Технология краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море

В Лаборатории морских прикладных исследований Гидрометцентра России разработан и функционирует в рамках оперативной технологии метод гидродинамического прогноза уровня моря и течений в Каспийском море (авторы О.И. Зильберштейн, С.К. Попов, А.Л. Лобов, О.А. Вербицкая).

Общие сведения

  1. В основе численной реализации метода лежит трехмерная бароклинная гидродинамическая модель (автор – С.К. Попов). Используются климатические сезонные поля плотности морской воды.
  2. В модели применяется новый алгоритм осушения и затопления прибрежных областей. Учет этого явления очень важен, так как на низких равнинных побережьях нагонная волна может распространяться далеко вглубь территории. Данная процедура также позволяет правильно рассчитывать колебания уровня моря и скоростей течений. Пренебрежение этим эффектом может приводить к завышенным оценкам величин экстремальных нагонов.
  3. Задается батиметрия, соответствующая современному положению среднего уровня Каспийского моря. Предусмотрена возможность проведения расчетов при различных положениях среднего уровня Каспийского моря.
  4. Моделирование осуществляется для всей акватории Каспийского моря, что позволяет получать прогноз в виде полей уровня моря и скоростей течений на стандартных горизонтах для всей акватории моря, а также в виде временных рядов уровня моря в любом пункте (в том числе для районов, где наблюдения отсутствуют).
  5. В качестве исходной метеорологической информации используются прогностические поля приземного атмосферного давления с заблаговременностью до 48 ч и дискретностью 6 ч, полученные по оперативно действующей региональной модели атмосферы Гидрометцентра России (автор В.М. Лосев). Значения приземного атмосферного давления интерполируются в узлы расчетной сетки морской гидродинамической модели, и проводится расчет полей приводного ветра по методике (автор – А.Л. Лобов), учитывающей геострофическую составляющую ветра, кривизну изобар, трение о водную поверхность. Прогноз составляется 2 раза в сутки, сразу после завершения расчетов по региональной модели. Заблаговременность морского прогноза определяется заблаговременностью метеорологического прогноза и составляет 36 ч.
  6. Учитывается ежедневный расход р. Волги (так как фоновое пространственное распределение уровня в Северном Каспии определяет в основном р.Волга).
  7. При расчетах касательного напряжения ветра учитывается кромка льда 50% сплоченности, которая задается по еженедельному прогнозу ледовой обстановки, выпускаемому отделом морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра России.
  8. Принято следующее допущение для задания водного баланса: «расход Волги равен видимому испарению с акватории всего Каспийского моря».
  9. В качестве начальных условий по уровню моря и скоростям течений на всех расчетных горизонтах используются прогностические значения с соответствующей заблаговременностью (12 ч), полученные с предыдущего расчета.

Выходная продукция
Выходной продукцией являются поля приводного ветра, уровня моря и скорости поверхностных течений в 4 верхних слоях (3, 6, 11 и 16 м от поверхности) с дискретностью 1 ч при заблаговременности прогнозов до 48 ч, а также значения скоростей течений на всех 19 расчетных горизонтах (3, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 66, 81, 116, 131, 166, 231, 266, 331, 466, 531, 666 и 975 м) при заблаговременности прогнозов 12 и 24 ч.


Верификация модели
Данный метод краткосрочного прогноза уровня в Каспийском море проходил испытания в отделе морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра России. Оценка надежности и точности проводилась в соответствии с ныне действующими в Росгидромете нормативными документами по службе морских прогнозов. В соответствии с их требованиями продолжительность испытания метода для краткосрочных морских прогнозов должна составлять не меньше года; кроме того, модель должна далее быть тестирована по архивным данным об экстремальных штормах.

Для верификации модели были проведены расчеты для нескольких штормовых ситуаций. Эти ситуации выбирались так, чтобы шторму предшествовали 2-3 «спокойных» суток, необходимых для выхода модели на фоновый режим. Учитывался реальный уровень Каспийского моря и среднемесячный расход р. Волги.

В качестве исходной метеорологической информации использовался ветер, измеренный в пунктах о. Искусственный, Каспийский, о. Тюлений, о. Кулалы, о. Пешной. Эти же штормовые ситуации были просчитаны на основе данных метеорологического NCEP/NCAR реанализа.

В качестве начальных условий при моделировании сгонно-нагонных явлений использовались поля плотности, уровня моря и течений, полученные методом гидродинамического диагноза (30 суток) и адаптации (5 суток) по исходному наблюденному средне сезонному полю плотности с учетом климатического стока р. Волги.

Задавался средний уровень Каспийского моря для соответствующего месяца, в котором наблюдалось рассматриваемое штормовое событие.

Сравнивался расчетный и наблюденный уровень моря в пунктах о. Искусственный, Каспийский, о. Тюлений, о. Кулалы, о. Пешной. Также оценивалась зона затопления.


Примеры расчетов по историческим данным

Особо опасный нагон 1-3 октября 1985г.
На рисунке 1 показан временной ход наблюденного и расчетного уровня моря в 5 пунктах за весь период нагона.

Устойчивый штормовой ветер западных направлений, наблюдавшийся на всей акватории Северного Каспия 1-3 октября, создал мощную нагонную волну и способствовал полному ее распластыванию на пологом северо-восточном побережье. Этоо привело к значительному затоплению побережья. Фактическая зона затопления в результате нагона 1-3 октября 1985г. была определена по данным авиаразведки, состоявшейся 5 октября (через 2 суток после события) и по сообщениям из районов затопления. На рисунке 2 приведена максимальная зона затопления во время нагона в северо-восточной части Каспийского моря 1-3 октября 1985г. по результатам расчетов и по данным авиаразведки. Слой воды на затопленных участках побережья на момент обследования составлял от нескольких см до одного метра.

Рисунок 1
Временной ход уровня моря в различных пунктах северной части Каспийского моря
во время шторма 29 сентября – 4 октября 1985г.


Рисунок 2
Зона затопления побережья во время нагона 29 сентября – 4 октября 1985г.


Особо опасный нагон 13-14 декабря 1990г.
12 декабря 1990г. в северо-западной части Каспия начался опасный штормовой нагон. Опасной отметки плюс 180 см уровень достиг у о. Искусственный вечером 13 декабря. Отметка плюс 150 см у п. Каспийский зарегистрирована в середине дня 13 декабря и плюс 100 см у о. Тюлений – утром 13 декабря. В последующие часы уровень моря продолжал расти. 14 декабря он превышал особо опасные отметки для этих станций. Максимальные отметки во всех пунктах были зарегистрированы 14 декабря: у о. Искусственный – плюс 218 см в 14-15ч, у п. Каспийский – плюс 198 см в 13-17 ч, у о. Тюлений – плюс 143 см в 10-12 ч (см. рисунок 3).

Обследование зоны затопления побережья было проведено только в Каспийском районе Калмыцкой АССР в ходе авиаразведки 25 декабря 1990г., т.е. через 2 недели после нагона (рисунок 4).

Рисунок 3
Временной ход уровня моря в различных пунктах северной части Каспийского моря во время шторма 13-14 декабря 1990г.

Рисунок 4
Зона затопления побережья во время нагона шторма 13-14 декабря 1990г.


Особо опасный нагон 12-16 марта 1995г.
Серия модельных расчетов уровней была выполнена для условий шторма, наблюдавшегося 12-16 марта 1995г. По своим последствиям он оказался наиболее опасным после нагона 1952г. В п. Искусственный был зарегистрирован уровень плюс 438 см, в Каспийском – плюс 250 см и у о. Тюлений плюс 246 см (относительно -28 м БС). Расчет штормовой ситуации марта 1995г. проводился на основании данных NCEP/NCAR архива.

В северо-западной части Каспийского моря 12-14 марта 1995г. отмечался сильный восточный – северо-восточный ветер со скоростью до 15-16 м/с. Наивысший уровень относительно среднего уровня моря для данного месяца (107 см) при нагоне у о. Тюлений был зарегистрирован в 12-13 ч 13 марта. Наиболее сильный нагон в п. Каспийский (Лагань) наблюдался в 16-17 ч 13 марта и его величина составила 167 см. 15 марта над всей акваторией Северного Каспия было отмечено новое усиление восточного ветра до 12-20 м/с и новый нагон: у о. Тюлений до величины 106 см, у п. Лагань до 141 см.

Отметки уровня моря (относительно нуля поста) в пик нагона 13 марта 1995г. в п. Лагань практически достигали той же величины, что и при нагоне 12-14 ноября 1952г., хотя в 1995г. скорость нагонного ветра и величина нагона были почти в два раза меньше. Это обусловлено разницей в положении среднемесячного уровня моря; в марте 1995г. фоновый уровень был на 1,6 м выше, чем в ноябре 1952 г.

На рисунке 5 приведено пространственное распределение изолиний расчетного уровня моря в северной части Каспийского моря на 18 ч по Гринвичу 13 марта 1995г. (момент наибольшего развития шторма). Северо-северо-восточный ветер вызвал сильный нагон в северо-западной части Северного Каспия. Максимальное повышение уровня моря отмечалось в Кизлярском заливе, затоплению подверглась обширная область, прилегающая к п. Лагань шириной до 40 км. Для сравнения на рисунке 6 представлен временной ход уровня моря в п. Лагань с учетом и без учета алгоритма затопления и осушения мелководных областей, который сравнивается с данными срочных наблюдений в этом пункте. К сожалению, имеется только словесное описание зоны, затопленной в результате нагона, поэтому можно провести только качественное сравнение. В районе п. Каспийский затоплению подверглась область шириной до 40 км, тогда как по результатам расчетов вода проникла вглубь побережья на 40-45 км. Совпадение результатов расчетов с данными наблюдений для фазы подъема уровня моря достаточно хорошее при учете алгоритма затопления и осушения, что подтверждает важную роль этого фактора для решения практических задач. Ошибки на фазе спада уровня можно объяснить влиянием местных ветров, которое невозможно учесть исходя только из крупномасштабных синоптических процессов, представленных прогностическими полями давления.

Рисунок 5
Изолинии расчетного уровня моря (м) на 18 ч 13 марта 1995г. (время по Гринвичу)

Рисунок 6
Временной ход уровня моря в п. Каспийский (Лагань) во время шторма 12-16 марта 1995г.

Из рисунков видно, что результаты расчетов уровня моря по полям NCEP/NCAR лучше совпадают с данными наблюдений. Причина может быть в том, что поля атмосферного давления (даже с шагом 2,5° по пространству) лучше отображают метеорологическую обстановку в регионе. Величина нагона определяется как ветровыми, так и барическими условиями над всей акваторией моря. Но при наличии мелководья нагон практически полностью определяется ветром. На мелководье пик нагона наблюдается через несколько ч после пика ветра. Продолжительность нагона или сгона определяется временем действия штормового ветра. В случае расчетов по данным наблюдений за ветром на станциях все-таки точно воспроизвести нагон нельзя, так как все 6 пунктов расположены в Северном Каспии, и они не отражают достоверную картину поля ветра над акваторией всего моря.

Зоны затопления приведены по данным авиаразведок и по расчетам на основании ветра, наблюденного на станциях, оказались больше, чем в расчетах на основании данных метеорологического реанализа. Нужно отметить, что расчетные зоны затопления всегда превосходят наблюденные. Это может быть связано как с тем, что авиаразведки обычно проводятся после окончания штормового события, когда пик нагона (а следовательно, и наводнения им вызванного) уже прошел, так и тем фактом, что в модели не учитывается шероховатость подстилающей поверхности, которая на суше, конечно, больше, чем в море.

Результаты расчетов на основе исторических данных показывают, что модель адекватно отображает штормовые ситуации.


Полуоперативные тестовые прогностические расчеты
Метод краткосрочного гидродинамического прогноза штормовых нагонов в северной части Каспийского моря проходил испытания в Отделе морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра России.

Оценивались только штормовые события – нагоны и сгоны, величина которых относительно среднего невозмущенного уровня моря для данного месяца превышала 40 см. По результатам испытаний установлено, что все показатели качества методических прогнозов штормовых нагонов выше соответствующих характеристик инерционных прогнозов. Средняя оправдываемость методических прогнозов штормовых нагонов составляет 74%, что отвечает требованиям действующих нормативных документов по службе морских прогнозов.


Оперативные прогнозы
С июня 2001г. технология краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море включена в Автоматизированную систему оперативной обработки информации (АСООИ) Гидрометцентра России сначала в тестовом, а затем в оперативном режиме. Расчет по модели производится сразу после того, как в базе данных Гидрометцентра России появляется прогноз по региональной метеорологической модели атмосферы. В качестве начальных условий по уровню моря и скоростям течений на всех расчетных горизонтах используются прогностические значения, полученные с предыдущего расчета.

На рисунке 7 показаны прогностические (60 прогнозов) и фактические значения уровня в некоторых пунктах Каспийского моря в июле 2003г.

Верификация метода проводилась на основе сравнения результатов прогностических расчетов с данными наблюдений на станциях Каспийского моря, передающих информацию в коде КН-02.

Среднеквадратическая ошибка прогнозов уровня моря за весь период оперативной работы технологии (т.е. с июня 2001г.) составляла от 17 до 23 см, в Махачкале – от 13 до 16 см, в районе о. Кулалы – от 12 до 15 см и у о. Огурчинский – 10-11 см в зависимости от заблаговременности прогнозов. Тогда как в районе о. Пешной, расположенном в непосредственной близости от русла р. Урал, среднеквадратическая ошибка прогноза уровня моря составляет 22–28 см для разных заблаговременностей прогнозов, что несомненно вызвано некорректным заданием расхода реки.

Рисунок 7
Временной ход расчетного (сплошные линии) и фактического уровня (точки) в различных пунктах Каспийского моря в июле 2003г.


Рекомендации к внедрению
Метод и результаты авторских и оперативных испытаний дважды докладывались на заседании Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета (ЦМКП).

17 октября 2001 г. ЦМКП рекомендовала Гидрометцентру России внедрить в качестве основного метод краткосрочного прогноза штормовых нагонов в Северном Каспии, включить его в АСООИ, провести опытную эксплуатацию в течение 2002г. и результаты представить на ЦМКП.

Результаты оперативной эксплуатации технологии были рассмотрены на заседании ЦМКП 14 октября 2003г. Комиссия приняла решение продолжить оперативную эксплуатацию технологии краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море.


Публикации
1.  Зильберштейн О.И., Попов С.К., Чумаков М.М., Сафронов Г.Ф. «Метод расчета характеристик уровня моря в Северном Каспии», Водные ресурсы – 2001 – Том 28 – № 6 – с. 692-700.
2.  Вербицкая О.А., Зильберштейн О.И., Попов С.К., Лобов А.Л. «Метод краткосрочного гидродинамического прогноза штормовых нагонов в северной части Каспийского моря и результаты его испытаний», Гидрометцентр, Информационный сборник № 29, 2002, c. 76-89.
3.  Вербицкая О.А., Зильберштейн О.И., Попов С.К., Лобов А.Л. «Возможность специализированного гидрометеорологического обеспечения транспортировки, установки и эксплуатации морских сооружений на основе гидродинамического прогноза уровня моря и течений», Труды RAO-03, Санкт-Петербург, 16-19 сентября, 2003г., 2003, с. 360-364.
4.  Попов С.К. «Моделирование климатической термохалинной циркуляции в Каспийском море», Метеорология и гидрология. 2004, № 5, c. 76-84.
5.  Verbitskaya O.A., Zilberstein O.I., Popov S.K., Lobov A.L. «Operational model of short-term sea level forecast in the Caspian Sea», Proceedings of the MEDCOAST International Conference, Ravenna, Italy, 2003, p. 2179-2187.
6.  Safronov G.F., Zilberstein O.I. «Calculation of the climate dynamics characteristics in the coastal sea zone by the methods of hydrodynamic and probabilistic modelling», Journal of marine systems., 1996, № 7, p. 395-410.
7.  Вербицкая О.А., Зильберштейн О.И., Попов С.К., Лобов А.Л. «О результатах оперативных испытаний технологии краткосрочного прогноза уровня моря и течений в Каспийском море», Гидрометцентр России, Информационный сборник № 31, 2004


Контакты
Олег Иделевич Зильберштейн,
Сергей Константинович Попов,
Александр Львович Лобов,
Ольга Александровна Вербицкая

Гидрометцентр России, Лаборатория морских прикладных исследований,
Тел. (495) 255-93-07, (495) 255-22-96,
E-mail: lmar@mecom.rulmar@nm.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России