О влиянии локального ветрового воздействия на высоту волн в Цемесской бухте Черного моря

Размещено на http://www.allbest.ru/

О влиянии локального ветрового воздействия на высоту волн в Цемесской бухте Черного моря

Мысленков С.А.

ORCID: 0000-0002-7700-4398, старший научный сотрудник, МГУ имени М.В.Ломоносова, г. Москва

Аннотация

волнение море метеорологический ветер

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-08-00829

Представлены результаты численных экспериментов по моделированию волнения в Цемесской бухте Черного моря. Использована модель SWAN на неструктурной вычислительной сетке и ветер из реанализа NCEP/CFSR. В одном из экспериментов поле ветра в районе Цемесской бухты обнулялось, чтобы оценить вклад локального ветрового воздействия на формирование режима волнения. Анализ результатов показал, что при высоте волн более 2 м вклад локального ветра для Цемесской бухты составляет 25-40%. Полученные результаты можно использовать для оценки возможных улучшений в прогнозе волнения при использовании полей ветра из мезомасштабных метеорологических моделей.

Ключевые слова: Черное море, Цемесская бухта, ветровое волнение, моделирование волнения, SWAN, высота волн.

Abstract

Myslenkov S.A.

ORCID: 0000-0002-7700-4398, Seniour Research Scientist, Lomonosov Moscow State University, Moscow

The work was supported by a grant from the Russian Foundation for Basic Research No. 16-08-00829

On effect of local wind influence on wave height in tsemes bay of the black sea

The results of numerous wave simulation experiments in Tsemes bay of the Black Sea are presented in the article. The SWAN model on a non-structural computational grid and the wind from NCEP/CFSR re-analysis was used. In one of the experiments, the wind field in the Tsemes bay area was reset to estimate the contribution of the local wind influence on the formation of the wave climate. The analysis of the results showed that the contribution of the local wind for the Tsemes bay is 25-40% on the wave height of more than 2 m. The obtained results can be used to estimate possible improvements in the wave forecast when using wind fields from meso-scale meteorological models.

Keywords: the Black Sea, Tsemes bay, wind wave, wave simulation, SWAN, wave height.

В Цемесской бухте расположен крупнейший российский порт Новороссийск, поэтому изучение ветрового волнения в этой акватории является важной и актуальной задачей, которой уже посвящен ряд научных исследований [1], [2], [3].

На сегодняшний день основным инструментом для прогноза ветрового волнения являются численные модели, позволяющие рассчитывать направленный спектр волнения, с учетом ветровых условий, глубины и конфигурации береговой линии [4], [5]. Описание результатов использования современных моделей для воспроизведения параметров волнения в Черном море, а также оценки качества моделирования приведены в работах [6], [7], [8], [9], [10]. Наиболее удачные конфигурации позволяют моделировать волнение со среднеквадратической ошибкой (СКО) ~ 0,4 м и коэффициентом корреляции (R) ~ 0,8 [5], [7]. В работах [6], [7] приведены ошибки моделирования волнения в Цемесской бухте: СКО=0,26 м, R=0,83.

Современные волновые модели учитывают все основные причины роста и диссипации волн, однако это не приводит к абсолютной точности расчетов, так как поле ветра, генерирующее волны, имеет погрешности, оценки которых представлены в работах [5], [11]. С другой стороны, использование мезомасштабных метеорологических моделей (WRF и COSMO-RU) позволяет улучшить качество поля ветра над заданной акваторией [6], [11]. Однако, мезомасштабные модели требуют больших вычислительных ресурсов. Для моделирования с высоким пространственным разрешением (1-2 км) обычно выбирается небольшая область (порядка 100х100 км) на вложенной сетке. Весьма сложной задачей является выбор размера этой области.

В формировании поля волн в Цемесской бухте участвуют как волны зыби, приходящие издалека, так и волны, сгенерированные ветром непосредственно в бухте. Следовательно, на качество воспроизведения волн в Цемесской бухте будут влиять как ошибки в поле локального ветра в бухте, так и ошибки в поле ветра над всем Черным морем.

В данной работе на основе спектральной волновой модели сделана попытка оценить вклад локального ветрового воздействия в интегральную высоту волн в Цемесской бухте.

Описание модели и численных экспериментов. Для моделирования ветрового волнения использовалась спектральная волновая модель SWAN [12] на неструктурной сетке с шагом по пространству 10 км в открытом море и около 200 м в Цемесской бухте (рис. 1). В качестве входных данных о ветре использовались данные реанализа NCEP/CFSR с шагом по пространству ~0.3°, шаг по времени 1 час [13]. Из выходных данных модели в работе использованы: высота значительных волн (13% обеспеченности), средний период, средняя длина волны, высота зыби.

Подробно технология расчета параметров волнения изложена в работах [2], [6], [14]. На основе этой модели создана система прогноза волнения высокого разрешения для Цемесской бухты, Керченского пролива и района Сочи [3], [14].

Волновая модель SWAN основана на уравнении баланса волновой энергии, в правой части которого находится функция источника, описывающая приток и отток энергии [12]:

(1)

-- где S_in -- рост волны, вызванный ветром, S_nl3 и S_nl4 -- перераспределение энергии за счет трех и четырехкомпонентного нелинейного взаимодействия волн, S_ds,w -- диссипация энергии за счет обрушений, S_ds,b -- диссипация через трение о дно, S_ds,br -- диссипация за счет обрушения волн в береговой зоне, S_tot -- итоговый баланс энергии. Все компоненты баланса рассчитываются для каждого узла вычислительной сетки. В первом эксперименте на всех узлах для области 60х60 км в районе Новороссийска (рис. 1) компонент S_in задавался равным нулю на каждом шаге вычислений. На остальной акватории Черного моря S_in рассчитывался на основе полей ветра из реанализа. Таким образом, удалось исключить влияние локального ветра на формирование волн в Цемесской бухте, и волны приходили только из-за границ выделенного района. Во втором эксперименте расчеты производились по стандартной методике без ограничения ветрового воздействия. Подобная методика использована в работе [15] для оценки высоты зыби, приходящей из Северной Атлантики в Белое море.

Результаты. При помощи волновой модели были получены данные о высоте значительных волн по каждому эксперименту для выбранной точки в Цемесской бухте (рис. 1) с 01.01.2010 по 31.12.2012 с шагом по времени 3 часа.

Рис. 1 - Расчетная неструктурная сетка для Черного моря

На рис. 2 представлена высота значительных волн в Цемесской бухте по результатам экспериментов 1 и 2 за 2010 год. Высота волн в летнее время обычно менее 1 м, а осенью и зимой наблюдается несколько событий с высотой волн более 2-3 м. Сравнение высоты волн по результатам эксперимента 1 (с обнулением ветра в области) и эксперимента 2 уже позволяет судить о вкладе локального ветра в общую высоту волн (рис. 2). Высота волн в эксперименте 2 выше приблизительно в два раза на протяжении всего года. Однако, изредка встречаются ситуации, когда величина высоты волн приблизительно одинакова по результатам обоих экспериментов, что говорит о периодическом отсутствии вклада локального ветра в формирование волн в Цемесской бухте.

Рис. 2 - Высота волн (м) по результатам экспериментов 1 и 2

Если посчитать среднюю высоту значительных волн эксперимента 1 за весь период моделирования (2010-2012 годы) и разделить на соответствующее среднее из эксперимента 2, то получим, что вклад волн, приходящих извне составляет 73%. Соответственно, вклад локального ветра - это оставшиеся 27%. Однако, правильнее анализировать распределение вклада локального ветра в высоту волн в зависимости от абсолютных значений высоты волн, полученной из эксперимента 2 (рис. 3). При увеличении высоты волн вклад локального ветра увеличивается от 17 до 40 %. Отмечается также небольшой максимум 35%, при высоте волн менее 0,5 м. На первый взгляд, результаты из рис. 3 не согласуются с оценками, полученными при осреднении высоты волн по всему ряду эксперимента 1 и 2. Это несоответствие связано с функцией распределения высоты волн в Черном море [7], согласно которой в 70% случаев высота волн составляет менее 1 м, следовательно, и их вклад в средние оценки более весомый.

Рис. 3 - Распределение вклада локального ветра (%) по абсолютным высотам волн

Рассмотрим другие параметры волн на примере шторма 01.04.2012, когда общая высота значительных волн была более 4 м на подходе к Цемесской бухте (рис. 4). Высота волн по данным эксперимента 1 меньше чем в эксперименте 2, однако видно, что в открытом море различия менее существенны, где диссипативные составляющие баланса имеют меньшее влияние. Средний период и длина волны наоборот в эксперименте 1 больше, так как из-за отсутствия локального ветра в спектре преобладают более низкие частоты. Судя по высоте волн, диссипация в первом эксперименте идет более интенсивно, и в самой бухте высота волны в 2 раза меньше, чем в открытом море. Это связано с выходом более длинных волн на мелководье, и как следствие, их более интенсивное разрушение. Во втором эксперименте более короткие волны формируются непосредственно в бухте и меньше подвержены диссипации в мелководной части бухты.

Рис. 4 - Высота, период и длина волны в Цемесской бухте 01.04.2012

Далее для каждой точки вычислительной сетки в пределах исследуемой области рассчитан вклад локального ветрового воздействия в высоту волн, чтобы оценить пространственную неоднородность этого параметра. Расчеты проводились для волн более 2 м за 2010 год. В открытом море и на входе в бухту вклад локального ветра не превышает 20% (рис. 5), так как диссипация на глубокой воде идет медленно, и волны, приходящие от границы области обнуления (около 40 км от входа в бухту) трансформируются незначительно. В северной части бухты влияние локального ветра усиливается до 40%, что связано уже со значительной диссипацией волн, приходящих из-за границ области. Таким образом, вклад локального ветра для Цемесской бухты составляет 25-40%.

Рис. 5 - Вклад локального ветра (%) в высоту волн в Цемесской бухте

При более подробном анализе результатов моделирования экспериментов 1 и 2, выяснилось, что наступление пиковых высот волн в эксперименте 1 в ряде случаев запаздывает по фазе относительно эксперимента 2. То есть шторм по данным эксперимента 2 уже затухает, а по данным эксперимента 1 наблюдаются максимальные высоты волн. В результате получается, что при отсутствии локального ветра высота волны может быть выше. Данный факт несколько затрудняет анализ, и в будущем планируется применять анализ экстремумов конкретных штормов со смещением фазы. Также необходимо провести обратный эксперимент, где ветер будет действовать только в Цемесской бухте, так как теоретически результат может немного отличаться.

Заключение

Проведено два эксперимента по моделированию параметров волнения в Цемесской бухте. В первом эксперименте локальное ветровое воздействие в районе Цемесской бухты обнулялось, а во втором эксперименте моделирование выполнялось по стандартной методике.

Анализ результатов показал, что для Цемесской бухты, при высоте волн более 2 м, вклад локального ветра составляет 25-40%. Полученный результат позволяет утверждать, что вклад локального ветра не является определяющим для формирования волн в Цемесской бухте для большинства случаев в период с 2010 по 2012 год. Следовательно, если для района Цемесской бухты будет использоваться мезомасштабная метеорологическая модель, позволяющая с высокой точностью воспроизводить поле ветра, то максимально возможное улучшение качества моделирования ветровых волн составит не более 30-40%.

Представленный метод является новым для исследования региональных особенностей формирования ветрового волнения и может быть использован для других акваторий.

Список литературы / References

1. Кабатченко И.М. Моделирование морского ветрового волнения, методы и аспекты прикладного применения / И.М. Кабатченко, М.В. Резников // Труды ГОИН. - 2011. - Т. 213. - C. 205-215.

2. Мысленков С.А., Анализ ветрового волнения в Цемесской бухте Черного моря с использованием модели SWAN/ С.А. Мысленков, В.С. Архипкин // Труды Гидрометцентра России. - 2013. - №350. - C. 58-67.

3. Мысленков С.А. Система регионального прогноза ветрового волнения в Цемесской бухте Черного моря / С.А. Мысленков, В.С. Архипкин // Труды ГОИН. - 2014. - Т. 215. - C. 117-125.

4. Rusu E. Strategies in using numerical wave models in ocean/coastal applications / E. Rusu // Journal of Marine Science and Technology. - 2011. - Vol. 19. - P. 58-75.

5. Van Vledder G.Ph. Wave model predictions in the Black Sea: Sensitivity to wind fields / G.Ph. Van Vledder, A. Akpinar // Applied Ocean Research. - 2015. - №53. - P. 161-178.

6. Мысленков С.А. Численное моделирование штормового волнения у северо-восточного побережья Черного моря / С.А. Мысленков, А.А. Шестакова, П.А. Торопов // Метеорология и гидрология. - 2016. - № 10. - С. 61-71.

7. Myslenkov S., Chernyshova A. Comparing wave heights simulated in the Black sea by the SWAN model with satellite data and direct wave measurements / S. Myslenkov, A. Chernyshova // Russian Journal of Earth Sciences. - 2016. - Т. 16. - № 5. - С. 1-12.

8. Зеленько А.А. Система прогнозирования ветрового волнения в Мировом океане и морях России / А.А. Зеленько, Б.С. Струков, Ю.Д. Реснянский и др. // Труды ГОИН. - 2014. - Т. 215. - С. 90-101.

9. Шокуров М.В. Ветровые волны в прибрежной зоне Южного берега Крыма - оценка качества моделирования на основе морских натурных измерений / М.В. Шокуров, В.А. Дулов, Е.В. Скиба и др. // Океанология. - 2016. - Т. 56. - № 2. - С. 230-241.

10. Дивинский Б.В. Тенденции в динамике волнового климата открытой части Черного моря за период с 1990 по 2014 гг / Б.В. Дивинский, Р.Д. Косьян // Океанология. - 2015. - Т. 55. - № 6. - С. 928-934.

11. Торопов П.А. Тестирование мезомасштабной модели (WRF) для задачи прогноза Новороссийской боры / П.А. Торопов, А.А. Шестакова // Вестник МГУ. Серия 5: География. - 2014. - № 3. - С. 23-29.

12. Booij N. A third-generation wave model for coastal regions. Part I: Model description and validation / N. Booij, R.C. Ris, L.H. Holthuijsen // Journal of Geophysical Research. - 1999. - № 104. - P. 7649-7666.

13. Saha S. The NCEP Climate Forecast System Reanalysis / S. Saha, S. Moorthi, X. Wu et al. // Bull. Amer. Meteor. Soc. - 2010. - № 91(8). - P. 1015-1057.

14. Столярова Е.В. Прогноз ветрового волнения высокого пространственного разрешения в Керченском проливе / Е.В. Столярова, С.А. Мысленков // Труды Гидрометцентра России. - 2015. - № 354. - С. 24-35.

15. Мысленков С.А. Оценка высоты волн зыби в Баренцевом и Белом морях / С.А. Мысленков, В.С. Архипкин, К.П. Колтерманн // Вестник МГУ. Серия 5: География. - 2015. - № 5. - С. 59-66.

Размещено на Allbest.ru