Model de val de vânt - Wind wave model

NOAA WAVEWATCH III (R) Prognoză de 120 de ore pentru Atlanticul de Nord

În dinamica fluidelor , modelarea undelor de vânt descrie efortul de a descrie starea mării și de a prezice evoluția energiei undelor de vânt folosind tehnici numerice . Aceste simulări iau în considerare forțarea vântului atmosferic, interacțiunile neliniare ale undelor și disiparea prin frecare și produc statistici care descriu înălțimile valurilor , perioadele și direcțiile de propagare pentru mările regionale sau oceanele globale. Astfel de emisiuni de valuri și prognozele valurilor sunt extrem de importante pentru interesele comerciale din marea liberă. De exemplu, industria de transport maritim necesită îndrumări pentru planificarea operațională și scopuri de păstrare tactică .

Pentru cazul specific de prezicere a statisticilor valurilor de vânt pe ocean, se folosește termenul de model de undă de suprafață oceanică .

Alte aplicații, în special ingineria de coastă , au condus la dezvoltarea modelelor de valuri de vânt special concepute pentru aplicații de coastă.

Prezentare istorică

Prognozele timpurii ale stării mării au fost create manual pe baza relațiilor empirice dintre starea actuală a mării, condițiile așteptate ale vântului, preluarea / durata și direcția propagării valului. Alternativ, partea de umflare a statului a fost prognozată încă din 1920 folosind observații la distanță.

În anii 1950 și 1960, a fost pusă o mare parte din bazele teoretice necesare descrierilor numerice ale evoluției undelor. În scopuri de prognoză, s-a realizat că natura aleatorie a stării mării a fost descrisă cel mai bine printr-o descompunere spectrală în care energia valurilor a fost atribuită oricâtor trenuri de undă este necesar, fiecare cu o direcție și perioadă specifice. Această abordare a permis realizarea de prognoze combinate ale mării și vânturilor de vânt . Primul model numeric bazat pe descompunerea spectrală a statului mării a fost operat în 1956 de către Serviciul meteo francez și s-a concentrat asupra Atlanticului de Nord. Anii 1970 au văzut primul model operațional, de undă emisferică: modelul de undă spectrală oceanică (SWOM) la Centrul de Oceanografie Numerică a Flotei .

Modelele de undă din prima generație nu au luat în considerare interacțiunile de unde neliniare. Modelele de a doua generație, disponibile la începutul anilor 1980, au parametrizat aceste interacțiuni. Au inclus formulările „hibrid cuplat” și „cuplat discret”. Modelele din a treia generație reprezintă în mod explicit toată fizica relevantă pentru dezvoltarea stării mării în două dimensiuni. Proiectul de modelare a valurilor (WAM), un efort internațional, a condus la rafinarea tehnicilor moderne de modelare a valurilor în deceniul 1984-1994. Îmbunătățirile au inclus cuplarea bidirecțională între vânt și valuri, asimilarea datelor de undă prin satelit și prognoză operațională pe rază medie.

Modelele de valuri de vânt sunt utilizate în contextul unui sistem de prognoză sau de retrodifuzare. Diferențele în rezultatele modelului apar (cu ordinea descrescătoare a importanței) din: diferențele în forțarea vântului și a gheții marine, diferențele în parametrizările proceselor fizice, utilizarea asimilării datelor și a metodelor asociate și a tehnicilor numerice utilizate pentru a rezolva ecuația evoluției energiei valurilor. .

Strategia generală

Intrare

Un model de val cere ca condiții inițiale informații care să descrie starea mării. O analiză a mării sau oceanului poate fi creată prin asimilarea datelor, unde observații precum măsurători de geamandură sau altimetru prin satelit sunt combinate cu o estimare de fond dintr-o prognoză anterioară sau climatologie pentru a crea cea mai bună estimare a condițiilor în curs. În practică, multe sisteme de prognoză se bazează doar pe prognozele anterioare, fără nicio asimilare a observațiilor.

O intrare mai critică este „forțarea” de către câmpurile de vânt: o hartă cu viteză și direcții ale vântului variabile în timp. Cele mai frecvente surse de erori în rezultatele modelului de undă sunt erorile din câmpul vântului. Curenții oceanici pot fi, de asemenea, importanți, în special în curenții de la granița de vest, cum ar fi curentul Golfului, curentul Kuroshio sau Agulhas, sau în zonele de coastă unde curenții de maree sunt puternici. Valurile sunt, de asemenea, afectate de gheața de mare și de aisberguri, iar toate modelele operaționale de valuri globale iau în considerare cel puțin gheața de mare.

Aceste cifre arată un exemplu al efectelor curenților asupra înălțimilor valurilor. Acest exemplu este adaptat din lucrarea științifică publicată în Journal of Physical Oceanography (vol. 42, decembrie 2012). Panourile superioare arată curenții de maree la 3 AM și 11 AM la 28 octombrie 2008, în largul coastei de vest a Franței, în jurul insulei Ouessant, care se află la 20 km de continent. Panoul inferior arată înălțimile și direcțiile undelor, calculate cu modelul numeric WAVEWATCH III (R), utilizând o plasă triunghiulară cu rezoluție variabilă. Curenții puternici la sud de Ouessant deviază valurile departe de geamandura de măsurare la mareea joasă.

Reprezentare

Starea mării este descrisă ca un spectru ; suprafața mării poate fi descompusă în valuri cu frecvențe variate folosind principiul suprapunerii . Undele sunt, de asemenea, separate de direcția lor de propagare. Dimensiunea domeniului model poate varia de la regional la ocean global. Domeniile mai mici pot fi cuibărite într-un domeniu global pentru a oferi o rezoluție mai mare într-o regiune de interes. Starea mării evoluează în funcție de ecuații fizice - bazate pe o reprezentare spectrală a conservării acțiunii valurilor - care includ: propagarea / advecția valurilor , refracția (prin batimetrie și curenți), echilibrarea și o funcție sursă care permite energiei valurilor să fie mărită sau diminuată. Funcția sursă are cel puțin trei termeni: forțarea vântului, transfer neliniar și disiparea prin capotare albă. Datele despre vânt sunt de obicei furnizate dintr-un model atmosferic separat dintr-un centru operațional de prognoză a vremii.

Pentru adâncimi de apă intermediare, trebuie adăugat și efectul fricțiunii de fund. La scară oceanică, disiparea umflăturilor - fără a se sparge - este un termen foarte important.

Ieșire

Ieșirea unui model de undă de vânt este o descriere a spectrelor de undă, cu amplitudini asociate cu fiecare frecvență și direcție de propagare. Rezultatele sunt de obicei rezumate prin înălțimea semnificativă a valului , care este înălțimea medie a celei de-a treia mari valuri și perioada și direcția de propagare a valului dominant.

Modele cuplate

Undele de vânt acționează și pentru a modifica proprietățile atmosferice prin rezistența la frecare a vânturilor de la suprafață și a fluxurilor de căldură. Modelele cuplate bidirecționale permit activității valurilor să se retroalimenteze asupra atmosferei. Centrul european pentru prognozarea mediu Meteorologice (ECMWF) cuplat atmosferă val sistem prognoză este descris mai jos facilitează acest lucru prin schimbul de parametrul Charnock care controlează asperitatea suprafeței mării . Acest lucru permite atmosferei să răspundă la modificările rugozității suprafeței pe măsură ce marea vântului se acumulează sau se descompune.

Exemple

WAVEWATCH

Sistemele operaționale de prognozare a valurilor la NOAA se bazează pe modelul WAVEWATCH III (R). Acest sistem are un domeniu global de rezoluție de aproximativ 50 km, cu domenii regionale cuibărite pentru bazinele oceanice din emisfera nordică la o rezoluție de aproximativ 18 km și o rezoluție de aproximativ 7 km. Fizica include refracția câmpului de undă, interacțiuni rezonante neliniare , reprezentări sub-grilă ale insulelor nerezolvate și acoperire de gheață actualizată dinamic. Datele despre vânt sunt furnizate din sistemul de asimilare a datelor GDAS pentru modelul meteo GFS. Până în 2008, modelul era limitat la regiunile din afara zonei de surf unde valurile nu sunt puternic afectate de adâncimi superficiale.

Modelul poate încorpora efectele curenților asupra valurilor de la proiectarea sa timpurie de către Hendrik Tolman în anii 1990 și este acum extins pentru aplicații aproape de țărm.

WAM

Modelul de undă WAM a fost primul așa-numit model de undă prognostică de a treia generație în care spectrul de undă bidimensională a fost lăsat să evolueze liber (până la o frecvență de tăiere) fără constrângeri asupra formei spectrale. Modelul a suferit o serie de actualizări de software de la începuturile sale la sfârșitul anilor 1980. Ultima versiune oficială este Cycle 4.5, întreținută de germanul Helmholtz Zentrum, Geesthacht .

ECMWF a încorporat WAM în sistemul său de prognoză deterministă și de ansamblu ., Cunoscut sub numele de Sistem integrat de prognoză (IFS). Modelul cuprinde în prezent 36 de coșuri de frecvență și 36 de direcții de propagare la o rezoluție spațială medie de 25 km. Modelul a fost cuplat cu componenta atmosferică a IFS din 1998.

Alte modele

Previziunile valurilor de vânt sunt emise regional de către Environment Canada .

Predicțiile valurilor regionale sunt produse și de universități, cum ar fi utilizarea de către Universitatea Texas A&M a modelului SWAN (dezvoltat de Universitatea Tehnologică Delft ) pentru a prognoza valurile din Golful Mexic.

Un alt model, CCHE2D-COAST este un model integrat bazat pe procese, care este capabil să simuleze procesele de coastă pe diferite litoraluri cu țărmuri complexe, cum ar fi deformarea neregulată a valurilor de la offshore la onshore, curenții nearshore induși de tensiunile de radiație, setarea valurilor, setul de unde -dozarea, transportul sedimentelor și modificările morfologice ale fundului mării.

Alte modele de valuri de vânt includ US Navy Standard Surf Model (NSSM).

Validare

Compararea previziunilor modelului de val cu observațiile este esențială pentru caracterizarea deficiențelor modelului și identificarea domeniilor de îmbunătățire. Observațiile in situ sunt obținute din geamanduri, nave și platforme petroliere. Datele altimetrice de la sateliți, cum ar fi GEOSAT și TOPEX , pot fi, de asemenea, utilizate pentru a deduce caracteristicile undelor de vânt.

Transmiterea de modele de undă în condiții extreme servește, de asemenea, ca un pat de test util pentru modele.

Reanalize

O analiză retrospectivă, sau reanaliză, combină toate observațiile disponibile cu un model fizic pentru a descrie starea unui sistem pe o perioadă de timp de zeci de ani. Valurile vântului fac parte atât din Reanaliza NCEP, cât și din ERA-40 de la ECMWF. Astfel de resurse permit crearea de climatologii lunare ale valurilor și pot urmări variația activității valurilor pe scări de timp interanuale și multi-decenale. În timpul iernii emisferei nordice, cea mai intensă activitate a valurilor este situată în centrul Pacificului de Nord, la sud de Aleutini, și în centrul Atlanticului de Nord, la sudul Islandei. În timpul iernii emisferei sudice, activitatea intensă a valurilor circumscrie polul la aproximativ 50 ° S, cu înălțimi semnificative de undă de 5 m tipice în sudul Oceanului Indian.

Referințe