Исследование режимных и экстремальных характеристик ветрового волнения в море Лаптевых, Восточно-Сибирском и Чукотском морях по данным численного моделирования (РНФ)НИР

Analysis of regular and extreme wind waves in the Laptev, East Siberian and Chukchi Seas according to numerical modeling data

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 13 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Исследование режимных и экстремальных характеристик ветрового волнения в море Лаптевых, Восточно-Сибирском и Чукотском морях по данным численного моделирования ((РНФ)
Результаты этапа: Выполнены расчеты параметров ветрового волнения в море Лаптевых, Чукотском и Восточно-Сибирском морях выполнен при помощи спектральной волновой модели третьего поколения WAVEWATCH III версии 6.07. В модели применялась схема генерации волн за счет передачи энергии ветра ST6, для расчета нелинейных взаимодействий использована упрощенная схема DIA, для учета влияния льда схема IC0, в которой при сплоченности льда более 0.5 узлов сетки считается покрытым льдом. Для учета воздействия придонного трения используется схема JONSWAP, где диссипация волновой энергии зависит от отношения фазовой и групповой скоростей волн и глубины. Спектральное разрешение модели составляет 36 направлений (т. е. с шагом 10° по направлению), частотный диапазон σ – 36 интервалов от 0.03 до 0.843 Гц. Общий шаг по времени для интегрирования полного уравнения волнового баланса составляет 15 минут, шаг по времени для интегрирования функций источников и стоков волновой энергии 60 секунд, шаг по времени для передачи энергии по спектру 450 секунд. Данный выбор продиктован конфигурацией вычислительной сетки: максимальным и минимальным расстоянием между узлами. При моделировании волнения использовались данные о ветре и концентрации льда с шагом по времени 1 час из реанализа NCEP/CFSR (1979–2010 гг.) c пространственным разрешением ~0.3° и реанализа NCEP/CFSv2 (2011-2021 гг.) с разрешением ~0.2°. Вычисления проводились на созданной неструктурной триангуляционной сетке, состоящей из 36176 узлов. Данная сетка покрывает акваторию моря Лаптевых, Чукотского и Восточно-Сибирского морей, а также часть Северного Ледовитого океана. Для прибрежной зоны исследуемых морей шаг сетки составляет около 800 м, а в открытой части около 10–15 км. В результате проведенных расчетов была создана база данных ветрового волнения для исследуемых морей. Для каждого узла вычислительной сетки получены характеристики ветрового волнения за каждые 3 часа с 1979 по 2021 год (всего 43 года). Далее для каждого узла сетки вычислялась средняя высота значительных волн (в те периоды, когда присутствует лед, высота волны считалась как 0 и учитывалась при вычислении среднего), максимальная высота волн и 95-й перцентиль. Такие же статистические параметры вычислялись для периода (T01) и средней длины волны. Для оценки качества волновой модели было произведено сравнение результатов моделирования с данными наблюдений за волнением, выполненных в 2012 году на станции NDBC №48213. Коэффициент корреляции составил 0.95, систематическая ошибка -0.05 м, среднеквадратическая ошибка 0.27 м, коэффициент рассеяния 0.16. Для дополнительной оценки качества были использовали данные спутника CFOSAT. Часть спутниковых данных была отфильтрована (удалена) из анализа, при наличии флагов плохого качества или если точки находились ближе, чем в 15 км от берега или кромки льда. Расстояние между парами сравниваемых точек из волновой модели и спутника составляло не более 13 км. С июля по декабрь 2019 года было собрано более 79 000 точек высоты волн со спутника для всей вычислительной области. Результаты оценок качества, основанных на спутниковых данных CFOSAT, показаны на рис. 3. Коэффициент корреляции равен 0.89, систематическая ошибка -0.05 м, а среднеквадратическая ошибка 0.32 м. Индекс рассеяния равен 0.25. Полученный результат соответствует аналогичным оценкам, например, для Карского моря. Далее было получено описание волнового климата исследуемых морей. В море Лаптевых средняя высота волн составляет 0.1–0.3 м. В Восточно-Сибирском море – 0.1–0.2 м. В Чукотском море – от 0.2 до 0.7 м. Такие небольшие значения для средней высоты волн получены из-за того, что большую часть года моря покрыты льдом, и высота волн равна нулю. Более высокие средние значения на юге Чукотского моря наблюдаются из-за более мягких ледовых условий по сравнению с другими морями. В море Лаптевых максимальная высота волн составляет 5–6 м. В Восточно-Сибирском море – 6–7 м. В Чукотском море – 7–7.5 м. Высота значительных волн 95-го перцентиля меняется от 0.5 до 2.5 м для исследуемых морей и является удобным параметром для анализа штормового волнения. В море Лаптевых высота значительных волн 95-го перцентиля составляет около 1.5 м, а в Чукотском море – 2.5 м. Средняя длина волн составляет около 8–12 м для моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря. В Чукотском море средняя длина волн составляет 12–26 м. Значения среднего многолетнего периода – от 1 до 2.5 секунд. Значения очень небольшие, так как во время присутствия льда все характеристики волн равны 0. Поэтому для длины и периода волн чаще используют ассоциированные с высотой волн значения. Для большей наглядности рассмотрим 95-й перцентиль средней длины и среднего периода волн. Период волн 95-го перцентиля в море Лаптевых составляет 4.5–5 секунд, в Восточно-Сибирском море – 4–5 секунд, Чукотском море – 5.5–6 секунд. Длина волн 95-го перцентиля в море Лаптевых составляет 45–55 м, в Восточно-Сибирском море 40–55 м, в Чукотском море 65–70 м. Проанализирована межгодовая изменчивость среднегодовой (по всему году) высоты значительных волн и среднегодовой высоты значительных волн для безледного периода. В море Лаптевых для высоты волн наблюдается положительный тренд как для всего года, так и для безледного периода. Средняя высота волн увеличилась от 0.2 до 0.4 м, что связано с большей длительностью безледного периода в последние годы. Однако, при анализе высоты волн для безледного периода, наблюдается незначимый положительный тренд от 1 до 1.1 м. В Восточно-Сибирском море тренды для высоты волн положительные и значимые как для всего года, так и для безледного периода. Приблизительно до 2002 года в этой точке в отдельные годы открытая вода вообще отсутствовала. После 2002 года длительность безледного периода существенно увеличилась, что и привело к росту средней высоты волн. Также существенно увеличилась высота волн в безледный период от 0.4 до 1.4 м, что может быть связано как с увеличением разгона, так и с увеличением скорости или изменением направления ветра. В Чукотском море тренды для высоты волн положительные и значимые как для всего года, так и для безледного периода. Для всех рассматриваемых морей можно отметить, что с 2017 по 2021 год идет стабильное уменьшение средней высоты волн. Это особенно хорошо выражено в Восточно-Сибирском и Чукотском морях. Предварительный анализ показал, что средняя скорость ветра для этих точек уменьшается. Это подчеркивает важность климатических исследований параметров ветрового волнения, так как межгодовая изменчивость довольно высокая.
2 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Исследование режимных и экстремальных характеристик ветрового волнения в море Лаптевых, Восточно-Сибирском и Чукотском морях по данным численного моделирования ((РНФ)
Результаты этапа: Анализ штормовой активности моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей был выполнен на основе методики POT (выход за пороговое значение). Данный метод применялся к созданной ранее базе данных ветрового волнения для периода с 1979 по 2021 год. В результате были получены оценки количества штормов, их средняя и суммарная продолжительность за год и отдельно для каждого месяца исследуемого периода. Расчеты выполнены для случаев штормового волнения (штормов) с высотой значительных волн 2-6 м отдельно для каждого из исследуемых морей в пределах их официальных границ. Дополнительно рассчитывались продолжительность безледного периода для каждого из морей (как количество дней, когда минимум 1/3 моря была свободна от морского льда) и средняя скорость ветра. В результаты были построены графики межгодовой изменчивости повторяемости и продолжительности штормов с 1979 по 2021 год, для всего года и отдельно для сезонов. Дополнительно для анализа привлекались данные о траекториях циклонов из базы данных [1]. Эта база данных создана на основе реанализа NCEP/CFSR/CFSv2 и содержит информацию о характеристиках циклонов с 1979 по 2015 год. В данной работе мы рассчитывали повторяемость циклонов для каждого моря отдельно за безледный период. Если хотя бы одна точка из траектории центра циклона находилась в пределах акватории моря, то это циклон учитывался. Глубина, радиус и другие параметры циклонов не учитывались. Также была выполнена дополнительная оценка качества данных моделирования на основе данных измерений волнения. Использовались данные дрейфующих волновых буев [2]. Буи дрейфовали севернее Чукотского моря и в море Бофорта, что попадает в вычислительную сетку. Данные измерений охватывают период с 10.09.2016 по 02.11.2016, а общее количество измеренных значений высоты волн около 1500. Данные имеют хорошую согласованность с данными моделирования, коэффициент корреляции (R) больше 0.9, при среднеквадратичной ошибке (RMSE) ~ 0,4 м и систематической ошибке (BIAS) ~ 0,12-0,14 м. Анализ высоты значительных волн редкой повторяемости возможных 1 раз в 5,10,25,50,100 лет был выполнен при помощи скрипта Genextreme, при помощи модели Maximum Likelihood Estimate (MLE) model. При использовании Genextreme происходит подбор оптимального (наиболее близкого к эмпирическому) распределения из доступных экстремальных теоретических распределений (Гумблея, Фреше, Вейбула) для исследуемой выборки. На основе созданной в рамках данного проекта базы данных ветрового волнения для каждого узда вычислительной сетки были найдены годовые максимумы и получены база данных из 43 значений максимумов. Далее для каждой точки выполнялся поиск наиболее подходящего распределения, а далее на основе найденной функции распределения выполнялся расчет высоты волн возможной 1 раз в 5,10,25,50,100 (Return Period) отдельно для акватории каждого из исследуемых морей в их официальных границах. Были построены карты распределения высоты волн возможных 1 раз в 5,10,25,50,100 лет. Анализ климатических трендов в параметрах ветрового волнения был выполнен на основе данных о повторяемости штормов с высотой волн более 2 м для акватории каждого из исследуемых морей. Полученные данные о количестве штормов в год (за период с 1979 по 2021 год) были исследованы на наличие трендов. В качестве тренда выступала модель линейной регрессии. Уравнение имеет вид y=kx+b. Для оценки качества модели линейной регрессии использовались критические значения Стьюдента и Фишера (при проверке коэффициентов регрессии на значимость и адекватности модели). Уровень значимость при нахождении критических значений равен p=0,05. Также выполнялась оценка трендов отдельно по сезонам, которые в данном случае были приняты в качестве привычных календарных (весна — март-май, лето — июнь- август, осень — сентябрь-ноябрь, зима — декабрь-февраль).

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".