Волновой климат и прогноз ветрового волнения в Карском море поданным модели
|
Введение 3
Глава 1. Физико-географическое описание объекта 6
1.1. Общие сведения 6
1.2. Ветро-волновой режим Карского моря 9
Глава 2. Данные и методы 15
2.1. Данные моделирования 15
2.2. Моделирование ветрового волнения 18
2.3. Данные спутников 23
2.4. Методы статистического анализа 23
2.5. Методика Peak Over Threshold 25
Глава 3. Результаты 28
3.1. Межгодовая изменчивость повторяемости штормов в Карском море 28
3.2. Сезонная изменчивость высоты значительных волн и повторяемости штормов в Карском
море 39
3.4. Анализ пространственного распределения штормов 49
3.5. Оценка качества прогнозов волнения с разной заблаговременностью 50
Заключение 54
Список литературы 56
Приложение 1. Код для работы с NetCDF в python для подсчета штормов по методу POT 59
Приложение 2. Код для работы с NetCDF в python (для сезонов, осреднения по месяцам, по годам и за весь период) 62
Приложение 3. Код для нахождения расстояния между точками трека спутника и узлами сетки 65
Глава 1. Физико-географическое описание объекта 6
1.1. Общие сведения 6
1.2. Ветро-волновой режим Карского моря 9
Глава 2. Данные и методы 15
2.1. Данные моделирования 15
2.2. Моделирование ветрового волнения 18
2.3. Данные спутников 23
2.4. Методы статистического анализа 23
2.5. Методика Peak Over Threshold 25
Глава 3. Результаты 28
3.1. Межгодовая изменчивость повторяемости штормов в Карском море 28
3.2. Сезонная изменчивость высоты значительных волн и повторяемости штормов в Карском
море 39
3.4. Анализ пространственного распределения штормов 49
3.5. Оценка качества прогнозов волнения с разной заблаговременностью 50
Заключение 54
Список литературы 56
Приложение 1. Код для работы с NetCDF в python для подсчета штормов по методу POT 59
Приложение 2. Код для работы с NetCDF в python (для сезонов, осреднения по месяцам, по годам и за весь период) 62
Приложение 3. Код для нахождения расстояния между точками трека спутника и узлами сетки 65
Под действием ветра возникает возмущение водной поверхности, под которым понимают ветровое волнение. Оно включает в себя зыбь и ветровые волны, которые преобладают на поверхности океанов и морей. Ветровое волнение оказывает существенное влияние на морской транспорт, рыбное хозяйство, гидротехнические сооружения, учитывается при строительстве на шельфе и в прибрежной зоне, и др. [1].
В современной науке для решения диагностических и прогностических задач связанных с ветровым волнением используются спектральные математические модели. Применение практических и теоретических решений при разработке моделей повышает качество и детализацию данных, полученных при моделировании. Именно высокое качество результатов позволяет считать волновое моделирование очень перспективным направлением в современной океанологии. Высокий спрос на данные о ветроволновом режиме различных морей России подчеркивает актуальность данной работы.
Карское море является частью Арктического шельфа и обладает значительными запасами углеводородов [2]. Этим объясняется повышенный интерес к исследованию гидрометеорологических условий данного региона. На Карское море приходится основная доля грузовой базы морских арктических грузоперевозок несмотря на то, что часть разработки шельфовых месторождений запланированы на 2025 год. [3]. На июль 2021 года грузооборот портов Арктического бассейна вырос на 10.1% относительно показателя того же месяца в 2020 году и составил 8.5 млн тонн. Доля порта Сабетта (восточный берег полуострова Ямал у Обской губы Карского моря) составила 27.7%, занимая среди портов Арктического бассейна второе место после порта Мурманск (с долей 60.1%) [4].
Спутниковые измерения за последние 30 лет показывают, что площадь льда в Арктике уменьшилась на 0,45 — 0,51 млн. км2 или -10,2 11,4 %/ десятилетие с 1979 по сентябрь 2007 года [5,6]. Это оказывает значительное влияние на состояние моря, поскольку образуется большая по площади свободная ото льда поверхность океана, влияющая на режим ветрового волнения Арктики, в том числе и Карского моря [7].
Актуальность работы заключается в том, что изучение изменений, происходящих в режиме ветрового волнения крайне важно для морского транспорта, наиболее подверженному рискам, связанными с волнением на море. Изменение ветрового волнения влияет на движение судов по Северному морскому пути, на морскую прибрежную инфраструктуру, на добычу полезных ископаемых, в том числе и на акватории Карского моря [2].
Ранее ветровое волнение в арктических морях рассматривалось в работах [8, 9, 10, 11, 12]. Также сведения о режиме ветрового волнения Карского моря представлены [13, 14, 15, 16, 17]. Однако многолетние тренды повторяемости штормов не изучались. Данная работа является продолжением работ [13, 17] с анализом сезонной изменчивости штормовой активности и продолжительности штормовых событий.
Цель данной работы: оценить межгодовую и сезонную изменчивость повторяемости и продолжительности штормов в Карском море на основе данных спектральной волновой модели WAVEWATVHIII с 1979 года по 2019 год, проанализировать пространственное распределение штормов, дать оценку качества моделирования.
В ходе работы решались следующие задачи:
1. Литературный обзор физико-географического описания и ветроволнового режима Карского моря, основ моделирования ветрового волнения
2. Описание данных и методов, используемых в работе
3. Оценка сезонной изменчивости высоты значительных волн
4. Оценка межгодовой и сезонной изменчивости повторяемости штормов в Карском море
5. Анализ пространственного распределения штормов
6. Оценка качества прогнозов по данным моделирования
В современной науке для решения диагностических и прогностических задач связанных с ветровым волнением используются спектральные математические модели. Применение практических и теоретических решений при разработке моделей повышает качество и детализацию данных, полученных при моделировании. Именно высокое качество результатов позволяет считать волновое моделирование очень перспективным направлением в современной океанологии. Высокий спрос на данные о ветроволновом режиме различных морей России подчеркивает актуальность данной работы.
Карское море является частью Арктического шельфа и обладает значительными запасами углеводородов [2]. Этим объясняется повышенный интерес к исследованию гидрометеорологических условий данного региона. На Карское море приходится основная доля грузовой базы морских арктических грузоперевозок несмотря на то, что часть разработки шельфовых месторождений запланированы на 2025 год. [3]. На июль 2021 года грузооборот портов Арктического бассейна вырос на 10.1% относительно показателя того же месяца в 2020 году и составил 8.5 млн тонн. Доля порта Сабетта (восточный берег полуострова Ямал у Обской губы Карского моря) составила 27.7%, занимая среди портов Арктического бассейна второе место после порта Мурманск (с долей 60.1%) [4].
Спутниковые измерения за последние 30 лет показывают, что площадь льда в Арктике уменьшилась на 0,45 — 0,51 млн. км2 или -10,2 11,4 %/ десятилетие с 1979 по сентябрь 2007 года [5,6]. Это оказывает значительное влияние на состояние моря, поскольку образуется большая по площади свободная ото льда поверхность океана, влияющая на режим ветрового волнения Арктики, в том числе и Карского моря [7].
Актуальность работы заключается в том, что изучение изменений, происходящих в режиме ветрового волнения крайне важно для морского транспорта, наиболее подверженному рискам, связанными с волнением на море. Изменение ветрового волнения влияет на движение судов по Северному морскому пути, на морскую прибрежную инфраструктуру, на добычу полезных ископаемых, в том числе и на акватории Карского моря [2].
Ранее ветровое волнение в арктических морях рассматривалось в работах [8, 9, 10, 11, 12]. Также сведения о режиме ветрового волнения Карского моря представлены [13, 14, 15, 16, 17]. Однако многолетние тренды повторяемости штормов не изучались. Данная работа является продолжением работ [13, 17] с анализом сезонной изменчивости штормовой активности и продолжительности штормовых событий.
Цель данной работы: оценить межгодовую и сезонную изменчивость повторяемости и продолжительности штормов в Карском море на основе данных спектральной волновой модели WAVEWATVHIII с 1979 года по 2019 год, проанализировать пространственное распределение штормов, дать оценку качества моделирования.
В ходе работы решались следующие задачи:
1. Литературный обзор физико-географического описания и ветроволнового режима Карского моря, основ моделирования ветрового волнения
2. Описание данных и методов, используемых в работе
3. Оценка сезонной изменчивости высоты значительных волн
4. Оценка межгодовой и сезонной изменчивости повторяемости штормов в Карском море
5. Анализ пространственного распределения штормов
6. Оценка качества прогнозов по данным моделирования
В ходе выполнения работы были выполнен литературный обзор физикогеографического описания Карского моря. Описан климат и приведены данные из статей о изменении ледовых условий в Карском море в конце 20-го начале 21-го веков. Так же описаны основные моменты ветро-волнового режима, приведены и проанализированы карты высоты значительных волн и средних направлений значительных волн. Современные волновые модели третьего поколения используют как для прогноза, так и для ретроспективного анализа. Основные ошибки волновых моделей исходят в первую очередь из-за данных о ветре из атмосферных моделей.
За период с 1979 года по 2019 год количество штормов высотой >2 метров увеличилось более чем в 2 раза. Обнаружены положительные тренды для штормов с критериями 2-4 метров. Максимальная величина тренда наблюдается у штормов с критерием 3 метра - 7 штормов/10 лет т.е. количество штормов увеличивается на 20% каждые 10 лет.
Найден один положительный тренд для продолжительности штормов высотой >2 метров: шторма становятся продолжительнее на 5 часов каждые 10 лет.
При проверке статистической гипотезы о равенстве средних значений найдена нестационарность трендов для штормов с критериями >2 м, >3 м, >5 м. При проверке статистической гипотезы о равенстве дисперсий найдена нестационарность трендов для штормов с критериями >3 м, >4 м и >7 м. Найдены значимые тренды для штормов с критериями от 2 до 4 метров в временные периоды с 1995—1998 гг. и с 1998—2019 года. Максимальная величина тренда характерна для штормов с высотой значимых волн >3м и наблюдается в период с 1998—2019 гг. и составляет 17 штормов/10 лет.
Максимальная межгодовая высота значительных волн ~11.2 м наблюдается в период декабрь-январь на границе Карского и Баренцева морей. Максимальные средние значения характерны для того же района в период сентябрь-ноябрь и достигают ~1.3 метров.
Значимые положительные тренды для количества штормов (критерий 25м) по сезонам найдены для зимы, с критериями 2 и 4 метра для весны, 2 и 3 метра для лета и для штормов критерием 3 метра для осени. Максимальные величина трендов (для штормов с критерием 3 метра - 3 шторма/10лет) характерна для зимнего периода. Максимальный вклад в межгодовую изменчивость количества штормов вносит зимне-весенний период.
Найдены положительные значимые тренды по средней продолжительности штормов зимой для штормов с высотой значительных волн >2м и >3 м. Максимальная величина тренда составляет 17 часов/10 лет ( критерий шторма > 2м).
При анализе пространственной изменчивости найдено два основных района группировки штормов: граница с Баренцевым морем и к востоку от Карских ворот. С 1994 года заметно увеличение количества штормов Карского моря севернее 76°с.ш и восточнее Карских ворот.
При оценке качества прогнозов волнения с разной заблаговременностью наибольшая корреляция составила 0.97 с данными спутника Cryosat. Установлено, что при увеличении заблаговременности среднеквадратичное отклонение и индекс рассеивания увеличивается.
За период с 1979 года по 2019 год количество штормов высотой >2 метров увеличилось более чем в 2 раза. Обнаружены положительные тренды для штормов с критериями 2-4 метров. Максимальная величина тренда наблюдается у штормов с критерием 3 метра - 7 штормов/10 лет т.е. количество штормов увеличивается на 20% каждые 10 лет.
Найден один положительный тренд для продолжительности штормов высотой >2 метров: шторма становятся продолжительнее на 5 часов каждые 10 лет.
При проверке статистической гипотезы о равенстве средних значений найдена нестационарность трендов для штормов с критериями >2 м, >3 м, >5 м. При проверке статистической гипотезы о равенстве дисперсий найдена нестационарность трендов для штормов с критериями >3 м, >4 м и >7 м. Найдены значимые тренды для штормов с критериями от 2 до 4 метров в временные периоды с 1995—1998 гг. и с 1998—2019 года. Максимальная величина тренда характерна для штормов с высотой значимых волн >3м и наблюдается в период с 1998—2019 гг. и составляет 17 штормов/10 лет.
Максимальная межгодовая высота значительных волн ~11.2 м наблюдается в период декабрь-январь на границе Карского и Баренцева морей. Максимальные средние значения характерны для того же района в период сентябрь-ноябрь и достигают ~1.3 метров.
Значимые положительные тренды для количества штормов (критерий 25м) по сезонам найдены для зимы, с критериями 2 и 4 метра для весны, 2 и 3 метра для лета и для штормов критерием 3 метра для осени. Максимальные величина трендов (для штормов с критерием 3 метра - 3 шторма/10лет) характерна для зимнего периода. Максимальный вклад в межгодовую изменчивость количества штормов вносит зимне-весенний период.
Найдены положительные значимые тренды по средней продолжительности штормов зимой для штормов с высотой значительных волн >2м и >3 м. Максимальная величина тренда составляет 17 часов/10 лет ( критерий шторма > 2м).
При анализе пространственной изменчивости найдено два основных района группировки штормов: граница с Баренцевым морем и к востоку от Карских ворот. С 1994 года заметно увеличение количества штормов Карского моря севернее 76°с.ш и восточнее Карских ворот.
При оценке качества прогнозов волнения с разной заблаговременностью наибольшая корреляция составила 0.97 с данными спутника Cryosat. Установлено, что при увеличении заблаговременности среднеквадратичное отклонение и индекс рассеивания увеличивается.
