Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 623-640
Модернизированная система оперативного прогноза морского волнения Черноморского центра морских прогнозов
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-623-640Аннотация
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 ??(?), 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 ??(?) 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.
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)018<1775:TWMTGO>2.0.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)021<0782:ATGMFW>2.0.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
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 623-640
Updated System for the Sea Wave Operational Forecast of the Black Sea Marine Forecasting Center
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-623-640Abstract
Purpose. The work is aimed at updating the sea wave forecasting system developed in the Black Sea Marine Forecasting Center by including the block of wind wave forecast in the Sevastopol region and by improving the wave forecast accuracy using the proposed procedure for the SWAN model tuning.
Methods and Results. In the updated forecasting system, the possibility of performing the joint operational sea wave forecasts for the Black Sea and the Sevastopol region (with the 5 and 1 km spatial resolutions, respectively) became possible due to the nested grid method applied. To improve accuracy of the wave forecasts, the procedure for the SWAN model tuning was proposed. It is based on changing the parameterization of the surface friction coefficient ??(?), where V is the surface wind speed. This permits to reduce the deviations of the forecasted wave heights from those obtained from the satellite altimetry measurements. Efficiency of the proposed procedure was assessed through comparison of the forecasting results with the remote sensing data. It is shown that in the forecasts supplied with an optimal choice of functional dependence ??(?), the scattering index between the forecasted and measured values can be reduced by 20 %.
Conclusions. Represented is the updated system of the Black Sea Marine Forecasting Center intended for the joint operational sea wave forecasts in the Black Sea and in the Sevastopol region. The results of model validation have shown that the procedure proposed for tuning the SWAN model makes it possible to reduce the deviations of the forecasted wave heights from those measured by the sensors installed at the altimetry satellites
References
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)018<1775:TWMTGO>2.0.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)021<0782:ATGMFW>2.0.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. Matematicheskoe modelirovanie vetrovogo volneniya v Sevastopol'skoi bukhte / D. V. Alekseev [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2012. № 1. S. 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. Myslenkov S. A., Shestakova A. A., Toropov P. A. Chislennoe modelirovanie shtormovogo volneniya u severo-vostochnogo poberezh'ya Chernogo morya // Meteorologiya i gidrologiya. 2016. № 10. C. 61–71.
10. Divinskii B. V., Kos'yan R. D. Volnovoi klimat pribrezhnoi zony Krymskogo poluostrova // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 2. S. 101–110. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-101-110
11. Sistema operativnogo prognoza vetrovogo volneniya Chernomorskogo tsentra morskikh prognozov / Yu. B. Ratner [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 5. P. 56–66. doi:10.22449/0233-7584-2017-5-56-66
12. Operativnaya sistema diagnoza i prognoza gidrofizicheskikh kharakteristik Chernogo morya / G. K. Korotaev [i dr.] // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2016. T. 52, № 5. S. 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. Ivanchik A. M. Upravlenie funktsionirovaniem avtomatizirovannykh sistem morskogo prognoza // Sovremennye problemy gumanitarnykh i estestvennykh nauk : materialy XX mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 2–3 oktyabrya 2014 g. M. : Nauchno-informatsionnyi izdatel'skii tsentr «Institut strategicheskikh issledovanii», 2014. S. 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. Eksperimental'noe issledovanie koeffitsienta soprotivleniya morskoi poverkhnosti pri sil'nykh vetrakh / I. A. Repina [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2015. № 1. P. 53–63. doi:10.22449/0233-7584-2015-1-53-63
26. Sistema prognozirovaniya vetrovogo volneniya v Mirovom okeane i moryakh Rossii / A. A. Zelen'ko [i dr.] // Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta. M., 2014. Vyp. 215 : Issledovaniya okeanov i morei. S. 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. Sistema prognozirovaniya kharakteristik vetrovogo volneniya i rezul'taty ee ispytanii dlya akvatorii Azovskogo, Chernogo i Kaspiiskogo morei / B. S. Strukov [i dr.] // Rezul'taty ispytaniya novykh i usovershenstvovannykh tekhnologii, modelei i metodov gidrometeorologicheskikh prognozov : Informatsionnyi sbornik / pod redaktsiei kand. geogr. nauk A. A. Alekseevoi. M. ; Obninsk : IG–SOTsIN, 2013. № 40. S. 64–79. URL: http://method.meteorf.ru/publ/sb/sb40/sb40.pdf (data obrashcheniya: 20.09.2021).
29. Stolyarova E. V., Myslenkov S. A. Prognoz vetrovogo volneniya vysokogo prostranstvennogo razresheniya v Kerchenskom prolive // Trudy gidrometeorologicheskogo nauchno-issledovatel'skogo tsentra Rossiiskoi Federatsii. M. : TRIADA LTD, 2015. Vyp. 354. C. 24–35. URL: http://method.meteorf.ru/publ/tr/tr354/tr354.pdf (data obrashcheniya: 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
