Электронный аналог печатного издания, утвержденного 22.06.09

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

ПО РЕЖИМУ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ ЯПОНСКОГО И КАРСКОГО МОРЕЙ

НД No 2-029901-007

Санкт-Петербург

2009

Справочные данные по режиму ветра н волнения Японского и Карского морей содержат методику расчетов и сведения, необходимые для правильной классификации судов по районам плаваний при разработке норм и правил Российского морского регистра судоходства, для проектирования судов и сооружений, оценки условий плавания, планирования работ в открытом море и на шельфе, а также для решения других вопросов, связанных с судоходством, мореплаванием и проектированием средств океанотехники

Работа выполнена на кафедре океанологии Санкт-Петербургского Государственного Университета и в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО) при участии ООО «ИНФОМАР»

Авторы и ответственные исполнители работы: Л И Лопатухнн, А.В. Бухановский, Е С. Чернышева

С Российский морской регистр судоходства, 2009

ситуациях. ’>тот вывод справедлив практически для любой акватории и подтвержден на ряде международных форумов [16]. Поэтому для создания информационной базы полей ветра для расчета статистических характеристик волн в различных диапазонах изменчивости, включая экстремумы, возможные I раз в заданное число (//) лет, необходим комплексный подход, учитывающий физические особенности моделируемых процессов и специфику данных наблюдений. Расчет приводного ветра выполняется по градиентному ветру с учетом специфики подстилающей поверхности В общем случае скорость градиентного ветра V_g выражается через поле атмосферного давления Г соотношением:

+ /Л = 0,

r * * р гп

где /_к = 2Qsin(q>) - параметр Кориолиса: р - плотность воздуха; дР/дп - градиент атмосферного давления: Q - угловая скорость вращения Земли; ф - широта места: знак «+» - для циклонов, знак «-» - для антициклонов.

Наиболее дискуссионной величиной в (2.2-1) является радиус кривизны изобар R. так как для его определения необходимо знать геометрический центр барического образования В случае, когда размеры барических образований сопоставимы с площадью расчетной области, а также при наличии вторичных барических образований, оценки R, основанные только на геометрических особенностях поля давления, могут сильно отличаться от реальных значений Пространственный шаг сетки и степень ее регулярности также влияют на качество вычисления градиента дР/дп в (2.2-1). Погрешность при расчете атмосферного давления в доли процента может привести к ошибке в скорости ветра, составляющей 10 - 20 % . а при расчете ветровых волн - к еще большей ошибке. Ошибка в оценке давления или ветра в некоторой области акватории прпвод1гт к неодинаковым ошибкам в различных точках волнового поля. Волнение в расчетной точке определяется интегральным эффектом эволюции в пространстве и времени, поэтому не всегда просто выявить источник ошибок.

I Iomiimo традиционного подхода на основе (2.2-1) для расчета скорости ветра по полям атмосферного давления используются также локальные модели ветра, учитывающие специфику конкрегной акватории. Для одной и той же акватории может быть несколько моделей, что свидетельствует о невозможности создания уникальной региональной модели Сопоставление результатов расчетов по набору локальных моделей для одной и той же акватории, нс всегда позволяет придти к однозначным выводам [17]. Следовательно, использование локальных моделей ветра не является единственно верным путем увеличения достоверности информации о полях ветра над морем

А7/. шбровка полей приводного ветра по данным наблюдений. Переход от скорости градиентного ветра (2.2-1) к приводному ветру на высоте 10 м осуществляется по формуле V = kV_g, где к - коэффициент перехода, зависящий от набора характеристик

стратификации атмосферы в слое непосредственно над подстилающей поверхностью.

Во избежание накопления ошибок при расчете климатических характеристик волнения приход1ггся по данным давления из массива реаналнза рассчитывать поля приводного ветра, применяя для получения к независимые измерения ветра. Эта процедура в иностранной литературе носит название калибровки (calibration). Процедуру калибровки можно применять и к значениям скорости приводного ветра, полученным непосредственно из массивов данных реанализа, поскольку они также требуют уточнения структуры полей ветра в наиболее сильных штормах

При систематическом отличии данных реанализа от наблюдений и высокой статистической связи между ними калибровка выполняется с помощью регрессионной модели, коэффициенты которой идентифицируются по высококачественным данным измерений, т е. данные по ветру в наиболее сильных штормах уточняются по измерениям на гидрометеорологических станциях (ГМС). Этот подход использован во многих работах (см., например. [18 - 20]).

Уравнение регрессии формулируется в векторной форме для компонентов V = (i/,v) одновременно. В изотропном случае, когда данные в одни и те же сроки различаются по модулю, но близки по направлению, эта модель упрощается \У\ = -Ju² + v² и направления

<p = arctan —. Математическое ожидание (непараметрнческая регрессия) может быть

аппроксимирована полиномом в виде

данных наблюдений для калибровки могут быть использованы обобщенные статистические данные, приведенные в различных атласах и справочных пособиях. В этом случае регрессионное выражение для коэффициента к строится на основе сопоставления квантилей режимных распределений по данным реанализа и иным источникам Рассмотренный подход может быть использован для пространственно квазиоднородных районов. Однако в ряде случаев степень различия данных реанализа и наблюдений сильно изменяется по пространству [1, 15, 21, 22]. Задача консолидации данных из разных источников (ГМС. спутниковые, судовые данные) в единый информационный массив решается с использованием фильтров Калмана [23] учитывающих особенности процесса и

12

специфику данных Такой подход был использован, в частности, при составлении справочных данных по режиму ветра и волнения на Каспийском море [11]. Результатом процедуры усвоения данных измерении ветра (S) в массиве ветра из реанализа (R) является новый массив полей ветра V'(rj) на регулярной сетке {г,}. / = 1,//, в моменты времени , оптимально согласующийся с обоими источниками: У_я(г,/)_уУ₅(г_у1).

На рис. 2.2-1 приведена общая схема подготовки информационного массива полей ветра, использующая массивы данных реанализа атмосферного давления и (или) ветра, данные попутных судовых наблюдений, измерения на ГМС и статистические справочные данные. Очевидно, что при использовании регрессионных соотношений схема рис. 2.2-1 существенно упрощается

13

Рис. 2.2-2 Квантмльные биплоты режимных распределении модуля скорости ветра по данным реанализа (ось абсцисс) и полученных при калибровке (ось ординат). Японское море: а - северная часть, б - центральная часть, в - южная часть; 1 - характерные квантили (%); 2 - калибровочная кривая

На рис. 2.2-2 приведены кваитильные диаграммы характерных квантилей (показано режимное распределение скорости ветра, %) на высоте Юме осреднением 10 мин, полученных непосредственно по данным реанализа (У — по оси абсцисс,), и путем процедуры калибровки (по оси ординат. У*). Пунктиром на рис. 2.2-2 нанесена калибровочная кривая, устраняющая систематическую ошибку.

15

На рис. 2.2-3 результаты сопоставления показаны в виде иных, чем на рис. 2.2-2, статистик. На рис 2.2-3(а, б) калибровочная кривая показана сплошной линией. Из графиков 2.2-2 и 2.2-3 видно занижение скорости ветра по рсаналнзу относительно скорости измеренного ветра В дальнейшем, при расчетах волнения данные реанализа были исправлены с учетом калибровки.

Сетка данных реаналнза, над которыми выполнялись процедуры усвоения и

калибровки, имеет достаточно большой пространственный шаг. Поэтому при подготовке

данных по режиму ветра для расчетов по гидродинамическим моделям необходимо иметь

значения полей скорости ветра на более частой пространственно-временной сетке, чем

исходная. Интерполяция вектора скорости ветра в узлы регулярной пространственной

16

СОДЕРЖАНИЕ

Часть 1. Методы расчета режима ветра н волнения...............................................5

Введение..........................................................................................................6

1    Краткая характеристика справочных данных по режиму ветра и волнения Японского и

Карского морен в соответствии с требованиями    Регистра.................................7

2    Подходы к созданию нового поколения справочных данных по режиму ветра

и волнения........................................................................................................................8

2.1    Справочные данные в традиционном представлении..............................................8

2.2    Входные данные для расчетов режима ветра и волнения......................................10

2.3    Гидродинамические модели, используемые для расчета волнения..........................17

2.4    Компьютерная реализация расчетов режима ветра и волнения..............................21

3    Основные расчетные параметры волнения ..................................................................24

3.1    Спектральные характеристики волнения...............................................................25

3.2    Высоты волн..............................................................................................................28

3.3    Периоды видимых волн...........................................................................................30

3.4    О соотношении между высотами и периодами волн...............................................32

3.5    Длины волн и высоты их гребней...........................................................................34

3.6    О необычных волнах в океанах и морях................................................................36

4    Волновой климат (режимные характеристики волнения)........................................45

4.1    Оперативные статистики..........................................................................................46

4.2    Экстремальные статистики......................................................................................65

5    Сопоставление некоторых расчетных характеристик волнения

с данными измерений......................................................................................................74

5.1    Японское море...........................................................................................................74

5.2    Карское море..............................................................................................................81

Литература....................................................................................................84

Часть 2. Справочные данные по режиму ветра и волнения Японскою и Карского морей ...................................................................89

Введение

3

Японское море................................................................................................94

Краткая географическая характеристика Японского моря...........................................94

Карты экстремальных статистик ветра и волн (направления - «откуда»)........................96

Карты оперативных статистик ветра и волн (направления - «откуда»).........................101

Характеристики спектральной структуры волнения (в целом для моря).......................103

Таблицы статистик ветра и волн Японского моря (направления - «откуда»)..................114

Район 1 (Татарский пролив)...............................................................................114

Район 2 (Северная часть моря)............................................................................140

Район 3 (Западная часть моря)............................................................................166

Район 4 (Восточная часть моря)...........................................................................191

Район 5 (Южная часть моря)..............................................................................222

Карское море..................................................................................................250

Краткая географическая характеристика Карского моря...........................................250

Карты экстремальных статистик ветра и волн (направления - «откуда»).......................254

Карты оперативных статистик ветра и волн (направления - «откуда»).........................259

Характеристики спектральной структуры волнения (в целом для моря)........................261

Таблицы статистик ветра и волн Карского моря (направления - «откуда»)....................272

Район 1 (Северо-восточная часть моря)................................................................272

Район 2 (Северная часть моря)...........................................................................289

Район 3 (Юго-восточная часть моря)....................................................................306

Район 4 (Северо-западная часть моря).................................................................322

Район 5 (Южная часть моря).............................................................................339

4

МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕЖИМА ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ

5

Введение

Ветровое волнение относится к геофизическим процессам мелкомасштабного диапазона изменчивости с характерными временными масштабами от долей до нескольких десятков секунд и пространственными масштабами от сантиметров до нескольких сотен метров Размеры волн определяются набором внешних факторов (условий волнообразования), в частности, скоростью ветра, продолжительностью его действия, разгоном и т. п. Условия волнообразования любой акватории не остаются неизменными, изменения связаны с прохождением барических образований (синоптическая изменчивость), годовой р1ггмикой (сезонная изменчивость) и долгопериодными вариациями циркуляционных процессов (межгодовая изменчивость) Такая разномасштабная изменчивость позволяет определить режим ветра и волнения (или ветро-волновой климат) как ансамбль состояний волновой поверхности с учетом указанной изменчивости В справочниках и пособиях она представлена различными статистическими характеристиками: климатическими спектрами волн с указанием их вероятности, режимными распределениями и их числовыми характеристиками (например, средними значениями, дисперсией, квантилями и т. п.).

Пространственная и временная детализация режимных характеристик, полнота и разнообразие набора статистик зависят от целевой направленности изданий При традиционном представлении информации (в печатном виде) невозможно создать пособие, удовлетворяющее всех потребителей. Такие потребности в большей степени может удовлетворсть электронносправочная система по ветру и волнению океанов и морей Однако на пути создания такого информационного портала встречаются значстельные трудности, а мировой опыт показывает, что не всегда полученный результат оправдывает затраченные средства Например, при проектировании сооружения, которое должно эксплуатироваться в конкретной точке моря, весь набор статистических характеристик необходимо рассчстывать заново

Исходя ю потребностей и возможностей Российского морского регистра судоходства¹, целесообразно ограничиться сведениями о ветре и волнении для конечного числа однородных районов в каждой из рассматриваемых акваторий. При районировании соблюдался разумный компромисс между числом районов, достоверностью информации и объемом настоящих Справочных данных, в первую очередь связанным с количеством публикуемых статистических данных (рисунков и таблиц). Пространственная изменчивость параметров ветра и волнения представлена на картах второй части Справочных данных Некоторые карты (например, по совместным экстремумам ветра и волн) являются уникальными и представлены впервые в мире

В дальнейшем - Регистр или PC.

Сложившаяся практика проектирования и эксплуатации судов и средств океанотехникн разделяет режимные характеристики ветра и волн на экстремальные и оперативные Первые определяют так называемый режим выживания сооружения или судна, а вторые - режим их повседневной эксплуатации. Использованные подходы и методы расчета режимных (климатических) характеристик ветра и волнения изложены в первой части настоящей работы. В этой части, по возможности, не повторяются аналогичные разделы Справочных данных издания 2006 г [1], однако неизбежные повторы, необходимые для целостного восприятия информации без обращения к изданию 2006 г, могут иметь место.

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ ПО РЕЖИМУ ВЕТРА II ВОЛНЕНИЯ ЯПОНСКОГО И КАРС КОГО МОРЕЙ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ РЕГИСТРА

Регистр традиционно уделяет внимание внешним гидрометеорологическим условиям, в которых эксплуатируются поднадзорные ему объекты (суда и сооружения) Наибольший интерес представляют сведения о ветрах и волнении океанов и морей. Регистр СССР в 1962 г. подготовил и издал справочные данные по морям, омывающим берега СССР [2], в 1965 г. вышло первое издание справочных данных по ветру и волнению океанов [3]. В 1974 г. Регистром подготовлено и издано справочное пособие по режиму ветра и волнения в океанах и морях [4]. Это пособие до сих пор не потеряло своей актуальности и используется при решении многочисленных прикладных задач, например, для проектирования судов, их классификации по районам плавания, планирования работы морского и промыслового флотов и т.д Начиная с 70-х годов, в связи с освоением шельфа морей России, Регистром были изданы Правила для плавучих буровых установок [5], дополнения к ним [6] и, наконец. Правила для плавучих буровых установок и морских стационарных платформ (7).

В 80-е годы Главным управлением навигации и океанографии Министерства обороны СССР были изданы Гидрометеорологические карты морей [8]. Гидрометеорологической службой были опубликованы Справочники по шельфу [9] и по проекту «Моря СССР» [10]. В этих изданиях обобщены ранее опубликованные сведения о гидрометеорологических характеристиках и запросы PC не учитывались. Изданные за рубежом справочные пособия в основном или отражают самые общие закономерности режима ветра и волнения или относятся к конкретному нефтегазоносному месторождению.

Сведения, представленные в Справочных данных издания 1974 г., требуют обновления. По этой причине PC, начиная с 2000 г., возобновил работы по созданию справочных данных по режиму ветра и волнения на морях. В 2003 г. были изданы Справочные данные по режиму ветра и волнения Баренцева. Охотского и Каспийского морей [II]. В 2006 г. опубликованы Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного. Черного, Азовского и Средиземного морей [I]. Справочные данные 2003 и 2006 гг. представляют собой пособия нового поколения, учитывающие последние достижения в исследовании ветрового волнения, численного моделирования и компьютерных технологий В настоящем издании, являющемся результатом продолжения указанных работ, представлены справочные данные по Японскому и Карскому морям

В настоящее время потребности мореплавания, судостроения и освоение шельфа повысили требования к составу, полноте и достоверности сведений о режиме ветра и волнения В то же время появилась возможность в значительной степени удовлетворить эти потребности за счет использования современной информационной базы данных, совершенствования и разработки методов гидродинамического и вероятностного моделирования полей ветра и волн, использования высокопроизводительных вычислений.

2 ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ ПО РЕЖИМУ ВЕТРА II ВОЛНЕНИЯ

Ветровое волнение является вероятностным процессом, свойства которого описываются набором статистических характеристик (параметров). Для описания режима волнения необходимо статистическое обобщение (вероятностное моделирование) многолетних данных по ветру и волнению

2.1 Справочные данные в традиционном представлении

Первые Справочные данные по режиму волнения были основаны на визуальных наблюдениях Они появились после Второй мировой войны, сыграли большую роль в понимании волнового климата и не потеряли своей актуальности до настоящего времени. Последние Справочные данные, базирующеся на данных визуальных наблюдений, были изданы в Великобритании в 1986 г. не только в печатном виде, но и в форме компьютерной информационной системы В опубликованных пособиях по данным визуальных наблюдений в виде таблиц и [рафиков представлены сведения о повторяемости волнения

8

по градациям для отдельных районов, месяцев или сезонов, приведены другие элементарные статистические данные (средние значения, параметры распределений и т.п.). Такие сведения называют также традиционной или рутинной (routine) статистикой. С середины 70-х годов XX века при составлении справочников используются инструментальные измерения волнения с автоматических буев и буровых установок. Эти данные относятся в основном к прибрежным районам и не отражают режим волнения в открытых районах океанов и морей. Измерения применяются для проверки результатов расчетов по численным моделям волнения и решения специфических задач исследования волнового климата В 1996 г. появились первые атласы по режиму волнения по спутниковым данным Не останавливаясь на многочисленных специфических методических вопросах, возникающих при создании подобных справочников, отметим, что их данные отражают пространственно-временную изменчивость режима волнения больших акваторий.

В настоящее время в мировой практике для расчета волнового климата используется подход, основанный на получении режимных сведений путем расчетов по гидродинамическим моделям Он получил признание во всем мире (в том числе в России (1, II, 12]), одобрен и реализован при решении многочисленных научных и прикладных задач. Возможность его использования оправдана тем, что имеются большие массивы входных данных для расчетов волнения, а модели, описывающие зарождение, распространение и затухание волн, позволяют определять различные статистические характеристики волнения с приемлемой точностью Используемые гидродинамические модели волнения основаны на решении уравнения баланса волновой энергии в спектральной форме, поэтому их называют спектральными, а волновой климат на основе результатов такого моделирования — «спектральным волновым климатом». Переход от спектров волнения к видимым элементам волн (высотам, периодам и т.п.) осуществляется по простым соотношениям через спектральные моменты (см. разд. 3).

Принципиальная схема расчета волнового климата включает следующие основные этапы:

•    подготовку входной информации (поля ветра) для расчетов волнения;

•    расчет (hindcasting) спектров волнения и видимых элементов волн в узлах регулярной пространственно-временной сетки по гидродинамической модели;

•    статистическое обобщение результатов расчетов волнения посредством вероятностных моделей.

Каждый этап может быть подразделен на различное число ступеней.

9

2.2 Входные данные для расчетов режима ветра и волнения

Входными данными для расчета ветрового волнения являются поля ветра. Качество информации о скорости ветра над подстилающей поверхностью (обычно - на высоте 10 м над уровнем моря) является определяющим как для расчета режимных характеристик ветра, так и для получения информации о режимных характеристиках волнения путем расчета по гидродинамическим моделям. Реальная возможность применения модельных расчетов для описания климатических характеристик ветрового волнения (так же, как других характеристик динамики моря) связана с завершением ресурсоемких международных и национальных проектов по реанализу метеорологических данных. Под реанализом понимается восстановление пространственно-временных полей метеорологических характеристик в узлах регулярной сетки по данным наблюдений с использованием диагностических моделей динамики атмосферы. Эта процедура выполняется практически для всех метеорологических величин, включая атмосферное давление, температуру воздуха, скорость ветра, осадки, облачность, влажность и т.п В настоящее время наиболее известны проект реанализа NCEP/NCAR, созданный в США для всего Земного шара, а также аналогичные проекты ERA-15 и ERA-40, реализованные Европейским центром среднесрочных метеопрогнозов (ECMWF). Для отдельных районов существуют региональные разработки с большей пространственной детализацией, например, реанализ JRA25, созданный Национальной метеослужбой Японии, шведский массив SMHI для акватории Балтийского моря и т.п. Массив данных реанализа NCEP/NCAR содержит поля метеорологических характеристик на системе горизонтов в узлах регулярной сетки (в основном 2,5 х 2,5°), начиная с 1948 г. с шагом по времени 6 ч; данные ежемесячно обновляются и находятся в свободном (для исследовательских целей) доступе в сети Интернет

Вопросы применения данных реанализа полей атмосферного давления и ветра для расчетов волнения и статистического описания волнового климата рассмотрены в достаточно большом количестве работ и обсуждались на специализированных конференциях (см., например, [1, 11, 13 - 16]).

Для расчета приводного ветра традиционным является использование полей реанализа

атмосферного давления на уровне 10 м над поверхностью моря Основным недостатком

любого реанализа является зависимость их качества от обеспеченности расчетного района

данными наблюдений. Использование методов оптимальной интерполяции (или

аналогичных подходов) гидрометеорологических полей на регулярную сетку приводит к их

сглаживанию, что занижает градиенты полей давления и ветра, особенно в экстремальных

10