Модель ветровой волны - Wind wave model

NOAA WAVEWATCH III (R) 120-часовой прогноз для Северной Атлантики
Для более широкого освещения этой темы см. Ветровые волны.

В динамика жидкостей, моделирование ветровой волны описывает попытку изобразить состояние моря и прогнозировать эволюцию энергия ветровых волн с использованием численные методы. В этих симуляциях учитывается атмосферный ветер, нелинейные взаимодействия волн и диссипация трения. статистика описание высота волны, периоды и направления распространения для региональных морей или мировых океанов. Такой волна ретроспективные прогнозы и волна прогнозы чрезвычайно важны для коммерческих интересов в открытом море.[1] Например, судоходная промышленность требует руководства для оперативного планирования и тактического мореплавание целей.[1]

Для конкретного случая прогноза статистики ветрового волнения в океане термин модель поверхностной волны океана используется.

Другие приложения, в частности береговая инженерия, привели к разработке моделей ветрового волнения, специально предназначенных для прибрежных приложений.

Исторический обзор

Ранние прогнозы состояние моря были созданы вручную на основе эмпирический взаимосвязь между текущим состоянием моря, ожидаемыми ветровыми условиями, разгоном / продолжительностью и направлением распространения волн.[2] В качестве альтернативы опухать часть государства была предсказана еще в 1920 году с помощью дистанционных наблюдений.[3]

В течение 1950-х и 1960-х годов была заложена большая часть теоретической базы, необходимой для численного описания эволюции волн. Для целей прогнозирования было понято, что случайный характер состояния моря лучше всего описывается спектральным разложением, в котором энергия волн приписывается необходимому количеству цугов волн, каждая из которых имеет определенное направление и период. Такой подход позволил сделать комбинированные прогнозы ветер морей и набухает. Первая численная модель, основанная на спектральном разложении состояния моря, была разработана в 1956 году Французской метеорологической службой и ориентирована на Северную Атлантику.[4] В 1970-х годах появилась первая действующая волновая модель полушария: спектральная волновая модель океана (SWOM) на Центр численной океанографии флота.[5]

Волновые модели первого поколения не учитывали нелинейные волновые взаимодействия. Модели второго поколения, доступные к началу 1980-х, параметризовали эти взаимодействия. Они включали «связанный гибрид» и «связанный дискретный» состав.[6] Модели третьего поколения явно представляют всю физику, имеющую отношение к развитию состояния моря, в двух измерениях. Международный проект моделирования волн (WAM) привел к совершенствованию современных методов моделирования волн в течение десятилетия 1984–1994 гг.[7]Усовершенствования включали двустороннюю связь между ветром и волнами, ассимиляцию спутниковых данных о волнении и среднесрочное оперативное прогнозирование.

Модели ветрового волнения используются в контексте системы прогнозирования или ретроспективного прогноза. Различия в результатах моделирования возникают (в порядке убывания важности) из-за различий в воздействии ветра и морского льда, различий в параметризации физических процессов, использования ассимиляция данных и связанные с ними методы, а также численные методы, используемые для решения уравнения эволюции волновой энергии.

Общая стратегия

Вход

Волновая модель требует в качестве начальных условий информацию, описывающую состояние моря. Анализ моря или океана может быть произведен путем ассимиляции данных, когда наблюдения, такие как измерения с буя или спутникового высотомера, объединяются с предварительным предположением из предыдущего прогноза или климатологии для создания наилучшей оценки текущих условий. На практике многие системы прогнозирования полагаются только на предыдущий прогноз, без какой-либо ассимиляции наблюдений.[8]

Более важным входным параметром является «форсирование» полей ветра: изменяющаяся во времени карта скорости и направления ветра. Наиболее частыми источниками ошибок в результатах моделирования волнения являются ошибки в поле ветра. Океанские течения также может быть важным, в частности, в западных пограничных течениях, таких как Гольфстрим, Куросио или течение Агульхаса, или в прибрежных районах, где сильны приливные течения. Волны также подвержены влиянию морского льда и айсбергов, и все действующие глобальные волновые модели учитывают по крайней мере морской лед.

На этих рисунках показан пример влияния токов на высоту волн. Этот пример взят из научной статьи, опубликованной в Journal of Physical Oceanography (том 42, декабрь 2012 г.). На верхних панелях показаны приливные течения в 3 часа ночи и 11 часов утра 28 октября 2008 года у западного побережья Франции, вокруг острова Узан, который находится в 20 км от материка. На нижней панели показаны высоты и направления волн, рассчитанные с помощью числовой модели WAVEWATCH III (R) с использованием треугольной сетки с переменным разрешением. Сильные течения к югу от Уэссана отклоняют волны от измерительного буя во время отлива.

Представление

Состояние моря описывается как спектр; морская поверхность может быть разложена на волны различной частоты используя принцип суперпозиция. Волны также разделяются по направлению распространения. Размер модельной области может варьироваться от регионального до глобального океана. Меньшие домены могут быть вложены в глобальный домен, чтобы обеспечить более высокое разрешение в интересующей области. Состояние моря развивается в соответствии с физическими уравнениями - на основе спектрального представления о сохранении волновое действие - который включает в себя: распространение волн / адвекция, преломление (по батиметрии и течениям), обмеление, и функция источника, которая позволяет увеличивать или уменьшать энергию волны. Функция источника имеет как минимум три члена: ветровое воздействие, нелинейный перенос и рассеяние за счет белого колпачка.[6] Данные о ветре обычно предоставляются из отдельной модели атмосферы из оперативного центра прогнозирования погоды.

Для средних водоемов следует также добавить эффект донного трения.[9] В масштабах океана рассеяние волн - без разрушения - очень важный термин.[10]

Выход

Результатом модели ветрового волнения является описание спектров волн с амплитудами, связанными с каждой частотой и направлением распространения. Результаты обычно суммируются значительная высота волны, который представляет собой среднюю высоту одной трети наибольших волн, а также период и направление распространения доминирующей волны.

Спаренные модели

Ветровые волны также изменяют свойства атмосферы за счет сопротивления трения приповерхностных ветров и тепловых потоков.[11] Двухсторонние связанные модели позволяют волновой активности влиять на атмосферу. В Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) сопряженная система прогнозов атмосферных волн, описанная ниже, способствует этому за счет обмена Параметр Чарнока который контролирует шероховатость морской поверхности. Это позволяет атмосфере реагировать на изменения шероховатости поверхности как ветер море накапливается или разлагается.

Примеры

WAVEWATCH

Оперативные системы прогнозирования волнения на NOAA основаны на модели WAVEWATCH III (R).[12] Эта система имеет глобальную область с разрешением приблизительно 50 км, с вложенными региональными областями для океанических бассейнов северного полушария с разрешением приблизительно 18 км и приблизительно 7 км. Физика включает в себя преломление волнового поля, нелинейный резонансный взаимодействия, подсеточные представления неразрешенных островов и динамически обновляемый ледяной покров. Данные о ветре предоставляются из системы ассимиляции данных GDAS для модели погоды GFS. До 2008 года модель была ограничена областями за пределами зоны прибоя, где волны не сильно подвержены влиянию небольших глубин.[13]

Модель может включать в себя влияние токов на волны из ее ранней конструкции путем Хендрик Толман в 1990-х годах, и теперь расширен для прибрежных приложений.

WAM

Волновая модель WAM была первой так называемой прогностической волновой моделью третьего поколения, в которой двумерная волновой спектр позволяли свободно развиваться (до частоты среза) без ограничений на форму спектра.[14] Модель претерпела ряд обновлений программного обеспечения с момента своего появления в конце 1980-х годов.[15] Последний официальный выпуск - Cycle 4.5, поддерживаемый немецкой Helmholtz Zentrum, Geesthacht.[16]

ECMWF включил WAM в свои детерминированные и система ансамблевого прогнозирования.,[17] известный как Интегрированная система прогнозов (IFS). В настоящее время модель включает 36 элементов разрешения по частоте и 36 направлений распространения со средним пространственным разрешением 25 км. Модель связана с атмосферным компонентом IFS с 1998 года.[18][19]

Другие модели

Прогнозы ветрового волнения выпускаются на региональном уровне Environment Canada.[20]

Прогнозы региональных волн также производятся университетами, такими как Техасский университет A&M Использование модели SWAN (разработанной Делфтский технологический университет ) для прогноза волн в Мексиканском заливе.[21]

Другая модель, CCHE2D-COAST, представляет собой интегрированную модель, основанную на процессах, которая способна моделировать прибрежные процессы на разных побережьях со сложной береговой линией, такие как нерегулярная волновая деформация от берега к берегу, прибрежные течения, вызванные радиационными напряжениями, формирование волн, набор волн. - пух, перенос наносов и морфологические изменения морского дна.[22]

Другие модели ветрового волнения включают ВМС США Стандартная модель серфинга (NSSM).[23]

Проверка

Сравнение прогнозов волновой модели с наблюдениями необходимо для характеристики недостатков модели и определения областей для улучшения. Наблюдения на месте проводятся с буев, судов и нефтяных платформ. Альтиметрия данные со спутников, например ГЕОСАТ и TOPEX, также можно использовать для определения характеристик ветрового волнения.

Ретроспективные прогнозы волновых моделей в экстремальных условиях также служат полезным испытательным стендом для моделей.[24]

Повторный анализ

Ретроспективный анализ, или повторный анализ, объединяет все доступные наблюдения с физической моделью для описания состояния системы за период в несколько десятилетий. Ветровые волны являются частью реанализа NCEP.[25] и ЭРА-40 от ЕЦСПП.[26] Такие ресурсы позволяют создавать ежемесячные волновые климатологии и могут отслеживать изменения волновой активности в межгодовых и многодесятилетних временных масштабах. Зимой в северном полушарии наиболее интенсивная волновая активность наблюдается в центральной части северной части Тихого океана к югу от Алеутских островов и в центральной части Северной Атлантики к югу от Исландии. Зимой в южном полушарии интенсивная волновая активность ограничивает полюс примерно на 50 ° ю.ш., при этом значительная высота волн 5 м типична для южной части Индийского океана.[26]

Рекомендации

  1. ^ а б Кокс, Эндрю Т. и Винсент Дж. Кардон (2002). «20 лет оперативного прогнозирования в Oceanweather» (PDF). 7-й Международный семинар по ретроспективному прогнозированию и прогнозированию волнения 21–25 октября 2002 г., Банф, Альберта, Канада. Получено 2008-11-21.
  2. ^ Виттманн, Пол и Майк Клэнси, «Тридцать лет оперативного прогнозирования океанских волн в Центре численной метеорологии и океанографии флота», Симпозиум, посвященный 50-летию оперативного численного прогноза погоды, 14–17 июня 2004 г., Мэрилендский университет
  3. ^ Роберт Монтань, Служба прогнозов зыби в Марокко (на французском языке), 1922, Annales Hydrographiques, стр. 157-186. В этой статье описывается использование метода, опубликованного Gain в том же журнале (1918), который сочетает классификацию североатлантических штормов с использованием наблюдений на Азорских островах и в Португалии для прогнозирования волн волн в Марокко.
  4. ^ Гелчи, Р., Х. Казале, Дж. Вассал (1957) Прогноз состояния моря. Спектральный метод (на французском языке), Информационный бюллетень Комитета по океанографии и исследованиям в Кот-д'Ивуаре, Vol. 9 (1957), стр. 416-435.
  5. ^ «Волновое моделирование», Oceanweather Inc
  6. ^ а б Комен, Гербранд, «Группа моделирования волн, историческая перспектива»
  7. ^ G.J. Комен, Л. Кавалери, М. Донелан, К. Хассельманн, С. Хассельманн и П.А.Э.М. Янссен, 1994. Динамика и моделирование океанских волн. Издательство Кембриджского университета, 532 стр.
  8. ^ http://polar.ncep.noaa.gov/mmab/papers/tn276/MMAB_276.pdf
  9. ^ Ardhuin, F .; O'Reilly, W. C .; Herbers, T.H.C .; Джессен, П. Ф. (2003). «Трансформация зыби на континентальном шельфе. Часть I: Затухание и направленное расширение». J. Phys. Oceanogr. 33 (9): 1921–1939. Bibcode:2003JPO .... 33.1921A. Дои:10.1175 / 1520-0485 (2003) 033 <1921: statcs> 2.0.co; 2.
  10. ^ Ardhuin, F .; Chapron, B .; Коллард, Ф. (2009). «Наблюдение за распространением волн через океаны». Geophys. Res. Латыш. 36 (6): L06607. arXiv:0809.2497. Bibcode:2009GeoRL..36.6607A. Дои:10.1029 / 2008GL037030.
  11. ^ Бендер, Л. (1996). «Модификация физики и чисел в модели океанских волн третьего поколения». Журнал атмосферных и океанических технологий. 13 (3): 726–750. Bibcode:1996JAtOT..13..726B. Дои:10.1175 / 1520-0426 (1996) 013 <0726: motpan> 2.0.co; 2.
  12. ^ Толман, Х. Л., "Описание модели WAVEWATCH III"
  13. ^ Толман, 2002г: Руководство пользователя и системная документация WAVEWATCH-III версии 2.22. NOAA / NWS / NCEP / MMAB Technical Note 222, 133 стр.
  14. ^ Комен, Г.Дж., Кавалери, Л., Донелан, М., Хассельманн, К., Хассельманн, С., Янссен, П. и др., 1994: «Динамика и моделирование океанских волн», Кембридж, 534 стр.
  15. ^ Hasselmann, S; Хассельманн, К; Янссен, П. Э. М; и другие. (1988). «Модель WAM - модель прогнозирования океанских волн третьего поколения». Журнал физической океанографии. 18 (12): 1775–1810. Bibcode:1988JPO .... 18.1775 Вт. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1988) 018 <1775: twmtgo> 2.0.co; 2.
  16. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-08-23. Получено 2012-03-22.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  17. ^ "Модель океанской волны" В архиве 2008-06-03 на Wayback Machine, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды
  18. ^ Янссен, П. А. Э. М., Дж. Д. Дойл, Дж. Бидлот, Б. Хансен, Л. Исаксен и П. Витербо, 2002: «Воздействие и обратная связь океанских волн на атмосферу», в «Достижения в механике жидкости, взаимодействия атмосферы и океана», Vol. Я, WITpress, Ed. W.Perrie., Стр. 155-197.
  19. ^ Янссен, П. А. Э. М., 2004: Взаимодействие океанских волн и ветра, Кембридж, 300 страниц.
  20. ^ «Прогнозы операционных моделей», Министерство окружающей среды Канады
  21. ^ "Surf's Up: профессор, использующий модели для предсказания огромных волн", ScienceDaily, 23 февраля 2005 г.
  22. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2016-03-04. Получено 2015-06-01.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  23. ^ «Отчет о проверке стандартной модели прибоя ВМС», Лаборатория военно-морских исследований США
  24. ^ Cardone, V .; Jensen, R .; Resio, D .; Swail, V .; Кокс, А. (1996). "Оценка современных моделей океанских волн в редких экстремальных явлениях:" Хэллоуинская буря "в октябре 1991 г. и" Буря века "в марте 1993 г.". J. Atmos. Oceanic Technol. 13 (1): 198–230. Bibcode:1996JAtOT..13..198C. Дои:10.1175 / 1520-0426 (1996) 013 <0198: eocowm> 2.0.co; 2.
  25. ^ Кокс, А., В. Кардоне и В. Свейл, «Оценка продуктов морского приземного ветра в рамках проекта повторного анализа NCEP-NCAR для долгосрочного ретроспективного прогноза волн в Северной Атлантике»
  26. ^ а б Кайрес, С., А. Стерл, Г. Бюргерс и Г. Комен, ERA-40, «Сорокалетний европейский повторный анализ глобальной атмосферы; подтверждение и анализ продукции океанских волн» В архиве 2007-02-07 на Wayback Machine