого разрешения для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей за период 1979-2017. Создание базы данных течений и уровня высокого разрешения для прибрежной зоны Азовского и Каспийского морей за период 1979-2017. Оценка качества диагностических расчетов параметров волнения (на основе реанализа ветра) по доступным данным прямых и спутниковых измерений. Анализ особенностей пространственно-временной изменчивости параметров ветрового волнения и нагонов. Создание автоматизированной системы прогноза параметров волнения и нагонов в исследуемых районах. Проведение инструментальных измерений ветрового волнения в прибрежной зоне Азовского и Каспийского морей.
5 1 января 2021 г.-30 мая 2021 г. Моделирование и прогноз ветрового волнения и штормовых нагонов в прибрежной зоне южных морей России (РФФИ)
Результаты этапа: Уникальная база данных ветрового волнения высокого разрешения для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей за период 1979-2018 В результате проведенных расчетов для каждого узла вычислительной сетки (15792 узла в Каспийском море, 37826 узлов для Азовского и Черного морей) были получены следующие характеристики ветрового волнения за каждые 3 часа с 1979 по 2018 год (всего 40 лет): высота значительных волн, средний период Tm02, средняя длина волн, среднее направление волн, волновая энергия. На основе этих расчетов создана база данных параметров ветрового волнения Азовсокого и Черного морей с 1979 по 2018 год на нерегулярной вычислительной сетке с пространственным разрешением 8-10 км для открытой части Черного моря, 3-5 км для открытой части Азовского моря и 400-500 м вдоль всего побережья обоих морей и временным шагом 3 часа. Таким образом, на каждую расчетную точку приходится 116880 значений для каждого из параметров. Количество узлов по пространству составляет 42284. База данных состоит из 40 файлов в формате NetCDF. Каждый файл содержит следующие параметры волн: широта, долгота, время, Hs (m), T02 (с), Wlen (m), Dir (°), перенос волновой энергии (кВт/м). В каждом файле содержится информация за один год, объем файла составляет около 5200 Мб. Для пользования базой данных может быть использован любой интерфейс, работающий с форматом данных NetCDF. Пользователь ПК может задать различные параметры выборки и получить на выходе данные о параметрах волн в нужной точке в определенное время. Аналогичная база создана и для Каспийского моря. База данных уровня моря высокого разрешения для прибрежной зоны Азовского моря за период с 1979 по 2010 гг. и Каспийского моря за период 1979-2018 гг. По результатам расчетов в каждом узле расчетной сетки исследуемых морей получены данные по уровню моря и осредненных по глубине скоростям течений за период моделирования с временным шагом 1 час. Написана программа по извлечению этих данных из расчетных массивов по времени и пространству, а также по расчету максимальных и средних величин. Статистические оценки качества моделей на основе сравнения модельных данных и данных инструментальных измерений. Была проведена оценка качества результатов волновой модели WAVEWATCH III для Каспийского моря. Сравнение проводилось с опубликованными данными наблюдений из статьи [Амбросимов и др., 2008]. Приведены результаты сравнения данных модели и измерений волн 3% обеспеченности для точки, расположенной в Среднем Каспии. Визуально можно оценить качество моделирования как удовлетворительное. Модель хорошо воспроизводит фазу наступления штормов, не очень точно моделирует пики штормов, но систематического занижения или переоценки данных не наблюдается. Также было проведено сравнение результатов моделирования с данными альтиметра AltiKa [https:\\rads.tudelft.nl]. Использована высота волн в 34990 точках за период с 2013 по 2016 год. Коэффициент корреляции составил 0.918, среднеквадратическая ошибка 0.28 м, BIAS 0.07 м, индекс разброса 0.29. В целом такое качество воспроизведения вполне соответствует современным реализациям волновых моделей [Нестеров, 2013]. Для Черного моря оценка качества результатов волновой модели проводились на основе данных заякоренного буя Datawell в районе Геленджика, а также по данным датчика гидростатического давления в Голубой бухте. Данные буя в районе Геленджика получены в рамках проекта NATO TU-WAVES для периода июль 1996 – декабрь 2003 и доступны на сайте coastdyn.ru. Расстояние от берега составляет 7 км, глубина постановки 85 м. Данные буя были приведены к шагу по времени 3 часа для сравнения с данными моделирования. В результате было получено 10126 пар для сравнения. Получен коэффициент корреляции 0.76, систематическая ошибка -0.11 м, среднеквадратическая ошибка 0.39 м. Также сравнение результатов модели WAVEWATCH III производилось с данными спутника AltiKa/SARAL. Спутниковые данные доступны вдоль треков с шагом около 7 км на сайте http://rads.tudelft.nl/rads/rads.shtml. Для сравнения был использован массив с 2013 по 2016 год. Для сравнения из данных модели для каждой точки доступных спутниковых данных находилось значение из данных моделирования на расстоянии не более 8 км и по времени +-1 час. Всего была получена 61289 пара для сравнения. Получен коэффициент корреляции 0.85, систематическая ошибка -0.11 м, среднеквадратическая ошибка 0.36 м. На основе данных сравнения были рассчитаны оценки качества модели для отдельных месяцев. Кроме этого, результаты моделирования ветрового волнения сравнивались с данными датчика гидростатического давления, установленного в Голубой бухте на глубине 6.5 м в период с сентября 2018 по сентябрь 2019 года. Для сравнения данные датчика были интерполированы на 3-х часовой шаг модели. Получен коэффициент корреляции 0.88, систематическая ошибка -0.05 м, среднеквадратическая ошибка 0.2 м. Для оценки качества расчета уровня моря моделью ADCIRC был проведен ряд тестовых расчетов колебаний уровня в Азовском и Каспийском морях за несколько лет, для которых имелись натурные наблюдения за уровнем моря на морских прибрежных гидрометеостанциях. В Каспийском море сравнение результатов модельных расчетов осуществлялось по двум ГМС, расположенных на о. Тюлений (период с 2003 по 2017 гг.) и в г. Махачкала (с 2003 по 2011 гг.). Перед тем как проводить сравнение, сначала осуществлялось удаление низкочастотных колебаний уровня моря (периоды больше 30 дней) на фоне, которых формируются нагоны. В связи с наличием пропусков в натурных наблюдениях, для удаления этих колебаний нельзя было применять цифровые фильтры. Для решения этой задачи были рассчитаны полиномы седьмого порядка, в качестве коэффициентов, которых использовались коэффициенты Чебышева. Степень полинома была выбрана на основании результатов дисперсионного анализа для определения значимости этого полинома, используя F-критерий (критерий Фишера). Статистический анализ для о. Тюлений и Махачкалы показал, что коэффициент корреляции между рассчитанным уровнем и инструментально наблюденным для о. Тюлений изменялся в пределах 0.79 – 0.88, для Махачкалы – 0.67 – 0.79. Среднеквадратическая погрешность составляла, в среднем, для о. Тюлений около 0.11 м, для Махачкалы – 0.06 м. Если исключить колебания уровня моря амплитудой менее 10 см, то значения коэффициента корреляции в среднем увеличиваются на 0.04. Например, в 2007 году значение корреляции составило 0.86, а после исключения колебаний (менее 10 см) – 0.91. Системные погрешности, как для о. Тюлений, так и для Махачкалы, малы и находятся в пределах 1-2 см. Для Азовского моря ежечасных наблюдений за уровнем моря на морских прибрежных станциях пока найти не удалось. Поэтому, для сопоставления результатов моделирования с натурными данными были привлечены ежесуточные гидрологические наблюдения за уровнем в устьевой области реки Дон около п. Дугино за 1994 г. Сравнение этих данных с рассчитанными показало, что модель адекватно описывает вариации уровня. Имеет место хорошее воспроизведение фаз подъема и спала уровня. К тому же, если принять во внимание, что положение пунктов натурных измерений не совпадают с узлами расчетной сетки, то полученный результат следует признать вполне удовлетворительным. Оценка коэффициента корреляции для всего годового ряда составляет 0.74. Однако при рассмотрении каждого отдельного случая штормового нагона коэффициент корреляции увеличивается до 0.91. Также сравнивались натурные данные и данные моделирования катастрофического нагона 11-13 апреля 1997 г., высота которого достигала в рукаве Старый Дон у г. Азов значений больше 3 м. Этот нагон вызвал сильное наводнение, от которого в Ростовской области пострадали Азовский, Неклиновский, Мясниковский районы, города Таганрог, Азов, Ростов-на-Дону и много небольших поселков. Выявлено хорошее соответствие между натурными и модельными данным, что подтверждается высоким коэффициентом корреляции - 0.97. Таким образом, сравнение результатов моделирования колебаний уровня моря и натурных наблюдений показало, что модель ADCIRC хорошо воспроизводит колебания уровня моря, и, особенно сгонно-нагонных ситуаций, в Каспийском и Азовском морях как в пространстве, так и во времени. Особенности пространственно-временной изменчивости параметров ветрового волнения и штормовых нагонов, тенденций и периодичностей в межгодовой изменчивости, анализа режимных и экстремальных характеристик По результатам модельных расчетов ветрового волнения и колебаний уровня в исследуемых морях c 1979 по 2018 гг. была проведена их статистическая обработка. Ветровое волнение. Каспийское море Наибольшая среднемноголетняя высота значительных волн наблюдается в Среднем Каспии и достигает 1.1 м (летом 0.8-0.84, зимой 1.4). Максимальное рассчитанное значение высоты волны в Каспийском море составляет 8.2 м и располагается в южной части Среднего Каспия (рис. 1). В южной части Каспийского моря локальный максимум высоты значительных волн равен 6.9 м и расположен у побережья Ирана. Развитие волн в северной части Каспийского моря существенно ограничено из-за короткой волны, небольшой глубины и наличия льда, поэтому и максимальная высота волны небольшая до 2.7 м. Максимальные значения среднего периода волн составляют 7.6, 7.1 и 4 с для центральной, южной и северной частей Каспийского моря соответственно. Максимальные значения средней длины волны характерны для центральной части Каспийского моря и достигают значений до 163 м. Какого-либо однозначного тренда по данным среднемесячной или максимальной высоты волн для всех районов Каспия выделить нельзя. Увеличение штормовой активности наблюдаются в начале 80-х и в середине 90-х годов. В Среднем Каспии можно выделить период увеличения переноса волновой энергии с 2009 по 2017 гг. Наибольшие высоты значительных волны наблюдаются зимой в Среднем Каспии ближе к Апшеронскому полуострову. Аналогичная ситуация примерно в том же районе характерна для осени, когда высота волны составляет 7.2 м. Летом высота волн с такой вероятностью не превышает 5.7 м. Известно, что сильные штормовые нагоны очень часто наблюдаются в Северном Каспии, так что уровень моря может колебаться на 0.5–1.5 м в течение нескольких дней. Глубина воды меняется, что влияет на параметры ветровых волн. Для оценки влияния сильных нагонов на моделирование ветрового волнения в Северном Каспии был проведен специальный численный эксперимент. В октябре 1984 г., когда был зарегистрирован сильный штормовой нагон, при моделировании ветрового волнения сначала использовался среднегодовой уровень моря, затем уровень при нагоне (на 1.5 м выше). Анализ полученных данных показал, что в той части Северного Каспия, где глубина более 7 м и наблюдаются волны с максимальной высотой (> 2 м), увеличение глубины не влияет на высоту волн. Очевидно, что основным фактором, ограничивающим рост волн в этом районе Каспийского моря, является кратковременность. В районах с глубиной моря менее 2–3 м ее увеличение привело к увеличению высоты волны на 5–10%. Для всего Каспийского моря было посчитано количество штормов в год с высотой значительных волн больше 2 м. Случаи штормов с высотой ≥2 м наблюдались примерно 90-110 раз в год с максимумами в 1998 и 2009 гг., количество штормов с высотой ≥3 м примерно 40-60 раз. Штормы с высотой более 5 м случаются примерно 1-8 раз в год. Локальное максимальное количество штормов одновременно для разных высот ≥2-4 м было в 1998 г. Остальные максимумы наблюдаются либо для одной высоты, либо для другой. Максимальное количество штормов с высотой 3 и 4 м было отмечено в 1995 году. Минимальное количество штормов с высотой волн более 2 м было отмечено в 2000 году. Отмечается линейная положительная тенденция количества штормов с высотой больше 2 м. Увеличение повторяемости штормов с 40 до 51 случая за весь период с 1979 по 2020 годы наблюдалось, в частности, и для случаев с порогом 3 м. Но все тенденции слабые и незначительные. Стоит отметить высокую межгодовую изменчивость количества штормов. Средняя дисперсия составляет около 8% от года к году для штормов с порогом высоты 2 м и 60% для порогов 5 м. Наиболее интересной особенностью является значительный линейный тренд для штормов с порогом SWH ≥3 м с 2003 по 2016 гг. Произошло увеличение количества штормов за этот период с 30 до 65, что очень хорошо согласуется с увеличением количества нагонов высотой более 0.5 метра, которое также было получено за период с 2005-2008 по 2016 год. Для ситуаций штормов с высотами волн больше 3 м проводилась типизация полей приземного атмосферного давления методом кластерного анализа. Были выделены три основных типа. Эти типы генетически и по особенностям циркуляции соответствуют пяти синоптическим типам, разработанным ранее [Мадат-заде, 1954, 1959], и пяти типам ветровых полей [Кошинский, 1975]. Однако три типа, выделенные в этой работе, являются более обобщенными. Первый тип циркуляции характеризуется развитием мощного антициклона на востоке европейской части России, Среднем Урале и Западной Сибири. Циклоническая активность вытесняется на север и в Средиземное море. Южная периферия антициклона определяет ветровой режим над Каспием. Почти половина случаев штормов приходится на второй тип. Его отличительными чертами являются обширная циклоническая область над Арктикой, циклоны над Ближним Востоком и Ираном, два больших антициклона с центрами над юго-восточной Европой и Монголией. Между антициклонами над Средней Азией есть перемычка низкого давления, которая простирается до Каспия. Третий тип имеет некоторое сходство со вторым типом, но отличается менее выраженным антициклоном над Европой и ярко выраженной областью пониженного давления над Центральной Азией. В этом случае повышенная циклоническая активность способствует развитию высоких скоростей ветра над морем. В процентном отношении преобладают типы II и III. Ветровое волнение. Черное море Рассчитанные максимум высоты значительных волн для Черного моря составляет 8.5 м и находится в юго-западной части, еще два максимума более 8 м расположены на востоке и в центре моря (Рис. 2). гг. Максимальная длина волны составляет 150-160 м, максимальный период 10.5 с. Были построены сезонные карты для максимальных высот значительных волн. Абсолютные максимальные значения значительных высот волн наблюдаются зимой - в этом сезоне они превышают 8.5 м в юго-западной части моря, недалеко от Босфора. В то же время другая область с максимальными значительными высотами волн наблюдается в восточной части моря, где максимальные значимые высоты волн превышают 8.0 м. Весной максимальные значимые высоты волн слегка уменьшаются и не превышают 7.5 м. Новая и четко выраженная область с максимальными значительными высотами волн появляется вблизи юго-западного побережья Крымского полуострова. Летом шторма менее выражены. Следовательно, максимальные значимые высоты волн в этом сезоне ниже, чем в течение всех других сезонов; они превышают 6 м в нескольких компактных районах в юго-западной части моря. На большей части остального Черного моря максимальные значимые высоты волн летом ниже 5.0 м. Весной шторма усиливаются и максимальные значимые высоты волн снова превышают 8.0 м. Нагоны. Каспийское море Самые большие нагоны в Каспийском море наблюдаются в северной его части (рис. 3). Здесь было выделены две области, где высота нагонов бывает больше двух метров. Одна расположена у северо-западного побережья российского сектора Северного Каспия, другая в восточной и юго-восточной частях казахстанского сектора. Отметим, что в последней отмечается и наибольшая частота их возникновения. В первой районе высота нагона достигает величины около 2.5 м, во втором она доходит до 2.7 м. Наименьшие величины нагонов отмечаются в районе впадения р. Урал – около 1.5 м. В Среднем Каспии высота нагонов не превышают 0.3 м. В Южном Каспии область с наибольшей рассчитанной высотой нагона до 0.9 м расположена на юго-востоке. Анализ сезонной изменчивости формирования нагонов в Северном Каспии проводился для нагонов высотой более 0.5 и 1 м. Наибольшее количество возникновений нагонов в обоих случаях приходится на зимний и весенний сезоны, чуть меньше на осенний. В летний сезон нагоны высотой более 1 м в Северном Каспии образуются очень редко. Весной нагоны у восточного берега формируются чаще, чем у западного, причем с увеличением высоты нагона эта тенденция усиливается. Осенью частота возникновения нагонов высотой больше 0.5 м примерно одинакова у обоих берегов. Количество нагонов более 0.5 метра в период с 1979 по 2017 год у западного берега Северного Каспия колеблется от 10 до 36 и от 12 до 41 у восточного, у северного берега до 26. Количество нагонов более 1 метра достигает 15 случаев в год. Наличие результатов моделирования колебаний уровня за длительный период (40 лет) позволяет проследить многолетнюю изменчивость образования нагонов в Северном Каспии. Анализ изменчивость количества нагонов высотой более 0.5 м по годам у о. Тюлений показал, что с 1979 по 2005 г. количество нагонов здесь уменьшается, а с 2005 по 2017 г. возрастает, причем с большей скоростью. На фоне этого выделяются отдельные годы, например, 1980, 1993, 1998, когда количество возникновений нагонов значительно больше, чем в другие годы. В среднем здесь наблюдается 7 нагонов высотой более 0.5 м суммарной продолжительностью до 30 суток в год. Для оценки риска затопления прибрежных районов были рассчитаны экстремальные значения уровня моря для разных периодов повторяемости: 5, 10, 25, 50 и 100 лет. Для их вычисления использовалось распределение Гумбеля, рассчитанное по годовым максимумам высоты нагона [Национальный стандарт Российской Федерации - ГОСТ Р 58112-2018]. Расчеты показали, что высота нагона, возможная один раз в 100 лет, у восточного побережья Северного Каспия равна 2.9 м, а у западного – 2.6 м. Проведен анализ синоптических ситуаций, приводящих к формированию больших штормовых нагонов у западного берега Северного Каспия. Для этого были выбраны все случаи, когда нагон превышал 1 м. Во всех случаях такие нагоны формируются при наличии севернее Каспийского моря сильного антициклона, а к западу от моря циклона. Нагоны. Азовское море Анализ результатов моделирования колебаний уровня в Азовском море за период с 1979 по 2010 гг. проводился, как по всему морю, так и в отдельных точках – Таганрог, Ейск, Приморско-Ахтарск, Темрюк, Мысовое, Арабатская Стрелка, Геническ, Бердянск. Анализ, как следовало и ожидать, показал, что значительные повышения уровня моря наблюдаются у восточного и западного побережий Азовского моря. В узком и неглубоком Таганрогском заливе величина нагона максимальна и достигает 2 м в районе Таганрога (рис. 4). Поскольку сгонно-нагонные колебания уровня Азовского моря имеют вид одноузловой сейши, узловая линия которой проходит примерно через центр моря, наименьшие колебания уровня наблюдаются вблизи этой линии. Опасными, с точки зрения наводнения прибрежных областей, являются восточный район Таганрогского залива (дельта Дона) (наибольшая рассчитанная высота нагона здесь достигает 2.3 м), прибрежная зона около Приморско-Ахтарска (высота нагона 1.8 м) и побережье косы Арабатская Стрелка (высота нагона 1.2 м). Значительные повышения уровня при нагонах происходят при скорости ветра более 10-15 м/с и продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток. При исследовании сезонной и многолетней изменчивости формирования нагонов брались в расчет только те повышения уровня, чьи значения превышали величину 0.5 м. Наибольшее количество таких нагонов за период с 1979 по 2010 гг. приурочено к Таганрогскому заливу – 485. Выделяются годы, для которых повторяемость нагонов по всему морю наиболее высокая: 1981, 1987, 1997, 1998. В южной части Азовского моря (Темрюк, Мысовое) отмечены годы, когда нагоны высотой более 0,5 м не образовывались. Сезонное распределение нагонов в Азовском море определяется, преимущественно, особенностями синоптической изменчивостью в разные периоды года в этом районе. В целом, наибольшее число штормовых ситуаций приходится на осенне-зимний период года, во время повышенной циклонической активности над акваторией моря. Минимумы количества штормовых нагонов в годовом ходе отмечаются в весенне-летнее время (2.5-3 раза меньше, чем в осенне-зимний период). Летом преимущественно в августе. Выявлено, что штормовые нагоны в западной части моря формируются при синоптических процессах I типа (по А.П. Черняковой). Синоптические процессы II и III типов приводят к нагонам в Таганрогском, Темрюкском заливах и Бейсугском лимане. Значительные нагоны при синоптических процессах IV типа не выявлены. Отметим, что при синоптических процессах I типа преобладаю ветры восточных и северо-восточных румбов со скоростями 10-15 м/с. Для II типа синоптических процессов характерны юго-западные ветры над всей акваторией моря, время действия которых не превышает сутки. При синоптических процессах III типа формируются глубокие циклоны с сильными западными ветрами со скоростями более 15-20 м/с. В основном, эти циклоны над Азовским морем отмечаются в осенне-зимний период. Многолетний тренд возникновения нагонов в Азовском море за весь исследуемый период не выделяется. Тем не менее, имеют место колебания с периодом около 8-10 лет. Для расчетов экстремальных высот нагонов в Азовском море применялся метод годовых максимумов, основанный на распределении Гумбеля. Расчеты показали, что высота нагона возможная раз в 100 лет, в Таганрогском заливе у устьевой области р. Дон достигает значений 2.8 м. В связи с тем, что устьевая область р. Дон часто подвергается нагонным наводнениям, было проведено несколько численных экспериментов для изучения особенностей формирования нагонов в этом районе. Для этого была построена специальная расчетная сетка Азовского моря, которая одновременно захватывала и всю устьевую область р. Дон. Размер элементов сетки в ней достигал 25 м в районе основных рукавов (протоков). Эксперименты проводились для трех направлений ветра – северо-западный, западный и юго-западный и скоростями 10, 15, 20 м/с, дующих непрерывно 3 сут. Время моделирования – 4 сут. Они показали, что при юго-западном и западном направлениях ветра при скорости 10 м/с высота нагона в устьевой области р. Дон у г. Азов достигает значений приблизительно 0.75 м, при скорости 15 м/с – около 2 м, при 20 м/с – почти 3.5 м. Высоты нагонов при северо-западном ветре значительно меньше. Время выхода уровня на стационарный режим увеличивается от 20 час при скорости 10 м/с, до 30 час при 20 м/с. Зависимость процента площади затопления устьевой области р. Дон от скорости и направления ветра приблизительно одинакова при юго-западном и западном ветре. Здесь при ветре в 10 м/с затапливается около 35% суши через сутки после начала действия ветра, при скоростях выше 15 м/с затоплению подвержено уже 70% изучаемой акватории через такое же время. Увеличение скорости ветра до 20 м/с приводит к затоплению 80% устьевой области через сутки после начала действия ветра. При северо-западном ветре при скоростях свыше 15 м/с затапливается от 40% площади, при 20 м/с площадь затопления увеличивается до 60%. Затопление почти не происходит при скорости ветра менее 15 м/с. Оценка качества прогностических расчетов параметров волнения (на основе реанализа и прогноза ветра) по доступным данным прямых и спутниковых измерений Оценка качества результатов прогностической версии волновой модели WaveWatchIII была произведена на основе спутниковых данных. В качестве полей ветра использовались данные прогнозов COSMO_RU07. Для оценки качества прогнозов ветра и волнения на использовались данные с альтиметра AltiKa за период с 1.04.2017 по 31.12.2017 г. Всего по данным спутниковых измерений было получено около 14000 значений высоты значительных волн и скорости ветра. Расстояние между парами сравниваемых точек из прогностической модели и спутника составило не более 8 км. После поиска пар из массива прогнозов и данных спутников выборка составила около 6500 значений для каждой заблаговременности. Так как спутник пролетает над Черным морем в основном в сроки 3 и 17 часов UTC, то оценки производились для этой заблаговременности, а также +24 и +48 часов: 3, 17, 27, 39, 51, 63 часов. Шаг выдачи модели составляет 3 часа. Для сопоставления с данными спутника из данных моделей выбирался ближайший по времени срок +/-1.5 часа. В результате за период с апреля 2017 по декабрь 2017 для каждого дня были получены данные о прогнозах высоты волн и скорости ветра с заблаговременностью до 72 часов. Выборка составляет около 700 пар значений в месяц для каждой заблаговременности прогноза, или около 6500 значений для одной заблаговременности для всего периода испытаний (с апреля по декабрь). Получены оценки качества прогнозов ветра для разной заблаговременности. Сравнение производилось с данными о скорости ветра интерполированной на вычислительную сетку волновых моделей. Сопоставление скорости ветра по данным COSMO с заблаговременностью 15 часов показал, что в целом данные прогнозов и спутника хорошо согласуются. Коэффициент корреляции составляет 0.82, а среднеквадратическая ошибка 1.8 м/с. Наибольшая плотность точек сосредоточена в диапазоне 3-4 м/с. Для заблаговременности 39 часов разброс значений становится больше, а коэффициент корреляции уменьшается до 0.79. Эти оценки получены отдельно для каждой заблаговременности прогноза для всего периода испытаний (с апреля по декабрь). Отметим, что коэффициент корреляции закономерно убывает от прогноза на первые сутки к третьим. Далее была проведена оценка качества прогнозов высоты значительных волн. Получены оценки качества прогнозов высоты волн для разной заблаговременности. Сравнение результатов прогностической модели производилось со спутниковыми данными по аналогии с оценкой прогнозов скорости ветра. Сравнение высот значительных волн с заблаговременностью 15 часов показало, что в целом данные прогнозов и спутника хорошо согласуются. Коэффициент корреляции составляет 0.92, а среднеквадратическая ошибка 0.28 м. В верхнем диапазоне высот волн (более 4 м) прогностические значения несколько завышают данные спутника, однако количество таких случаев мало, поэтому статистически систематическая ошибка все-таки отрицательная (-0.12 м), следовательно, модель занижает высоты волн. Для заблаговременности прогноза 39 часов диаграмма рассеяния похожа, однако разброс точек увеличивается, а коэффициент корреляции уменьшается до 0.85. Необходимо отметить, что коэффициент корреляции при оценке качества высоты волн выше, чем при оценках скорости ветра. Это связано с тем, что ветровые волны имеют меньшую пространственную изменчивость чем поле ветра, аккумулируя ветровую энергию с достаточно большой площади по пространству. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что общее количество ветровой энергии в метеорологических прогнозах получается близким к реальности, поэтому воспроизведение волн получается успешным. Проведено сравнение качества различных версий систем прогноза ветрового волнения в Черном море. Авторы протестировали прогнозы на основе моделей WAVEWATCH III и SWAN с использованием форсинга GFS и COSMO-RU07. Сравнительный анализ прогнозов и спутниковых измерений показывает, что статистические показатели качества моделей вполне удовлетворительны для современных волновых моделей (коэффициент корреляции ~ 0.8-0.9, RMSE ~ 0.3 м). Согласно RMSE и SI, лучший результат показывает версия WW3-GFS для почти прогнозируемых сроков выполнения заказа. Согласно коэффициенту корреляции R, для времени выполнения заказа 3–39 часов версия WW3-COSMO немного лучше других версий, но для времени выполнения заказа 51-63 часа WW3-GFS снова лучше. Явного улучшения качества прогноза волнения с прогнозом ветра высокого разрешения COSMO-RU07 не зарегистрировано. Низкое качество прогнозов ветра и волнения наблюдается в летние месяцы, когда были низкие скорости ветра и слабое ветровое волнение. Смещение не превышает 0.5 м в диапазоне высот значительных волн от 0 до 3 м. Однако для диапазона высот 3-4 м смещение резко увеличивается до -2 или -3 м. Но этот результат статистически незначим, потому что для высот волн более 3 м у нас всего ~ 5-10 случаев. Анализ двух самых сильных штормов с высотой значительных волн более 4 м показывает, что прогноз ветрового волнения может переоценивать или недооценивать высоту волны. Таким образом, статистические ряды для высоких волн содержат очень мало значений, и это создает большую проблему для оценки качества. Оперативная система прогноза ветрового волнения и штормовых нагонов для прибрежной зоны Черного, Азовского и Каспийского морей На основе волновой модели WaveWatchIII версии 6.07 была создана система для прогноза параметров волн и высот уровня в Черном, Азовском и Каспийском морях. В качестве прогностической информации о ветре использовались прогнозы GFS 0.25°. Данная система работает в автоматическом оперативном режиме. Каждый день на основе актуальных прогностических значений запускается модель на неструктурной сетке с подробным шагом по пространству в прибрежной зоне. Прогноз составляется на 3-е суток вперед. Визуализация карт производится при помощи скриптов Matlab для акватории моря или для некоторых частей в увеличенном масштабе. Далее карты публикуются в веб-атласе [Мысленков и др., 2020]. Веб-атлас базируется на классической трехзвенной (трехуровневой) архитектуре, включающей подсистему хранения данных (сервер баз данных), подсистему анализа и публикации данных (непосредственно ГИС-сервер) и подсистему веб-приложений, обеспечивающую пользовательский интерфейс для взаимодействия с данными и картографическими сервисами (веб-сервер).Визуализация прогнозов доступна на сайте http://carto.geogr.msu.ru/wavecast/ через интернет. В интерфейсе пользователь может выбрать дату, срок прогноза, море и при необходимости часть моря в увеличенном масштабе. Созданная система протестирована и готова к работе. Список литературы: Амбросимов А.К., Амбросимов С.А. Характеристики волнения в глубоководной части среднего Каспия, по данным наблюдений в различные сезоны 2005 г. с использованием волнографов-мареографов // Экологические системы и приборы. 2008. № 8. С. 45-50. Заславский М.М., Красицкий В.П. О пересчете данных волнографа с датчиком давления на спектр поверхностных волн // Океанология. 2001. Т. 41, № 2. С. 195–200. Медведева А.Ю., Мысленков С.А., Медведев И.П. и др. Моделирование ветрового волнения в Балтийском море на прямоугольной и неструктурной сетках на основе реанализа NCEP/CFSR // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. 2016. № 362. С. 37—54. Мысленков С.А., Столярова Е.В., Маркина М.Ю., Киселева С.В., Архипкин В.С., Горлов А.А., Умнов П.М. Cезонная и межгодовая изменчивость потока волновой энергии в Баренцевом море // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 19-21 (231-233). С. 36-48. Режим, диагноз и прогноз ветрового волнения в океанах и морях: науч.-метод. пособие / Федер. служба по гидромет. и мониторингу окр. среды (Росгидромет) ; под ред. Е. С. Нестерова. - М. : Исслед. группа "Социальные науки". 2013. 295 С. http://www.osi-saf.org Saha S. et al. The NCEP climate forecast system reanalysis // Bulletin of the American Meteorological Society. 2010. Vol. 91. № 8. P. 1015—1057. Saha S. et al. The NCEP Climate Forecast System Version 2 // J. Climate. 2014. Vol. 27. P. 2185—2208. DOI: 10.1175/JCLI-D-12-00823.1. The WAVEWATCH III R Development Group (WW3DG), 2016: User manual and system documentation of WAVEWATCH III R version 5.16. Tech. Note 329, NOAA/NWS/NCEP/MMAB, College Park, MD, USA, 326 pp. Tolman H. L., 2014: User manual and system documentation of WAVEWATCH-III Version 4.18. NOAA/NWS/NCEP/MMAB Technical note, 282 p. Van Vledder, G.Ph., and Adem Akpinar Wave model predictions in the Black Sea: Sensitivity to wind fields // Applied Ocean Research. 2015. Vol. 53. P. 161—178.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".