Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN

Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN

С использованием модели SWAN на основе 4-х шагового метода вложенных сеток для реальных синоптических ситуаций выполнены расчеты волновых полей в акватории Голубого залива с детализацией в районе экспериментальной платформы. Исследована чувствительность волновой модели к вариациям входных параметр...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2011
Main Authors: Михайличенко, С.Ю., Фомин, В.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Series:Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Subjects:
Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112814
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN / С.Ю. Михайличенко, В.В. Фомин // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 275-280. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112814
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1128142025-02-23T17:46:27Z Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN Михайличенко, С.Ю. Фомин, В.В. Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря С использованием модели SWAN на основе 4-х шагового метода вложенных сеток для реальных синоптических ситуаций выполнены расчеты волновых полей в акватории Голубого залива с детализацией в районе экспериментальной платформы. Исследована чувствительность волновой модели к вариациям входных параметров. Проведена валидация SWAN по данным измерений на платформе. Изучены особенности полученных волновых полей. З використанням моделі SWAN на основі 4-х крокового методу вкладених сіток для реальних синоптичних ситуацій виконані розрахунки хвильових полів в акваторії Блакитної затоки з деталізацією в районі експериментальної платформи. Досліджено чутливість хвильової моделі до варіацій вхідних параметрів. Проведена валідація моделі SWAN за даними вимірів на платформі. Вивчено особливості отриманих хвильових полів. SWAN model and 4-step method of the inset grids for real synoptical situations were used to calculate the wave fields in Blue Bay area; the experimental platform area is shown in greater detail. The sensitivity of the wave model to the input parameters variations has been researched. SWAN validation has been validated according to the measurement data on the platform. Features of the obtained wave fields have been researched. 2011 Article Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN / С.Ю. Михайличенко, В.В. Фомин // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 275-280. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112814 561.46 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу application/pdf Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
spellingShingle Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
Михайличенко, С.Ю.
Фомин, В.В.
Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description С использованием модели SWAN на основе 4-х шагового метода вложенных сеток для реальных синоптических ситуаций выполнены расчеты волновых полей в акватории Голубого залива с детализацией в районе экспериментальной платформы. Исследована чувствительность волновой модели к вариациям входных параметров. Проведена валидация SWAN по данным измерений на платформе. Изучены особенности полученных волновых полей.
format Article
author Михайличенко, С.Ю.
Фомин, В.В.
author_facet Михайличенко, С.Ю.
Фомин, В.В.
author_sort Михайличенко, С.Ю.
title Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
title_short Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
title_full Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
title_fullStr Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
title_full_unstemmed Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN
title_sort расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели swan
publisher Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate 2011
topic_facet Моделирование процессов в морях и внутренних водоемах: Черное и Азовское моря
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112814
citation_txt Расчеты нестационарного ветрового волнения в акватории голубого залива на основе модели SWAN / С.Ю. Михайличенко, В.В. Фомин // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 275-280. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv AT mihajličenkosû rasčetynestacionarnogovetrovogovolneniâvakvatoriigolubogozalivanaosnovemodeliswan
AT fominvv rasčetynestacionarnogovetrovogovolneniâvakvatoriigolubogozalivanaosnovemodeliswan
first_indexed 2025-11-24T04:15:03Z
last_indexed 2025-11-24T04:15:03Z
_version_ 1849643712924090368
fulltext 275 УДК 561 .46 С.Ю. Михайличенко, В.В. Фомин Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь РАСЧЕТЫ НЕСТАЦИОНАРНОГО ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ В АКВАТОРИИ ГОЛУБОГО ЗАЛИВА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ SWAN С использованием модели SWAN на основе 4-х шагового метода вложенных сеток для реальных синоптических ситуаций выполнены расчеты волновых полей в акватории Голубого залива с детализацией в районе экспериментальной платфор- мы. Исследована чувствительность волновой модели к вариациям входных пара- метров. Проведена валидация SWAN по данным измерений на платформе. Изучены особенности полученных волновых полей. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : ветровое волнение, высота волн, модель SWAN, метод вложенных сеток, Голубой залив, Южный берег Крыма. Одной из перспективных моделей, наиболее полно описывающих про- цессы формирования и трансформации волнения в прибрежных зонах, яв- ляется численная модель SWAN (Simulating WAves Nearshore) [1]. Имеется цикл исследований [2 – 7], в которых на основе SWAN выполнены расчеты ветровых волн для ряда прибрежных акваторий Азово-Черноморского бас- сейна (Азовское море, Керченский пролив, западное побережье Крыма). В данной работе модель SWAN применяется для расчетов ветрового волнения в акватории Голубого залива (район п. Кацивели). Следует отметить, что до на- стоящего времени модельные расчеты волнения здесь никогда ранее не прово- дились. Кроме того, наличие экспериментальной океанографической платфор- мы в ЭО (Экспериментальное отделение) МГИ НАН Украины дает возмож- ность проводить валидацию модели и оценивать качество входных полей вет- ра, а также обеспечивать волновой информацией специализированные натур- ные эксперименты, которые периодически выполняются на платформе. В задачи работы входило: изучение чувствительности модели SWAN к вариациям ее входных параметров; валидация модели по данным измерений на океанографической платформе; моделирование штормовой ситуации, имевшей место в Черном море 10 – 12 ноября 2007 г. с детализацией в регио- не Голубого залива и точке расположения экспериментальной платформы. Форсингом служили поля приземного ветра разрешением 10 км из мо- делей ММ5 – Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model (отдел взаимодействия атмосферы и океана МГИ НАН Украины) и SKIRON (http://forecast.uoa.gr). Для расчета параметров волн на жидких границах применялся 4-х шаговый алгоритм вложенных сеток. На начальном шаге волнение моделировалось для всего региона Азово-Черноморского бассейна с разрешением 5 км. На следующем шаге волновые поля определялись с разрешением 1 км для прибрежной акватории Крымского полуострова в области с координатами 33,02 – 35,35° в.д. и 43,85 – 45,07° с.ш. Далее с раз- решением 200 м волнение рассчитывалось для района ЮБК, расположенно- го между поселками Кацивели и Партенит. На последнем шаге волновые  С.Ю. Михайличенко, В.В. Фомин, 2011 276 поля моделировались для акватории Голубого залива с разрешением 20 м по широте и 15 м по долготе. Результаты численных экс- периментов. Тестовые расчеты нестационарных ветровых волн в Голубом заливе при разном час- тотно-угловом и временном раз- решении. Исследование чувстви- тельности модели SWAN к вариа- циям временного (∆t) и частотно- углового (∆ω, ∆Θ) разрешения проводилось путем сравнения ре- зультатов моделирования волне- ния в точке расположения экспе- риментальной платформы за пе- риод с 7 по 15 сентября 2010 г. Выбор временного интервала продиктован наличием экспери- ментальных данных (с платфор- мы) по ветровому волнению за указанный период, а также необ- ходимостью «разгона» модели. Ветер задавался по данным атмо- сферной модели ММ5. Рассмат- ривалось по три значения каждого параметра: ∆t = 5; 10 и 15 мин; ∆ω = 0,02 – 2; 0,04 – 2 и 0,05 – 1 Гц; ∆Θ = 10; 15 и 20°. В качестве сравнительной характеристики была определена высота значи- тельных волн Hs. Сопоставление высот волн осуществлялось на основе расчетов среднеквадра- тичных отклонений (СКО). Чис- ленные эксперименты показали следующее: – прослеживается слабая зави- симость величин высот волн от значений варьируемых параметров (∆t, ∆Θ, ∆ω) (см. рис. 1 – 3). Во всех случаях величины СКО не превы- шали 0,011 – 0,05 м (см. табл. 1); – сравнение времени счета показало значительный его рост (от 1 до 6 ч) при увеличении раз- решения модели по каждому из параметров. Р и с . 1 . Зависимость Hs от времени для значений ∆t = 5 (◊); 10 (□); 15 (○) мин. Р и с . 2 . Зависимость Hs от времени для значений ∆Θ = 20 (◊); 15 (□); 10° (○). Р и с . 3 . Зависимость Hs от времени при частотных диапазонах ∆ω = 0,02 (◊); 0,04 – 2 (□); 0,05 – 1 (○) Гц. Время , час В ы с о т а з н а ч и т е л ь н ы х в о л н H s, м Время , час В ы с о т а з н а ч и т е л ь н ы х в о л н H s, м Время , час В ы с о т а з н а ч и т е л ь н ы х в о л н H s, м 277 Анализ результатов показал, что оптимальными по обоим критериям (время счета и точность) являются сле- дующие значения параметров (∆t =10 мин, ∆Θ = 15°, ∆ω = 0,04 – 2). Они ис- пользовались при моделировании на последующих этапах работы. Валидация модели по данным из- мерений на экспериментальной платформе. Для валидации волновой модели использовались данные изме- рений Hs на океанографической плат- форме за период с 11 по 12 сентября 2010 г. (информация любезно пре- доставлена В.А. Дуловым 1). Анализ результатов сопоставления рассчи- танных и экспериментальных высот волн показал наличие сходной эво- люции во времени (рис. 4). Наряду с этим наблюдается постоянное превышение модельных величин над измерен- ными значениями. Предположительно указанная тенденция возникла вследст- вие неточных оценок атмосферной моделью ММ5 скорости и направления приводного ветра из-за грубого пространственного разрешения (10 км). Также сказывается близость исследуемой акватории к горной местности, что приво- дит к возникновению здесь орографических эффектов, которые не достаточно полно учитываются атмосферной моделью при разрешении 10 км. Таким обра- зом, для расчета ветрового волнения в исследуемом районе необходимы более точные модельные данные по при- земному ветру. Моделирование ноябрьского шторма 2007 г. в акватории Голу- бого залива. На последнем этапе был проведен расчет волновых полей ноябрьского шторма 2007 г. для акватории Голубого залива с детализацией в точке расположе- ния океанографической экспери- ментальной платформы. Для чис- ленного эксперимента был выбран четырехдневный интервал (с 8 по 12 ноября). Ветер задавался на ос- нове данных модели SKIRON. Вол- новые параметры на жидких грани- цах определялись на основе 4-х ша- гового метода вложенных сеток. 1 В.А. Дулов – доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией в МГИ НАН Ук- раины – Техн. ред. Т а б л и ц а 1 . СКО высот волн для разных ∆t, ∆Θ, ∆ω. Параметр Сопос- тавление СКО шаг по вре- мени ∆t, мин 5, 10 0,018 10, 15 0,015 5, 15 0,031 шаг по угло- вой коорди- нате ∆Θ, ° 20, 15 0,069 15, 10 0,05 20, 10 0,087 частотный диапазон ∆ω, Гц 0,02 – 2, 0,04 – 2 0,011 0,04 – 2, 0,05 – 1 0,025 0,02 – 2, 0,05 – 1 0,031 Р и с . 4 . Расчетные (□) и измерен- ные (◊) значения высот волн в районе экспериментальной платформы для 11 – 12 сентября 2010 г. Время , час В ы с о т а з н а ч и т е л ь н ы х в о л н H s, м 278 Как показали расчеты, шторм в Голубом заливе длился с 10 по 12 нояб- ря. Анализ изменчивости волновых полей позволил выявить ряд общих особенностей: – период с 03:00 GMT 10 ноября по 15:00 GMT 11 ноября характеризуется усилением шторма, которое сопровождалось постоянным ростом высот волн по всей акватории; – распределение волн по высотам в регионе носило равномерный ха- рактер, при приближении к берегу высоты волн постепенно снижались из-за обрушений; – в целом по акватории направление волн с течением времени менялось с северо-западного в начале шторма на северное и северо-восточное к его окончанию; – направление волн в приграничных районах совпадало с направлением генерировавшего их ветра. Вблизи берега, а также в центральной части за- лива в течение всего периода наблюдались ярко выраженные эффекты рефрак- ции вследствие преобладания в регионе длинных волн; Условно эволюцию исследуемого шторма можно разделить на три этапа: развитие, интенсификацию и затухание. Подробнее рассмотрим каждый из них. Возникновение и развитие. Промежуток времени с 03:00 GMT 10 ноября по 03:00 GMT 11 ноября характеризуется зарождением и дальнейшим раз- витием штормовой ситуации (см. рис. 5, а). Преобладающие высоты волн в этот период менялись в пределах от 0,5 м у побережья до 2,65 м в центре и у южной границы акватории. Волны с максимальными высотами наблюда- лись в центре и на юге региона (0,7 – 2,6 м). На севере преобладали волны с высотами 0,6 – 2,3 м. У берега высоты волн менялись в пределах от 0,3 до а б в Р и с . 5 . Высота волн (м) и среднее направление волнения в акватории Голубого залива в начальный период развития шторма (а), в период мак- симального развития шторма (б), в период затухания (в). с.ш. 44,395° 44,389° 44,383° с.ш. 44,396° 44,390° 44,384° 33,972° 33,978° 33,984° в.д. 33,972° 33,978° 33,984° в.д. 279 2 м. В точке расположения океанографической платформы прослеживался постоянный рост высот волн: от 0,6 до 2,5 м (см. рис. 5, б). Направление волн в регионе постепенно менялось с северо-западного на северное и северо- восточное. По мере изменения направления входящих в залив волн, в центре, на севере и около берега стали проявляться заметные эффекты рефракции. Период максимальной интенсификации. Промежуток времени с 03:00 по 12:00 GMT 11 ноября характеризуется значительной интенсификацией волнового режима (см. рис. 5, б). В этот период по всей акватории высоты волн достигали своих наибольших величин (от 1 м у побережья до 5,4 м на юге региона). В центре, на востоке и на юге залива сформировалась область с максимальной интенсивностью волнения (2,5 – 5,4 м). Волны со средними зна- чениями высот генерировались на севере залива (2 – 3,5 м). В прибрежной зоне картина волнения была неоднозначна. По мере продвижения на север высоты волн снижались с 3,5 – 3,8 до 2 – 1 м. Вблизи платформы в течение этого пе- риода преобладали волны с высотами 2,5 – 3,7 м (см. рис. 5, б). Направление волн характеризовалось устойчивостью по времени и в дальнейшем не меня- лось. По мере продвижения волн на север и северо-восток оно постепенно изменялось вследствие рефракции с северо-восточного на северное. Затухание. С 12:00 GMT 11 ноября шторм идет на спад и завершается 12 ноября. Этот период характеризовался снижением интенсивности волне- ния по всему региону (см. рис. 5, в). В это время на юге и в центре залива преобладали волны с высотами 4,8 – 1,5 м, на севере 3 – 1 м, у береговой линии 3,2 – 0,8 м, вблизи платформы 3,5 – 1,5 м (см. рис. 5, в). Направление волн оставалось неизменным по всей акватории. Заключение. Реализован алгоритм расчета нестационарных полей ветро- вого волнения в акватории Голубого залива с дискретностью ~ 20 м на основе спектральной модели SWAN и 4-х шагового метода вложенных сеток. Проана- лизирована чувствительность к вариациям шага по времени и частотно- углового разрешения и выбраны оптимальные значения этих параметров. Выполнена валидация модели SWAN по данным измерений на океано- графической платформе ЭО МГИ НАН Украины 11 – 12 сентября 2010 г. Сравнение рассчитанных и экспериментальных высот волн показало нали- чие сходной эволюции во времени. Наряду с этим наблюдалось системати- ческое завышение модельных высот волн над экспериментальными значе- ниями, что, по-видимому, связано с грубым (10 км) горизонтальным разре- шением атмосферной модели. Проведен расчет волновых полей ноябрьского шторма 2007 г. для аква- тории Голубого залива. Численные эксперименты показали соответствие общим представлениям об эволюции штормового волнения. Основываясь на результатах проведенных численных экспериментов можно сделать вы- вод о пригодности предложенного алгоритма для расчета ветрового волне- ния в исследуемом регионе. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. SWAN Cycle III version 40.85. User Manual.– Netherlands: Delft University of Technology, 2011. – 119 p. http://www.swan.tudelft.nl 2. Фомин В.В., Иванов В.А. Численное моделирование ветрового волнения в рай- оне острова Коса Тузла // Экологическая безопасность прибрежной и шельфо- 280 вой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2004. – вып. 10. – С. 233-242. 3. Фомин В.В., Иванов В.А. Совместное моделирование течений и поверхностного волнения в Керченском проливе // Морской гидрофизический журнал. – 2007. – № 5. – С. 3-22. 4. Михайличенко С.Ю., Фомин В.В. Численное моделирование ветрового волнения в районе острова Коса Тузла с использованием метода вложенных сеток // Экологи- ческая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2008. – вып. 17. – С. 176-184. 5. Михайличенко С.Ю. Ветровое волнение у восточной оконечности о. Коса Тузла // Моделирование динамики вод в Керченском проливе и предпроливных зонах / Под ред. Иванова В.А. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2010. – С. 170-180. 6. Фомин В.В., Дьяков Н.Н. Ветровое волнение и транспорт наносов в Азовском море // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплекс- ное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидро- физика». – 2003. – вып. 8. – С. 175-181. 7. Михайличенко С.Ю., Фомин В.В., Иванов В.А. Моделирование штормовых си- туаций в Азовском море на основе волновой модели SWAN // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ре- сурсов шельфа. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2007. – вып. 15. – С. 299-304. Материал поступил в редакцию 25 .10 .2011 г . АНОТАЦІЯ З використанням моделі SWAN на основі 4-х крокового методу вкладених сіток для реальних синоптичних ситуацій виконані розрахунки хвильо- вих полів в акваторії Блакитної затоки з деталізацією в районі експериментальної платформи. Досліджено чутливість хвильової моделі до варіацій вхідних пара- метрів. Проведена валідація моделі SWAN за даними вимірів на платформі. Ви- вчено особливості отриманих хвильових полів. ABSTRACT SWAN model and 4-step method of the inset grids for real synoptical situations were used to calculate the wave fields in Blue Bay area; the experimental platform area is shown in greater detail. The sensitivity of the wave model to the input parameters variations has been researched. SWAN validation has been validated ac- cording to the measurement data on the platform. Features of the obtained wave fields have been researched.

Similar Items