Метод прогноза ветрового волнения в Арктических морях России

Общие сведения

Одним из наиболее важных параметров гидрометеорологического обеспечения акватории Арктических морей является прогноз ветрового волнения. Представляемый метод прогноза ветрового волнения в арктических морях представляет собой технологию, в основе которой лежит авторская спектрально-параметрическая модель ветрового волнения (AARI-PD2). Модель постоянно совершенствовалась, в течение ряда лет по ней рассчитываются прогнозы ветрового волнения в ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ААНИИ» [1]. Модель неоднократно верифицировалась по инструментальным данным измерений на различных акваториях и сравнивалась с известными и широко используемыми в мире моделями WAM-4 и WAVEWATCH-III [2, 3, 4]. Сравнения не выявили какого-либо превосходства той или другой модели. С 2001 года модель внедрена в оперативную практику Гидрометцентра России и по ней регулярно, дважды в сутки, выпускаются прогнозы полей волнения в Мировом океане (http://hmc.hydromet.ru).

В виду отсутствия регулярных инструментальных (контактных) измерений волнения в арктических морях России, в данной работе для оценки качества прогнозов волнения привлечены спутниковые данные измерений высот волн (http://www.aviso.oceanobs.com) [5].

Исходя из особенностей арктических морей России, связанных с различным временем максимального освобождения ото льдов акваторий и появлением новых льдов, район Российской Арктики в технологии представлен двумя большими расчетными областями с шагом 1,0° по долготе и 0,5° по широте. Первая расчетная область включает в себя Баренцево и Карское моря (западный сектор), а вторая – море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское моря (восточный сектор).

Основными исходными данными в расчетах и прогнозах ветрового волнения являлись поля атмосферного давления на уровне моря, температура воздуха на 2-х метровом горизонте(1.25° x 1.25°), а также батиметрические данные в узлах расчетной сетки.

Кроме того, специфика замерзающих морей требует корректного задания положения кромки льда в модели волнения. Поэтому, начиная с 2006 года, модель ветрового волнения ААНИИ ежедневно усваивает спутниковые многоканальные микроволновые данные (SSM/I и AMSR) по общей сплоченности морского льда (ранее использовались осредненные за много лет по месяцам положения кромок льда).


Результаты оперативных испытаний

Оперативные испытания метода проводились в научно-прогностической лаборатории волновых процессов отдела океанологии ГУ "ААНИИ". Период испытаний: январь 2008г. - июль 2010г. Прогнозы ветрового волнения по региональной версии модели PD2-AARI выполнялись отдельно для западного и восточного секторов арктических морей России в сетке 1° x 0.5°. 4. За более чем 2-х летний период испытаний нами было выполнено более 900 ежедневных прогнозов. Результаты прогнозов сопоставлены со спутниковыми данными измерений высот волн AVISO в 10-ти точках (таблица 1) акватории арктических морей за безледный период (по две точки на каждое море).

Для прогнозирования волнения по исходным данным полей ветра, полученных по новой модели атмосферы ГУ «Гидрометцентр России» была выполнена адаптация глобальной версии модели ветрового волнения к региону арктических морей России в сетке 1.0°x0.5° (рис. 1) для западного сектора (Баренцево и Карское моря) и восточного (море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское моря).

Рис. 1
Фрагмент объединенной расчетной сетки модели для западного и восточного секторов арктических морей России с нанесенными точками сопоставлений (более 15 тыс. морских точек, в зависимости от положения кромки льда)



Качество расчетов и прогнозов по волновым моделям в замерзающих морях существенно зависит от корректного задания положения кромки льда. В данной работе авторами были использованы спутниковые многоканальные микроволновые данные (SSM/I и AMSR) по общей сплоченности морского льда, которые ежедневно усваивались моделью волнения (ранее использовались осредненные за много лет по месяцам положения кромок льда).
На рисунке 2 приведен пример ледовой карты Арктики по данным AMSR.


Рис. 2
Общая сплоченность морского льда на 26 августа 2010 года

Оценка оправдываемости прогнозов высот волн проводилась в соответствии с требованиями "Наставление по службе прогнозов (раздел 3, часть III Служба морских гидрологических прогнозов, 1982)", согласно которому критерием успешности единичного прогноза является условие:


Дополнительно, для более объективной оценки качества прогнозов рассчитаны следующие статистические характеристики:

- Арифметическая (систематическая) ошибка (BIAS),
- Среднеквадратическая ошибка (RMS),
- Коэффициент корреляции (СС).


Результаты испытаний

Как уже отмечалось выше, было выполнено более 900 прогнозов волнения. На рисунках 3-4 приведено сопоставление полей ветра и высот волн Hs на один из синоптических сроков в период сильного штормового волнения в Баренцевом море (27 января 2010 г.)



Рис. 3
Поле ветра и высот волн Hs по модели ААНИИ (00 час UTC 27 января 2010 г.)




Рис. 4
Поле высот волн по спутниковым данным AVISO (00 час UTC 27 января 2010 г.)


Для иллюстрации качества прогноза на рисунке 5 представлено сопоставление в виде кривых по сезонам синхронных модельных и инструментальных данных в одной из точек Баренцева моря.







Рис. 5
Сопоставление по сезонам (2008-2010 гг.) синхронных модельных и инструментальных данных
значительных высот волн Hs в точке 74°с.ш. 39°в.д. (Баренцево море)
24-часовой прогноз


Более детальное представление о качестве прогнозов дают приведенные ниже таблицы 2-4 объединенных оценок.

Аналогичные результаты получены и для других точек сопоставления, приведенных в таблице 1.

В среднем, за весь период испытаний (январь 2008г. - июль 2010г.) оправдываемость прогнозов волнения по модели PD2-AARI составила: на первые сутки – 71%, на вторые – 70%, на третьи – 68%.

Следует отметить, что обеспеченность методических прогнозов по модели ААНИИ связана с одной стороны, с ошибками в исходных полях ветра, а с другой - с ошибками восстановления полей высот волн по спутниковым данным [5-9].

Сравнение с оправдываемостью инерционных прогнозов волнения показало, что оправдываемость методических прогнозов выше оправдываемости инерционных прогнозов в среднем на 25%.

Оценивая в общем полученные результаты проверки качества прогнозов волнения в арктических морях России по спутниковым данным можно отметить, что оправдываемости прогнозов высот волн в целом укладываются в диапазон оценок, определенных требованиями "Наставление по службе прогнозов (раздел 3, часть III, Служба морских гидрологических прогнозов, 1982)".

Однако следует отметить, что обеспеченность прогнозов ветрового волнения по любым моделям связана не только с ошибками в исходных данных полей ветра и различными режимами волнения для разных акваторий (т.е. с изменчивостью ветра и волн), но и с качеством данных измерений. AVISO, объединяя (merge) данные различных спутников (Jason-1, Jason-2, Envisat, Cryosat-2) за 2-е суток, восстанавливает поля высот волн в 1о градусной сетке в сильно сглаженном виде. Достигается это путем сложных алгоритмов фильтрации (Less) и экстраполяции спутниковых данных.

Тем самым, заявленная точность альтиментрических спутников (при 30 минутном осреднении на 50 км площади - средняя арифметическая ошибка 0.07 метров, со стандартным отклонением в 0.36 метров) существенно ухудшается. Это подтверждают наши предыдущие публикации с верификацией различных моделей ветрового волнения по контактным инструментальным данным буев [2,3,4].


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета на заседании 26 октября 2010 г. одобрила выполненную авторами работу по созданию метода прогноза ветрового волнения в арктических морях России и рекомендовала ГУ "ААНИИ" внедрить данный метод прогноза ветрового волнения на акватории морей Российской Арктики в оперативную практику в качестве основного. Комиссия также рекомендовала ГУ "Гидрометцентр России" использовать в оперативной практике данный метод прогноза ветрового волнения в арктических морях России.


Список литературы

1. Лавренов И.В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1998.- 499 с.
2. Давидан И.Н, Давидан Г.И., Дымов В.И, Пасечник Т.А. Модифицированная версия спектрально-параметрической модели ветрового волнения и результаты ее верификации. Известия РГО, 2010, вып. 2
3. К. Абузяров, Е.С. Нестеров. Сравнительная оценка успешности прогнозов волнения по отечественным волновым моделям AARI-PD2 и PABM / Тр. Государственного Учреждения "Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации", Выпуск 343, Москва, 2009
4. Дымов В.И., Пасечник Т.А., Лавренов И.В., Давидан И.Н., Абузяров З.К. Сопоставление результатов расчетов по современным моделям ветрового волнения с данными натурных измерений // Метеорология и гидрология. 2004, №7. С.87-94
5. http://www.aviso.oceanobs.com Aviso (Archiving, Validation and Interpretation of Oceanographic Satellite data) Ocean Observation, France
6. Jacob L. Hoyer and J.W. Nielsen. SATELLITE SIGNIFICANT WAVE HEIGHT OBSERVATIONS IN COASTAL AND SHELF SEAS, Center for Ocean and Ice, Danish Meteorological Institute, Lyngbyvej 100, 2100 Copenhagen, Denmark
http://earth.esa.int/workshops/venice06/participants/812/paper_812_hoeyer.pdf
7. Claus Solvsteen, Carsten Hansen COMPARISON OF ALTIMETRY WAVE AND WIND DATA WITH MODEL AND BUOY DATA, http://earth.esa.int/cgi-bin/confalt15y.pl?abstract=1312
8. Peter A. E. M. Janssen, Saleh Abdalla, Hans Hersbsch, and Jean-Raymond Bidlot ERROR ESTIMATION OF BUOY, SATELLITE, AND MODEL WAVE HEIGHT DATA Journal of Atmosphere and Oceanic Technology, vol. 24, issue 9, p. 1665
9. Harald E. Krogstad and Stephen F. Barstow. SATELLITE WAVE MEASUREMENTS FOR COASTAL ENGINEERING APPLICATIONS
www.oceanor.no/projects/wave_energy/papers/ceremse_fin.pdf


Авторы

В.И. Дымов, Т.А. Пасечник, В.В. Алексеев, Н.П. Яковлева
ГУ "ААНИИ"


Контакты

В.И. Дымов
Зав. лабораторией отдела океанологии ААНИИ
E-mail: dymov@aari.nw.ru
г. Санкт-Петербург, ГУ "ААНИИ"


© Методический кабинет Гидрометцентра России