СПОСОБ ПРОГНОЗА ШТОРМОВЫХ ПОДЪЕМОВ УРОВНЕЙ ВОДЫ ДЛЯ МОРСКИХ УСТЬЕВЫХ УЧАСТКОВ РЕК
METHOD TO FORECAST STORM TIDES IN SEA REACHES

Предлагаемое техническое решение относится к области гидрометеорологии, в частности к технологиям прогнозирования штормовых подъемов уровней воды (наводнений).
В России наиболее опасными районами формирования наводнений являются Невская губа Балтийского моря, Каспийское море, Японское море, Охотское море (Юго-Восточное и Северо-Восточное побережье о. Сахалин, побережье Курильских островов), Берингово море (Побережье полуострова Камчатка). В мире наиболее подвержены штормовым подъемам уровней воды Мексиканский залив, Северное и Балтийское моря, Тихоокеанское побережье Японии и других стран Восточной Азии, а также Бенгальский залив, где отмечен ряд катастрофических наводнений.
Известен «Способ подъема уровня воды, основанный на формуле Н.И. Бельского» (Бельский Н.И. Синоптические условия Ленинградских наводнений. - «Тр. ГОИН», 1954. Вып. 27(39). С. 43-80).
Способ относится к эмпирическим и применялся в оперативной практике в Северо-Западном регионе, в частности для прогноза штормовых подъемов уровней воды для устьевых участков рек Балтийского бассейна.
Способ основывается на использовании синоптической информации, а также учете региональных физико-географических условий. Основной идеей, заложенной в способе, является учет взаимодействия метеорологических и гидрологических факторов и их роль в процессе наводнения; типов колебаний уровня воды в море, в частности Балтийском море и Финском заливе; возникновения, перемещения и трансформации длинной волны, влияния метеорологических условий над Финским заливом на степень возрастания высоты длинной волны.
Применение данного способа достаточно просто и удобно, однако он имеет существенные недостатки.
Одним из главных недостатков является ограниченная заблаговременность прогноза от 3 до 6 часов.
Кроме того, эмпирические коэффициенты в прогностических формулах отражают лишь те синоптические условия, для которых они получены, их применение для ситуаций экстремальных атмосферных процессов очень ограничены.
Существует «Способ прогноза штормовых подъемов уровня воды при помощи гидродинамической модели Балтийского моря (BSM) К.А. Клеванного» (http://www.library.biophys.msu.ru/?Query=%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9+%D0%9A.+%D0%90.&searchMode=nameExact Наводнения в Санкт-Петербурге при незавершенном комплексе защитных сооружений // Изв. АН. Серия географическая, 2002, 2, с.80-88).
Модель BSM представляет собой замкнутую систему уравнений мелкой воды и двумерное уравнение переноса примесей в криволинейных координатах. Модель предполагает расчет длинноволновых процессов и переноса примесей в произвольной акватории на основе метода криволинейных координат. Уравнения модели решаются полунеявным конечно-разностным методом. Используется С-сетка Мезингера-Аракавы, центрально-разностная аппроксимация пространственных производных и аппроксимация Кранка-Николсона по времени. Расчетным блоком модели управляет пакет программ на базе системы CARDINAL.
Способ реализован в системе прогноза наводнений в реке Нева. Реализовано объединение гидродинамической системы с региональной атмосферной моделью, которая, в свою очередь, соединена с глобальной атмосферной моделью. Такие модели, по сути, являются вложенными и позволяют с большей точностью задавать начальные и граничные условия. Временной шаг модели составляет 180 с, пространственный шаг переменный по акватории Балтийского моря и изменяется от 16 метров в Невской губе до 1000 метров на акватории Балтики.
Наиболее важным требованием, обеспечивающим качество гидродинамических прогнозов, является точность и подробность (шаг сетки) задания исходной информации. В первую очередь это относится к прогнозу скорости приводного ветра и его изменчивости, зависящих от прохождения фронтальных разделов, эволюции циклонических образований, взрывного циклогенеза и соответственно активного развития штормовых циклонов. Другими важными факторами формирования нагонов являются направление ветра и продолжительность действия эффективного (т.е. наиболее благоприятного по направлению для формирования нагона) ветра.
Недостатком способа является необходимость использования в модели большого объема разнообразной информации, подготовка которой требует довольно много времени ввиду очень высокой сложности явления. Заблаговременность прогноза невелика, уверенный прогноз не превышает 6 часов.
Кроме того, способ не учитывает факторы, связанные с особенностями развития штормовых циклонов, включая взрывной циклогенез, активизацию фронтальных разделов, в том числе прохождение вторичных холодных фронтов, формирование шквалистого усиления ветра.
Не учитывается влияние орографии, а также усиление ветра при порывах, так как возможность возникновения значительного нагона определяется структурой приземного атмосферного давления, при численной аппроксимации оно принимается постоянным в пространстве в области расчета (шаг сети точек), а направление и скорость ветра - однородными в пределах отдельных районов.
Целью предлагаемого авторами изобретения является повышение заблаговременности прогноза подъема уровней воды до 72 часов по сравнению с аналогами (максимальная надежная заблаговременность). Техническим результатом изобретения является разделение года на два периода: «наводненческий период» и «ненаводненческий период», что позволяет выявить функциональные зависимости между особенностями крупномаштабных атмосферных процессов и штормовыми подъемами уровней воды в морских устьевых участках рек, а также сократить период активного прогнозирования; разработка универсального способа качественного прогноза штормовых подъемов уровней воды для морских устьевых участков рек с максимальной заблаговременностью.
Для реализации способа необходимо сформировать архив данных об экстремальных подъемах уровней воды (наводнениях), включающий в себя соответствующие даты и уровни воды, по посту, имеющему максимально длинный период наблюдений на соответствующем морском устьевом участке реки.
Под наводнением в данном случае понимается количественная характеристика подъема уровня воды на морском устьевом участке реки более 150 см.
Первоначально группируются наводнения из архива по месяцам года за весь период наблюдений. После чего определяется количество наводнений для каждого месяца.
Рассчитывается повторяемость наводнений для каждого месяцам за весь период наблюдений. Для этого ранее определенное количество наводнений в месяце делят на общее число наблюдений.
Далее осуществляется последовательное исключение месяцев за весь период наблюдений, при которых повторяемость наводнения ниже 1%. Таким образом, из оставшихся месяцев формируется «наводненческий период», т.е. под «наводненческим периодом» года понимаются те месяцы года, в которые повторяемость наводнения выше 1%.
Для «наводненческого» периода формируем архив полей приземного атмосферного давления по срочным данным (за два срока) для территории формирования штормовых циклонов над рассматриваемым морским устьевым участком реки за весь период наблюдений.
Реализуемый подход, основанный на анализе всех полей приземного атмосферного давления, связанных с формированием «наводненческих ситуаций», позволяет учесть основные особенности, связанные с активным развитием штормовых циклонов, включая взрывной циклогенез, активизацию фронтальных разделов, в том числе прохождение вторичных холодных фронтов, формирование шквалистого усиления ветра.
Кроме того, использование поля приземного атмосферного давления позволяет учесть орографию региона через структуру атмосферных процессов, которая формируется непосредственно под влиянием физико-географических процессов.
°
°
i
j
Поле приземного атмосферного давления представляет собой распределение значений приземного атмосферного давления в узлах регулярной географической сетки (5φ на 5λ) с координатами (φ, λ) (i·j=n). Размер поля приземного атмосферного давления определяется размером формирования циклонов в районе морского устьевого участка реки, для которого дается прогноз.
Для каждого из месяцев «наводненческого периода» рассчитывают эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) по полям приземного атмосферного давления за весь период наблюдений. Эмпирические ортогональные функции предназначены для сжатия информации при анализе крупных барических образований, когда физические процессы в поле метеорологического параметра можно достаточно полно описать статистическими особенностями первых трех коэффициентов, в которых сосредотачивается до 80-85% дисперсии данного элемента.
k
В основе расчета ЭОФ лежит разложение поля приземного атмосферного давления P(x) по новой системе координат:
n
k
α
αk,
P(x)=∑ a Ψ
α=1
αk
где Ψ - новая ортогональная система координат, называемая эмпирическими ортогональными функциями;
α
k
αk
a - коэффициенты разложения барического поля Р(x) по новой системе координат Ψ, называемые эмпирическими ортогональными составляющими (ЭОС).
ЭОФ представляют собой собственные векторы корреляционной матрицы поля давления, полученной по временному ряду наблюдения поля приземного атмосферного давления.
Для получения корреляционных матриц и их собственных векторов используется стандартное программное обеспечение.
Для каждого срока по каждому месяцу «наводненческого периода» за весь период наблюдений по ЭОФ определяются ЭОС. Для обеспечения не менее 85% дисперсии количество ЭОС достаточно первых трех коэффициентов. Для дат наводнения по каждому месяцу выделяются первые три ЭОС, являющиеся базой для выявления «наводненческих ситуаций». Для каждого месяца «наводненческого периода» выделяем диапазон первых трех коэффициентов ЭОС (по минимальному и максимальному значению ЭОС).
Ситуации, ЭОС которых попадают внутрь это диапазона, будем считать «наводненческими ситуациями».
Таким образом, сформирована эталонная область ЭОС, соответствующая наводнениям для каждого месяца «наводненческого» периода. Под наводненческой ситуацией понимается тип приземного поля атмосферного давления, при котором на рассматриваемой территории формируется наводнение.
Собственно способ прогноза штормовых подъемов уровней воды в морских устьевых участках рек заключается в определении наступления/ненаступления «наводненческой ситуации» с заблаговременностью от 6 до 72 часов.
Исходной информацией для прогноза подъемов уровней воды (наводнений) в морских устьевых участках рек служат фоновые прогностические поля приземного атмосферного давления за срок от 6 до 72 часов, представленные в виде, аналогичном архивным полям приземного атмосферного давления. Соответственно в каждой точке представлена величина приземного атмосферного давления, которая может быть получена путем численного прогноза с использованием гидродинамической модели атмосферы, имеющей наиболее высокий уровень оправдываемости в данном регионе.
По прогностическому полю приземного атмосферного давления с заблаговременностью от 6 до 72 часов рассчитываются ЭОС по ЭОФ данного месяца, полученным по всему архиву полей и сопоставляются с эталонной областью ЭОС. По результатам сопоставления делается вывод о наступлении или ненаступлении на анализируемый прогностический срок «наводненческой ситуации», а следовательно, наводнения.
Для месяцев, не вошедших в «наводненческий период», наводнения считаются маловероятным событием и не относятся к «наводненческим ситуациям», что позволяет также сократить период активного прогнозирования.
Литература:
1. А.В. Мещерская, Л.В.Руховец, М.И.Юдин, Н.И.Яковлева. Естественные составляющие метеорологических полей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970, 200 с.