Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗА КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ МОРЯ И ТЕЧЕНИЙ
10
1.1. Основные факторы, обуславливающие сгонно-нагонные колебания уровня моря и
течений 11
Физико-статистические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений, 14
Прогноз колебаний уровня моря и течений на основе метода спектральной регрессии.. 22
Гидродинамические методы расчета и прогноза колебаний уровня моря и течений 26
Одномерные модели 27
Двумерные модели 28
Трехмерные модели 32
1.4.4. Оперативные гидродинамические технологии прогноза колебаний уровня моря и
течений 34
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИЗУЧЕННОСТЬ
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА КАСПИЙСКОГО МОРЯ 43
Общие сведения об акватории 43
Развитие наблюдательной сети 46
Метеорологические условия 48
Уровень моря 49
Сгонно-нагонные колебания уровня моря 52
Сезонная изменчивость уровня моря 60
Среднегодовой уровень Каспийского моря 64
Пространственная изменчивость среднего уровня Каспийского моря 66
2.5. Течения 73
ГЛАВА 3. ТРЕХМЕРНАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ БАРОКЛИННАЯ МОДЕЛЬ 76
Уравнения движения 76
Коэффициенты турбулентного перемешивания 77
Граничные условия 78
Расчетная сетка 78
Разностная схема 80
Алгоритм осушения и затопления прибрежных территорий 83
Начальные условия 84
3.8. Расчеты по историческим данным 85
Особо опасный нагон 28-29 декабря 1981 г 86
Особо опасный нагон 1-3 октября 1985 г 89
Особо опасный нагон 12-14 октября 1987 г 92
Особо опасный нагон 29-30 октября 1987 г 95
Особо опасный нагон 17-18 апреля 1989 г 95
Особо опасный нагон 13-14 декабря 1990 г 98
Особо опасный нагон 12-16 марта 1995 г 101
Анализ результатов расчетов по историческим данным 104
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ КРАТКОСРОЧНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА
УРОВНЯ И ТЕЧЕНИЙ В КАСПИЙСКОМ МОРЕ 105
4.1. Методика прогноза уровня и течений в Каспийском море 105
Метеорологические данные 106
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
ГЛАВА 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
Методика оценки качества прогнозов колебаний уровня моря 120
Методика оценки качества прогнозов скоростей течений 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
ЛИТЕРАТУРА 133
ПРИЛОЖЕНИЯ 147
Введение к работе
Морская гидрометеорологическая информация представляет собой сведения о прошлом и будущем состоянии морей и океанов, подготовленные на основе данных наблюдений и соответствующих методов диагноза и прогноза океанографических характеристик (Абузя-ров и др., 1988).
Одной из важнейших проблем современной океанологии является изучение изменчивости океана и ее прогноз. Для успешной работы организаций, связанных с морем, необходим прогноз всех характеристик режима моря: температуры воды, солености, ледовых явлений, уровня моря, течения и волнение.
Гидрометеорологическое обеспечение морских отраслей экономики страны производится в соответствии с их запросами и производственными интересами. Возрастающее в последние десятилетия освоение энергетических и биологических ресурсов Мирового океана формирует особые требования к прогнозам важнейших динамических характеристик морской среды, в первую очередь таких, как уровень моря, волнение, течения.
Каспийское море - уникальный водный объект на земном шаре. Являясь по сути озером, - это крупнейший, изолированный от Мирового океана водоем, северная часть которого существенно мелководна со средней глубиной около 4,5 м, тогда как средняя глубина южной части около 344 м, а максимальная - 1025 м. Вследствие большой протяженности с севера на юг метеорологические условия в разных частях моря также сильно различаются.
Этот регион в последние годы стал, в определенной степени, объектом пристальных политических и экономических интересов различных государств (и не только прикаспийских стран). Отчасти это связано с его географическим положением, разведанными запасами углеводородного сырья (нефть и газ) и биологическими ресурсами (ценные породы рыб).
Акватория Северного Каспия в значительной мере подвержена воздействию сгонно-нагонных колебаний уровня моря, сопровождаемых интенсивными течениями. В случаях экстремальных штормовых нагонов, приносящих значительные разрушения на побережье (например, штормовые события 1952 и 1995 гг., приведшие к катастрофическим последствиям), нагонные волны проникают далеко за береговую черту (иногда на десятки километров, затапливая огромные пространства суши). Обширные мелководья, низкие пологие берега при сильных ветрах способствуют развитию штормовых событий, особенно в осенний и весенний сезоны. Зимой быстрому росту нагонов отчасти препятствует ледяной покров. Поскольку побережье Каспийского моря густо населено, катастрофические нагоны могут при-
водить к весьма тяжелым последствиям и человеческим жертвам. Прогноз сгонов (их величина обычно превышает величину нагонов) также важен, поскольку, помимо угрозы безопасному мореплаванию, угрожает нормальной работе водоемов-охладителей атомных станций расположенных на побережье.
Очевидно, что среди морских прогнозов на Каспии наиболее важными являются оперативные прогнозы уровня моря, для выпуска которых до нынешнего времени использовались регрессионные методы.
В процессе распада СССР единая государственная наблюдательная сеть разделилась на несколько независимых подразделений, принадлежащих бывшим республикам - ныне независимым государствам. Ухудшение экономического положения на пространстве СНГ в 90-е годы, естественно, отразилось на наблюдательных системах прикаспийских стран. Значительная часть гидрометеорологических станций была закрыта. Качество наблюдений ухудшилось. Практически прекратилось обновление приборного парка морских гидрометеорологических станций. Все это не могло не сказаться на качестве и количестве поступающей оперативной гидрометеорологической информации, и, в свою очередь, на качестве прогнозов, поскольку для регрессионных методов, основанных на уравнениях связи для конкретных пунктов, чрезвычайно важно своевременное поступление срочных данных об уровне моря и метеорологической обстановке в регионе.
Начавшееся интенсивное освоение месторождений нефти и газа на шельфе Каспийского моря также диктует свои специальные требования к гидродинамическим прогнозам. Большинство разведанных месторождений не имеет постоянных регулярных морских наблюдений над уровнем моря и, естественно, не обеспечены оперативной информацией о его колебаниях в данной точке. Соответственно, регрессионные методы не могут использоваться. В случае аварийных разливов нефти или других загрязнителей для принятия мер по их сбору и ликвидации последствий в целях уменьшения ущерба окружающей среде, необходима оперативная прогностическая информация о ветре и течениях, причем не только в конкретной точке или районе, но и на достаточно обширной акватории.
В этой ситуации единственным эффективным средством получения информации является численное моделирование и разработанные на его основе гидродинамические методы (расчета) прогноза колебаний уровня моря и течений. В индустриально развитых странах такие прогностические методы, развитые до оперативных технологий, успешно используются для обеспечения безопасности мореплавания и предупреждения населения об опасных подъемах и спадах уровня моря, а также минимизации негативных последствий стихийных природных явлений.
В бывшем СССР и позднее в России делались попытки использования гидродинамических моделей колебаний уровня моря в прогностических целях, однако они не были доведены до практического использования в оперативных морских прогнозах (Вольцингер, Пяс-коеский,1977; Вольцингер Симуни, 1963), либо имели определенные ограничения по спектру воспроизводимых колебаний уровня моря (Ашик, 2002). Соответственно отсутствовали и эффективные методы оценки качества таких прогнозов. Таким образом актуальность диссертации обусловлена необходимостью развития этого направления до практического использования в оперативных технологиях морских прогнозов России.
Разработка гидродинамического метода краткосрочного прогноза колебаний уровня моря и течений с необходимой для практики заблаговременностью возможна на основе оперативного метеорологического прогноза, доступных в виде цифровых полей атмосферного давления. Поэтому за основу входной информации принимаются прогностические данные атмосферного давления, поступающие из региональной метеорологической модели Гидрометцентра России (ГМЦ), удовлетворяющей требованиям необходимой заблаговременности и дискретности по пространству и времени (Лосев, 2000). На основе этих данных рассчитываются по специально разработанной методике поля ветра, которые наряду со сведениями о начальном положении уровенной поверхности Каспия, расходе рек и испарении, сезонной изменчивости термохалинной структуры вод, батиметрии, топографии прибрежной зоны, положения кромки льда 50% сплоченности, значении среднего уровня моря в конкретном в пункте служат входной информацией для гидродинамического краткосрочного прогноза колебаний уровня моря и течений. Адекватный учет многообразия природных факторов, имеющих существенную временную и пространственную изменчивость, позволяющий прогнозировать штормовые колебания уровня моря и течений на весьма обширной акватории определяет научную новизну работы.
Основной целью диссертации являлась разработка гидродинамического метода краткосрочного прогноза колебаний уровня и течений в Каспийском море с заблаговременностью 48 ч. В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
Изучение особенностей короткопериодных (от нескольких часов до нескольких суток) колебаний уровня моря и течений, их формирования и трансформации на мелководье.
Адаптация трехмерной бароклинной гидродинамической модели с учетом осушения и затопления прибрежных территорий к акватории Каспийского моря.
Выполнение специальных численных экспериментов по моделированию и сравнению с наблюдениями экстремальных исторических штормовых ситуаций на Каспии.
Разработка методов и оптимального программного обеспечения обработки входной прогностической метеорологической и гидрологической информации для расчета и интерполяции приводных (приземных) значений атмосферного давления, касательного напряжения ветра, расхода рек, испарения по акватории, положения кромки льда, топографии прибрежной зоны и др.
Представление результатов прогнозов (временные ряды значений уровня моря и течений в конкретных пунктах и цифровые поля указанных характеристик).
Разработка методов оценки качества морских гидродинамических прогнозов, включающих необходимые статистические оценки и графическое представление с учетом требований действующих нормативных документов и опыта индустриально развитых стран.
Проведение испытаний прогностического комплекса «Метеорологическая модель -Морская гидродинамическая модель» в течение нескольких лет в рамках Автоматизированной системы обработки оперативной информации ГМЦ.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
В первой главе, носящей обзорный характер, приведены существующие методы расчета и прогноза краткосрочных колебаний уровня моря и течений. Показано, что до нынешнего времени в оперативной практике Гидрометслужбы России использовались в основном физико-статистические методы прогноза уровня моря, имеющие определенные ограничения по применению (необходимость наличия в конкретном пункте, для которого составляется прогноз, рядов качественных наблюдений над уровнем моря). Прогноз течений практически не применялся в России. С учетом существующих ограничений физико-статистических методов обоснована необходимость использования численного моделирования, в связи с чем более подробно рассмотрены гидродинамические модели колебаний уровня моря и течений, используемые в научных целях и практических расчетах, а также оперативные технологии прогноза, применяемые в индустриально развитых странах.
Во второй главе приведены общие сведения о физико-географических условиях, присущих Каспийскому морю. Рассмотрены также основные факторы, обуславливающие колебания уровня моря и течений на Каспии.
Трехмерная бароклинная модель со свободной поверхностью, используемая для расчетов (прогноза) уровня моря и течений, детально рассмотрена в третьей главе. Описан алгоритм учета осушения и затопления прибрежных территорий, который позволяет также проводить расчеты при различных отметках стояния среднего уровня Каспийского моря. Выполнены расчеты по историческим экстремальным штормам и приведены результаты сравнения с наблюдениями.
В четвертой главе подробно изложен разработанный метод гидродинамического краткосрочного прогноза колебаний уровня моря и течений. Описаны входные данные и процедура работы в оперативном режиме. Особое внимание уделялось методам обработки входной метеорологической и гидрологической информации. Разработанный метод проходил испытания, которые показали, что статистические характеристики качества прогнозов уровня моря удовлетворяют требованиям действующих в РФ нормативных документов.
Пятая глава посвящена разработке методов оценки качества краткосрочных прогнозов колебаний уровня моря и течений. Поскольку такие гидродинамические прогнозы до сих пор практически не использовались в России в оперативном режиме, предлагается собственный подход, опирающийся на статистические оценки с учетом существующих российских нормативных требований к морским прогнозам и сложившейся практикой использования оперативных технологий в индустриально развитых странах.
В заключении приведены основные выводы и результаты работы.
При завершении работы получены следующие основные результаты
Реализована гидродинамическая бароклинная модель, которая была верифицирована на основе данных наблюдений на акватории Каспия, и позволяет в оперативном режиме получать прогнозы колебаний уровня моря и течений.
Обоснована необходимость учета процедуры осушения и затопления прибрежных территорий.
Впервые в РФ разработан и внедрен в оперативную практику метод гидродинамического краткосрочного прогноза колебаний уровня моря и течений для акватории Каспийского моря, основанный на оперативном метеорологическом прогнозе.
Разработаны методы оценки качества гидродинамических прогнозов уровня моря и
течений в соответствии с требованиями действующих нормативных документов Гидромет-
службы и практикой представления морских оперативных гидродинамических прогнозов в
индустриально развитых странах. Результаты проведенных испытаний метода показали, что
качество прогнозов уровня моря удовлетворяет необходимым требованиям, предъявляемым
к морской прогностической продукции.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Для акватории Каспийского моря реализована гидродинамическая бароклинная модель, учитывающая многообразие природных факторов, определяющих динамику течений и колебаний уровня синоптического масштаба.
Разработан метод гидродинамического краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море, важной особенностью которого является возможность получения пространственных оценок затапливаемых и осушаемых территорий.
Метод оценки качества прогнозов уровня моря в соответствии с действующими нормативными документами Росгидромета.
При выполнении работы автор пользовался помощью и советами сотрудников Лаборатории морских прикладных исследований, а также коллег из других подразделений Гидрометцентра России. В действующей оперативной технологии прогноза были использованы их программные разработки, методические и технические достижения. Автор выражает всем искреннюю благодарность. Также хочется выразить благодарность сотрудникам Отдела морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра России за поддержку и ценные советы в ходе обсуждения работы.
Особо хочу поблагодарить за ценные и конструктивные замечания оппонентов - доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией Института водных проблем РАН Зырянова Валерия Николаевича и кандидата физико-математических наук, сотрудника Института вычислительной математики РАН Дианского Николая Ардалионовича
