Приводятся результаты работы технологии расчетов и прогнозов ветрового волнения ААНИИ в арктических морях в период Международного полярного года (2007–2008). Технология основывается на новой версии авторской (модифицированной) спектрально-параметрической модели ветрового волнения. Проведен анализ результатов расчетов и прогнозов ветрового волнения в арктических морях России с ежедневным усвоением спутниковых многоканальных микроволновых данных (SSM/I и AMSR) по сплоченности морского льда.
Исследование режима ветрового волнения в арктических морях представляет собой достаточно сложную научную проблему, решение которой имеет важное практическое значение для освоения природных ресурсов арктических морей России. Ввиду отсутствия продолжительных репрезентативных наблюдений за волнением на акваториях арктических морей, альтернативы модельным расчетам для получения режимных оценок волнения не существует. Это подтверждают и вышедшие в последнее время справочные пособия по ветровому волнению, изданные Российским морским регистром судоходства в 2003–2009 годах (Справочные данные по режиму ветра и волнения…, 2003, 2006, 2009) для различных морей России, а также глобальный 45-летний реанализ Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) в части, касающейся режима ветрового волнения (http://www.knmi.nl/onderzk/oceano/waves/era40).
Анализ ветро-волновых условий в арктических морях России в период МПГ (2007–2008 г.г.) выполнен на основе модельных расчетов ветрового волнения. Принятая в ААНИИ технология расчетов и прогнозов ветрового волнения основывается на авторской спектрально-параметрической модели (СПМ), разработанной в ЛО ГОИН и модифицированной в ААНИИ. Модель постоянно совершенствуется, ее неоднократная верификация по различным инструментальным данным наблюдений и сравнение с аналогичными результатами наиболее известных зарубежных моделей, таких как WAVEWATCH III и WAM-4, показывает, что СПМ в целом не уступает по точности расчета и прогноза параметров ветрового волнения, превосходя в быстродействии зарубежные аналоги более, чем на порядок (Дымов и др., 2004; Теоретические основы и методы расчета ветрового волнения, 1988; Дымов, Пасечник, 1994; Лавренов, 1998; Проект РФФИ 08-05-13524-офи_ц).
С 2001 года модель внедрена в оперативную практику Гидрометцетра России по выпуску глобальных прогнозов ветрового волнения и ее результаты выставляются на официальном сайте Гидрометцентра России (http://hmc.hydromet.ru). Решением Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам от 16 мая 2008 г. модель ветрового волнения в сетке с повышенным разрешением (1,25°×1,25°) рекомендована для использования в оперативно-прогностической работе Гидрометцентра России и ААНИИ на новой вычислительной платформе.
Данная технология с успехом используется в ААНИИ для выполнения численных расчетов и прогнозов ветрового волнения в замерзающих морях России в рамках различных тематик института (ЦНТП, ЕСИМО, и т. д.). Ежедневно выполняются прогнозы ветрового волнения в арктических морях России с представлением результатов на сайте ААНИИ и отдела.
Район Российской Арктики в технологии представлен двумя большими расчетными областями с шагом 1,0° по долготе и 0,5° по широте. Первая расчетная область включает в себя Баренцево и Карское моря (западный сектор), а вторая – море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское моря (восточный сектор). Основными исходными данными в расчетах являются поля атмосферного давления на уровне моря, температура воздуха на 2-х метровом горизонте и батиметрические данные в узлах расчетной сетки. Положение кромки льда задается путем ежедневного усвоения спутниковых многоканальных микроволновых данных (SSM/I и AMSR) по сплоченности морского льда.
По результатам модельных расчетов и прогнозов выполнена оценка повторяемости значительных высот волн (Hs – обеспеченность 13 %) для отдельных месяцев года. Сведения о распределении высот волн приводятся для российских арктических морей, начиная от Баренцева и заканчивая Чукотским морем. Они представлены в виде таблиц распределения ежедневных максимумов (число случаев) по градациям высот волн и месяцам (см. табл. 1–5). Несмотря на такой упрощенный подход в анализе режима ветрового волнения, табличные данные указанных распределений хорошо передают развитие максимального волнения в арктических морях России по месяцам в период Международного полярного года.
Если посмотреть в таблицы, то можно заметить, что в осенне-зимний период 2007 года на морях арктического бассейна отмечались сильные шторма, при которых волнение достигало экстремальных значений. Это было вызвано рекордным очищением ото льда акватории Арктического бассейна СЛО летом 2007 года, что обусловило формирование уникальных условий для развития ветрового волнения в осенне-зимний период за счет существования значительных разгонов.
На акватории Баренцева моря (см. табл. 1) в период МПГ в основном преобладали волны высотой от 2 м до 5 м. Число случаев, когда высота волн на акватории Баренцева моря превышала 5 м, составило в 2007 году 30 %, а в 2008 году 27 %. Наиболее часто штормовая обстановка в Баренцевом море отмечалась с сентября по декабрь 2007 года, а также в январе и феврале 2008 года.
Таблица 1. Распределения высот волн (Hs) в Баренцевом море по месяцам в 2007–2008 гг.
Следует отметить, что февраль 2008 года по числу штормов, их силе и продолжительности, превосходит все остальные месяцы периода МПГ (число случаев за месяц с высотой волны более 5 м составило 59 %). Самый продолжительный штормовой период в 2008 году составил 12 дней (с 8 по 19 февраля), а самое сильное волнение имело место 11–12 февраля, когда высота волны превысила 12 м. Этот шторм был обусловлен высотным квази-стационарным глубоким циклоном (давление в центре до 975 мб), располагавшимся в северной части Баренцева моря и распространявшимся на восток с образованием двухцентровой депрессии. В южной периферии этого циклона (центральная часть моря) преобладали сильные западные ветра (15–20 м/с). На рис. 1 в качестве примера приведено поле ветра и высот волн Hs на 12 февраля 2008 г.
Рис. 1. Поле ветра и высот волн 13 % обеспеченности в Баренцевом море на 12 ч (UTC) 12 февраля 2008 г.
На акватории Карского моря (см. табл. 2) в период МПГ в основном преобладали высоты волн от 1 м до 4 м (82 % в 2007 г. и 75 % в 2008 г.). Наиболее штормовыми месяцами в Карском море были сентябрь и октябрь. Самым штормовым был сентябрь 2007 года, когда максимальное развитие ветрового волнения достигло 8 м. На рис. 2 приведено поле высот волн и ветра на 4 октября, когда на севере Карского моря установился обширный циклон (давление до 965 мб) и в тыловой части преобладали ветра 15–20 м/c северо-западного и западного направления.
Таблица 2. Распределения высот волн (Hs) в Карском море по месяцам в 2007–2008 гг.
Рис. 2. Поле ветра и высот волн 13 % обеспеченности в Карском море на 00 ч (UTC) 4 октября 2007 г.
В первую половину года Карское море в основном покрыто льдом, но необходимо отметить, что в 2007 году море начало открываться на полмесяца раньше, чем в 2008 году.
В море Лаптевых (см. табл. 3) в период МПГ в основном преобладали высоты волн до 3–4 м., причем в 2008 году волн более 4 м не было совсем. Наиболее штормовым был октябрь месяц 2007 года (5 дней с высотами волн 5–10 м). Наибольшая высота значительных волн в море Лаптевых составила более 10,5 м. Это было 5 октября 2007 года и связано с прохождением глубокого (с давлением 970 мб) атлантического циклона.
Таблица 3. Распределения высот волн (Hs) в море Лаптевых по месяцам в 2007–2008 гг.
В Восточно-Сибирском море (см. табл. 4) в период МПГ также в основном преобладали высоты волн до 3–4 м. Следует отметить, что в 2008 году Восточно-Сибирское море закрылось в октябре, что на месяц раньше чем в 2007 году.
Таблица 4. Распределения высот волн (Hs) в Восточно-Сибирском море по месяцам в 2007–2008 гг.
В Восточно-Сибирском море максимальное развитие ветровое волнение получило в октябре 2007 года (7 случаев с высотами волн 5–7 м). Самая сильная штормовая ситуация была 9 октября 2007 года, когда на открытой воде Восточно-Сибирского моря, прилегающей к СЛО, значительная высота волн составила более 6,5 м.
Сентябрь 2007 года по количеству случаев с высотами волн более 3–4 м, превосходит все остальные месяцы МПГ, и связано это не в последнюю очередь с большими разгонами из-за рекордного в этом месяце очищения ото льда акватории Арктического бассейна СЛО.
На рис. 3 приведено поле высот волн и ветра на 7 сентября 2007 года, характеризующееся не только значительными разгонами в период максимума открытой воды, но и ветрами до 15 м/с восточных и северных румбов на периферии обширной депрессии, заблокированной на юго-западе и востоке зонами повышенного давления.
Таблица 5. Распределения высот волн (Hs) в Чукотском море по месяцам в 2007–2008 гг.
Рис. 3. Поле ветра и высот волн 13 % обеспеченности в морях восточной Арктики на 18 ч (UTC) 7 сентября 2007 г.
В Чукотском море (см. табл. 5) в период МПГ в основном преобладали высоты волн от 1 до 3 м (в 2007 году число таких случаев составляло 50 %, в 2008 – 78 %). Наиболее штормовыми месяцами были сентябрь и декабрь 2007 года, на которые пришлось максимальное число случаев с высотами волн от 5 до 7 м. Волнение более 5 м в 2008 году на акватории Чукотского моря не имело места. Самая сильная штормовая ситуация была 24 сентября 2007 года, когда на открытой воде Чукотского моря, прилегающей к СЛО, значительная высота волн составила более 6,5 м. Следует также отметить, что Чукотское море в 2008 году закрылось в ноябре, т. е. на месяц раньше, чем в 2007 году.
Анализ ветро-волновых условий в арктических морях России в период МПГ (2007–2008 гг.), выполненный на основе модельных расчетов ветрового волнения, позволяет сделать следующие выводы:
– В 2007 году имело место значительное очищение ото льда акваторий арктических морей и самого Арктического бассейна СЛО, что обусловило формирование уникальных условий для развития ветрового волнения за счет существования значительных разгонов. В результате повсеместно на акватории арктических морей в осенне-зимний период отмечались сильные шторма, при которых волнение достигало экстремальных значений.
– Штормовые ситуации на морях восточной Арктики имели место только в 2007 году, волнение более 5 м в 2008 году отсутствовало.
– В 2008 году Восточно-Сибирское и Чукотские моря закрылись на месяц раньше, чем в 2007 году.
– Число штормовых ситуаций в Баренцевом море в 2007 году составило 30 %, а в 2008 году 27 %, однако февраль 2008 года по числу штормов, их силе и продолжительности, превосходит все остальные месяцы периода МПГ (число случаев за месяц с высотой волны более 5 м составило 59 %). Самый продолжительный штормовой период в 2008 году составил 12 дней (с 8 по 19 февраля), а самое сильное волнение имело место 11–12 февраля 2008 года, когда высота волны превысила 12 м.
Справочные данные по режиму ветра и волнения Баренцева, Охотского и Каспийского морей. Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург. 2003.
Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей. Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург. 2006.
Справочные данные по режиму ветра и волнения Японского и Карского морей. Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург. 2009.
http://www.knmi.nl/onderzk/oceano/waves/era40
Дымов В.И., Пасечник Т.А., Лавренов И.В., Давидан И.Н., Абузяров З.К. Сопоставление результатов расчетов по современным моделям ветрового волнения с данными натурных наблюдений // Метеорология и гидрология, ISSN 0130–2906, 2004, № 7, С. 87–94.
Теоретические основы и методы расчета ветрового волнения (под ред. Давидана И.Н.). Л., Гидрометеоиздат, 1988, 264 c.
Дымов В.И., Пасечник Т.А. Параметрические модели численного прогноза ветрового волнения. Руководство по морским гидрологическим прогнозам. С.-Петербург, Гидрометеоиздат, 1994, 525 с.
Лавренов И.В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998, 500 с.
Проект РФФИ 08-05-13524-офи_ц. Разработка концептуально новой методологии диагноза и прогноза состояния поверхности океана, включая опасные явления.
Abstract
The results of wind wave hindcast and forecast technology during the IPY 2007/08 is presented. The technology is based on the new version of the modified original parametric spectral wind wave model. The analysis of the Russian Arctic seas wind wave hindcasts and forecasts with daily assimilation of the satellite microwave data (SSN/I and AMSR) is carried out.