Моделирование полей ветра и давления для гидродинамического прогноза штормовых нагонов

• Автор: Мостаманди Мохаммад Сулейман Вахидулла
• Шифр специальности: 25.00.30
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Введение

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Личный вклад автора

Теоретическая и практическая значимость:

1 Нагонные наводнения: причины, механизмы и методы их прогнозирования

1.1 Прогрессивная длинная волна и её влияние на невские наводнения

1.2 Сейшевые колебания уровня воды

1.3 Барические поля над Балтикой, типичные для возникновения наводнений

2 Гидродинамическое моделирование изменения уровня воды

2.1 Модели фирмы Deltares (Нидерланды)

2.2 Модели Датского гидрологического института

2.3 Трехмерная численная океанологическая модель Принстоновского университета (РОМ)
2.4 Оперативная трехмерная модель динамики Северного и Балтийского морей BSHcmod Федерального управления по гидрографии (BSH) в
Гамбурге, ФРГ
2.5 Оперативная модель Балтийского моря высокого разрешения HIROMB
2.6 Модель AquaDyn
2.7 Модель OAR3d
2.8 Модель HYBOS - модель океанографической компании Норвегии OCEANOR
2.9 Модели Балтийского моря, используемые в Финляндии
2.10 Двумерная гидродинамическая модель совместной динамики льда и воды (ДГДМ) ААНИИ
2.11 Гидродинамическая и гидроэкологическая модель SPBEM
2.12 Трехмерная гидродинамическая модель Невской губы и восточной части Финского залива СПБ Отдела ИО РАН NEWAM
2.13 Модели Балтийского моря BSM6
3 Моделирование штормовых нагонов при различных полях ветра и приземного давления
3.1 Модель WRF (Weather Research and Forecasting)
3.2 Модель Hirlam
3.3 Модели консорциума COSMO
3.4 Выбор оптимальной метеорологической модели для расчета полей ветра и давления
3.5 Численные эксперименты с моделью Балтийского моря BSM-6 и атмосферными моделями HIRLAM, FORCE,COSMO и WRF
3.5.1 Условия экспериментов
3.5.2 Анализ результатов численных экспериментов
4. Численный прогноз полей ветра и давления на базе модели WRF для
прогноза штормовых нагонов
4.1 Численная гидродинамическая модель атмосферы WRF

4.2 Параметризации планетарного пограничного слоя в прогностической атмосферной модели
4.2.1 Схема параметризации пограничного слоя атмосферы по Ме11ог-Уатас1а-.Гапрс (МУ.1)
4.2.2 Схема параметризации пограничного слоя атмосферы МеИог-Затаба-МакашьЫ-Мппо - 2.5 (МУЛЫ)
4.2.3 Схема параметризации пограничного слоя университета Уопьеп
4.2.4 Схема параметризации ППС Bougeault-Lacarrëre (ВоиЬас)
4.2.5 Схема параметризации приземного слоя атмосферы, базирующаяся на теории подобия
4.2.6 Схема параметризации приземного слоя атмосферы модели ЕТА
4.3 Описание программного комплекса УЧЗР
4.3.1 Описание численных экспериментов
4.4 Ассимиляция данных наблюдений в гидродинамическую модель
4.4.1 Описание используемого алгоритма ассимиляции
4.4.2 Глобальная навигационная спутниковая система её использование при моделировании атмосферных процессов
4.4.3 Ассимиляция данных в модель У7ЯГ
4.4.4 Численные эксперименты по ассимиляции результатов наблюдений в гидродинамический комплекс прогноза Невских наводнений
4.4.5 Прогноз Невских наводнений при помощи модели В8М6 с атмосферными данными по модели УПЗГ с ассимиляцией и без ассимиляции
Заключение
Список использованных источников

Введение
Штормовой нагон - это волна, длина которой в сотни и тысячи раз превышает глубину водоема и при взаимодействии с берегами приводящая к опасному подъему уровня. Основной фактор, приводящий к штормовому нагону - сильный ветер. Успешность гидродинамического прогноза нагона зависит от прогноза атмосферных параметров и от степени детального описания орографии, батиметрии и конфигурации акватории.
Петербург - город наводнений и, естественно, что эта тема является актуальной. Животрепещущие вопросы, - какой высоты, с какой вероятностью и когда будет следующее наводнение - возникают постоянно. И эти вопросы не сняты с повестки дня, несмотря на завершение строительства комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений.
Петербургские наводнения - едва ли не первая научная проблема отечественной гидрометеорологии, прошедшая все стадии исследований - от визуальных наблюдений, описаний, измерений и накопления фактов до раскрытия причин явления и его прогноза на основе математической теории.
Отсчет уровня воды ведется от среднего многолетнего положения водной поверхности Балтийского моря у Кронштадта, принятого в нашей стране за исходный горизонт измерения высот на суше и глубин на морях. Этот горизонт именуется «нулем Кронштадтского футштока (О КФ)» или «нулем Балтийской системы высот (О БС)».
До 1982 года высоты наводнений в Ленинграде отсчитывались от ординара у Горного института, показывающего средний многолетний уровень воды в Неве в этом месте. Этот ординар выше О КФ на 11 см. За низшую высоту наводнений была принята отметка 150 см выше ординара.
В дальнейшем наводнениями считались подъемы воды на 91 см БС, опасными наводнениями - подъёмы воды от 161 до 210 см над 0 БС, особо опасными - от 211 до 299 см БС, катастрофическими - свыше 300 см БС.
Учитывая уникальность географического расположения Петербурга и, вследствие этого, постоянно существующую опасность невских наводнений, разработка надежных и, что не менее важно, заблаговременных методов прогнозирования была и остается чрезвычайно актуальной задачей. Однако такая задача в принципе выполнима лишь при комплексном подходе, когда в расчет принимаются не какие-то отдельные механизмы и предикторы, а оценивается их индивидуальный и суммарный вклад в процессы опасных подъемов в дельте Невы.
Целью диссертационной работы является повышение качества гидродинамического прогноза нагонных волн за счет учета вклада мелкомасштабных процессов в формирование полей ветра и давления, создающих потенциал для возникновения наводнений, и ассимиляции данных наземных и спутниковых наблюдений.

где, Н -члубина водоема;
ра -плотность атмосферного воздуха; р0 -плотность воды; g -ускорение силы тяжести;
£ -уровень свободной поверхности;
Ра -атмосферное давление; f -параметр Кориолиса;
f -2 со sin ср , где со- угловая скорость вращения Земли;
<р -географическая широта;
CD „ветровой коэффициент который определяет касательное
со(х),со(у) -зональная и меридиональная компонента приземного ветра К -коэффициент горизонтального турбулентного обмена; и, V -полные потоки;
/ь „коэффициент придонного трения.
Программная система CARDINAL (Coastal ARea Dynamic INvestigation ALgorithm, что в переводе означает Алгоритм Исследования Динамики Прибрежной Зоны) является компьютерной программой, реализующей приведенную выше гидродинамическую модель, т.е. осредненные по глубине уравнения мелкой воды для двумерных условий и уравнения движения в гидростатическом приближении для трехмерных условий [19, 20].
напряжение ветра,, используется формула Смита и Банкера, в которой считается, что ветер задан на высоте 10 м над уровнем моря