Модернизированная система оперативного прогноза морского волнения Черноморского центра морских прогнозов

Ю.Б. Ратнер✉, В.В. Фомин, А.Л. Холод, А.М. Иванчик

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: yubrat@gmail.com

Аннотация

Цель. Цель работы – модернизация системы прогноза морского волнения Черноморского центра морских прогнозов посредством включения блока прогноза ветрового волнения в Севастопольском регионе и улучшения точности прогнозов волнения с помощью предложенной процедуры настройки модели SWAN.

Методы и результаты. В модернизированной прогностической системе на основе метода вложенных сеток реализована возможность выполнения совместных оперативных прогнозов морского волнения с пространственным разрешением 5 км для акватории Черного моря и 1 км – для Севастопольского региона. Для улучшения точности прогнозов волнения предложена процедура настройки модели SWAN. Процедура основана на изменении параметризации коэффициента поверхностного трения Cd(V), где V – скорость приземного ветра, что позволяет уменьшить отклонения высот волн, полученных в результате прогностических расчетов, от полученных по спутниковым альтиметрическим измерениям. Для оценки эффективности предложенной процедуры сопоставлены результаты прогностических расчетов с данными дистанционных измерений. Показано, что при прогнозах с оптимальным выбором функциональной зависимости Cd(V) индекс рассеяния между расчетными и измеренными величинами может быть уменьшен на 20 %.

Выводы. Представлена модернизированная система Черноморского центра морских прогнозов, предназначенная для выполнения совместных оперативных прогнозов морского волнения в акватории Черного моря и Севастопольского региона. На основе результатов валидации модели показано, что предложенная процедура настройки модели SWAN позволяет уменьшить отклонения рассчитанных высот волн от измеренных с помощью датчиков, установленных на альтиметрических спутниках.

Ключевые слова

Черное море, SWAN, автоматическая система, прогноз волнения, настройка модели, параметры модели, коэффициент поверхностного трения, спутниковые измерения, альтиметрические измерения, высота волн, валидация, визуализация, сервер

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 18‑45‑920059 р_а и в рамках государственного задания Морского гидрофизического института РАН по теме № 0555-2021-0003 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений».

Для цитирования

Модернизированная система оперативного прогноза морского волнения Черноморского центра морских прогнозов / Ю. Б. Ратнер [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 5. С. 623-640. EDN ZHGTLY. doi:10.22449/0233-7584-2021-5-623-640

Ratner, Yu.B., Fomin, V.V., Kholod, A.L. and Ivanchik, A.M., 2021. Updated System for the Sea Wave Operational Forecast of the Black Sea Marine Forecasting Center. Physical Oceanography, 28(5), pp. 579-595. doi:10.22449/1573-160X-2021-5-579-595

DOI

10.22449/0233-7584-2021-5-623-640

Список литературы

  1. The WAM model – a third generation ocean wave prediction model / the WAMDI group // Journal of Physical Oceanography. 1988. Vol. 18, iss. 12. P. 1775–1810. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1988)0181775:TWMTGO2.0.CO;2
  2. Tolman H. L. A third-generation model for wind waves on slowly varying, unsteady, and inhomogeneous depths and currents // Journal of Physical Oceanography. 1991. Vol. 21, iss. 6. P. 782−797. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1991)0210782:ATGMFW2.0.CO;2
  3. SWAN Cycle III version 42.10 : Scientific and Technical Documentation. Delft, Netherlands : Delft University of Technology, 2016. 132 p.
  4. Valchev N. N., Trifonova E. V., Andreeva N. K. Past and recent trends in the western Black Sea storminess // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2012. Vol. 12, iss. 4. P. 961–977. https://doi.org/10.5194/nhess-12-961-2012
  5. Математическое моделирование ветрового волнения в Севастопольской бухте / Д. В. Алексеев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 1. С. 75–84.
  6. Wind waves in the Black Sea: results of a hindcast study / V. S. Arkhipkin [et al.] // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014. Vol. 14, iss. 11. P. 2883–2897. https://doi.org/10.5194/nhess-14-2883-2014
  7. Rusu L., Bernardino M., Guedes Soares C. Wind and wave modelling in the Black Sea // Journal of Operational Oceanography. 2014. Vol. 7, iss. 1. P. 5−20. https://doi.org/10.1080/1755876X.2014.11020149
  8. Van Vledder G. Ph., Akpınar A. Wave model predictions in the Black Sea: Sensitivity to wind fields // Applied Ocean Research. 2015. Vol. 53. P. 161–178. https://doi.org/10.1016/j.apor.2015.08.006
  9. Мысленков С. А., Шестакова А. А., Торопов П. А. Численное моделирование штормового волнения у северо-восточного побережья Черного моря // Метеорология и гидрология. 2016. № 10. C. 61–71.
  10. Дивинский Б. В., Косьян Р. Д. Волновой климат прибрежной зоны Крымского полуострова // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 2. С. 101–110. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-101-110
  11. Система оперативного прогноза ветрового волнения Черноморского центра морских прогнозов / Ю. Б. Ратнер [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 5. P. 56–66. doi:10.22449/0233-7584-2017-5-56-66
  12. Оперативная система диагноза и прогноза гидрофизических характеристик Черного моря / Г. К. Коротаев [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 5. С. 609−617. doi:10.7868/S0002351516050072
  13. Grant W. D., Madsen O. S. Combined wave and current interaction with a rough bottom // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1979. Vol. 84, iss. C4. P. 1797–1808. https://doi.org/10.1029/JC084iC04p01797
  14. The weather forecasting system for Poseidon – An overview / A. Papadopoulos [et al.] // Journal of Atmospheric & Ocean Science. 2002. Vol. 8, iss. 2–3. P. 219–237. https://doi.org/10.1080/1023673029000003543
  15. Иванчик А. М. Управление функционированием автоматизированных систем морского прогноза // Современные проблемы гуманитарных и естественных наук : материалы XX международной научно-практической конференции, 2–3 октября 2014 г. М. : Научно-информационный издательский центр «Институт стратегических исследований», 2014. С. 56–61.
  16. Myslenkov S., Chernyshova A. Comparing wave heights simulated in the Black Sea by the SWAN model with satellite data and direct wave measurements // Russian Journal of Earth Sciences. 2016. Vol. 16. ES5002. doi:10.2205/2016es000579
  17. Akpinar A., Ponce de León S. An assessment of the wind re-analyses in the modelling of an extreme sea state in the Black Sea // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2016. Vol. 73. P. 61–75. https://doi.org/10.1016/j.dynatmoce.2015.12.002
  18. Wróbel-Niedźwiecka I., Drozdowska V., Piskozub J. Effect of drag coefficient formula choice on wind stress climatology in the North Atlantic and the European Arctic // Oceanologia. 2019. Vol. 61, iss. 3. P. 291–299. doi:10.1016/j.oceano.2019.02.002
  19. Sterl A. Drag at high wind velocities – a review : final version / Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut. De Bilt : KNMI, 2017. 33 p. (Technical report ; TR-361). URL: http://publicaties.minienm.nl/documenten/drag-at-high-wind-velocities-a-review (date of access: 16.08.2021).
  20. Huang C. H. Modification of the Charnock wind stress formula to include the effects of free convection and swell // Advanced methods for practical applications in Fluid Mechanics / Steven Jones (Ed.). Rijeka : InTech, 2012. P. 47–70. doi:10.5772/27003
  21. Andreas E. L., Mahrt L., Vickers D. A new drag relation for aerodynamically rough flow over the ocean // Journal of the Atmospheric Sciences. 2012. Vol. 69, iss. 8. P. 2520–2537. https://doi.org/10.1175/JAS-D-11-0312.1
  22. On the exchange of momentum over the open ocean / J. B. Edson [et al.] // Journal of Physical Oceanography. Vol. 43, iss. 8. P. 1589–1610. https://doi.org/10.1175/JPO-D-12-0173.1
  23. Large W. G., Yeager S. Diurnal to decadal global forcing for ocean and sea-ice models: The data sets and flux climatologies. Boulder, USA : National Center for Atmospheric Research, 2004. 112 p. (NCAR TECHNICAL NOTE ; NCAR/TN-460+STR). doi:10.5065/D6KK98Q6
  24. Wave modelling in coastal and inner seas / L. Cavaleri [et al.] // Progress in Oceanography. 2018. Vol. 167. P. 164–233. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.03.010
  25. Экспериментальное исследование коэффициента сопротивления морской поверхности при сильных ветрах / И. А. Репина [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 1. P. 53–63. doi:10.22449/0233-7584-2015-1-53-63
  26. Система прогнозирования ветрового волнения в Мировом океане и морях России / А. А. Зеленько [и др.] // Труды Государственного океанографического института. М., 2014. Вып. 215 : Исследования океанов и морей. С. 90–101.
  27. Dimitrova M., Kortcheva A., Galabov V. Validation of the operational wave model WAVEWATCH III against altimetry data from JASON-2 satellite // Bulgarian Journal of Meteorology and Hydrology. 2013. Vol. 18, iss. 1–2. P. 4−17.
  28. Система прогнозирования характеристик ветрового волнения и результаты ее испытаний для акваторий Азовского, Черного и Каспийского морей / Б. С. Струков [и др.] // Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей и методов гидрометеорологических прогнозов : Информационный сборник / под редакцией канд. геогр. наук А. А. Алексеевой. М. ; Обнинск : ИГ–СОЦИН, 2013. № 40. С. 64–79. URL: http://method.meteorf.ru/publ/sb/sb40/sb40.pdf (дата обращения: 20.09.2021).
  29. Столярова Е. В., Мысленков С. А. Прогноз ветрового волнения высокого пространственного разрешения в Керченском проливе // Труды гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. М. : ТРИАДА ЛТД, 2015. Вып. 354. C. 24–35. URL: http://method.meteorf.ru/publ/tr/tr354/tr354.pdf (дата обращения: 13.08.2021).
  30. Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea / A. Akpınar [et al.] // Continental Shelf Research. 2012. Vol. 50–51. P. 80–99. https://doi.org/10.1016/j.csr.2012.09.012
  31. Setup and evaluation of a SWAN wind wave model for the Sea of Marmara / V. Kutupoğlu [et al.] // Ocean Engineering. 2018. Vol. 165. P. 450–464. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.07.053
  32. Rusu E. Wave energy assessments in the Black Sea // Journal of Marine Science and Technology. 2009. Vol. 14, iss. 3. P. 359–372. https://doi.org/10.1007/s00773-009-0053-6

Скачать статью в PDF-формате