Содержание к диссертации
Введение
1. Методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений 10
1.1. Основные факторы, обуславливающие сгонно-нагонные колебания уровня моря и течений 11
1.2. Физико-статистические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений, 14
1.3. Прогноз колебаний уровня моря и течений на основе метода спектральной регрессии.. 22
1.4. Гидродинамические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений 26
1.4.1. Одномерные модели 27
1.4.2. Двумерные модели 28
1.4.3. Трехмерные модели 32
1.4.4. Оперативные гидродинамические технологии прогноза колебаний уровня моря и течений 34
2. Физико-географическая характеристика и изученность гидрометеорологического режима каспийского моря 43
2.1. Общие сведения об акватории 43
2.2. Развитие наблюдательной сети 46
2.3. Метеорологические условия 48
2.4. Уровень моря 49
2.4.1. Сгонно-нагонные колебания уровня моря 52
2.4.2. Сезонная изменчивость уровня моря 60
2.4.3. Среднегодовой уровень Каспийского моря 64
2.4.4. Пространственная изменчивость среднего уровня Каспийского моря 66
2.5. Течения 73
3. Трехмерная гидродинамическая бароклинная модель 76
3.1. Уравнения движения 76
3.2. Коэффициенты турбулентного перемешивания 77
3.3. Граничные условия 78
3.4. Расчетная сетка 78
3.5. Разностная схема 80
3.6. Алгоритм осушения и затопления прибрежных территорий 83
3.7. Начальные условия 84
3.8. Расчеты по историческим данным 85
3.8.1. Особо опасный нагон 28-29 декабря 1981 г 86
3.8.2. Особо опасный нагон 1-3 октября 1985 г 89
3.8.3. Особо опасный нагон 12-14 октября 1987 г 92
3.8.4. Особо опасный нагон 29-30 октября 1987 г 95
3.8.5. Особо опасный нагон 17-18 апреля 1989 г 95
3.8.6. Особо опасный нагон 13-14 декабря 1990 г 98
3.8.7. Особо опасный нагон 12-16 марта 1995 г 101
3.8.8. Анализ результатов расчетов по историческим данным 104
4. Технология краткосрочного гидродинамического прогноза уровня и течений в каспийском море 105
4.1. Методика прогноза уровня и течений в Каспийском море 105
4.1.1. Метеорологические данные 106
4.1.2. Начальные и граничные условия 108
4.2. Результаты испытаний метода гидродинамического прогноза 109
4.2.1. Полуоперативные тестовые прогностические расчеты 109
4 2 2. Оперативные прогнозы (май 2001 г.-декабрь 2003) 111
5. Анализ результатов и оценка качества прогнозов колебаний уровня моря и течений в каспийском море 114
5.1. Методика оценки качества краткосрочных прогнозов морских гидрологических параметров 115
5.2. Методика оценки качества прогнозов колебаний уровня моря 120
5.3. Методика оценки качества прогнозов скоростей течений 129
Заключение 131
- Гидродинамические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений
- Уровень моря
- Расчеты по историческим данным
- Результаты испытаний метода гидродинамического прогноза
Введение к работе
Ежегодно с наступлением лета десятки тысяч водотоков, протекающих на территории России, зарастают водной растительностью. Развитие водной растительности нередко приводит к вредным последствиям: быстрому заилению и обмелению рек, каналов и водохранилищ, заболачиванию речных пойм, ухудшению качества воды, затруднению водоснабжения. И это далеко не полный список негативных последствий. Для примера приведем данные Б.В.Веригина /1/ по Новомосковской ГРЭС, где зарастание водоема-охладителя составляло всего 10% его площади, это вызывало снижение вакуума по машинному залу на 0,5%, что влекло за собой недовыработку 5760000 квт/час электроэнергии в год.
Значительный ущерб зарастание наносит водному хозяйству и мелиорации. При зарастании каналов затрудняется осушение и орошение вследствие уменьшения пропускной способности каналов. Так, например, по данным Д.С.Алиева /2/ при зарастании скорость течения воды в каналах, а значит, и их пропускная способность снижаются в 3-4 раза против проектной.
Во многих случаях убытки, приносимые зарастанием в естественных условиях равнинных, болотистых рек, вообще не поддаются сколько-нибудь полному учету. Зарастание рек сопровождается подпором уровня воды, который нередко достигает по данным различных авторов /3,4,6 и др./ 0,4-0,8 м, а иногда и 1,5 м, что в естественных условиях равнинных рек ведет к заболачиванию пойменных земель /Зи др./.
В этих условиях одной из важнейших предпосылок оценки влияния зарастания рек на экологическое состояние природных территорий, биоценоз ландшафтной и водной среды является оценка пропускной способности зарастающих русел или, конкретно, характеристик их гидравлических сопротивлений.
Наряду с этим, осложняется и гидрометрический учет стока. В результате зарастания русел уменьшаются скорости течения, появляются «мертвые зоны», косоструйность потока, искажаются эпюры скоростей по глубине и ширине потока. Соответственно, зарастание приводит к нарушению однозначной устойчивой зависимости расхода воды от уровня. Отсутствие однозначной связи расходов и уровней на зарастающих реках вынуждает производить более частые измерения расходов воды, что, в конечном счете, усложняет и значительно удорожает учет стока.
Современная практика гидрометрического учета стока основана на методическом руководстве, разработанным почти пол века назад /4/. Согласно содержащимся в нем рекомендациям, для получения сколько-нибудь надежных данных, необходимо выполнять большое количество трудоемких измерений, что находится в явном несоответствии с экономическими требованиями настоящего времени. Потребность же в повышении надежности учета стока зарастающих рек приобретает особую актуальность в связи с возрастающими масштабами контроля экологии ландшафтов и реализацией системы мониторинга водных объектов, а так же для проектных и водохозяйственных нужд.
Цели и задачи исследования
Цель исследований заключается в количественной оценке коэффициентов шероховатости для русел рек, подверженных зарастанию, и разработке методики гидрометрического учета стока зарастающих рек, применительно к новым компьютерным технологиям в режимном и оперативном вариантах. В качестве объекта исследований служили зарастающие реки Европейской территории России (ЕТР).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать закономерности развития и распространения водолюбивой растительности на ЕТР, а так же особенности режима гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел.
2. Выявить определяющие факторы и установить критериальные комплексы для обобщенной количественной оценки при зарастании.
3. Получить расчетную формулу для коэффициентов шероховатости в зависимости от системно-зональных гидрологических факторов.
4. Оценить гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации для различных рек ЕТР.
5. Разработать модель гидрометрического учета стока зарастающих рек.
6. Разработать методику и алгоритмы автоматизированного учета стока зарастающих рек для внедрения их компьютерной технологии в гидрологическую сеть. методика исследований и исходный материал
В качестве исходного материала использовались данные наблюдений на гидрологической сети Росгидромета, результаты собственных наблюдений автора и материалы ГГИ.
Решение поставленных задач проводилось путем регрессионно-статистической обработки гидрометрических данных и численных экспериментов, выполняемых на ПЭВМ. В работе использованы так же результаты исследований различных авторов в области гидробиологии, гидравлики и гидрологии. Реализация моделей для различных вариантов исследования и статистическая оценка надежности полученных результатов производилась на персональном компьютере в среде Delphi и Excel.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками результатов и сравнительными характеристиками с независимой натурной информацией.
Научная новизна и практическая значимость
1. В ходе диссертационного исследования впервые были получены зависимости, позволяющие количественно оценивать гидравлические сопротивления в различные фазы вегетации водных растений. Для рек, где ведутся гидрометрические наблюдения, эта задача решается непосредственно на основе предложенного уравнения, параметры которого определяются по совокупности измеренных расходов воды.
2. Предложены расчетные формулы для решения той же задачи, при отсутствии гидрометрических данных на неизученных реках.
3. Представлена таблица коэффициентов шероховатости для неизученных зарастающих рек в различные периоды вегетации и для различных зон ЕТР, с использованием только их количественных характеристик.
4. Разработана новая методика учета стока зарастающих рек, основанная на хронологическом представлении параметра Великанова, в полной мере отражающая изменения пропускной способности русла и являющаяся наиболее рациональной математической основой для компьютерной технологии гидрометрического учета стока зарастающих рек.
5. Использование предложенной методики учета стока при зарастании дает возможность сократить число измерений расходов воды, без существенного снижения точности характеристик стока.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2001г., на итоговой сессии Ученого совета ГТИ в феврале 2002г., на научном семинаре отдела гидрологической сети и мониторинга ГТИ в июне 2003г., на научных семинарах кафедры гидрометрии РГТМУ. Некоторые аспекты диссертационной работы вошли в учебное пособие, составленное на кафедре гидрометрии РГГМУ.
По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в печати.
Разработанные методики предполагается включить в Наставление для гидрологической сети Росгидромета, выпуск 6, часть III.
Гидродинамические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений
Экспериментальные исследования, проводимые в шельфовых районах, и существующие методы обработки данных наблюдений не позволяют полностью описывать гидродинамический режим на шельфе. Многолетние наблюдения во многих районах зачастую отсутствуют. Следовательно, единственной возможностью изучения штормовых нагонов является моделирование, которое очень быстро развивается благодаря прогрессу вычислительной техники и численных методов (Зильберштейн и др., 2001; Zilberstein et al, 1996). Колебания суммарного уровня моря включают в себя следующие составляющие: -приливные движения; -сгонно-нагонные явления; -сейши; -стоковую компоненту; -сезонные и многолетние колебания, связанные с крупномасштабной изменчивостью процессов в океане и атмосфере; -цунами. Основной вклад в изменения суммарного уровня моря вносят приливы и сгонно-нагонные движения. Эти процессы могут быть описаны в рамках теории мелкой воды (Hansen, 1949; Каган, 1968; Волъцингер, Пясковский, 1977; Линейкин, Овсиенко, 1979; Heaps, 1983; Герман, Левиков, 1983; Марчук, Каган, 1983; Murty, 1984; Сафронов и др., 1986; Герман, Левиков, 1988; Зильберштейн и др., 1990; Руководство..., 1994; Ryabinin, Zilberstein, 1996). Раньше штормовые нагоны и приливы изучались раздельно из-за коренного различия в причинах этих явлений, и много работ было посвящено исследованию взаимодействия прилива и нагона (Герман, Левиков, 1983; Murty, 1981). Было показано, что в мелководных районах возможны ситуации, когда между нагоном и приливом существует нелинейное взаимодействие.
Современные модели позволяют рассчитывать эти процессы совместно. Для многих прикладных задач необходимые и надежные результаты могут быть получены с использованием двумерных моделей. Их преимуществами являются относительная простота и возможность использования на маломощных компьютерах, что в последнее время не так уж принципиально, особенно для задач анализа. Все двумерные баротропные модели не позволяют рассчитывать вертикальную эпюру скоростей течений. Для ее получения необходимы трехмерные бароклинные модели, учитывающие вертикальный турбулентный обменколичеством движения и стратификацию вод. Использование таких моделей требует значительных ресурсов ЭВМ, что, как уже отмечалось выше, в настоящее время не является критическим ограничением. В 1960-е - 70-е годы целый ряд работ был посвящен построению прогностических численных технологий на основе двумерных уравнений мелкой воды с использованием ряда допущений и параметризаций, которые значительно упрощали вычисления и уменьшали время расчетов (Harris, 1962; Harris, Angelo, 1963; Pararas-Carayannis, 1975). В работе (Henry, Heaps, 1976) рассмотрены две численные модели, одна из которых предназначена для детальных расчетов штормовых нагонов, а другая - компактная и экономичная - для оперативных прогнозов штормовых нагонов.
Авторы отмечали, что все-таки пока "на этом этапе развития методов" не следует ожидать точных количественных прогнозов, хотя возможность получения достоверных прогнозов уровня моря по двумерным моделям сомнения не вызывает. Компьютерные мощности были ограничены и очень часто применялась следующая процедура: проводились расчеты для так называемых типовых ситуаций (нагонных или сгонных при различных условиях, например, сила и направление ветра, наличие или отсутствие льда, расходы рек и т.д., характерных для данного района), а результаты представлялись в виде таблиц или номограмм (Овсиенко, 1977; Lin, 1990; Савельев, 1987). 1.4.1. Одномерные модели Впервые численное решение одномерной приливной задачи было получено Дефантом (Defant, 1919). Для прямоугольного канала переменного сечения, свободно сообщающегося с океаном и расположенного на невращающейся Земле, были рассчитаны характеристики собственного и вынужденного приливов. Трение о дно и боковые границы не учитывалось. Этот подход нашел дальнейшее развитие в одномерных моделях и получил название метода Штернека-Дефанта. Исследованию Дефанта предшествовало фундаментальное исследование Ричардсона (Richardson, 1910; Richardson, 1922), заложившего основы вычислительной гидродинамики. Предпринятая Ричардсоном в 1911 г. попытка численного прогноза изменений атмосферного давления над Центральной Европой (все вычисления проводились вручную) оказалась неудачной по ряду причин, среди которых основной была неустойчивость численной схемы. Курант, Фридрихе и Леви показали, что при интегрировании как гиперболических, так и параболических дифференциальных уравнений, если используется явная численная схема, необходимо, чтобы соотношение между шагами по времени и по пространству удовлетворяло некоторому критерию устойчивости (Роуч, 1980).
Для расчета нагонов, вызываемых восточными и западными ветрами над Азовским морем, была предложена одномерная модель (Овсиенко, 1972), учитывающая некоторые особенности рельефа дна, но на практике она применения не получила. 1.4.2. Двумерные модели В 40-х годах Ханзен (Hansen, 1949; Hansen, 1952) изучал приливные движения в бассейне с реальной геометрией, используя уравнения в частных производных. Линеаризованные уравнения движения (аналог уравнений Лапласа, но с учетом трения) были сведены к эллиптическому уравнению второго порядка для изменений уровня по всему контуру бассейна. Была разработана итеративная процедура. Позднее этот метод был усовершенствован. Для мелководных морей и заливов Ханзен разработал численный гидродинамический метод (NH-метод) на основе теории мелкой воды (Ханзен,1965; Hansen, 1956). Он также сформулировал смешанную задачу с начальными и граничными условиями. Современные численные методы позволяют решать полную нелинейную систему уравнений движения жидкости и проводить расчеты для суммарного прилива, а также учитывать такие непериодические факторы как сгонно-нагонные явления, сток рек, ледяной покров, осушение и затопление прибрежных территорий. Двумерные модели особенно интенсивно развивались во второй половине 70-х и в 80-х годах (Каган, 1968; Heaps, 1973; Вольцингер, Пясковский, 1977; Murty, 1984). В обзоре Хипса (Heaps, 1973) и монографии Мурти (Murty, 1984) подробно описаны различные модели и их применение к различным регионам.
В рамках теории мелкой воды используются двумерные уравнения движения для полных потоков или для осредненных по вертикали скоростей. Жидкость считается несжимаемой и принимается гидростатическое приближение, которое справедливо для инерционных гравитационных волн, таких как штормовые нагоны и приливы, т.е. движений, чей горизонтальный масштаб значительно превосходит вертикальный. Детатьный вывод уравнений мелкой воды на основе интегрирования по вертикали трехмерных уравнений Рейнольдса приведен в статье (Kanayama, Usijima, 1982). Предположим, что прямоугольная система координат х, у, z лежит на невозмущенной поверхности моря, ось х направлена на восток, у -на север, z - вертикально вверх. F, U(U2+V2)U2 HP Pa H1 p0 F, V(U2+V2)U2 HPV Vl+(uV)x+(vV)y+fU = -gH y+- -k K ) y- + ALAV, (1.9) Po M Po l+Ux + Vy=0, (1.10) ( с где U = Hu= \udz, V = Hv= \vdz - составляющие вектора полного потока, и, v - компонен- -И -А ты осредненного по вертикали вектора скорости течения; Fj, F2 - составляющие касательного напряжения ветра по осям хпу соответственно; Н = h + - полная глубина, h— глубина; - отклонение уровня от равновесного положения, р0 - плотность воды, / = 2а sin q - параметр Кориолиса, й?=7529 10"5 - угловая скорость вращения Земли, ср - географическая широта места; к - коэффициент придонного трения, g - ускорение силы тяжести; Рх, Ру - составляющие градиента атмосферного давления; AL - коэффициент горизонтальной турбулентной вязкости; индексы t, х, у обозначают частные производные по соответствующим переменным.
Уровень моря
Изменения уровня в морях и океанах могут быть вызваны тектоническими процессами, действием приливообразующих сил Луны и Солнца, изменением водного баланса и воздействием атмосферного давления и ветра. Все эти факторы приводят к колебаниям уровня Каспийского моря различного временного масштаба: многолетним, межгодовым, сезонным и кратковременным. В многолетних колебаниях уровня Каспийского моря видимая закономерность отсут-ств ет (Смирнова, 1972; Фролов, 2003). На эти процессы оказывают влияние климатические изменения (от 2-5-летних до квазивековых), тектонические процессы, изменяющие объем водной впадины, и хозяйственная деятельность человека. Сезонные колебания уровня вызываются изменениями водного баланса в течение года и имеют четко выраженный циклический характер. Самое низкое в году положение уровня моря наблюдается в зимний период (декабрь-февраль), а затем начинается его повышение до июля с наибольшей интенсивностью роста в мае. Наивысший среднемесячный уровень моря обычно наблюдается в июне-июле, и затем уровень понижается до зимнего минимума. Основная часть воды, поступающей в море, приходит с речным стоком 60-90% (от 55 до 115 см), в котором доля Волги составляет 76%. Роль атмосферных осадков в сезонных колебаниях уровня составляет 10-15%, т.е. 3-7 см (Гидрометеорология..., 1992; Устьевая..., 1998). Главные отрицательные составляющие водного баланса - испарение, на которое расход} ется примерно 30% размаха сезонного хода уровня моря (10-20 см), и сток в залив Кара-Богаз-Гол. В Северном Каспии, куда поступает основная часть речного стока, многолетние изменения сезонного хода выражены наиболее ярко, а размах колебаний больше, чем в остальной части моря. Величина сезонных колебаний уменьшается по мере удаления от морского края дельты Волги (МКД) к южной части Каспия
Кратковременные изменения уровня Каспийского моря происходят при постоянном объеме воды К внешним силам, изменяющим положение уровня моря, относятся касательные напряжения ветра, вызывающее сгоны и нагоны, ветровые волны, изменения барического давления над поверхностью моря, которые являются причиной возникновения сейш и вносят вклад в сгонно-нагонные явления. Их экстремальные значения приведены в табл. 2.1. Примерно такие же оценки для различных видов колебаний уровня содержатся в (Смирнова, 1972; Гидрометеорологические..., 1986; Гидрометеорология..., 1992; Справочные..., 2003). Вообще же на Каспийском море трудно выделить влияние каждой из этих сил, так как значение уровня определяется совместным действием всех внешних сил, а изменения уровня под действием некоторых из них очень незначительны. 2.4.1. Сгонно-нагонные колебания уровня моря Нагонные колебания имеют наибольшую амплитуду в северной части Каспийского моря. На Северном Каспии обычно вьщеляют две зоны значительных нагонных колебаний уровня. - западное побережье и устьевое взморье Волги - от Брянской Косы до о. Новинский; - северо-восточное и восточное побережье - от Мартышечьей Косы до м. Бурунчук. По условиям формирования экстремальных уровней среднюю и южную части моря можно разделить на следующие районы (Гидрометеорология..., 1992): - , восточное побережье; - юго-западное побережье от м Алят до иранского побережья, - западное побережье от Аграханского до Апшеронского залива, Апшеронский полуостров, Апшеронский и Бакинский Архипелаги. Основным фактором, определяющим характер развития гидродинамических процессов в прибрежной зоне, в первую очередь сгонно-нагонных колебаний уровня, является ветер. Для западного побережья Северного Каспия эффективными направлениями нагонного ветра, вызывающего максимальную высоту нагона, являются румбы ЮВ и В, для восточного побережья - от западного до южного. Эффективные направления сгонных ветров - им противоположные, т.е. СЗ и 3. В работе (Скриптунов, Горелиц, 2000) показано, что появление больших нагонов у западного побережья Каспийского моря имеет сезонный характер. В северной части Каспийского моря наибольшее число штилей наблюдается летом и в начале осени, т.е. в июне - сентябре, а наименьшее - в холодный период года Максимум числа штормов (со скоростью ветра более 15 м/с) наблюдается в октябре-ноябре - до пяти случаев, а также в марте-апреле - три-четыре случая. Хотя нагонные ветры наиболее сильны зимой, но при установлении прочного ледяного покрова высота нагона в среднем уменьшается в 3-5 раз (в зависимости от ширины припая) по сравнению с безледным периодом. В июне-августе штормов практически не бывает. В районе, расположенном ближе к кромке припая (гидрометеорологическая станция о. Тюлений), наибольшее число максимальных за год нагонов отмечено в начале зимнего периода - в ноябре-декабре (Скриптунов, Горелиц, 2000). Гл бина прибрежной зоны моря и ширина мелководья у берега определяют высоту нагона и возможность компенсационного оттока вод от берега в море в придонном слое при нагоне. В периоды крупных нагонов при сильных ветрах, развитом волнении и сильных дрейфовых течениях критические глубины, при которых прекращается придонный компенсационный отток, обычно равны 2,5-3,5 м. Расстояния от берега до изобат 3 и 4 м на разных участках побережья Северного Каспия сильно различаются, но чем дальше эти изобаты от берега, тем больше высота нагона на данном участке побережья. При прочих равных условиях наибольшие высоты нагонов возможны в районе г. Каспийский (Лагань) и в вершине Киз-лярского залива. Здесь увеличению высоты нагона способствует конфигурация берега. Именно в этих двух частях побережья зарегистрированы максимальные отметки уровня при нагонах 1952 и 1995 гг.
В среднем в месяц отмечают три-четыре нагона и два-четыре сгона, поэтому в без-ледный период береговая черта у западного побережья Северного Каспия постоянно мигрирует. При средних ветровых условиях размах этой миграции составляет 2-3 км В экстремальных ветровых условиях при сгоне ширина зоны осушения может составлять 8-10 км, а ширина зоны затопления при крупных нагонах в отдельных районах западного побережья на участке Кизлярский залив - Вышка при сильных нагонах может достигать ширины 30-50 км, на восточном от устья р. Урал до п-ва Дурнев - 30-40 км (Гидрометеорология..., 1992; Устьевая..., 1998; Скриптунов, Горелиц, 2000). Взморье Волги обычно не ос шается (Скриптунов, 1958; Скриптунов, Горелиц, 2000). Ширина зоны затопления зависит от характеристик ветра, величины нагона непосредственно у берега (на критической глубине образования нагона), времени стояния максимального у ровня, уклонов прибрежного участка суши и шероховатости подстилающей поверхности заливаемого участка В работе (Герштанский, 1980) рассмотрены основные факторы, определяющие характеристики затопления берега и механизм проникновения волн на побережье, получены связи ширины заливания берега с уровнем моря. На основе анализа данных систематических полетов по определению границ зон затопления побережья Северного Каспия, которые проводились Астраханской гидрометеорологической обсерватории с 1968 по 1975 гг., автором составлена таблица (см. табл.2.2), с помощью которой по прогнозир емому максимальному уровню у о. Тюлений возможен расчет (прогноз) ширины зоны заливания берега по 14 профилям (см. рис. 2.5).
Расчеты по историческим данным
Для верификации модели были проведены расчеты для нескольких штормовых ситуаций Эти ситуации выбирались так, чтобы шторму предшествовали 2-3 «спокойных» суток, необходимых для выхода модели на фоновый режим. Учитывался реальный уровень Каспийского моря и среднемесячный расход Волги. В качестве исходной метеорологической информации использовался ветер, измеренный в пунктах о. Искусственный, Каспийский, о. Тюлений, о. Кулалы, о Пешной. Эти же штормовые ситуации были просчитаны на основе данных метеорологического реанализа (Kalnay et ai, 1996). Дискретность полей давления 6 ч, расстояние между точками сетки - 2,5 градуса. В качестве начальных условий при моделировании сгонно-нагонных явлений использовались поля плотности, уровня моря и течений, полученные методом гидродинамического диагноза (30 суток) и адаптации (5 суток) (Ибраев и др., 2001; Зильберштейн и др., 2001, Попов, 2004) по исходному наблюденному средне сезонному полю плотности (Косарев, Ту-жилкин, 1995) с учетом климатического стока реки Волги. Задавался средний уровень Каспийского моря соответствующий месяцу, в котором наблюдалось рассматриваемое штормовое событие. Сравнивался расчетный и наблюденный уровень моря в пунктах о. Иск сственный, Каспийский, о. Тюлений, о. Кулалы, о. Пешной. Также оценивалась зона затопления. 3.8.1. Особо опасный нагон 28-29 декабря 1981 г. 23-24 декабря на всей акватории Северного Каспия наблюдались слабые северные и восточные ветры. Фоновые уровни (здесь и далее все значения даны относительно минус 28 м БС) в эти дни у о. Тюлений были минус 21 см, Каспийского - минус 12 см, о. Искусственный - плюс 56 см, о. Кулалы - минус 36 см, Пешного - минус 23 см.
Усилившийся 25 декабря до 10-12 м/с восточный ветер вызвал повышение уровня на всех станциях и постах северо-восточной части Каспийского моря. В последующие сутки 26 декабря восточный и юго-восточный ветер усилился до 12-18 м/с, порывами до 14-20 м/с, что привело к дальнейшему повышению уровня. Опасные отметки были достигнуты у Каспийского, о. Тюлений, о. Искусственный 27 декабря в период с 8 до 20 ч. Особо опасной отметки (плюс 180 см) уровень у Каспийского достиг 28 декабря, а вечером этого же дня бьшо достигнуто максимальное значение плюс 184 см Интенсивность подъема уровня составила 2-4 см/ч, а в отдельные сроки до 14 см/ч Особо опасный уровень у Каспийского сохранялся в течение 37 часов. У о. Искусственный особо опасных отметок уровень не достиг, максимальное значение составило плюс 180 см. У о Тюлений уровень моря достиг плюс 117 см, что выше особо опасной отметки В северо-восточной части Каспия в это время наблюдался сгон. Максимальное понижение относительно фонового уровня составило 47 см (о. Пешной, 29 декабря). На рис. 3.2 показан расчетный и наблюденный уровень моря в пяти пунктах, расположенных в северной части Каспийского моря, во время нагона 28-29 декабря 1981 г. В этот период в северо-западной части Каспия ледяной покров отсутствовал. Первое появление льда отмечено в период максимума нагона - 29 декабря. В северо-восточной части моря граница припая проходила от о. Новинский на восток по метровой изобате. На Гурьев-ской Бороздине был плавучий лед в виде светлого ниласа и серого льда в форме полей сплоченностью 7-Ю баллов. Лед в северо-восточной части Каспия сохранялся в течение всей третьей декады декабря.
По данным обследования зоны затопления от 9 января 1982 г. установлено, что в районе г. Каспийский побережье затоплено на 10-20 км, на траверзе о. Иван Караул - на 25-І6 км, в районе Артезиана - до 40 км, побережье Кизлярского залива на участке Кутан - Кочубей на 5-15 км. Острова Чапуренок, Иван Караул были затоплены полностью, о. Тюлений на 50-60%. На территории Гурьевской области побережье затоплено не было. На рис. 3.3. приведена зона затопления во время нагона в северо-восточной части Каспийского моря 24-30 декабря 1981 г. по результатам расчетов и по данным авиаразведки. Основным фактором, обусловившим усиление западного ветра на Северном Каспии до штормового и сохранение его в течение нескольких дней, послужил интенсивный циклогенез над европейской территорией СССР, которому способствовало неоднократное вторжение холодных воздушных масс с Северной Атлантики, Норвежского и Баренцева морей, а также наличие теплого воздуха над южной частью территории СССР и Западной Европой. Несколько дней поддерживалось низкое давление на севере Каспия. Над южной же его половиной преобладало антициклональное поле, что способствовало сохранению штормового западного и юго-западного ветра в период с 1-3 октября. Так как ровенные критерии опасных и особо опасных событий по восточной части моря отсутствуют, определение вида нагона сделано по характеру вызванных им последствий (ширина зоны затопления побережья и слой воды на затопленных участках). 30 сентября на акватории Северного Каспия наблюдался слабый ветер переменных направлений, в отдельные сроки до штиля. К 21 ч в северо-западной части Каспия (о Тюлений) ветер западной четверти усилился до 13-16 м/с. В это же время в Северной части Каспия сохранялся слабый ветер 1 октября и ночью 2 октября сохранялся ветер западных направлений 9-16 м/с, порывами до 18 м/с, на северо-востоке у о. Пешного ветер усилился до 8-12 м/с. Днем 2 октября и ночью 3 октября в западных районах Северного Каспия произошло ослабление ветра до 5-9 м/с. Днем 3 октября скорость ветра была 10-12 м/с, к вечеру скорость ветра по всей акватории уменьшилась до 5-9 м/с и больше не увеличивалась Резкое понижение уровня моря в северо-западной части Каспия началось в ночь с 30 сентября на 1 октября и продолжилось до 2 октября. В последующие сутки наблюдались незначительные колебания на общем низком фоне. В этот же период в северо-восточной части моря наблюдался особо опасный штормовой нагон. Уровень в п. о. Пешной к 9 ч утра 3 октября достиг максимальной отметки плюс 88 см. Ход уровня у о. Пешной характериз ет уровенный режим лишь на ограниченном участке побережья в районе дельты р. Урал и не показателен для остального протяженного участка северо-восточного побережья Каспия от Гогольской Косы до мыса Бурунчук, где величина нагона была значительно выше, чем в дельте р. Урал.
На рис. 3.4 показан временной ход наблюденного и расчетного уровня моря в 5 пунктах за весь период нагона. Устойчивый штормовой ветер западных направлений, наблюдавшийся на всей акватории Северного Каспия 1-3 октября, создал мощную нагонную волну и способствовал полному ее распластыванию на пологом северо-восточном побережье, что привело к его значительному затоплению. Зона затопления побережья в результате нагона 1-3 октября 1985 г. была определена по данным авиаразведки от 5 октября (через 2 суток после события) и по сообщениям из районов затопления. Было установлено, что на участке от Забурунской Косы до Маслинской Косы затопление составило 1-5 км, от Маслинской косы до дельты р Урал 10-15 км, далее на восток до Гогольской Косы 5-10 км. Максимальное затопление побережья 15-20 км наблюдалось на участке от Жилой Косы до Западной Прорвы. Южнее Западной Прорвы обследование побережья не проводилось и сведений из других источников не поступало.
Результаты испытаний метода гидродинамического прогноза
Метод краткосрочного гидродинамического прогноза штормовых нагонов в северной части Каспийского моря проходил испытания в Отделе морских гидрологических прогнозов ГМЦ Расчеты проводились для периода с 1 декабря 1999 г. по 31 декабря 2000 г. В качестве входной метеорологической информации использовались поля приземного атмосферного давления с дискретностью 6 ч, полученные по региональной модели атмосферы ГМЦ Задавался среднемесячный расход Волги для конкретного расчетного месяца Ледовые условия не учитывались. Верификация модели выполнялась на основе сравнения результатов расчета (значения уровня моря) с имеющимися данными наблюдений над уровнем моря в п. о. Тюлений. Результаты такого сравнения приведены на рис. 4.2. Оценка качества прогнозов уровня моря, составленных за период с декабря 1999 г. по декабрь 2000 г., приведена в п 5 2 гл. 5. По результатам испытаний установлено, что все показатели качества методических прогнозов штормовых нагонов выше соответствующих характеристик инерционных прогнозов Средняя оправдываемость методических прогнозов штормовых нагонов составила 74%, что отвечает требованиям (Методическиеуказания, 1991). 10 октября 2001 г. метод краткосрочного гидродинамического прогноза штормовых нагонов для северной части Каспийского моря (с заблаговременностью до 36 ч) был рассмотрен на заседании Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам (ЦМКП) Росгидромета. Комиссия рекомендовала ГМЦ России внедрить метод в качестве основного, включить его в Автоматизированную систему обработки оперативной информации (АСООИ) и результаты эксплуатации в оперативном режиме доложить на одном из следующих заседаний ЦМКП.
4.2.2. Оперативные прогнозы (май 2001 г. - декабрь 2003) Для реализации технологии были организованы 2 оперативные базы данных (БД) морских параметров. Первая содержит данные наблюдений над уровнем моря, поступающие в оперативном режиме в ГМЦ в коде КН-02 Вторая - прогностические поля уровня моря и течений на всех 19 расчетных горизонтах, прогноз ледовых условий и расход Волги (сброс с Волгоградского водохранилища, м3/с), а также информацию, необходимую для расчетов поля плотности и массив глубин. Все данные за исключением суточного расхода Волги, представлены как поля на сетке 126x216 узлов, расстояние между которыми 3 морские мили (5556 м). Поля плотности и скоростей течений даны на 19 горизонтах Поля уровня моря записываются каждые 3 ч, компоненты скоростей на всех 19 расчетных горизонтах - один раз за период прогноза на срок 12 ч, т.е. в БД есть два массива скоростей течений в сутки Период хранения данных в оперативной БД наблюдений - один календарный месяц, затем данные архивируются. Прогнозы хранятся 5 суток и затем уничтожаются. Расчет по модели производится два раза в сутки сразу после того, как в базе данных ГМЦ появляется прогноз по региональной метеорологической модели атмосферы.
Модель отлаживалась на PC с использованием удаленного доступа к оперативным базам данных и в 2001 г. была переведена на суперЭВМ CRAY Y-MP. Начиная с июня 2001 г. технология включена в Автоматизированную систему обработки оперативной информации ГМЦ сначала в тестовом, а затем в оперативном режиме. В качестве начальных условий по уровню моря и скоростям течений на всех расчетных горизонтах используются прогностические значения с соответствующей заблаговременностью (12 ч), полученные с предыдущего расчета.
На рис. 4.3. показаны прогностические (60 прогнозов) и фактические значения ровня в некоторых пунктах Каспийского моря в июне 2001 г. Статистические характеристики качества прогнозов уровня моря, составленных за период с июня 2001 г. по декабрь 2003 г., приведена в табл. 5.3-5.7 гл. 5 п. 5.2. Верификация метода проводилась на основе сравнения результатов прогностических расчетов с данными наблюдений на станциях Каспийского моря, передающих информацию в коде КН-02. Оценка надежности и точности проводилась в соответствии с действующими нормативными документами Росгидромета (Наставление..., 1982; Методические..., 1991). Средняя оправдываемость прогнозов штормовых нагонов в п. Тюлений за весь период наблюдений составила 74%, что соответствует требованиям нормативных документов. Средняя квадратическая ошибка прогноза уровня моря в п. о. Тюлений составляет 18-22 см в зависимости от заблаговременности, для п. Махачкала - 14-16 см. Надо отметить, что наибольшие ошибки в прогнозе уровня регистрируются в пунктах, которые находятся в непосредственной близости от дельт рек (о. Тюлений находится в зоне действия стока реки Волги, а о. Пешной в дельте реки Урал). Характеристики качества прогнозов, составленных в оперативном режиме за период с июня 2001 по декабрь 2003 г., приведены в п. 3.2.2 гл. 3. На рисунках в Приложении приведены наблюденные (точки) и прогностические (60 прогнозов на 48 ч., показанных кривыми) значения уровня моря в 16 пунктах Каспийского моря с июня 2001 г. по декабрь 2003 г. Значения уровня моря даны в сантиметрах относительно среднего уровня за 30 суток предшествующих дате прогноза (расчета). Так как прогнозы составляются в АСООИ дважды в сутки (т.е. каждые 12 ч), то каждой точке на оси абсцисс соответствует до 7 значений различной заблаговременности. Таким образом, рисунок позволяет оценить степень согласия расчетных и наблюденных значений уровня моря. 14 октября 2003 г. характеристики качества прогнозов уровня Каспийского моря, составленных в оперативном режиме, были рассмотрена на ЦМКП Росгидромета. Комиссия рекомендовала продолжить оперативную эксплуатацию технологии краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море в АСООИ ГМЦ и продолжить работу по развитию модели с целью повышения характеристик успешности прогнозов и расширению списка выходной продукции (Вербицкая и др., 2002; Verbitskaya et ah, 2003; Вербицкая и др., 2004). Для дальнейшего развития технологии представляется целесообразным 1 включить в расчеты данные по всем рекам, впадающим в Каспийское море; 2 разработать процедуру автоматического задания уровня Каспийского моря на основе усвоения данных наблюдений, поступающих в ГМЦ в оперативном режиме, которая может дать улучшение качества прогнозов с заблаговременностью 0, б (а может быть и 12) ч, 3. разработать и внедрить методику, позволяющую выпускать прогноз уровня моря в форме удобной (привычной) для потребителя, т.е. в абсолютных отметках (в случае Каспийского моря - относительно -28 м БС); 4. усовершенствовать применяемый программный комплекс с учетом возможностей современных суперкомпьютеров и разработать пакет для графической визуализации результатов расчетов. Повышение качества прогнозов параметров морской среды возможно также при уменьшении пространственного шага и дискретности по времени прогностической метеорологической информации. Для уточнения прогностических значений параметров морской среды возможна организация расчетов на вложенных сетках (Verbitskaya et ah, 2004).
