ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗА МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЛН НА ВОДЕ

Аннотация

Увеличение пространственно-временного разрешения численных моделей на сегодняшний день рассматривается как основное направление совершенствования прогноза волнения в Мировом океане. Однако наряду с заметным улучшением оценки высот волн (в том числе, экстремальных), появляются серьезные проблемы соответствия достигаемого разрешения численных моделей качеству ассимилируемых этими моделями данных, а также границам применимости теории, лежащей в основе системы прогноза. Современная статистическая теория морского волнения накладывает определенные требования на соотношения характерных масштабов взаимодействия волн с ветром (накачка и диссипация) и взаимодействий между волнами (нелинейного переноса). Некорректность моделей, связанная с нарушением границ применимости физической теории, крайне сложно выявить путем верификации по данным in situ или дистанционных измерений.
В настоящей работе результаты высокоразрешающего моделирования морского волнения верифицировались по соотношениям теории волновой (слабой) турбулентности. Для анализа использованы три модели ветрового волнения с различными пространственно-временными сетками: CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service) c разрешением 0.1° по пространству и 3 часа по времени; MFWAM (Meteo-France WAve Model) – 0.025° и 1 час, а также WaveWatch III с ветровой накачкой, взятой из высокоразрешающей атмосферной модели WRF – 0.01° и 1 час соответственно. В качестве экспериментального полигона была выбрана акватория атлантического сектора юго-запада Европы (7°з.д.–5°в.д. и 53°–63°с.ш.) за период 1.01.2018–28.02.2018. Этот сравнительно небольшой сектор отличается сочетанием практически всех возможных ветро-волновых условий: развитием локального ветрового волнения в проливе Ла-Манш, существованием нескольких систем зыби, приходящей из Атлантического океана, и комбинациями их взаимодействия.
В целом, модели достаточно хорошо согласуются друг с другом по основным характеристикам ветрового волнения, однако значимо расходятся в оценке изменчивости волнения на масштабах 20–50 км, которые отвечают релаксационным процессам волнового поля за счет нелинейных резонансных взаимодействий. Эти процессы играют определяющую роль в динамике волнения (по сравнению с ветровой накачкой и диссипацией) и достаточно точно описываются аналитическими соотношениями теории волновой турбулентности (Badulin et al., 2007, 2015). С помощью последних период и крутизна волнения могут быть восстановлены по пространственному градиенту высоты волны (Badulin, 2014). Подобная процедура применима как для модельных, так и для спутниковых данных (Badulin et al., 2018), что позволяет провести сравнение результатов моделирования и измерений в рамках единого физического подхода.
Анализ полученных результатов показывает вероятную избыточность разрешения WaveWatch III (0.01°) при моделировании волнения, что проявляется, в частности, в образовании мелкомасштабных структур в зонах сильной изменчивости (например, вблизи берегов), где модели низкого разрешения показывают формирование ориентированных по ветру устойчивых струй в поле крутизны волнения. Расхождения моделей более низкого разрешения между собой, в основном, могут быть объяснены различными методами разделения поля волнения на системы локально генерируемого ветрового волнения и зыби.
Исследования выполнены в рамках темы госзадания № 0149-2019-0002 Института океанологии П.П. Ширшова РАН.