Исследование штормовых ветров над озером Байкал с использованием негидростатической численной модели WRF (Weather Research and Forecasting)

Следует обратить внимание, что при расчетах на многоядерных процессорах необходимо использование программы WRF, компилированной для многоядерных систем. Если не использовать библиотеку Open MultiProcessing, то даже самый мощный и дорогой из представленных процессоров (I7 3960x) реализует расчеты за 1 ч 40 мин.

Результаты численного моделирования штормовых ветров

В трудах Н.В. Савиновой [1; 2] приводится подробное описание и анализ наиболее сильных штормов на Байкале, наблюдавшихся в периоды: 11-12/X 1959 г., 4/XI 1959 г., 7-8/X 1965 г., 6/VIII 1967 г. и 28-29/IX 1969 г. Для моделирования были взяты именно эти периоды. Каждый из указанных случаев максимальных штормов соответствует определенному типу ветра по классификации Н. В. Савиновой: юго-восточный, северо-западный, юго-западный, северо-западный/юго-западный, северо-восточный. Для всех выбранных случаев приведены карты модуля скорости и направления ветра. При составлении этих карт использовались наблюдения над ветром и атмосферным давлением на прибрежных, островных и судовых станциях Байкала [1]. Моделирование проводилось с учетом того, что в [1] поля ветра соответствуют моменту наибольшего развития шторма и указывается местное время, тогда как результат моделирования выдается для времени по Гринвичу.

Расчеты проводились для области моделирования 51,2-55,8° с. ш., 103,5-109,5° в. д. При этом использовалась горизонтальная сетка размером 85x101 точек с разрешением 5x5 км. В расчетах применялись 18 вертикальных о-уровней от поверхности земли до изобарической поверхности 500 гПа. Предварительные численные эксперименты показали, что горизонтальное разрешение в 5 км наиболее оптимально для этой задачи. Использование меньшего разрешения (большего шага сетки) приводит к недостаточной детализации полей ветра. С другой стороны, увеличение разрешения (уменьшение шага сетки) не улучшает в значительной степени детализацию полей ветра, в то же время это приводит к значительным временным затратам, необходимым на проведение расчетов.

Шторм 11-12/Х 1959 г. (рис. 1, А) юго-восточного направления охватил только южную половину озера. Основной очаг шторма локализовался в районе станции Бабушкин, где скорости юго-восточного ветра достигли 17 м/с. Штормы, аналогичные описанному, повторяются приблизительно один раз в 4 года [1].

Шторм 4/Х1 1959 г. (рис. 1, Б) - один из жестоких штормов по модулю скорости северо-западного направления. Прохождение тыловой части циклона, смещавшегося из районов Западной Сибири, и вторичных холодных фронтов сопровождалось мощным затоком холода [1]. Вследствие этого над большей частью озера возникли сильные северо-западные ветры. Максимальные модули скорости ветра локализовались в районах станций Сарма (28 м/с), Большая Бугульдейка (27 м/с) и Большое Голоустное (26 м/с). Наиболее спокойными оказались районы крайнего севера и юга озера, а также акватории, находящиеся под частичной защитой о-ва Ольхон и п-ва Святой Нос.

Шторм 7-8/Х 1965 г. (рис. 1, В) юго-западного направления локализовался главным образом в северной части Байкала в районах станций Байкальское (22 м/с) и Нижнеангарск (20 м/с). Штормы, подобные описанному, могут наблюдаться ежегодно, а появление более жестоких, с усилением ветра до 20 м/с, вероятно один раз в 5 лет [1].

Шторм 6/УШ 1967 г. (рис. 1, Г) - исключительный по силе и территориальному распространению. Он характеризуется одновременным действием ветров северо-западного и юго-западного направлений. Возникновение этого типа шторма связано с интенсивным вторжением арктических воздушных масс и выносом тепла в Забайкалье из районов Монголии. Вероятность такого шторма один раз в 25 лет [1].

Шторм 28-29/1Х 1969 г. (рис. 1, Д) относится к крайне редким штормам северо-восточного направления. Ядро максимальных модулей скорости ветра северо-восточного направления располагалось в районе станций Сухая (14 м/с) и Турка (14 м/с).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Результаты численного моделирования штормовых ветров

Подготовка результатов моделирования для сравнения с картами Атласа волнения и ветра на озере Байкал

Результатом работы программного комплекса WRF является бинарный файл формата NetCDF, содержащий в себе 190 различных метеорологических параметров в виде таблиц, где сверху указан номер долготы, а слева - номер широты всех точек области моделирования. На пересечении номеров широты и долготы записывается значение параметров. Такая организация данных называется сводной таблицей. Значение долготы и широты хранится отдельно в целях экономии дискового пространства компьютера. Подробнее с форматом NetCDF можно ознакомиться на сайте правообладателя - компании Unidata (www.unidata.ucar.edu).

Существует множество программ, работающих непосредственно с файлами NetCDF. В нашем исследовании мы использовали свободно распространяемый макрос для Microsoft Excel от французского программиста Александра Брюхса. Его название «NetCDF4Excel». Данный макрос можно скачать по адресу https://code.google.eom/p/netcdf4excel.

Для удобства после распаковки файла NetCDF в Excel из сводных таблиц были созданы списки. Методика этой операции описана в источнике [7].

Далее были выбраны точки области моделирования, входящие в акваторию оз. Байкал. Общее количество этих точек - 1375.

Для того чтобы произвести выборку параметров по интересующим точкам, были использованы функции Excel «Индекс» и «Поиск позиции». Подробно с этими функциями можно ознакомиться в источниках [8; 9].

Заключительным этапом подготовки является перевод компонентов поля ветра из декартовой системы координат в полярную. Длина вектора р, численно равная модулю скорости ветра, и направление вектора ф определяются соотношениями:

(1)

где и и v - компоненты вектора скорости по оси абсцисс и ординат в декартовой системе координат.

Чтобы количественно сравнить информацию по полям ветра для случаев жестоких штормов из Атласа волнения и ветра на озере Байкал [1] с результатами моделирования, необходимо было вручную выписать все данные по скорости и направлению ветра в 1 375 точках пяти карт Атласа так, чтобы координаты этих точек совпадали с используемыми в модели. Для этого в программе Photoshop [3] полупрозрачные отсканированные изображения карт из Атласа накладывались на карту Байкала, построенную в Arc- View [4]. Затем соответствующие значения записывались в Excel.

С помощью программы ArcView [4] построены карты абсолютных отклонений направления ветра (рис. 2) и модуля скорости ветра (рис. 3) для случаев жестоких штормов 11-12/X 1959 г. (А), 4/XI 1959 г. (Б), 7-8/X 1965 г. (В), 6/VIII 1967 г. (Г) и 28-29/IX 1969 г. (Д). Условными знаками обозначено следующее: 1 - направление ветра [1], 2 - величина (модуль) скорости (м/с) [1], 3 - вектор скорости в пункте наблюдения [1], 4 - шкала отклонений.

Рис. 2. Абсолютные отклонения направления ветра

Рис. 3. Абсолютные отклонения модуля скорости ветра

Выводы

Список литературы

1. Савинова Н.В. Атлас волнения и ветра озера Байкал / Н.В. Савинова [и др.] - Л. : Гидрометеоиздат, 1977. - 117 с.

2. Савинова Н.В. Структура полей ветра на озере Байкал : дис. ... канд. геогр. наук / Н. В. Савинова. - Иркутск, 1975. - 227 с.

3. Маргулис Д. Photoshop для профессионалов / Дэн Маргулис. - М. : Интел- бук, 2013. - 656 с.

4. Amir H Razavi. ArcView GIS Developer's Guide / Amir H Razavi. - Esri, 2008. - 149 p.

5. A description of the Advanced Research WRF Version 3 / W. C. Skamarock [et al.] // NCAR Technical Note. - 2008. - 113 p.

6. User's Guide for the Advanced Research WRF Version 3.5 [Электронный ресурс]. - URL: http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/supports/tutorial.html.

7. Создание списка из сводной таблицы [Электронный ресурс]. - URL: http:// exceltip.ru/создание-списка-из-сводной-таблицы/.

8. Обзор функции«Индекс»[Электронныйресурс]. -URL:

http://office.microsoft.com/ru-ru/excel-help/HP010069831.aspx.

9. Обзор функции «Поиск позиции» [Электронный ресурс]. - URL: http://office. microsoft.com/ru-ru/excel-help/HP010062414.aspx.

Размещено на Allbest.ru