CC BY
66
ГЕОГРАФИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 551.466.2
Ф.Н. Гиппиус1, В.С. Архипкин2
МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ШТОРМОВОГО ВОЛНЕНИЯ НА ЧЕРНОМ МОРЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Результаты численных расчетов параметров ветрового волнения на Черном море с применением модели SWAN и метеорологического реанализа NCEP/NCAR использованы для оценки характерных черт пространственно-временного распределения штормовой активности. Установлены районы наибольшей повторяемости сильного волнения, а также его сезонная и межгодовая изменчивость. В качестве примеров показаны характеристики волн во время штормов в июле 1969 г. и феврале 2004 г.
Ключевые слова: Черное море, штормовое волнение, реанализ NCEP/NCAR, модель SWAN, межгодовая изменчивость, сезонная изменчивость, пространственная изменчивость.
Введение. Ветровое волнение на море является одним из наиболее очевидных проявлений взаимодействия океана и атмосферы и представляет интерес как с научной, так и с прикладной точек зрения. В свою очередь наиболее интенсивным ветровое волнение становится под воздействием штормовых ветров. Именно штормовое волнение способно причинить существенный ущерб береговым и морским сооружениям, а также судам у причалов и в открытом море. Этим обуславливается актуальность исследований штормового волнения, систематизация и типизация штормов и вызывающих их синоптических ситуаций, а также разработка методов их прогноза.
Различные аспекты ветрового волнения на Черном море, в том числе и штормового, находятся под пристальным вниманием исследователей из практически всех причерноморских стран. Наиболее интенсивно подобные исследования велись на протяжении последних нескольких десятилетий, но некоторые работы были опубликованы гораздо раньше. Так, одной из первых работ, посвященных ветровому волнению на Черном море, можно считать статью [Ивашинцев, 1855]. В ней обсуждаются обстоятельства возникновения, свойства и последствия разрушительного шторма, произошедшего в районе юго-западного побережья Крымского полуострова 14 ноября 1854 г.
К современным исследованиям штормового волнения на Черном море, а также вызывающих его синоптических ситуаций относится работа [Уа1Леу et а1., 2012]. В ней исследуется эволюция штормовой активности в западной части моря с 1948 по 2010 гг.; показано, что для Черного моря характерны чередующиеся периоды повышенной (до 1980-х годов) и пониженной (приблизительно 1990-2000 гг.) штор-
мовой активности. В целом же значимого роста или затухания штормовой активности не наблюдается, что также показано в работе [АгкЫркт et а1., 2014]. Типичные синоптические ситуации, приводящие к возникновению штормового волнения на Черном море, рассматриваются в работе ^игкоуа et а1., 2013].
В работах [Справочные ..., 2006] и [Ефимов, Комаровская, 2009] приводятся обобщенные результаты оценок параметров ветрового волнения редкой повторяемости, полученные на основе долгопериодного расчета волнения; во второй из них особое внимание уделяется северо-западной акватории моря.
Один из наиболее значительных по своим последствиям штормов на Черном море произошел 11 ноября 2007 г. Наибольший урон был причинен инженерным сооружениям и судам у южного побережья Крымского полуострова и в Керченском проливе. Подробный анализ синоптической ситуации во время шторма и его эволюции показан в работе [Бу-хановский с соавт., 2009], последствия шторма описаны в [Ко^епко et а1., 2011].
Хотя причиной возникновения штормового волнения как правило является прохождение циклонов над акваторией моря, локальные орографические ветры также могут приводить к его образованию. Яркий пример такого ветра - новороссийская бора [Торопов с соавт., 2013].
Целью данного исследования является выявление характерных закономерностей в штормовом волнении на акватории Черного моря на протяжении второй половины XX века и в начале XXI века на основе данных метеорологического реанализа NCEP/NCAR и численного моделирования волнения.
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра океанологии, науч. с.; e-mail: fedor.gippius@gmail.com
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра океанологии, доцент, канд. геогр. н.; e-mail: victor.arkhipkin@gmail.com
Материалы и методы исследований. В отличие от математического моделирования, гидрометеорологические наблюдения, проводимые in situ, не могут предоставить информацию по обширной площади и/или продолжительному периоду времени. Поэтому в современных исследованиях широко применяются методы численных расчетов гидродинамических процессов, в том числе ветрового волнения.
Последние десятилетия ознаменовались появлением ряда спектральных ветро-волновых моделей. К наиболее распространенным из них относятся, например, WAM [WAMDI group, 1988], WAVEWATCH III [Tolman, 1991] и TOMAWAC [Benoit et al., 1996].
В настоящей работе для расчета параметров ветрового волнения на акватории Черного моря применялась численная спектральная волновая модель третьего поколения SWAN [Booij et al., 1999; Ris et al., 1999; SWAN ..., 2004]. В ней объединены наиболее полные параметризации процессов возникновения и диссипации волн и четырехволнового взаимодействия на «глубокой воде» [Komen et al., 1994], а также характерные для мелководных акваторий процессы донного трения, трехволнового взаимодействия и обрушения волн. Данная модель широко применяется и для расчетов параметров волнения на различных пространственных масштабах [Rusu et al., 2008; van Ledden et al., 2009; Zijlema et al., 2010; Gorrell et al., 2011]. Модель SWAN также неоднократно использовалась для исследований различных аспектов ветрового волнения на акватории Черного и Азовского морей; в качестве примера можно привести работы [Полонский с соавт., 2011; Akpinar et al., 2012; Valchev et al., 2012; Гармашов, 2013; Мыс-ленков, Архипкин, 2013; Торопов с соавт., 2013; Харитонова, 2013; Akpinar et al., 2015; Galabov et al., 2015; Мысленков с соавт., 2016].
Численная модель SWAN была настроена следующим образом. Экспоненциальный рост волн задавался в соответствии с [Komen et al., 1984]. Донное трение задавалось согласно работе [Hasselmann et al., 1973]. Разрешение по направлению распространения волн и волновой энергии составляло 1°; в частотном пространстве были заданы 27 логарифмически распределенных значения, расположенных в диапазоне от 0,7 до 1 Гц. Временной шаг расчетов составил 30 мин. В каждый из этих сроков вычислялись величины значимой высоты волны, периода и длины волн, их средней длины и направления, а также величины переноса волновой энергии в зональном и меридиональном направлениях. В свою очередь, каждые 3 часа эти данные записывались в файл с результатами вычислений, которые и использовались для всех дальнейших анализов. Вычисления велись с использованием ресурсов суперкомпьютерного комплекса МГУ имени М.В. Ломоносова [Воеводин с соавт., 2012].
Для проведения вычислений использовалась прямоугольная расчетная сетка с пространственным разрешением 5 км, созданная на основе оцифрованной навигационной карты масштаба 1:2,5 млн и при-
менявшаяся ранее для модельных исследований гидрологического режима Черного моря [Архипкин с соавт., 2013].
Параметры ветрового волнения принципиально зависят от двух параметров - скорости ветра и длины разгона. В настоящей работе данные о скорости и направлении ветра брались из баз данных метеорологического реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996; Kistler et al., 2001]. Этот реанализ содержит значения различных метеорологических параметров, равномерно распределенные в пространстве с разрешением 1,875° в меридиональном и 1,9046° в широтном направлениях. Временное разрешение реа-нализа NCEP/NCAR составляет 6 часов. В настоящем исследовании рассматривался период с 1949 по 2010 гг. Одновременно следует оговориться, что ряд исследований (например, [Chen et al., 2008]) указывает на недостаточную точность данных реана-лиза NCEP/NCAR для периода ранее 1975 г.
Верификация результатов модельных расчетов проводилась на основе данных натурных измерений волнения, выполненных заякоренным волномер-ным буем Datawell. Буй был установлен в рамках международной исследовательской программы NATO TU-WAVES поблизости от Геленджика (44°30'27" с. ш., 37°58'42" в. д.). Расстояние от берега до точки установки составляет 7 км, глубина в точке постановки - 85 м. Измерения параметров волн проводились 1 раз в 3 часа, при штормовом волнении частота измерений увеличивалась до 1 раза в час [Бухановский с соавт., 2000].
Сопоставление вычисленных и измеренных высот значительных волн показало, что модель имеет склонность занижать этот показатель (рис. 1). При этом средняя разность между измеренной и вычис-
Биссектриса Линейная регрессия
0 2 4 $
Буи Datawell
Рис. 1. Скаттер-диаграмма измеренных и вычисленных высот значительных волн (м)
Fig. 1. Scatter-plot of measured and simulated significant wave heights (m)
ленной высотой значительных волн составляет 0,25 м, а коэффициент корреляции этих массивов равен 0,76. Следовательно, для получения более адекватных результатов целесообразным будет введение поправки в результаты моделирования.
Перед тем, как приступать к определению поправочного соотношения, нужно выяснить - зависит ли разность между вычисленными и измеренными высотами значительных волн от величины вычисленных высот волн. В этих целях весь диапазон вычисленных высот волн разделяется на равные интервалы (0,1 м). Для каждого из этих интервалов определяются два показателя -средняя разность между вычисленными и измеренными высотами значительных волн, а также количество вычисленных значений (рис. 2). На участке, наиболее обеспеченном данными наблюдений, определялся линейный тренд средней разности. В нашем случае наиболее обеспеченным данными оказался диапазон высот значительных волн 0-2,1 м. Линейный тренд средней разности описывается уравнением
Д = 0,03п + 0,13,
где д - средняя разность, n -интервала, определяемый как
порядковый номер
n = j + 1,
SWH
где j - целая часть результата операции
SWAN
0,1
SWHSWAN - вычисленная моделью высота значительных волн. Таким образом, оставляя ряд промежуточ-
Рис. 3. Временной ход высоты значительных волн 9-16 апреля 1997 г. по данным натурных измерений («Буй» 1), а также численного моделирования до («SWAN 2») и после («SWAN 3-корр.») введения поправки
Fig. 3. Time series of significant wave height values on April 9-16, 1997, according to measurement results («Buoy 1»), and numerical simulations before («SWAN 2») and after («SWAN 3-corr.») the application of correction
Рис. 2. Количество измерений в зависимости от вычисленной высоты значительных волн (1), а также средняя разность между вычисленными и измеренными высотами значительных волн (2) и ее линейный тренд (3). Диапазон, на основе которого определялся линейный тренд разности высот волн, обозначен сплошной линией
Fig. 2. Amount of measurements depending on the simulated significant wave height (1), mean difference between simulated and measured significant wave heights (2) and its linear trend (3). The interval used to define the linear trend is marked by a solid line
ных преобразований, итоговое соотношение для коррекции в данных численного моделирования имеет вид
SWHc = SWHSWAN + 0,03 у + 0,16.
Последствия введения поправки в результаты численных расчетов показаны на рис. 3. Видно, что применение алгоритма коррекции приводит к получению более адекватных значений высот значительных волн. Так, в ходе шторма 12 апреля 1997 г. максимальная высота значительных волн по данным измерений составила 5,02 м; по данным моделирования эта величина составляла 3,95 м до применения коррекции и 5,28 м - после.
Результаты исследований и их обсуждение. Многолетнюю и сезонную изменчивость штормовой активности можно оценить по изменению годовых максимумов высот значительных волн (рис. 4). Анализ этих величин указывает на существенную изменчивость этого параметра; он варьируется в диапазоне от 5,00 м (2009 г.) до 9,43 м (2004 г.). Помимо абсолютного максимума, отмеченного в 2004 г., также выделяются локальные экстремумы, соответствующие 2007 и 1969 гг. (9,35 и 8,64 м соответственно). В многолетнем ходе годовых максимумов высот значительных волн за весь рассматриваемый период (19492010 гг.) выделяются два периода с положительным трендом (1949-1969 и 1984-2010 гг.) и один - с отрицательным (1969-1984 гг.).
Период относительного увеличения штормовой активности с середины 1960-х до начала 1970-х годов проявляется также в годовом количестве штормов и их суммарной продолжительности [Уа1Леу et а1., 2012; АгкЫрЫп е а1., 2014].
Наиболее интенсивное волнение в большинстве случаев фиксируется зимой и осенью - максимальные высоты волн в эти сезоны практически равны и составляют 9,43 и 9,35 м соответственно (табл. 1). В свою очередь самым спокойным сезоном является лето, когда максимум высот значительных волн лишь в четырех случаях превысил 5 м. Наибольшая высота значительных волн летом соответствует 1969 году и составляет 5,93 м. Весенние месяцы занимают промежуточное положение между штормовыми осенью и зимой и спокойным летом - по данным наших расчетов, наибольшая максимальная высота значительных волн весной составляет 7,94 м, наименьшая - 3,04 м.
Таблица
Наибольшие и наименьшие сезонные максимумы высоты значительных волн
Сезон Максимальная высота значительных волн
наибольшая наименьшая
Зима 9,43 (2004) 4,15 (1984)
Весна 7,94 (1970) 3,04 (1986)
Лето 5,93 (1969) 2,19 (1989)
Осень 9,35 (2007) 3,36 (1986)
Весь год 9,43 (2004) 5,00 (2009)
В скобках указан год, соответствующий приведенной величине.
Помимо временного хода представляет интерес и пространственная изменчивость штормовой активности. Для ее оценки рассмотрим распределение годовых максимумов высот значительных волн по акватории Черного моря (рис. 5 а). Эти величины, соответствующие центрам максимальных штормов в каждый год, в целом распределены по всей глубоководной акватории моря, за исключением юго-восточных областей, которые относительно редко оказываются под воздействием штормовых ветров. В целом же наиболее интенсивная штормовая активность отмечается в юго-западной части моря в районе 42,5° с. ш., 30° в. д. Этот же район выделяется и в суммарной продолжительности сильного волнения [АгкЫркт et а1., 2014]. Какой-либо тенденции в распределении центров наиболее интенсивных штормов с максимальными высотами значительных волн более 8 м проследить не удается. Центры штормов максимально приближены к побережью в северо-восточной части моря. Так, на участке побережья между Анапой и Новороссийском были отмечены два шторма с максимальными высотами значительных волн 6-8 м. Юго-
Рис. 4. Ход годовых максимумов высот значительных волн (1) и их линейные тренды за периоды 1949-1969, 1969-1984 и 1984-2010 гг. (2)
Fig. 4. Series of annual significant wave height maxima (1) and their linear trends for 1949-1969, 1969-1984 and 1984-2010 (2)
западная область Черного моря также выделяется при анализе расположения точек декадных максимумов (то есть максимумов за десятилетние периоды 1950-1959, 1960-1969 гг. и т. д., рис. 5б).
Интерес представляет и пространственное распределение максимальных высот значительных волн на акватории моря как в целом за весь исследуемый период, так и в зависимости от сезонов. На Черном море выделяются две области с наибольшими высотами значительных волн - северо-восточная и юго-западные акватории (рис. 6д); в обоих случаях максимальные высоты значительных волн превышают 9 м. При этом в юго-западной области наиболее интенсивное волнение отмечается зимой (рис. 6а), а в северо-восточной - осенью (рис. 6г). В весенние месяцы наиболее интенсивное волнение с высотами зна-
Рис. 5. Пространственное распределение годовых (а) и декадных (б) максимумов высот значительных волн на Черном море. Цвет и размер значка соответствует высоте значительных волн
Fig. 5. Spatial distribution of annual (a) and decadal (б) significant wave height maxima over the Black Sea. The point's color and size correspond to the heights of significant waves
46
314 О
42
46
344 Ö
42
46
344 6
42
26 30 32 34 36 36 40
а. д.
Рис. 6. Поля максимальных высот значительных волн для зимы (а), весны (б), лета (в), осени (г) и в целом за год (д), м Fig. 6. Fields of maximum significant wave heights in winter (a), spring (б), summer (в), autumn (г), and the year (д), m
падной области Черного моря. Наконец, летом максимальные высоты значительных волн превышают 5,5 м; область с такими значениями непосредственно примыкает к Крымскому полуострову и огибает его с юго-запада и юга (рис. 6в).
Внутригодовая динамика максимальных высот значительных волн (рис. 7) показывает, что абсолютные максимумы высот значительных волн соответствуют двум месяцам - ноябрю и февралю (9,35 и 9,43 м соответственно). Неожиданным выглядит локальный пик наибольших максимальных значимых высот волн в июле (5,93 м), в то время как в терминах средних максимумов высот значительных волн летний сезон (с июня по август) является самым спокойным; средний максимум высот значительных волн в августе - 2,66 м - является низшим среди всех месяцев. В терминах средних максимальных высот значительных волн наиболее интенсивное волнение отмечается в декабре и январе (5,47 и 5,53 м соответственно). Наименьшие месячные максимумы высот значительных волн колеблются в пределах от 1,35 м в июне до 3,32 м в январе. Стандартное отклонение месячных максимумов высот значительных волн находится в диапазоне 0,64-1,36 м, наибольшие величины этого параметра достигаются в ноябре и феврале.
В качестве примера рассмотрим экстремальные шторма на Черном море, произошедшие в июле 1969 г. и феврале 2004 г. Один из наиболее разрушительных штормов, случившийся 11 ноября 2007 г. в
чительных волн более 7,5 м отмечается южнее и юго-восточнее южного побережья Крымского полуострова (рис. 6б). Другой локальный максимум с высотами значительных волн более 7 м находится в юго-за-
s ю
1 2 3 4 5 в 7 8 9 10 11 12 Месяц
Рис. 7. Внутригодовой ход статистических параметров максимальных высот значительных волн: 1 - наибольшая максимальная высота значительных волн; 2 - средняя максимальная высота значительных волн; 3 - наименьшая максимальная высота значительных волн; 4 - стандартное отклонение максимальных высот значительных волн
Fig. 7. Monthly variability of statistical parameters of the maximum significant wave heights: 1 - the largest maximum significant wave height, 2 - average maximum significant wave height, 3 - the lowest maximum significant wave height, 4 - standard deviation of maximum significant wave height
Рис. 8. Поле высоты значительных волн в 18:00 UTC 13 июля 1969 г.
Fig. 8. Field of significant wave height at 18:00 UTC, July 13th, 1969
0 —|—T—1—г—1—I—г—1—I—Г—]—i—Г—1—Г—J—1—Г—1—1—[—1—I—Г—1—[—T—1—Г—1—I—I
ouynsa оедая» «ram» is*™ гштев хютка зют/е»
Дата
Рис. 9. Ход высоты значительных волн в июле 1969 г. в точке максимального развития шторма (отмечена знаком на рис. 8)
Fig. 9. Time series of significant wave heights in July 1969 at the point of maximum storm manifestation (indicated by a symbol in Fig. 8)
районе Керченского пролива, подробно описан в работах [Бухановский с соавт., 2009] и [Korshenko et al., 2011], поэтому здесь мы на нем останавливаться не будем.
Шторм в июле 1969 г. примечателен тем, что во время него отмечены максимальные высоты значительных волн в летние месяцы на протяжении всего периода наблюдений. Своего максимального развития шторм достиг в 18 часов UTC 13 июля 1969 г. В это время максимальная высота значительных волн составляла 5,92 м (рис. 8). Область с наиболее интенсивным волнением располагалась к югу и юго-западу от Крымского полуострова, высота значительных волн превышала 4 м во всей центральной части моря. У восточного и юго-восточного побережья моря высоты волн были наименьшими -менее 0,5 м. Помимо рассматриваемого шторма в июле 1969 г. к югу от Крымского полуострова отмечались еще два случая относительно сильного волнения - 25-27 июля и 30 июля - 1 августа высота значительных волн превышала 2 м, в то время как в целом для месяца характерные величины высот значительных волн составляли менее 1,5 м (рис. 9). В рассматриваемом месяце можно выделить три преобладающих направления волн - ВСВ, З и ЗСЗ. При этом большая часть штормовых волн соответствуют ЗЮЗ направлению, общая доля которого относительно невелика (рис. 10).
Другой экстремальный шторм на Черном море произошел 13 февраля 2004 г. В момент его макси-
мального развития (09:00 ЦГС) максимальная высота значительных волн достигла 9,41 м (рис. 11). Центр шторма располагался в юго-западной части моря у побережья Малой Азии. При этом волнением выше 2 м была охвачена практически вся западная часть моря. В восточной части моря такое волнение проникло приблизительно до долготы Керченского пролива. Одновременно в юго-восточной части моря высоты значительных волн на отдельном участке превышали 2,5 м, но генетически это усиление волнения, вероятнее всего, не связано с атмосферным образованием, вызвавшем шторм в у юго-западных берегов. Высота значительных волн, достигнутая в рассматриваемом шторме, более чем в 2 раза превышала аналогичные показатели для других штормов, состоявшихся в феврале 2004 г. в точке максимального развития шторма (рис. 12). Так, во время штормов 10-11, 20-22 и 26-29 февра-
Направлен не волн, град. 0
180
Высота значительных волн, м ■ •--4 В >4
Рис. 10. Роза волнения в июле 1969 г. в точке максимального развития шторма (отмечена знаком на рис. 8)
Fig. 10. Wave rose in July 1969 at the point of maximum storm manifestation (indicated by a symbol in Fig. 8)
Рис. 11. Поле высоты значительных волн в 09:00 UTC 13 февраля 2004 г.
Fig. 11. Field of significant wave heights at 09:00 UTC, February 13th, 2004
- в качестве примеров конкретных штормов рассмотрены шторма в июле 1969 г. и феврале 2004 г. Во время первого шторма была достигнута максимальная за летние месяцы высота значительных волн - 5,92 м; центр шторма располагался юго-западнее Крымского полуострова. Второй шторм был самым сильным за весь исследуемый период. Максимальная высота значительных волн составила 9,41 м, область наиболее интенсивного волнения находилась у северо-восточного побережья Малой Азии.
Рис. 12. Ход высоты значительных волн в феврале 2004 г. в точке максимального развития шторма (отмечена знаком на рис. 11)
Fig. 12. Time series of significant wave heights in February 2004 at the point of maximum storm manifestation (indicated by a symbol in Fig. 11)
ля максимальные высоты значительных волн колебались в пределах 3-4 м. Преобладающие направления волн в рассматриваемой точке в целом равномерно распределены в диапазоне ЮЮЗ - ЗСЗ, наибольшую долю из них - приблизительно 17% случаев - имеет ЗЮЗ направление (рис. 13). В то же время во время шторма 13 февраля волны имели преимущественно северное направление.
Выводы:
- определена межгодовая и сезонная изменчивость максимумов высот значительных волн на Черном море. Установлено, что наиболее интенсивные шторма в терминах высот волн соответствуют осенним и зимним месяцам. В многолетних рядах выделяется период относительной интенсификации штормовой активности в 1960-х - начале 1970-х годов;
- по положению годовых максимумов высот значительных волн установлено, что штормовое волнение наиболее распространено в юго-западной части акватории моря. Напротив, в юго-восточной области не зафиксировано ни одного годового максимума высот значительных волн;
Рис. 13. Роза волнения в феврале 2004 г. в точке максимально-горазвития шторма (отмечена знаком на рис. 11)
Fig. 13. Wave rose in February 2004 at the point of maximum storm manifestation (indicated by a symbol in Fig. 11)
Благодарности. Работа выполнена в рамках гранта Ученого совета географического факультета МГУ на получение финансовой поддержки исследований для молодых сотрудников на 2015-2017 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Архипкин В.С., Косарев А.Н., Гиппиус Ф.Н., Мигали Д.И. Сезонная изменчивость климатических полей температуры, солености и циркуляции вод Черного и Каспийского морей // Вестник Московского университета. Сер. 5. География. 2013. № 5. С. 33-44.
Бухановский А.В., Дивинский Б.В., Косьян Р.Д., Лопату-хин Л.И., Рожков В.А. Типизация ветрового волнения Черного моря по инструментальным данным // Океанология. 2000. № 2. С. 289-297.
Бухановский А.В., Лопатухин Л.И., Чернышева Е.С., Ко-лесов А.М. Шторм на Черном море 11 ноября 2007 года и статистики экстремальных штормов моря // Изв. РГО. 2009. Т. 141. Вып. 2. С. 71-80.
Воеводин Вл.В., Жуматий С.А., Соболев С.И., Антонов А.С., Брызгалов П.А., Никитенко Д.А., Стефанов К.С., Воеводин Вад.В. Практика суперкомпьютера «Ломоносов» // Откры-
тые системы. М.: Издательский дом «Открытые системы». 2012. № 7. С. 36-39.
Гармашов А.В. Ветро-волновые характеристики Черного моря. Дис. ... канд. геогр. н. Севастополь, 2013.
Ефимов В.В., Комаровская О.И. Атлас экстремального ветрового волнения Черного моря. Севастополь, МГИ НАНУ, 2009.
Ивашинцев Н. Исследование шторма, бывшего на Черном море 2/14 ноября 1854 года // Морской сборник. 1855. Т. XVII. № 7. С. 1-25.
Мысленков С.А., Архипкин В.С. Анализ ветрового волнения в Цемесской бухте Черного моря с использованием модели SWAN // Тр. Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. 2013. № 350. С. 58-67.
Мысленков С. А., Шестакова А.А. Торопов П.А. Численное моделирование штормового волнения у северо-восточного
побережья Черного моря // Метеорология и гидрология. 2016. № 10 С. 61-71.
Полонский А.Б., Фомин В.В., Гармашов А.Б. Характеристики ветрового волнения Черного моря // Докл. НАН Украины. 2011. № 8. С. 108-112.
Справочные данные по режиму ветра и волнения Балтийского, Северного, Черного, Азовского и Средиземного морей. СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2006.
Торопов П.А., Мысленков С.А., Самсонов Т.Е. Численное моделирование новороссийской боры и связанного с ней ветрового волнения // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2013. № 2. С. 38-46.
Харитонова Л.В. Ветровое волнение и литодинамические процессы в прибрежной зоне западного Крыма. Дис. ... канд. геогр. н. Севастополь, 2013.
Akpinar A., van Vledder G. Ph., Bingölbali A. Wave climate simulation for the Black Sea basin // E-proceedings of the 36th IAHR World Congress 28 June - 3 July, 2015. The Hague, the Netherlands.
Akpinar A., van Vledder G.Ph., Kömürcü M.I., Özger M. Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea // Continental Shelf Research. 2012. V. 50-51. P. 8099. DOI 10.1016/j.csr.2012.09.012.
Arkhipkin VS., Gippius F.N., Koltermann K.P., Surkova G.V Wind waves in the Black Sea: results of a hindcast study // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014. V. 14. P. 2883-2897. DOI 10.5194/nhess-14-2883-2014.
Benoit M., Marcos F., Becq F Development of a third-generation shallow-water wave model with unstructured spatial meshing // Proc. 25th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE, Orlando, 1996. P. 465478.
Booij N., Ris R.C., Holthuysen L.H. A third-generation wave model for coastal regions. 1. Model description and validation // J. Geophysical Research. 1999. V. 140. N C4. P. 7649-7666.
Chen J., Del Genio A.D., Carlson B.E., Bosilovich M.G. The spatiotemporal structure of twentieth-century climate variations in observations and reanalyses. Part I: Long-term trend // J. Climate. 2008. V. 21. N 11. P. 2611-2633.
Galabov V., Kortcheva A., Bogatchev A., Tsenova B. Investigation of the hydro-meteorological hazards along the bulgarian coast of the Black Sea by reconstructions of historical storms // J. Environmental Protection and Ecology. 2015. V. 16. N 3. P. 1005-1015.
Gorrell L., Raubenheimer B., Steve Elgar, Guza R.T. SWAN predictions of waves observed in shallow water onshore of complex bathymetry // Coastal Engineering. 2011. V. 58. P. 510-516. DOI 10.1016/j .coastaleng.2011.01.013.
Hasselmann K., Barnett T.P., Bouws E., Carlson H., CartwrightD.E., Enke K., Ewing J.A., Gienapp H., Hasselmann D.E., Kruseman P., MeerburgA., Müller P., Olbers D.J., Richter K., Sell W., Walden H. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) // Dtsch. Hydrogr. Z. Suppl. 1973. V. 12, A8.
Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woolen J., Zhu Y., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Leetmaa A., Reynolds R., Jenne R., Joseph, D. The NCEP/NCAR 40-year Reanalysis Project // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996. V. 11. N 3. P. 437-471.
KistlerR., Collins W., Saha S., White G., Woollen J., Kalnay E., ChelliahM., Ebisuzaki W., KanamitsuM., Kousky V., van denDoolH., Jenne R., Fiorino M. The NCEP-NCAR 50-Year Reanalysis: Monthly Means CD-ROM and Documentation // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2001. V. 82. P. 247-267.
Komen G.J., Hasselmann S., Hasselmann, K. On the existence of a fully developed wind-sea spectrum // J. Phys. Oceanogr. 1984. V. 14. P. 1271-1285.
Komen G.J., Cavaleri L., Donelan M., Hasselmann K., Hasselmann S., Janssen P.A.E.M. Dynamics and Modelling of Ocean Waves, Cambridge University Press, 1994, 532 p.
Korshenko A., Ilyin Y., Velikova V. Oil spill in the Kerch Strait in November 2007 -M.: Nauka, 2011. P. 34-78.
Ris R.C., Holthuijsen L.H., Booij N. A third-generation wave model for coastal regions. 2. Verification // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. N C4. P. 7667-7681.
Rusu E., Pilar P, Guedes Soares C. Evaluation of the wave conditions in Madeira Archipelago with spectral models // Ocean Engineering. 2008. V. 35. P. 1357-1371. DOI 10.1016/ j.oceaneng.2008.05.007.
Surkova G.V., Arkhipkin V.S., Kislov A.V. Atmospheric circulation and storm events in the Black Sea and Caspian Sea // Central European J. Geosciences. 2013. V. 5. N 4. P. 548-559. DOI 10.2478/s13533-012-0150-7.
SWAN. User manual SWAN Cycle Ш, version 40.41. Delft University of Technology. - December 2004. - http:// fluidmechanics.tudelft.nl/swan/index.htm.
Tolman H.L. A third-generation model for wind waves on slowly varying, unsteady and inhomogeneous depths and currents // J. Phys. Oceanogr. 1991. V. 21. N 6. P. 782-797.
Valchev N.N., Trifonova E.V., Andreeva N.K. Past and recent trends in the western Black Sea storminess // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2012. V. 12. P. 961-977. DOI 10.5194/nhess-12-961-2012.
van Ledden M., Vaughn G., Lansen J., Wiersma F., Amsterdam M. Extreme wave event along the Guyana coastline in October 2005 // Continental Shelf Research. 2009. V 29. P. 352-361. DOI 10.1016/j.csr.2008.03.010.
WAMDI group: The WAM model - a third generation ocean wave prediction model // J. Phys. Oceanogr. 1988. V. 18. P. 17751810.
Zijlema M. Computation of wind-wave spectra in coastal waters with SWAN on unstructured grids // Coastal Engineering, 2010. V. 57. P. 267-77. DOI 10.1016/j.coastaleng.2009.10.011.
Поступила в редакцию 18.11 2015 Принята к публикации 27.09.2016
F.N. Gippius1, V.S. Arkhipkin2
INTERANNUAL VARIABILITY OF STORM WAVES IN THE BLACK SEA ACCORDING TO NUMERICAL MODELLING RESULTS
Parameters of wind waves in the Black Sea were simulated by the SWAN model and NCEP/NCAR reanalysis. The results of the simulation are used to define specific features of the spatio-temporal distribution of storminess. The simulation results were verified by the data of in-situ measurements performed with a Datawell wave buoy. Simulated values of significant wave height are lower than measured ones, therefore an empirical relationship is applied for correction.
1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Oceanology, Scientific Researcher; e-mail: fedor.gippius@gmail.com
2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Oceanology, Associate Professor, PhD. in Geography; e-mail: victor.arkhipkin@gmail.com
Seasonal and inter-annual variability of extreme storminess was assessed by analyzing series of annual and seasonal significant wave height values corresponding to each year, maximum monthly wave heights, and the spatial distribution of seasonal significant wave height maxima. No significant trends of these parameters were derived. A period of increased storminess in the 1960-s - early 1970-s, which was determined previously in terms of storm number and duration, is also expressed in annual significant wave height maxima.
The spatial distribution of storminess is assessed based on the locations of annual significant wave height maxima. Their highest recurrence corresponds to the southwestern part of the sea. Storms of July 13th, 1969, and February 13th, 2004, are discussed as examples of extreme storms on the Black Sea.
Key words: Black Sea, storm waves, NCEP/NCAR reanalysis, SWAN model, inter-annual variability, seasonal variability, spatial variability.
Acknowledgement. The study was financially supported by the Scientific Council of the MSU Faculty of Geography (grant for young scientists research in 2015-2017).
REFERENCES
Akpinar A., van Vledder G.Ph., Komurcu M.I., Ozger M. Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea // Continental Shelf Research. 2012. V. 50-51. P. 8099. DOI 10.1016/j.csr.2012.09.012.
Arkhipkin VS., Gippius F.N., Koltermann K.P., Surkova G.V Wind waves in the Black Sea: results of a hindcast study // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2014. V. 14. P. 2883-2897. DOI 10.5194/nhess-14-2883-2014.
Arhipkin V.S., Kosarev A.N., Gippius FN., Migali D.I. Sezonnaja izmenchivost' klimaticheskih polej temperatury, solenosti i cirkuljacii vod Chernogo i Kaspijskogo morej [Seasonal variations of climatic fields of temperature, salinity and water circulation in the Black and Caspian seas] // Vestnik Mosk. un-ta. Ser. 5. Geografija. 2013. № 5. P. 33-44 (in Russian).
Boukhanovsky A.V., Divinsky B.V., Kos'yan R.D., Lopatoukhin L.I., Rozhkov V.A. Tipizacija vetrovogo volnenija Chernogo morja po instrumental'nym dannym [Typification of wind disturbance of the Black Sea under the instrumental data], Oceanology. N 2. P 289-297 (in Russian).
BenoitM., MarcosF, Becq F Development of a third-generation shallow-water wave model with unstructured spatial meshing // Proc. 25th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE, Orlando, 1996. P. 465-478.
Booij N., Ris R.C., Holthuijsen L.H. A third-generation wave model for coastal regions. 1. Model description and validation // J. Geophysical Research. 1999. V. 140. N C4. P. 7649-7666.
Buhanovskij A.V., Lopatuhin L.I., Chernysheva E.S., Kolesov A.M. Shtorm na Chernom more 11 nojabrja 2007 goda i statistiki jekstremal'nyh shtormov morja [The storm on the Black Sea on 11 November 2007 and statistics of extreme storms of the sea] // Izvestija RGO. 2009. V. 141. N 2. P. 71-80 (in Russian).
Chen J., Del Genio A.D., Carlson B.E., Bosilovich M.G. The spatiotemporal structure of twentieth-century climate variations in observations and reanalyses. Part I: Long-term trend // J. Climate. 2008. V. 21. N 11. P. 2611-2633.
Doklady NAN Ukrainy. 2011, no 8, pp. 108-112 (in Russian).
Efimov V.V., Komarovskaja O.I. Atlas jekstremal'nogo vetrovogo volnenija Chernogo morja [Atlas of extreme wind waves in the Black Sea]. Sevastopol', MGI NANU, 2009 (in Russian).
Galabov V., Kortcheva A., Bogatchev A., Tsenova B. Investigation of the hydro-meteorological hazards along the bulgarian coast of the Black Sea by reconstructions of historical storms // J. Environmental Protection and Ecology. 2015. V. 16. N 3. P. 1005-1015.
Garmashov A. V. Vetro-volnovye harakteristiki Chernogo morja. Diss. na soisk. uch. st. kandidata geogr. nauk [Wind-wave parameters of the Black Sea. PhD thesis]. Sevastopol', 2013 (in Russian).
Gorrell L., Raubenheimer B., Steve Elgar, Guza R.T. SWAN predictions of waves observed in shallow water onshore of complex bathymetry // Coastal Engineering. 2011. V. 58. P. 510-516. DOI 10.1016/j .coastaleng.2011.01.013.
Haritonova L. V Vetrovoe volnenie i litodinamicheskie processy v pribrezhnoj zone zapadnogo Kryma. Diss. na soisk. uch. st. kandidata geogr. nauk [Wind waves and lithodynamical processes in the coastal zone of western Crimea. PhD thesis.]. Sevastopol', 2013 (in Russian).
Hasselmann K., Barnett T.P., Bouws E., Carlson H., CartwrightD.E., Enke K., Ewing J.A., Gienapp H., Hasselmann D.E., Kruseman P., Meerburg A., Müller P., Olbers D.J., Richter K., Sell W., Walden H. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) // Dtsch. Hydrogr. Z. Suppl. 1973. V. 12, A8.
Ivashincev N. Issledovanie shtorma, byvshego na Chernom more 2/14 nojabrja 1854 goda [A study of the storm occurred on the Black Sea the 2/14 November 1854], Morskoj sbornik. 1855. V. XVII. N 7. P. 1-25 (in Russian).
Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woolen J., Zhu Y., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Leetmaa A., Reynolds R., Jenne R., Joseph, D. The NCEP/NCAR 40-year Reanalysis Project // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996. V. 11. N 3. P. 437-471.
KistlerR., Collins W., Saha S., White G., Woollen J., Kalnay E., ChelliahM., Ebisuzaki W., KanamitsuM., Kousky V., van denDoolH., Jenne R., Fiorino M. The NCEP-NCAR 50-Year Reanalysis: Monthly Means CD-ROM and Documentation // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2001. V. 82. P. 247-267.
Komen G.J., Cavaleri L., Donelan M., Hasselmann K., Hasselmann S., Janssen P.A.E.M. Dynamics and Modelling of Ocean Waves, Cambridge University Press, 1994, 532 p.
Komen G.J., Hasselmann S., Hasselmann, K. On the existence of a fully developed wind-sea spectrum // J. Phys. Oceanogr. 1984. V. 14. P. 1271-1285.
Korshenko A., Ilyin Y., Velikova V. Oil spill in the Kerch Strait in November 2007. M.: Nauka, 2011. P. 34-78.
Myslenkov S.A., Arhipkin V.S. Analiz vetrovogo volnenija v Cemesskoj buhte Chernogo morja s ispol'zovaniem modeli SWAN [Analysis of wind waves in the Cemes bay of the Black Sea by means of the SWAN model] // Tr. Gidrometeorologicheskogo nauchno-issledovatel'skogo centra Rossijskoj Federacii. 2013. N 350, P. 58-67 (in Russian).
Myslenkov S.A., Shestakova A.A., Toropov P.A. Chislennoe modelirovanie shtormovogo volnenija u severo-vostochnogo poberezh 'ja Chernogo morja [Numerical simulation of storm waves near the northeastern coast of the Black Sea], Meteorologija i gidrologija. 2016. N 10. P. 61-71 (in Russian).
Polonskij A.B., Fomin V.V., Garmashov A.B. Harakteristiki vetrovogo volnenija Chernogo morja [Characteristics of wind waves in the Black Sea], Doklady NAN Ukrainy. 2011. N 8. P. 108-112 (in Russian).
Ris R.C., Holthuysen L.H., Booij N. A third-generation wave model for coastal regions. 2. Verification // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. N C4. P. 7667-7681.
Rusu E., Pilar P, Guedes Soares C. Evaluation of the wave conditions in Madeira Archipelago with spectral models // Ocean Engineering. 2008. V. 35. P. 1357-1371. DOI 10.1016/j.oceaneng. 2008.05.007.
Spravochnye dannye po rezhimu vetra i volnenija Baltijskogo, Severnogo, Chernogo, Azovskogo i Sredizemnogo morej [Information on wind and wave regime of the Baltic, North, Black, Azov and Mediterranean Seas]. SPb.: Rossijskij morskoj registr sudohodstva, 2006 (in Russian).
Surkova G.V., Arkhipkin V.S., Kislov A.V. Atmospheric circulation and storm events in the Black Sea and Caspian Sea // Central European J. Geosciences. 2013. V. 5. N 4. P. 548-559. DOI 10.2478/s13533-012-0150-7 (in Russian).
SWAN. User manual SWAN Cycle III, version 40.41. Delft University of Technology. - December 2004. - http:// fluidmechanics.tudelft.nl/swan/index.htm.
Tolman H.L. A third-generation model for wind waves on slowly varying, unsteady and inhomogeneous depths and currents // J. Phys. Oceanogr. 1991. V. 21. N 6. P. 782-797.
Toropov P.A., Myslenkov S.A., Samsonov T.E. Chislennoe modelirovanie novorossijskoj bory i svjazannogo s nej vetrovogo volnenija [Numerical modeling of bora in Novorossiysk and associated wind waves], Vestnik Moskovskogo universiteta. Serija 5. Geografija. 2013. N 2. P. 38-46 (in Russian).
Valchev N.N., Trifonova E.V, Andreeva N.K. Past and recent trends in the western Black Sea storminess // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2012. V. 12. P. 961-977. DOI 10.5194/nhess-12-961-2012.
van Ledden M., Vaughn G., Lansen J., Wiersma F., Amsterdam M. Extreme wave event along the Guyana coastline in October 2005 // Continental Shelf Research. 2009. V 29. P. 352-361. DOI 10.1016/j.csr.2008.03.010.
Voevodin Vl.V., Zhumatij S.A., Sobolev S.I., Antonov A.S., Bryzgalov P.A., Nikitenko D.A., Stefanov K.S., Voevodin Vad.V. Praktika superkomp'jutera «Lomonosov» [«Lomonosov» supercomputer practice], Otkrytye sistemy. Moskva: Izdatel'skij dom «Otkrytye sistemy», 2012. N 7. P. 36-39 (in Russian).
WAMDI group: The WAM model - a third generation ocean wave prediction model // J. Phys. Oceanogr. 1988. V. 18. P. 17751810.
Zijlema M. Computation of wind-wave spectra in coastal waters with SWAN on unstructured grids // Coastal Engineering, 2010. V. 57. P. 267-77. DOI 10.1016/j.coastaleng.2009.10.011.
Received 18.11.2015 Accepted 27.09.2016
