Электронный аналог печатного издания, утвержденного 07.12.10

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

ПО РЕЖИМУ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ БЕРИНГОВА И БЕЛОГО МОРЕЙ

НД N 2-029901-009

Санкт-Петербург

2010

Справочные данные по режиму истра и волнения Берингова и Белого морей содержат методику расчетов и сведения, необходимые для правильной классификации судов по районам плавания при разработке норм и правил Российского морского регистра судоходства, для проектирования судов и сооружений, оценки условий плавания, планирования работ в открытом морс и на шельфе, а также для решения других вопросов, связанных с судоходством, мореплаванием и проектированием средств океанотехники.

Работа выполнена на кафедре океанологии Санкт-Петербургского государезвенного университета (СПбГУ) и в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО). Авторы и ответственные исполнители работы: л.г.н., проф. Л.И. Лопатухин, д.т.н. А.В. Бухановский, к.ф-м.н. Е.С. Чернышева.

© Российский морской регистр судоходства. 2010

2

11

2 НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ ПО РЕЖИМУ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ (ВХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ)

Ветровые волны являются вероятностным процессом, свойства которого описываются набором вероятностных характеристик (параметров). Для описания режима ветровых волн (волнового климата) необходимо статистическое обобщение (вероятностное моделирование) многолетних данных по ветру и волнению. В соответствии с подходом, изложенным в предыдущем разделе, информационная база данных для последующих статистических расчетов формируется путем расчетов по гидродинамическим моделям.

2.1 Входные данные для расчетов режима ветра к волнения

Входными данными для расчета режима ветра и волнения являются поля ветра, которые задаются в узлах сеточной области, покрывающей всё море и соседние акватории. Предварительно подготавливается массив глубин (в узлах сеточной области, для мелководных акваторий с учетом колебаний уровня) и сведения о ледовых условиях. Качество информации о скорости ветра над подстилающей поверхностью (обычно - на высоте 10 м над уровнем моря) является определяющим для расчета режимных характеристик ветра и волнения. Возможности применения гидродинамического

12

моделирования для описания климатических характеристик ветровых волн (и других характеристик динамики моря) связаны с появлением входной информации в результате выполнения ресурсоемка международных и национальных проектов по реанализу метеорологических данных. Под рсанализом понимается восстановление пространственно-временных полей метеорологических характеристик в узлах регулярной сетки по данным наблюдений с использованием диагностических моделей динамики атмосферы. Данная процедура выполняется практически для всех метеорологических величин, включая атмосферное давление, температуру воздуха, скорость ветра, осадки, облачность, влажность и т.д. В настоящее время наиболее известен проект рсанализа NCEP/NCAR, созданный совместно Национальным центром экологического прогнозирования (NCEP) и Национальным центром атмосферных исследований (NCAR) в США для всего Земного шара, а также аналогичные проекты ERA-15 и ERA-40. созданные Европейским центром среднесрочных мстсонрогнозов (ECMWF). Для отдельных районов существуют региональные разработки с большей пространственной детализацией, например, рсаналнз JRA25, созданный Национальной метеослужбой Японии, шведский массив SMHI для акватории Балтийского моря, реаназиз HIRLAM для северо-запада Европы и т.п. Описание этих массивов доступно в сети Интернет. Массив данных рсанализа NCEP/NCAR содержит ноля метеорологических характеристик на системе горизонтов в узлах регулярной сетки (в основном 2,5 х 2,5°), начиная с 1948 г. с шагом но времени 6 ч; он ежемесячно обновляется и находится в свободном (для исследовательских целей) доступе. Вопросы применения данных рсанализа нолей атмосферного давления и ветра для расчетов волнения и статистического описания волнового климата рассмотрены в достаточно большом количестве работ и обсуждались на специализированных конференциях (см., например, [1, 16, 19 - 22]). Основным недостатком данных любого рсанализа является зависимость их качества от обеспеченности расчетного района данными наблюдений. Использование методов оптимальной интерполяции (или аналогичных подходов) гидрометеорологических полей на регулярную сетку приводит к irx сглаживанию, что занижает градиенты полей давления и ветра, особенно в экстремальных ситуациях. Кроме того возможен «пропуск» быстрых штормов (время жизни которых меньше дискретности данных рсанализа). Этот вывод справедлив для многих акваторий и подтвержден на ряде международных форумов [22]. Поэтому при создания нн^юрмационной базы полей ветра для расчета статистических характеристик волн в различных диапазонах изменчивости, включая экстремумы, возможные I раз в п лет, необходим комплексный подход, учитывающий физические особенности моделируемых процессов и специфику данных наблюдений. Для расчета

13

приводного ветра традиционным является использование полей реаналнза атмосферного давления на уровне 10 м над поверхностью моря. Расчет приводного ветра выполняется по градиентному ветру с учетом специфики подстилающей поверхности. В общем случае скорость градиентного ветра V_f выражается через поле атмосферного давления Р соотношением:

V    1    дР

±- + /.У- —— = 0, R ^П * р дп

где f_k = 2Qsin(<p) - параметр Кориолиса; р - плотность вохтуха; дР/сп - градиент атмосферного давления: Q - угловая скорость вращения Земли; ф - широга места; знак «+» - для циклонов, знак «-» - для антициклонов.

Наиболее дискуссионной величиной в соотношении (2.1-1) является радиус кривизны изобар R, так как для его определения необходимо знать геометрический цен гр барического образования. В том случае, когда размеры барических образований сопоставимы с площадью расчетной области, или при наличии вторичных барических образований, оценки R , основанные только на геометрических особенностях поля давления, могут сильно отличаться от реальных значений. Пространственный шаг сетки и степень ее регулярности также влияют на качество вычисления градиента дР/дп в соотношении (2.1-1). Погрешность при расчете атмосферного давления в дали процента может привести к ошибке в скорости вегра 10-20 %, а при расчете ветровых волн - к еще большей ошибке. Ошибка в опенке давления или ветра в некоторой области акватории приводит к неодинаковым ошибкам в различных точках волнового поля. Волнение в расчетной точке определяется интегральным эффектом эволюции в пространстве и времени, поэтому нс всегда просто выяв!пъ источник ошибок.

Помимо традиционного подхода на основе соотношения (2.1-1) для расчета скорости ветра но нолям атмосферного давления используются также локальные модели ветра, учитывающие специфику конкретной акватории. Для одной и той же акватории может быть несколько моделей, что свидетельствует о невозможности создания уникальной региональной модели. Сопоставление результатов расчетов но набору локальных моделей для одной и той же акватории нс всегда позволяет придти к однозначным выводам [23]. Следовательно, использование локальных моделей ветра нс является единственно верным путем увеличения достоверности информации о полях ветра над морем.

Калибровка полей приводного ветра по данным наблюдений. Переход от скорости градиентного ветра (2.1-1) к приводному ветру на высоте 10 м осуществляется

14

но формуле V = kV_g, глс к - коэффициент перехода, 'зависящий от набора характеристик стратификации атмосферы в слое непосредственно над подстилающей поверхностью. Во избежание накопления ошибок при расчете климатических характеристик волнения приходится по данным давления из массива реанализа рассчитывать поля приводного ветра, применяя для получения к независимые измерения ветра. Эта процедура в иностранной литературе носит название калибровки (calibration). Процедуру калибровки можно применять и к значениям скорости приводного ветра, полученным непосредственно из массивов данных рсанализа, поскольку они также требуют уточнения структуры полей ветра в наиболее сильных штормах.

При систематическом отличии данных реанализа от наблюдений и высокой статистической связи между ними калибровка выполняется с помощью рс1рсссионной модели, коэффициенты которой идентифицируются но высококачественным данным измерений, т е. данные по ветру в наиболее сильных штормах уточняются по измерениям на гидрометеорологических станциях (ГМС). Этот подход использован во многих работах (см., например. [24 -26]).

Уравнение регрессии формулируется в векторной форме для компонентов V = (i/,v) одновременно. В изотропном случае, когда данные в одни и тс же сроки различаются по модулю, но близки по направлению, эта модель упрощается:

+ v^J , направления »p = arctan—. Математическое ожидание (непарамстричсская

регрессия) может быть аппроксимировано полиномом в виде лу.| =|^’|f I ⁺ Х^а«1*Т

отсутствии срочных данных наблюдений для калибровки могут быть использованы обобщенные статистические данные, приведенные в различных атласах и справочных пособиях. В этом случае регрессионное выражение для коэффициента к строится на основе сопоставления квантилей режимных распределений по данным реаналнза и иным источникам. Рассмотренный подход может быть использован для просгранствснно квазиодпородных районов. Так. для всей акватории Белого моря непарамстричсская регрессия в компонентной форме для изотропной калибровки полей ветра по данным NCEP/NCAR имеет вид:

и = 1,582 и (\- 6,696 • 10’³ • |И\

(2.1-2)

v = 1,582 • v-(1-6,696 10’’ |Р|).

На рис. 2.1-1 изображен график калибровочного выражения (2.1-2) в сопоставлении с характерными квантилями модуля скорости ветра по данным судовых наблюдений из Справочных данных [5] (по оси ординат) и по результатам обработки

15

соответствующих данных рсаиализа NCF.P/NCAR (по оси абсцисс). Видно, что в общем случае точки достаточно хорошо аппроксимируются соотношением (2.1-2). Общий вид графика показывает, что по данным рсаиализа для региона Белого моря сильные ветры занижены примерно па 30 %. что объясняется достаточно грубым разрешением сетки рсаиализа и использованием в процессе его подготовки данных многочисленных береговых ГМС, нерепрезентативных для открытых морских районов.

Но сравнению с Белым морем, Берингово море является регионом, более обеспеченным наблюдениями на морских станциях. Так, результаты расчетов характерных квантилей но реанализу NCEP/NCAR в сопоставлении с данными измерений на буях Берингова моря и Справочными данными [5] показали, что в среднем эти материалы согласуются достаточно хорошо, поэтому калибровочный коэффициент к «1; отклонение от этого значения не превышает 5 %, что находится ниже уровня с iатисти ческой и i ач и мост.

Следует отметить, что в ряде случаев для протяженных акваторий сложной

орографии степень различия данных реаналнза и наблюдений сильно изменяется по

пространству [1, 21. 27. 28]. Задача консолидации данных из разных источников (ГМС.

16

СОДЕРЖАНИЕ

Часть I. Методы расчета режима ветра и волнения...........................................................5

Введение.........................................................................................................................................6

1    Краткая характеристика справочных данных по режиму ветра и волнения в соответствии

с требованиями Регистра..............................................................................................................7

2    Новое поколение справочных данных по режиму ветра и волнения (входная информация

и гидродинамические модели)...................................................................................................12

2.1 Входные данные для расчетов режима ветра и волнения.................................................12

2.2    Гидродинамические модели, используемые для расчета волнения.................................17

3    Основные расчетные параметры волнения............................................................................22

3.1    Спектральные характеристики волнения............................................................................22

3.2    Высоты волн...........................................................................................................................25

3.3    Периоды видимых волн........................................................................................................27

3.4    Длины волн и высоты их гребней........................................................................................30

3.5    Необычные волны в океанах и морях..................................................................................32

4    Волновой климат (режимные характеристики волнения)....................................................33

4.1    Оперативные статистики......................................................................................................34

4.1.1    Климатические спектры волн............................................................................................34

4.1.2    Режимные распределения элементов волн......................................................................41

4.1.3    Соотношение между высотами и периодами волн.........................................................47

4.1.4    Шторма и окна погоды ветра и волнения........................................................................60

4.2 Экстремальные статистики...................................................................................................63

4.2.1    Одномерные экстремумы в точке.....................................................................................64

4.2.2    Оценки совместных экстремумов.....................................................................................69

4.2.3    Экстремальные спектры волнения как совместные экстремумы..................................73

5    Сопоставление некоторых расчетных характеристик волнения с данными измерений ...79

5.1    Берингово море......................................................................................................................80

5.2    Белое море..............................................................................................................................95

Список литературы....................................................................................................................102

3

морей..........................................................................................................................................107

Введение.....................................................................................................................................ЮХ

Берингово море..........................................................................................................................113

Краткая географическая характеристика Берингова моря....................................................113

Карты экстремальных статистик ветра и волн (направления «откуда»).............................116

Карты оперативных статистик ветра и волн (направления «откуда»).................................121

Характеристики спектральной структуры волнения.............................................................123

Таблицы статистик ветра и волн Берингова моря (направления «откуда»)........................133

Район 1 (Северо-западная часть моря. Анадырский залив)..................................................133

Район 2 (Северо-восточная часть моря, залив Нортон).........................................................151

Район 3 (Север центральной части моря)................................................................................168

Район 4 (Север западной части моря)......................................................................................196

Район 5 (Западная часть моря, прилегающая к Камчатке)....................................................233

Район 6 (Юг западной части моря)..........................................................................................267

Район 7 (Юг центральной части моря)....................................................................................301

Район 8 (Восточная часть моря, Бристольский залив)...........................................................336

Белое море..................................................................................................................................371

Краткая географическая характеристика Белого моря..........................................................371

Карты экстремальных статистик ветра и волн (направления «откуда»).............................375

Карты оперативных статистик ветра и волн (направления «откуда»).................................380

Характеристики спектральной структуры волнения.............................................................382

Таблицы статистик ветра и волн Белого моря (направления «откуда»)..............................391

Район 1 (Кандалакшский залив)...............................................................................................391

Район 2 (Онежский чалив и юго-западная часть Бассейна)...................................................416

Район 3 (Центральная часть моря - Бассейн).........................................................................440

Район 4 (Двинский залив).........................................................................................................465

Район 5 (Южная часть Горла)..................................................................................................490

Район 6 (Северная часть Горла)...............................................................................................316

Район 7 (Воронка и Мезенский залив)....................................................................................541

4

Часть I

МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕЖИМА ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ

5

Введение

Ветровые волны — мелкомасштабный геофизический процесс с характерными временными масштабами от долей до нескольких десятков секунд и пространственными масштабами от сантиметров до нескольких сотен метров. Размеры волн определяются набором внешних факторов (условий волнообразования), в частности, скоростью ветра, продолжительностью его действия, разгоном и ч\д. Условия волнообразования любой акватории нс остаются неизменными; изменения связаны с прохождением барических образований (синоптической изменчивостью), годовой ритмикой (сезонной изменчивостью) и долгопериодными вариациями циркуляционных процессов (межгодовой изменчивостью). Такая разномасштабная изменчивость позволяет определить режим ветра и волнения (или ветро-волновой климат) как ансамбль состояний волновой поверхности с учетом указанной изменчивости. В справочниках и пособиях она представлена различными статистическими характеристиками, главным образом, режимными распределениями и их числовыми характеристиками (средними значениями, дисперсией, квантилями, параметрами распределений и т.п.).

Пространственная и временная дстал1гзацпя режимных характеристик, полнота и разнообразие набора статистик зависят от целевой направленности изданий. При традиционном представлении информации (в печатном виде) невозможно создать пособие, удовлетворяющее всех потребителей. Такие потребности, в большей степени, может удовлетворить элсктронно-справочная система данных ветра и волнения океанов и морей. Однако на пути создания такого информационного поргала встречаются значительные трудности, а мировой опыт показывает, что нс всада полученный результат оправдывает затраченные средства. Например, при проектировании сооружения, которое должно эксплуатироваться в конкретной точке моря, весь набор статистических характеристик необходимо рассчитывать заново.

Исходя из потребностей и возможностей Российского морского регистра судоходства¹, целесообразно 01раничигься сведениями о ветре и волнении для конечного числа однородных районов в каждом из рассматриваемых морей. При районировании соблюдался разумный компромисс между количеством районов, достоверностью информации и обьсмом настоящих Справочных данных, в первую очередь связанным с количеством публикуемой статистической информации (рисунков и таблиц). Пространственная изменчивость параметров ветра и волнения представлена па картах части II настоящих Справочных данных и также может быть оценена путем сопоставления данных из таблиц для различных районов.

В дальнейшем - Регистр.

б

Сложившаяся практика проектирования и эксплуатации судов и средств оксанотсхники разделяет режимные характеристики ветра и волн на экстремальные и оперативные. 11ервые определяют гак называемый режим выживания сооружения или судна, а вторые - режим их повседневной эксплуатации. Использованные подходы и методы расчета режимных (климатических) характеристик ветра и волнения изложены в части I настоящих Справочных данных. В этой части, по возможности, не повторяются аналогичные разделы Справочных данных изданий 2006 и 2009 гг. [1, 2], однако, неизбежные повторы, необходимые для целостного восприяшя информации без обращения к предыдущим изданиям, могут иметь место.

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ ПО РЕЖИМУ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ РЕГИСТРА

Первые справочные данные по режиму волнения были основаны на визуальных наблюдениях. Они появились после второй мировой войны, сьправ большую роль в понимании волнового климата, причем некоторые справочные данные нс потеряли свою актуальность и в настоящее время. В этих пособиях в виде таблиц и графиков представлены сведения о повторяемости волнения по градациям для отдельных районов, месяцев или сезонов, приведены другие элементарные статистические данные (средние значения, параметры распределений и т.н.). Такие сведения называют также традиционной или рутинной (routine) статистикой.

Регистр традиционно уделяет внимание внешним гидрометеорологическим условиям, в которых эксплуатируются объекты его технического наблюдения (суда и сооружения). Наибольший интерес представляют сведения о ветре и волнении океанов и морей. Регистр СССР в 1962 г. подготовил и издал Справочные данные но режиму ветра и волнения на морях, омывающих берега СССР [3]. в 1965 г. вышло первое издание Справочных данных по режиму ветров и волнения в океанах [4]. В 1974 г. Регистром были подго Iовлемы и изданы справочные данные но режиму вегра и волнения в океанах и морях [5]. Эти данные, несмотря на использование судовых визуальных наблюдений, до сих пор нс потеряли своей актуальности и используются при решении многочисленных прикладных задач, например, для проектирования судов, их классификации по районам плавания, планирования работы морского и промыслового флотов и т.д. Один из последних зарубежных справочников, составленный на основе данных визуальных наблюдений, был издан в Великобритании в 1986 г. [6] не только в печатном виде, но и в

формате компьютерной информационной системы. Более поздний российско-нидерландский атлас [7], составленный на основе данных визуальных наблюдений, преследует, в основном, цели анализа глобальной изменчивости волнового климата на акватории Мирового океана в целом (между 84° с.ш. и 84° ю.ш.) и нс предназначен для описания экстремальных явлений, тем более на небольших акваториях (например. Белого моря).

Начиная с 70-х годов, в связи с освоением шельфа морей России, Регистром были изданы Правила классификации и постройки плавучих буровых установок [8], изменения и дополнения к ним [9] и, наконец, 11равила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ (10].

В 80-е годы Главным управлением навигации оксанофафии МО СССР были изданы Гидрометеорологические карты морей [II]. Гидрометеорологической службой были опубликованы так называемые справочники по шельфу [12] и по проект)' «Моря СССР» [13, 14]. В этих изданиях обобщены ранее опубликованные сведения о гидрометеорологических характсрис гиках без учета запросов Регистра. Изданные за рубежом справочные пособия в основном или отражают самые общие закономерности режима ветра и волнения или относятся к конкретному нефтегазоносному месторождению и не репрезентативны для моря в целом.

С середины 70-х годов XX века для изучения режима ветра и волнения стали использоваться данные инструмс1ггалы1ых измерений, полученные с автоматических буев и буровых установок. Однако эти данные относятся в основном к прибрежным районам и, следовательно, нс отражают режим волнения в открытых районах океанов и морей. Измерения, как правило, применяются для проверки численных моделей расчета волнения и решения специфических задач исследования волнового климата в конкретной точке морской акватории. 1975 г. можно считать началом спутниковых измерений волнения. Накопленные данные позволили создать в 1996 г. первые атласы волнения, основанные на спутниковых данных [15]. Не останавливаясь на специфических методических вопросах, возникающих при создании подобных справочников, отметим, что эти данные отражают пространственно-временную изменчивость режима волнения на больших акваториях.

Современные запросы в областях мореплавания, судостроения и освоения шельфа повысили требования к составу, полноте и достоверности сведений о режиме ветра и волнения. В то же время появилась возможность в значительной степени удовлетворить эти запросы за счёт подхода, основанного на получении режимных данных путем расчетов ветра и волнения но гидродинамическим моделям с последующим вероятностным анализом полученной информации. Возможность практической

реализации указанного подхода оправдана наличием больших массивов входных данных для расчетов волнения (данных реанализа, см. разд. 2). а гидродинамические модели, описывающие зарождение, распространение и затухание волн, позволяют определять различные статистические характеристики волнения с приемлемой для практики точностью. Используемые гидродинамические модели волнения основаны на решении уравнения баланса волновой энергии в спектральной форме, поэтому их называют спектральными, а волновой климат на основе результатов такого моделирования — «спектральным волновым климатом». Переход от спектров волнения к видимым элементам волн (высотам, периодам и т.н.) осуществляется по простым соотношениям через спектральные моменты (см. разд. 3). Указанный подход получил признание во всем мире (в том числе в России (I, 2, 16, 17, 181). одобрен и реализован при решении многочисленных научных и прикладных задач.

Принципиальная схема расчет волнового климат включаег следующие основные

этапы:

•    подготовку входной информации (батиметрия, ледовые условия, ноля ветра и т.д.) для расчетов волнения;

•    расчет (hindcasting) спектров волнения и видимых элементов волн в узлах регулярной пространственно-временной сетки по гидродинамической модели;

•    сгагистичсскос обобщение результатов расчетов волнения посредством вероятностных моделей.

Каждый этап может быть подразделен на различное количество ступеней.

Регистр, начиная с 2000 г., возобновил работы по созданию справочных данных по режиму ветра и волнения на морях. В 2003 г. были изданы Справочные данные по режиму ветра и волнения Баренцева. Охотского и Каспийского морей [16]. В 2006 г. опубликованы Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного. Азовского и Средиземного морей [ 1 ]. В 2009 г. вышли Справочные данные по режиму ветра и волнения Японского и Карского морей [2]. Справочные данные 2003, 2006 и 2009 гг. представляют собой пособия нового поколения, учитывающие последние достижения в областях исследований ветровых волн, численного моделирования и компьютерных технологий. В табл. 1 сопоставлен набор основных статистик по ветру и волнению, опубликованных в справочных данных Регистра. Приведенная Таблица позволяет оценить принципиальные различия и подобие баз данных (входной информации), полноту и разнообразие сведений о режиме ветра и волнения. Очевидно, что каждое последующее издание существенно расширяет набор статистик. Например, только в издании 2009 г. впервые в мировой практике приведены карты совместной

9

повторяемости экстремумов ветра и волн и даны подробные сведения о климатических спектрах. В настоящем издании, являющемся результатом продолжения указанных работ, представлены справочные данные по ветру и волнению Берингова и Белого морей.

Та б л и на 1.1

Набор основных статистических сведений о режиме ветра и волнения, представленных в справочниках Регистра