Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ
Стр. 1 

451 страница

Купить бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль"

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей содержат методику расчетов и сведения, необходимые для правильной классификации судов по районам плавания при разработке норм и правил Российского морского регистра судоходства (РС), 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.

 Скачать PDF

Оглавление

Часть 1. Методы расчета режима ветра и волнения

Введение

1 Краткая характеристика справочных данных по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей в соответствия с требованиями РС

2 Подходы к созданию нового поколения справочных данных по режиму ветра и волнения

     2.1 Входные данные для расчетов режима ветра и волнения

     2.2 Гидродинамические модели, используемые для расчета волнения

3 Основные расчетные параметры волнения

     3.1 Спектральные характеристики волнения

     3.2 Высоты волн

     3.3 Периоды видимых волн

     3.4 Длины и высоты гребней волн

     3.5 Совместное распределение высот и периодов волн

     3.6 О необычных волнах в океанах и морях

4 Волновой климат (режимные характеристики волнения)

     4.1 Оперативные статистики

     4.2 Экстремальные статистики

5 Достоверность режимных характеристик ветра и волнения

6 Сопоставление некоторых расчетных характеристик волнения с данными измерений

     6.1 Балтийское море

     6.2 Северное море

     6.3 Черное море

     6.4 Азовское море

     6.5 Средиземное море

Литература

Часть 2. Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей

     Введение

     Балтийское море

     Северное море

     Черное море

     Азовское море

     Средиземное море

Стр. 1
стр. 1
Стр. 2
стр. 2
Стр. 3
стр. 3
Стр. 4
стр. 4
Стр. 5
стр. 5
Стр. 6
стр. 6
Стр. 7
стр. 7
Стр. 8
стр. 8
Стр. 9
стр. 9
Стр. 10
стр. 10
Стр. 11
стр. 11
Стр. 12
стр. 12
Стр. 13
стр. 13
Стр. 14
стр. 14
Стр. 15
стр. 15
Стр. 16
стр. 16
Стр. 17
стр. 17
Стр. 18
стр. 18
Стр. 19
стр. 19
Стр. 20
стр. 20
Стр. 21
стр. 21
Стр. 22
стр. 22
Стр. 23
стр. 23
Стр. 24
стр. 24
Стр. 25
стр. 25
Стр. 26
стр. 26
Стр. 27
стр. 27
Стр. 28
стр. 28
Стр. 29
стр. 29
Стр. 30
стр. 30

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

ПО РЕЖИМУ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ БАЛТИЙСКОГО, СЕВЕРНОГО, ЧЕРНОГО, АЗОВСКОГО И СРЕДИЗЕМНОГО МОРЕЙ

Санкт-Петербург

2006

Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей содержат методику расчетов и сведения, необходимые для правильной классификации судов по районам плавания при разработке норм и правил Российского морского регистра судоходства (PC), 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 океанотехкики. Данные, содержащиеся в настоящем пособии, заменяют соответствующие разделы ранее изданных Регистром СССР справочных данных «Ветер и волны в океанах и морях» (Л.: Транспорт, 1974).

ISBN 5-89331-071-3

Работа выполнена на кафедре океанологии Санкт-Петербургского Государственного Университета и в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики при участии ООО. «ИНФОМАР». Ответственные исполнители работ: Л.И. Лопатухин, А.В. Бухаиовский, С.В. Иванов, Е.С Чернышева.

© Российский морской регистр судоходства, 2006

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. Этот подход использовал в работе [23], когда данные по ветру в наиболее сильных штормах уточнялись по измерениям на гидрометеорологических станциях (ГМС).

Уравнение регрессии формулируется в векторной форме для компонентов V = (ы,у) одновременно. В изотропном случае, когда данные в одни и тс же сроки различаются по модулю, но близки по направлению, эта модель еще более упрощается:

|К| = л/и2 +v2 и направления ср = arctan —. Математическое ожидание (непараметрическая

регрессия) может быть аппроксимирована полиномом в виде пу.^ = К1+

отсутствии срочных данных наблюдений для калибровки могут быть использованы обобщенные статистические данные, приведенные в различных атласах и справочных пособиях. В этом случае регрессионное выражение для 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 наблюдении сильно изменяется по пространству [18, 24, 25, 26]. Неоднородный характер различий в совокупности со сравнительно слабой статистической связью между разными данными приводит к тому, что любая калибровка реанализа по эмпирических! формулам обречена на несоответствие реальной картине. Следовательно, необходим более сложный подход, основанный на технологиях ансамблевого усвоения данных наблюдений из разнообразных источников (ГМС, спутниковые, судовые данные) в массиве реанализа.

Ансамблевое усвоение данных измерений в информационной базе полей приводного ветра. В настоящее время в гидрометеорологии существуют различные трактовки усвоения данных. Обычно под усвоением понимается «систематическое использование данных наблюдений для управления математической моделью процесса» [27]. Суть процедуры состоит в решении обратной задачи циркуляции атмосферы и/или океана [28] — в поиске такого решения системы гидродинамических уравнений, которое было бы наиболее близко к данным наблюдений в соответствующих точках в разные моменты времени.

11

Для решения задачи консолидации данных из разных источников в единой информационной базе необходима процедура ансамблевого усвоения данных с учетом их пространственно-временной связности. Указанный подход требует использования фильтров Калмана [29], учитывающих особенности процесса и специфику данных. Результатом процедуры усвоения данных судовых наблюдений за ветром (5) в массиве ветра из реанализа (К) является новый массив нолей ветра У*(г,/) на регулярной сетке {гД j = 1,л, в моменты времени tk, оптимально согласующийся с обоими источниками

Формализация процедуры усвоения требует описания зависимостей между массивами данных (Л) и (5) в терминах взаимпых тензорных ковариационных функций АГ„(г;у)=Л/,К(г„0®^(гя»)] ■ В целях упрощения их интерпретации и снижения мерности статистическая связь описана в терминах канонических корреляций случайных векторов, вводятся канонические переменные:

и/0-Wv,)    ^‘) = {Ъ,.УЛ ый    (2.2)

.    со v(u,yW,)

X, = -    У—'-'    -у    шах


(2.3)


Коэффициент канонической корреляции X, является интегральной мерой связи между


Канонические базисные вектор-функции а„Ь, выбираются из условия, чтобы:

двумя полями Ул(г) и Vs(r) в один и тот же момент времени /.

Судовые наблюдения в разные сроки распределены по акватории моря неравномерно, поэтому статистические оценки ковариационных функций К^уК^ могут обладать сильной выборочной изменчивостью, а соответствующие им ковариациоппые матрицы становятся плохо обусловленными. Следовательно, для вычисления канонических корреляций представим поля ветра в форме разложений по векторному ортогональному базису:

К,(г,0 = 2а.(г)Ф„(г)+е,(г,0, ^(г,/) = £М')'1'.(г)+л,(г,0    (2.4)

»    а

В этом случае взаимная ковариационная функция

= ХХХе. [ф„(г,) ® ¥„(»,)]    (2.5)

выражается через ковариацию /са^    скалярных коэффициентов разложений (2.4).

Выражение (2.4) сходится наиболее быстро, если в качестве базисов Фя/),'Ки(Гу)

12

рассматриваются векторные естественные ортогональные функции (ВЕОФ). Они образуют собственный базис для тензорных ковариационных функций KR{rXir2) и Ks(r]tr2) соответственно в пространстве евклидовых векторов [30] н могут интерпретироваться как некоторые элементарные конфигурации, характеризующие особенности пространственной изменчивости векторных полей. Модель (2.4-2.5) позволяет интерпретировать взаимосвязи между данными (R) и (5) как зависимость между общими факторами ап,(Зт, их определяющими [31]. Таким образом, задача вычисления канонических корреляций (2.2), (2.3) векторных полей сводится к стандартной процедуре канонического корреляционного анализа скалярных случайных величин. Уравнения (2.4) задают вероятностную модель - стохастическую динамическую систему в пространстве состояний [32]. Поле скорости ветра обладает многомасштабной (синоптической, сезонной, межгодовой) изменчивостью, для ее описания необходимо рассматривать модель с периодическим базисом, т.е. Ф„(г,/) = Ф„(r,f + Г), Ч*,(г,/) = у¥я(г, / + Т), где Т - 1 год [33]. При этом из выражения (2.5) следует, что данные наблюдений Vs в

фиксированной точке гк в заданный момент времени t0 могут быть представлены в виде линейною уравнения измерений:

Vs(r,0 = Я„Ид(г,0+6„(г.0    (2.6)

с матрицей измерений Я^, линейно связанной со значениями Krs> и шумом измерений который показывает отличия источников (Л), (S). Уравнение (2.6) учитывает как

особенности модели, по которой построен массив реанализа, так и ошибки измерений судовых данных, в том числе и вызванные их смещением относительно узлов сетки реанализа. Условия (2.5), (2.6) позволяют сформулировать уравнение усвоения для нового массива данных:

«(£)

(2.7)


2^U(r,,ry,f,fy)

j-1

ги U# =(KJ(r;,t/)-F,(r„0)A(r, -г,,1-1,) — невязка между данными каждого из m — m(t) измерений, наличествующих в момент времени t в точках fj, и рсанализа в точке rt, а —соответствующие веса.

Импульсная функция Л(*,*) учитывает тот факт, что точки, в которых выполнены судовые наблюдения, как правило, не совпадают с точками сетки реапализа, т.е. невязка между ними должна принимать во внимание пространственное смещение. В простейшем

13

случае она может быть принята затухающей экспонентой по каждой из переменных. Величина 9?к =(г“' +Or/‘)V1 в (2.7) — тензорный коэффициент усиления Калмана, где Г = £[б ® 5] задаст тензор ковариаций шума измерений, вычисляемый в каждой точке через значения ковариационной функции Кк. Тензор характеризует, насколько при усвоении должен учитываться вклад судовых наблюдений. Компоненты тензора ЯK(«,f) -    + Т) из-за сезонной изменчивости полей ветра являются периодическими

функциями.

На рис. 2.1 приведена общая схема подготовки информационного массива полей ветра, использующая массивы данных реанализа атмосферного давления и (или) ветра, данные попутных судовых паблюдений, измерения на ГМ С и статистические справочные данные.

В таблице 2.1 приведены основные характеристики информационных массивов полей ветра (полученных в рамках схемы на рис. 2.1), которые использованы для расчетов полей морского волнения. На рис. 2.2 приведспы квантильиые диаграммы характерных квантилей режимного распределения скорости ветра на высоте Юме осреднением 10 мин, полученных непосредственно по данным реанализа (по оси абсцисс, \У\)у и путем применения процедуры усвоения (по оси ординат, |Г|*). Эти графики для всех морей демонстрируют нелинейное занижение скорости ветра по реанализу относительно скорости измеренного ветра; пунктиром нанесена калибровочная кривая, устраняющая эту систематическую ошибку.

Сетка данных реанализа, над которыми выполнялись процедуры усвоения и калибровки, имеет достаточно большой пространственный шаг. Поэтому при подготовке данных по ветру 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 сетки выполняется с помощью технологии, использующей сглаживающие полиномы пятой степени с переменным параметром натяжения. Эта технология была специально разработана для интерполяции метеорологических полей [38] и реализована в виде библиотечных модулей, находящихся в открытом доступе на Международном портале вычислительных библиотек Netlib.org. Интерполяция полей ветра по времени с заданным интервалом (переход от 6-часовой дискретности к произвольно заданной, исходя из требований задачи) выполняется посредством квадратичной сплайн-функции.

Рис. 2.1 Схема подготовки информационных массивов атмосферного давления и приводной скорости ветра для расчетов полей морского волнения


15


Рис. 2.2 Квантильные биплоты срочных значений модуля скорости ветра по исходным данным реанализа (ось абсцисс, | V\) и полученных с помощью комбинированной процедуры калибровки и усвоения, рис. 2.1 (ось ординат | V |*): % соответствуют обеспеченности квантили.

а)    Балтийское море, ГМС о. Мощный (Финский Залив).

б)    Средиземное море (центральная часть Адриатического моря).

в)    Северное море, центральная часть (судно погоды «Фемнта»).

г)    Черпое море, северо-восточная часть (Геленджик).

1 - характерные квантили; 2 - биссектриса координатного угла, 3 - калибровочная


кривая


16


СОДЕРЖАНИЕ

Часть 1. Методы расчета режима ветра и волнения...........................................................4

Введение.........................................................................................................................................5

1    Краткая характеристика справочных данных по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей в соответствии

с требованиями PC .......................................................................................................................6

2    Подходы к созданию нового поколения справочных данных по режиму ветра и

волнения.........................................................................................................................................7

2.1    Входные данные для расчетов режима ветра и волнения..................................................8

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

3    Основные расчетные параметры волнения...........................................................................20

3.1    Спектральные характеристики волнения...........................................................................20

3.2    Высоты волн..........................................................................................................................25

3.3    Периоды видимых волн.......................................................................................................27

3.4    Длины и высоты гребней волн............................................................................................28

3.5    Совместное распределение высот и    периодов волн..........................................................32

3.6    О необычных волнах в океанах и морях............................................................................34

4    Волновой климат (режимные характеристики волнения)...................................................44

4.1    Оперативные статистики.....................................................................................................44

4.2    Экстремальные статистики..................................................................................................54

5    Достоверность режимных характеристик ветра и волнения...............................................62

6    Сопоставление некоторых расчетных характеристик волнения с данными измерений..74

6.1    Балтийское море...................................................................................................................75

6.2    Северное море.......................................................................................................................77

6.3    Черное морс...........................................................................................................................79

6.4    Азовское море.......................................................................................................................80

6.5    Средиземное море................................................................................................................81

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

Часть 2. Справочные данные по режиму ветра и волнении Балтийского, Северного, Черпого, Азовского и Средиземною морей.........................................................................89

Введение.......................................................................................................................................90

Балтийское море..........................................................................................................................92

Северное море............................................................................................................................189

Черное море................................................................................................................................233

Азовское море............................................................................................................................303

Средиземное море.....................................................................................................................317

Часть 1

МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕЖИМА ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ

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.д. Условия волнообразования любой акватории не остаются неизменными; изменения связаны с прохождением барических образований (синоптическая изменчивость), годовой ритмикой (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, квашилями и тл.).

Пространственная и временная детализация режимных характеристик, полнота и разнообразие набора статистик зависит от целевой направленности изданий. При традиционном представлении информации (в печатном виде) невозможно создать пособие, удовлетворяющее требованиям многочисленной армии различных потребителей. В большей степени может удовлетворить такие потребности электронно-справочная система по ветру и волнению океанов и морей. Однако на пути создания такого информационного портала встречаются значительные финансовые трудности, а мировой опыт показывает, что не всегда полученный результат оправдывает затраченные средства.

Исходя из потребностей и возможностей PC, целесообразно ограничиться сведениями о ветре и волнении для конечного набора квазиоднородных районов каждой из рассматриваемых акваторий. При районировании соблюдался разумный компромисс между количеством районов, достоверностью информации и ограничениями на общий объем Справочника, в первую очередь связанными с количеством публикуемых статистических данных (таблиц).

Сложившаяся практика проектирования и эксплуатации судов и средств океанотехники

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 настоящего

справочника. В этой части, по возможности, не повторяются аналогичные разделы

5

Справочника, изданного в 2003 г. [1], однако неизбежные повторы, необходимые для целостного восприятия информации без обращения к изданию 2003 г., могут иметь место.

1 Краткая характеристика справочных данных по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей в соответствии с требованиями PC

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 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 гг., в связи с освоением шельфа морей России, PC были изданы Правила для плавучих буровых установок [5], дополнения к ним [6] и, наконец, (7). В 80-е годы Главным управлением навигации и океанографии МО СССР были изданы Гидрометеорологические каргы морей [8]. Гидрометеорологической службой были опубликованы Справочники по шельфу [9,10, 11] и по проекту «Моря СССР» [12,13,14]. В этих изданиях содержится широкий набор сведений о гидрометеорологических характеристиках, и поэтому специфика запросов Регистра не могла быть учтена. Изданные за рубежом справочные пособия в основном отражают самые общие закономерности режима ветра и волнения или относятся к конкретному нефтегазоносному месторождению и ис репрезентативны для моря в целом.

Сведения, представленные в Справочнике 1974, требуют обновления. По этой причине PC, начиная с 2000 г., возобновил работы по созданию справочников нового поколения по режиму ветра и волнения на морях. В 2003 г. были изданы Справочные данные по режиму ветра и волнения Баренцева, Охотского и Каспийского морей [1]. Настоящее издание, являющееся продолжением указанных работ, представляет справочные данные по Балтийскому, Северному, Черному, Азовскому и Средиземному морям.

В настоящее время потребности мореплавания, судостроения и освоение шельфа повысили требования к составу, полноте и достоверности сведепий о режиме ветра и волнения. В то же время появилась возможность в значительной степени удовлетворить

6

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 и волнения

Ветровое волнение является вероятностным процессом, свойства которого зависят от набора статистических характеристик (параметров). Размеры волн обуславливаются набором внешних факторов (условий волнообразования), в частности, скоростью ветра, продолжительностью его действия, разгоном и пр.

Первые справочники по режиму волнения были основаны на визуальных наблюдениях. Они появились после Второй мировой войны и сьпрали большую роль в понимании волнового климата. Свою актуальность они не утратили до настоящего времени. Последний справочник, базирующийся на данных визуальных наблюдений, был издан 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 графиков представлены сведения о повторяемости волнения по градациям для отдельных районов, месяцев или сезонов, приведены другие элементарные статистические данные (средние значения, дисперсии, параметры распределений и т.п.). Такие сведения называют также традиционной или рутинной (routine) статистикой, которая не в полной мере отражает разномасштабную изменчивость волнения. С середины 70-х годов XX века при составлении справочников учитываются инструментальные измерения волнения с автоматических буев и буровых установок. Эти данные, несмотря на их многочисленность, 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 для решения специфических задач исследования волпового 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 [15]), одобрен и реализован при решении многочисленных научных и прикладных задач.

7

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. гл. 3).

Принципиальная схема расчета волнового климата включает следующие основные

этапы:

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

•    расчет 0hindcasting) 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 разделен на различное количество ступеней.

2.1 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 полей 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 и 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, облачный покров, влажность и т.д. 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

8

метеопрогнозов (ECMWF). Для отдельных районов существуют региональные разработки с большей пространственной детализацией, например, реанализ SMHI для акватории Балтийского моря, выполненный в Швеции. Массив данных реанализа NCEP/NCAR содержит поля метеорологических характеристик на системе горизонтов в узлах регулярной сетки (в основном 2,5°х2,5°), начиная с 1948 г. с шагом по времени 6 ч; он ежемесячно обновляется и находится 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, [1,16,17,18,19]).

Для расчета приводного ветра традиционным является использование полей реанализа атмосферного давления на уровне 10 м над поверхностью моря. Основным недостатком данных 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 ситуациях. Этот вывод справедлив практически для любой акватории и подтвержден на ряде международных форумов [19]. Именно потому для создания информационной базы полей ветра для расчета обширного набора статистических характеристик в различных диапазонах изменчивости, включая экстремумы, возможные 1 раз в п 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 Vg выражается

±

}_дР р дп


0,


(2.1)


через поле атмосферного давления Р соотношением:

где fk — 2Qsin(<p) - параметр Кориолиса; р - плотность воздуха; дР/дп - градиент атмосферного давления; О. - угловая скорость вращения Земли; ф - широта места; знак «+» - для циклонов, «-» - для антициклонов.

Наиболее дискуссионной величиной в (2.1) является радиус кривизны изобар R, так как для его определения необходимо знать геометрический центр барического образования. В том случае, когда размеры барических образований сопоставимы с

9

площадью расчетной области, а также при наличии вторичных барических образований, оценки Л, 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 (2.1). 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 скорости ветра на 10-20 % может вызвать ошибку в определении высоты волны до 40 % [20]. Ошибка в оценке давления или ветра в некоторой области акватории приводит 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.

Помимо традиционного подхода на основе (2.1) для расчета скорости ветра по полям атмосферного давления используются также локальные модели ветра, учитывающие специфику конкретной акватории. Для одной и той же акватории может бьггь несколько моделей, что свидетельствует о невозможности создания уникальной региональной модели. Сопоставление результатов расчетов по набору локальных моделей для одной и той же акватории, как правило, не позволяет придти к однозначным выводам [21]. Следовательно, использование локальных моделей ветра не является наилучшим путем увеличения достоверности информации о полях ветра над морем.

Калибровка полей приводного ветра по данным наблюдений. Исходя из значения скорости градиентного ветра (2.1), переход к скорости приводного ветра на высоте 10 м осуществляется по формуле V - kVg, 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 приходится по данным давления из массива реанализа рассчитывать поля приводного ветра, применяя для получения к независимые высококачественные измерения ветра. Эта процедура в иностранной литературе носит название калибровки {calibration). Она осуществляет формальную замену процедуры прямых измерений скорости ветра над морем процедурой косвенных измерений, используя технологию пересчета (2.1) по полям давления. При этом коэффициент к может интерпретироваться как калибровочная характеристика виртуальной измерительной системы [22]. Процедуру калибровки можно применять и к значениям скорости приводного ветра, полученным непосредственно из массивов данных реанализа.