CC BY
167
УДК 551.5
МА Никитин, Г.С. Ривин, И.А. Розинкина, М.М. Чумаков
Идентификация полярных циклонов над акваторией Карского моря с помощью гидродинамического моделирования
Ключевые слова:
полярные циклоны, модели прогноза погоды,
расчет порывов ветра.
Keywords:
polar lows, weather forecast models,
calculation of wind gusts.
В связи с интенсификацией освоения нефтегазовых месторождений и перспективных структур на шельфе арктических морей и соответствующим увеличением объемов морских операций особую актуальность приобретают задачи определения режимных и экстремальных характеристик ветра на рассматриваемых акваториях. Важность получения реалистичных оценок этих характеристик обусловлена следующими основными факторами:
• режимные характеристики служат базой для принятия проектных решений по обустройству и эксплуатации месторождения, включая вопросы организации транспортировки объектов обустройства и их монтажа на точке установки, проведения ремонтных работ, снабжения, эвакуации и др.;
• экстремальные характеристики используются при проектировании для определения расчетного значения ветровой нагрузки на объект обустройства и, следовательно, определяют его конструктивные особенности.
Основой расчета указанных характеристик являются срочные (получаемые регулярно через фиксированные промежутки времени) данные о скоростях ветра и его порывов на рассматриваемой акватории, от качества и полноты которых, следовательно, существенно зависит достоверность результатов расчетов, используемых при проектировании.
Известно, что в арктических морях изменчивость скорости ветра в основном определяется эволюцией барических образований (циклонов и антициклонов), характерный размер которых варьируется в широких пределах. В настоящей статье исследуется проблема определения скорости ветра и его порывов при прохождении полярных (мезомасштабных) циклонов над рассматриваемой акваторией, которые вызывают сильные осадки и штормовые, а в отдельных случаях - ураганные, скорости ветра. В силу быстрого (до 90 км/ч и более) перемещения и относительно малых горизонтальных размеров они плохо фиксируются стандартной синоптической наблюдательной сетью, поэтому данные как срочных наблюдений на гидрометеорологических станциях сети, так и реанализа могут не содержать информации о реальной величине максимальной скорости ветра и порывов на рассматриваемой акватории.
Необходимо отметить, что во многих областях земного шара, в частности на акватории Баренцева моря, наблюдаются мезомасштабные циклоны, пространственный масштаб которых меньше 1000 км. Термин мезомасштабный циклон описывает достаточно разнообразные метеорологические объекты, начиная с незначительных атмосферных вихрей, заметных только в поле облачности, и заканчивая полярными циклонами, в которых наблюдаются сильные осадки и крайне высокие скорости ветра.
Согласно определению, приведенному в книге Расмусена и Тернера [1], полярным называется небольшой, но очень интенсивный циклон, формирующийся над морем к северу от полярного фронта. Горизонтальный масштаб полярных циклонов варьируется от 200 до 500 км, а скорость ветра при их прохождении достигает штормовых значений (свыше 15 м/с). Европейская рабочая группа по полярным циклонам уточнила это определение. Согласно работе [2] полярный циклон - это сформировавшийся над морем мезомасштабный циклон с приземной скоростью ветра выше
№ 2 (22) / 2015
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
107
15 м/с, тогда как в свою очередь мезомасштаб-ным считается циклон, сформировавшийся к северу от полярного фронта, горизонтальный размер которого меньше 2000 км.
Впервые полярные циклоны были обнаружены над акваториями Норвежского и Баренцева морей. Подобные вихри наблюдаются и в других районах земного шара: на севере Тихого океана, в Охотском, Японском и Лабрадорском морях, а также в антарктических водах. Полярные циклоны образуются в холодное время года - с октября по май. Они быстро развиваются, их характерное время жизни - порядка суток. Метеорологические условия в полярных циклонах отличаются интенсивными осадками и скоростями ветра, в среднем достигающими 18,5-23,5 м/с [3]. Однако, по данным наблюдений 25 апреля 1985 г., скорость ветра в полярном циклоне превысила 33 м/с, достигнув ураганных значений, а за период наблюдений с 2000-го по 2009 г. в полярном циклоне зафиксирована максимальная скорость ветра 35 м/с [4]. Скорость перемещения полярных циклонов обычно составляет 50-70 км/ч, но может достигать 90 км/ч и более. Падение давления в центре барической депрессии составляет примерно 2-3 гПа. Потоки явного и скрытого тепла в среднем по области составляют порядка 200 Вт/м2, а в отдельных местах могут достигать 290 и 520 Вт/м2 соответственно [5]. В центре полярного циклона располагается небольшая область с нисходящими движениями воздуха («глаз бури»).
Исследования процесса формирования и эволюции полярных циклонов, выполненные за последние 30 лет с помощью проведения авиационных и наземных наблюдений, а также численного моделирования [6-9], позволили установить, что основным механизмом формирования полярных циклонов является адвекция холодного воздуха (преимущественно с покрытой льдом поверхности) на свободную ото льда водную поверхность (рис. 1, 2). Этот процесс приводит к развитию сильной вертикальной неустойчивости и конвекции. Обычно это происходит в низкоуровневых зонах бароклин-ности (так называемых «старых окклюзиях»). Развитию полярных циклонов также способствует большая (> 43 °C) разность температур на поверхности воды и на изобарической поверхности 500 гПа (высота порядка 5,5 км).
Исследования показали, что атмосфера в областях возникновения полярных циклонов
не обладает достаточными запасами энергии неустойчивости для поддержания столь высоких скоростей ветра. Вероятно, основной источник кинетической энергии полярных циклонов - турбулентный поток тепла с открытой водной поверхности. Поэтому полярные циклоны зарождаются над относительно теплой морской поверхностью, но быстро разрушаются над сушей или ледяным покровом, когда исчезает подпитывающий их поток тепла. Несмотря на довольно короткое время жизни от 12 ч до 3 сут, полярные циклоны могут представлять значительную угрозу для морских платформ, судоходства и прибрежной инфраструктуры.
В акватории Норвежского и Баренцева морей в течение холодного сезона в среднем наблюдается два-три полярных циклона в месяц, однако, по данным наблюдений, относящихся к периоду с конца 1990-х и начала 2000-х гг., на акватории Карского моря полярных циклонов не наблюдалось.
Рис. 1. Механизм формирования полярных циклонов
Рис. 2. Космоснимок полярного циклона:
стрелками обозначены направления адвекции холодного воздуха с покрытой льдом поверхности на свободную ото льда водную поверхность
№ 2 (22 ) / 2015
108
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Как уже отмечалось, с 2005 г. во всей Арктике наблюдаются устойчиво высокие среднегодовые температуры воздуха, обусловливающие стабильно большую продолжительность безледного периода и низкую ледови-тость. В частности, в Баренцевом море отмечается уменьшение среднего расстояния от югозападного берега Новой Земли до кромки льда, а в юго-западной части Карского моря - уменьшение сплоченности льда в весенние месяцы и, соответственно, увеличение количества полыней и разводьев, а также их протяженности и ширины. Известно, что полыньи и разводья играют важную роль в обеспечении процессов теплообмена в системе «океан-атмосфера», и, следовательно, их увеличение ведет к усилению потока тепла, поступающего в атмосферу в течение ледового сезона.
Учитывая механизм зарождения и эволюции полярных циклонов, совокупность перечисленных факторов обусловливает усиление мезомасштабной циклональной активности на акватории Карского моря. Этот вывод подтверждается данными наблюдений за последние годы, а также результатами моделирования изменений климата (рис. 3), выполненного под эгидой Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), которая была создана в 1988 г. с целью всеобъемлющей оценки состояния научно-технических и социально-экономических знаний об изменениях климата, их причинах, потенциальных последствиях и соответствующих стратегиях реагирования.
Начиная с конца 2013 г., специалисты лаборатории гидротехнических сооружений ООО «Газпром ВНИИГАЗ» совместно со специалистами ФГБУ «Гидрометцентр России» ведут изучение полярных циклонов, зарождающихся в Баренцевом море и перемещающихся в процессе эволюции на акваторию Карского
моря. Для этого используются результаты гидродинамического моделирования при помощи мезомасштабной системы прогноза погоды COSMO-Ru - базовой оперативной системы Гидрометцентра России и других прогностических учреждений Росгидромета, обладающей достаточным пространственным разрешением для воспроизведения эволюции полярных циклонов, а также данных дистанционного зондирования Земли. Шаг сетки COSMO-Ru-модели для Европы и Северной Азии ENA (англ. Europe - Northern Asia) составляет 13,2 км. Сетка охватывает область размером 13200 х 6600 км, в том числе значительную часть акватории Северного Ледовитого океана. Для более детального изучения полярных циклонов использовались версии модели с шагами сетки 6,6 и 2,2 км. Последняя сетка (1000 х 1100 узлов) включает в себя часть акваторий Баренцева и Карского морей и близлежащее побережье.
В результате проведенных исследований выявлено несколько случаев прохождения полярных циклонов над акваторией Карского моря в 2014 г. Модель COSMO-Ru воспроизвела зарождение полярного циклона к югу от Шпицбергена и его развитие над Баренцевым морем. Скорость ветра (с осреднением 10 с) при перемещении циклона над акваторией Баренцева моря превышала 25 м/с, а скорость порывов ветра достигала 40 м/с. В 14:00 UTC 26 марта 2014 г. этот циклон вышел на акваторию Карского моря (рис. 4). Согласно прогнозу скорость ветра в мористой части Байдарацкой губы достигала 20 м/с.
На рис. 5 приведены спрогнозированные траектории движения исследуемого полярного циклона (шторм-треки). Видно, что положение шторм-треков существенно зависит от заблаговременности прогноза. При прогнозе от 00:00 UTC 25 марта модель COSMO-Ru воспроиз-
Рис. 3. Области прогнозируемого усиления мезомасштабной циклональной активности, в том числе в акватории Карского моря и Байдарацкой губы, по данным МГЭИК [10]:
цветовой спектр - градиент температур, °С
№ 2 (22) / 2015
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
109
вела зарождение полярного циклона с заблаговременностью 21 ч. Прогноз от 12:00 UTC
25 марта существенно уточнил траекторию полярного циклона, при прогнозе от 00:00 UTC
26 марта таких масштабных корректировок не произошло. Анализ траектории движения показал, что полярный циклон, достигнув побережья Ямала, изменит направление движения на противоположное и прекратит свое существование в районе Карских ворот. Такая траектория движения предопределяла возникновение сильных отжимных ветров на уральском берегу Байдарацкой губы и у мыса Харасавэй. По данным гидрометеостанции «Усть-Кара», скорость западного, юго-западного ветров с 12:00 до 18:00 местного времени1 26 марта увеличилась почти в 2 раза, достигнув 14 м/с, а порывы достигали скорости 24 м/с.
Анализ спутниковых снимков, отражающих ледовую обстановку в юго-западной части Карского моря (рис. 6, 7) утром 26 и 27 марта 2014 г. соответственно, позволяет сделать вывод о том, что прохождение полярного циклона обусловило расширение заприпайной полыньи у уральского берега Байдарацкой губы и ее образование у мыса Харасавэй. В условиях наблюдавшейся высокой сплоченности дрейфующего льда в осевой части губы расширение заприпай-ной полыньи активизировало процессы сжатия и торошения толстого однолетнего льда, что потенциально могло привести к увеличению размеров килей торосов и усилению экзарационного воздействия на дно в районе подводного перехода магистрального газопровода.
При прогнозе поведения полярных циклонов определенный интерес представляют не только средняя скорость ветра за 10 мин, но и кратковременные порывы ветра. Согласно стандарту ISO 19901 для вычисления скорости ветра с различными периодами осреднения используется метод, рекомендованный Нефтяным директоратом Норвегии (норв. Oljedirektoratet) [11]. Для сильных ветров (при почти нейтральной стратификации) скорость ветра u(z, t), м/с, на высоте z, м, над уровнем моря, соответст-
Рис. 4. Карта приземного давления, приведенного к уровню моря, гПа, и скорости ветра на высоте 10 м, м/с (модель COSMO-Ru с шагом сетки 2,2 км, прогноз на 14:00 UTC 26 марта 2014 г.)
Рис. 5. Положение шторм-треков исследуемого полярного циклона при прогнозах с различной заблаговременностью: в начале и в конце каждого шторм-трека указаны время возникновения и время заполнения циклона соответственно (модель COSMO-Ru с шагом сетки 2,2 км)
вующая периоду осреднения t, c, за 1 ч и менее (t < t0 = 3600 c), рассчитывается по формуле
u(z, t) = U(z)[1 - 0,41 4(z) ln(t / t0)], (1)
где средняя скорость ветра за 1 ч U(z), м/c, на высоте z равна:
Согласно Постановлению Правительства РФ от 31 августа 2011 г. № 725 «О составе территорий, образующих каждую часовую зону, и порядке исчисления времени в часовых зонах, а также о признании утратившими силу отдельных постановлений Правительства Российской Федерации» (утратило силу с 02:00 26 октября 2014 г.) в Ямало-Ненецком автономном округе в марте 2014 г. местное время исчислялось как UTC + 6 ч.
U (z) = U 0 1 + C ln f—
L 110,
C = 0,0573^/1 + 0,15U 0
(2)
где U0 - скорость ветра на высоте 10 м с осреднением 1 ч.
№ 2 (22 ) / 2015
110
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Рис. 6. Ледовая обстановка по данным искусственного спутника Земли (ИСЗ) Terra утром 26.03.2014 г.
мости формул (1)-(3) для расчета порывов ветра в условиях полярного циклона.
На метеостанциях скорость ветра измеряется с осреднением в 10 мин. Порывом называется скорость ветра с осреднением в 3 с. Согласно формулам (1)-(3) скорость порывов зависит только от скорости ветра. Следовательно, в районах с низкой скоростью ветра не может быть сильных порывов. В модели COSMO-Ru скорость порывов ветра рассчитывается по другой методике и зависит от нескольких факторов:
Vnopuea = v + (7,2 + 0,09v)vJTn, (5)
Рис. 7. Ледовая обстановка по данным ИСЗ Terra утром 27.03.2014 г.
Параметр турбулентности Iu(z) на высоте z рассчитывается по формуле:
/ у°,22
/„ (z) = 0,06[1 + 0,043^] I101 . (3)
Формулы (1)-(3) выведены для условий почти нейтральной стратификации, однако в полярных циклонах стратификация может отличаться от нейтральной. Для оценки вертикальной стратификации воздуха используется квадрат частоты Вяйсяля-Брента:
N2
gd0 0 dz ’
(4)
где g - ускорение свободного падения; 0 - потенциальная температура. При положительных значениях N2 стратификация считается устойчивой, а при отрицательных - неустойчивой. Согласно расчетам, выполненным с помощью модели COSMO-Ru, при прохождении полярного циклона в нижнем двухсотметровом слое наблюдается неустойчивая стратификация воздуха. Следовательно, встает вопрос о примени-
где Vnopuea - скорость порывов ветра на высоте 10 м; v - модуль скорости ветра на высоте 10 м; In - турбулентный коэффициент переноса импульса.
Согласно результатам расчетов, выполненных по модели COSMO-Ru, максимальные порывы ветра (41 м/с) находились в областях с весьма умеренными скоростями ветра (16 м/с). Скорости порывов ветра в этих местах, рассчитанные по формулам (1)-(3), не превышают 20 м/с. Таким образом, разность максимальных значений скорости порывов ветра, рассчитанных по двум методикам, превосходит 20 м/с (рис. 8).
Для верификации полученных результатов использовались данные наблюдений с прибрежных метеостанций в пос. Амдерме, на
о. Колгуев и мысе Болванский Нос (расположение см. на рис. 5). На рис. 9 сравниваются скорости ветра и скорости порывов ветра на метеостанции о. Колгуев. Видно, что модель COSMO-Ru несколько недооценивает скорость ветра. Порывы ветра модель воспроизводит точнее, но также занижает их скорость в отдельные моменты времени. Аналогичная картина наблюдается и в отношении станций Амдермы и мыса Болванский Нос.
Кроме метеорологических наблюдений для верификации полученных результатов использовались снимки, сгенерированные по данным спектрорадиометра MODIS (англ. Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer). На рис. 10 изображен полярный циклон, зародившийся 13 мая 2014 г. к югу от Шпицбергена. Он хорошо заметен и в поле облачности, и в поле давления, при этом данные модели и наблюдений хорошо согласуются между собой.
№ 2 (22) / 2015
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
111
Рис. 8. Разница между максимальными скоростями порывов ветра на высоте 10 м, рассчитанными по модели COSMO-Ru (шаг сетки 2,2 км, прогноз от 00:00 UTC 25 марта 2014 г.) и по методу ИСО 19901-1:2005 [11], м/с: приземное давление (см. изобары), гПа
м/с
26
21 —
16
11
♦ ветер 10 мин
■ макс. порыв
-А- ветер COSMO
порыв COSMO
6
1
Рис. 9. Скорость ветра и порывы скорости ветра на метеорологической станции острова Колгуев (синоптический индекс метеостанции согласно списку Всемирной метеорологической организации 22095) в период 25-27 марта 2014 г., м/с: зеленая линия - скорость ветра согласно модели COSMO-Ru (шаг сетки 2,2 км); фиолетовая линия - порывы ветра согласно модели COSMO-Ru (шаг сетки 2,2 км); синие маркеры - данные наблюдений скорости ветра; красные маркеры -данные наблюдений скорости порывов ветра
№ 2 (22 ) / 2015
112
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Рис. 10. Полярный циклон:
облачность (по данным MODIS, 00:15 UTC 14 мая 2014 г.) и давление, гПа (по модели COSMO-Ru, прогноз от 00:00 UTC 13 мая 2014 г. на 24 ч)
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы.
1. Численная модель атмосферы COSMO-Ru способна реалистично воспроизводить динамику и эволюцию полярных циклонов. Данные моделирования верифицированы по данным спутниковых снимков и наблюдений стандартной сети метеорологических станций.
2. Качество прогноза траектории движения полярного циклона существенно зависит от заблаговременности прогноза.
3. Метод расчета скорости порывов ветра, рекомендованный в стандарте ISO, не учитывает неустойчивой стратификации воздуха в полярных циклонах. Значения скорости порывов ветра, рассчитанные по формулам ISO, существенно отличаются от данных модели COSMO-Ru, учитывающей большее количество физических факторов.
Исследование выполнено за счет грантов Российского научного фонда (проект № 14-3700053) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект №15-55-20003 Норва).
Список литературы
1. Rasmussen E. Polar lows: mesoscale weather systems in the Polar regions / E. Rasmussen,
J. Turner. - Cambridge, UK: Cambridge university press, 2003.
2. Gunther H. Workshop on polar lows /
H. Gunther, S. 0yvind // Bulletin of
The American Meteorological Society (BAMS). -2013. - V. 94. - Is. 9. - P. ES123-ES126.
3. Noer G. Dates and positions of polar lows over the Nordic seas between 2000 and 2010: met. report № 16/2010 / G. Noer, T. Lien. - Oslo, Norway:
The Norwegian Meteorological Institute, 2010. -
6 p.
4. Gunnar N. A climatological study of polar lows in the Nordic Seas / N. Gunnar, S. 0yvind, L. Trond, G. Yvonne // Quart. J. of Roy. Meteor. Soc. - 2011.
5. Brummer B. A polar low pair over the Norwegian Sea / B. Brummer, G. Muller // Mon. Wea. Rev. -2009. - № 137. - P. 2559-2575.
6. Shapiro M.A. Research aircraft measurements of a polar low over the Norwegian Sea /
M.A. Shapiro, L.S. Fedor, T. Hampel // Tellus. -1987. - № 39A. - P. 272-306.
7. Kristjansson J.E. The Norwegian IPY-THORPEX. Polar lows and Arctic fronts during the 2008 Andeya campaign / J.E. Kristjansson,
I. Barstad, T. Aspelien, I. Fere et al. // Bulletin of The American Meteorological Society (BAMS). -
2011. - № 92 (11). - P. 1443-1466.
8. Fere I. The full life cycle of a polar low over the Norwegian Sea observed by three research aircraft flights / I. Fere, J. E. Kristjansson,
O. Saetra, 0. Breivik, B. Resting, M. Shapiro // Quart. J. of Roy. Meteor. Soc. - 2011. - № 137. -
P. 1659-1673.
9. Fere I. A ‘hurricane-like’ polar low fuelled by sensible heat flux: high-resolution numerical simulations / I. Fere, J.E. Kristjansson,
E.W. Kolstad, T.J. Bracegirdle, 0. Saetra,
B. Resting // Quart. J. of Roy. Meteor. Soc. -
2012. - № 138. - P. 1308-1324.
10. Kolstad E.W. Marine cold-air outbreaks in the future: an assessment of IPCC AR4 model results for the northern hemisphere / E.W. Kolstad,
T.J. Bracegirdle // Climate Dynamics. - 2008. -№ 30(7-8). - P. 871-885.
11. ИСО 19901-1: 2005. Нефтяная и газовая промышленность. Специальные требования к морским сооружениям. Ч. 1: Проектирование и эксплуатация с учетом гидрометеорологических условий.
№ 2 (22) / 2015
