Глобальный анализ ветрового волнения по данным попутных судовых наблюдений

Изучение состояния поверхности океана во все времена было актуальной задачей. Чем сильнее вмешательство человека в окружающую среду, и чем интенсивнее использование природных ресурсов и изменение облика нашей планеты, тем более серьезные требования предъявляются к гидрометеорологическому обеспечению морских отраслей человеческой деятельности и к прогнозированию аномальных природных явлений, связанных с океаном.

Достоверное описание характеристик ветровых волн на поверхности Мирового океана крайне важно для обеспечения всех видов морской деятельности (операций морских перевозчиков, разведки и добычи морских ресурсов, строительства технических сооружений на шельфе и в открытом море). Наибольшую ценность для практического использования представляет прогноз ветрового волнения, включающий как прострапственпо-временные распределения основных волновых параметров, так и оценки экстремальных волн. Для повышения достоверности прогноза необходимо точное знание климатических характеристик ветрового волнения. Из существующих на сегодняшний день источников глобальной информации о ветровых волнах попутные судовые наблюдения имеют наибольшую длительность и обеспечивают изначально независимые оценки высот и периодов ветровых волн и зыби. Неудивительно, что, несмотря на создание высокоточных глобальных ветро-волновых моделей (WAM, WaveWatch, SWAN, модель Гидрометцентра России и ГОИНа, модель ААНИИ и другие), а также быстрое развитие спутниковых методов измерений волн, визуальные наблюдения остаются основой для получения оценок волновых характеристик в практических целях. В частности, именно визуальные данные использовались при построении волновых статистик для нужд моряков и военно-морских инженеров [19,89,91,143], для региональных климатических оценок в морях и на шельфе [5,13,15,19,21,серия монографий «Моря СССР» и Справочных пособий «Шельф» Государственного Океанографического Института Росгидромета], а также для оценок волнового климата и экстремальных высот волн [3,5,7,8,9,16,18,20]. Ограниченные выборки визуальных наблюдений за 1950;1970 годы использовались для анализа изменчивости поверхностных волн [7,128,129,146]. Гулев иХассе [75] первыми получили массивы основных параметров ветровых волн по данным попутных судовых наблюдений и создали климатологию ветровых волн северной Атлантики за период 1964;1993 гг. Однако глобальный анализ ветровых волн по визуальным данным за длительный период времени до сих пор не проводился.

В то же время визуальные наблюдения над волнами характеризуются высоким уровнем погрешностей и неопределенностей в оценках отдельных параметров волнения. На этом, достаточно общем мнении, основывается традиционный пессимизм по отношению к массовому использованию визуальных наблюдений. Только достоверная количественная оценка этих неопределенностей позволит эффективно и обоснованно использовать визуальных данные, уникальные по объему и длительности, в практических целях. Это обуславливает актуальность темы работы, направленной па детальное исследование достоверности визуальных наблюдений, обоснование и разработку методов анализа климатических параметров ветрового волнения и создание глобальных массивов статистических характеристик ветровых волн за длительный период.

Главной целыо работы являлось построение достоверной климатологии характеристик ветрового волнения за период последнего столетия на основе попутных судовых наблюдений, оценка основных источников ошибок в визуальных наблюдениях за волнами и исследование климатической изменчивости параметров ветрового волнения. Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:

• построение всеобъемлющей базы данных визуальных наблюдений с 1885 года до настоящего времени, контроль качества исходной информации и создание унифицированного глобального архива визуальных волновых наблюдений для дальнейшего исследования.

• обоснование, разработка и адаптация методологии для расчета глобальных статистических характеристик ветрового волнения на акватории Мирового океанаее применение для получения климатических полей элементов ветровых волн за период с 1900 по 2002 гг.

• количественная статистическая оценка всех видов неопределенностей и ошибок в визуальных наблюдениях над волнами и их влияния на режимные характеристики ветрового волнения.

• получение количественных оценок межгодовой, меэ/сдекадной и долгопериодной изменчивости в статистических параметрах ветрового волнения, включая экстремальные высоты волн, и физическое описание механизмов этой изменчивости.

Автором выносится на защиту новое решение актуальной научной задачидостоверная оценка климатических характеристик, экстремальных значений и изменчивости ветрового волнения на поверхности Мирового океана на основе попутных судовых наблюдений.

Работа состоит из 5 глав. В первой главе подробно охарактеризованы все источники данных о ветровом волнении, доступные исследователям на сегодняшний день и используемые в работе (визуальные наблюдения, модельные анализы и спутниковые данные). Показаны сильные и слабые стороны различных типов глобальных данных о ветровом волнении. В частности, модельные анализы, хоть и имеют продолжительность до нескольких десятилетий, являются в значительной степени зависимыми от точностных характеристик ветра, используемого в модели. Кроме того, модельные анализы в существенной степени, определяются конфигурацией модели волн и требуют независимых данных для калибрации. Спутниковым данным, безусловно, принадлежит будущее, однако на сегодняшний день, даже массивы, построенные на основе нескольких спутников (ERS, TOPEX/POSEIDON, GEOSAT, NSCAT) имеют длительность не более 13 лет [159] и не могут использоваться для долговременных оценок климатической изменчивости. Более того, точность как альтиметрических, так и скатеррометрических измерений волн существенно зависит от алгоритмов, используемых для пересчета параметров волнения из характеристик сигналов, поэтому спутниковые данные также нуждаются в альтернативном источнике информации для калибрации. Используемые в работе визуальные наблюдения за волнами как раз и представляют такой альтернативный источник. В этой главе детально излагается структура, система кодировки и форматы записи данных попутных судовых наблюдений из архива ICOADS. Особое внимание уделяется пространственно-временной неоднородности плотности наблюдений, представляющей одну из основных проблем анализа судовых наблюдений за волнами.

Во второй главе обсуждается точность визуальных судовых наблюдений за волнами. Особое внимание, уделяемое этому вопросу, обусловлено целью диссертации, направленной на получение количественных климатических характеристик волнения. Первым этапом уменьшения неопределенности визуальных данных о ветровом волнении являлся контроль качества информации. Мы исключили из рассмотрения все данные, не удовлетворяющие статистическим критериям выбросов и согласованности кодов. Важным моментом было удаление дублированных записей и данных, отнесенных к неверным координатам, что связано с частым перепутыванием координат «север-юг» и «запад-восток» в системах кодировки. Нами была использована сезонная ледовая маска для контроля телеграмм с координатами, попадающими в области, покрытые льдом. Некоторые алгоритмы контроля качества были основаны на взаимном анализе различных характеристик волнения и основных метеорологических параметров. Следующим этапом стала оценка случайных ошибок наблюдений. Для этого впервые был использован метод семивариограмм, когда одновременные наблюдения, будучи сгруппированы по классам расстояний между судами, позволяют построить функции, учитывающие как пространственную изменчивость, так и ошибки наблюдений. Последующая экстраполяция этих функций на нулевое расстояние позволяет исключить пространственную изменчивость и оценить случайные ошибки наблюдений. Для получения репрезентативных оценок было выбрано пространственное разрешение 20°х20°, обеспечивающее достаточное количество данных, участвующих в статистической обработке. Важным элементом анализа достоверности данных являлось исследование различий точности между дневными и ночными наблюдениями. Эти оценки были выполнены на основе расчета высоты солнца и отнесения наблюдений к дневному или ночному времени. В целом, не было обнаружено никакого устойчивого увеличения ошибок наблюдений в ночное время, как это предполагалось ранее и подтверждается, например, анализом данных о ветре. Для хорошо обеспеченных данными районов дневные ошибки даже превышают ночные, что можно объяснить различной наблюдательной практикой в разное время суток. Далее мы оценили погрешности в периодах волн, связанные с процедурой коррекции направления распространения волнения с учетом скорости и курса судна. Важно, что эти погрешности влияют на все волновые наблюдения, в отличие от наблюдений за ветром, когда только анемометрические данные нуждаются в коррекции.

Для оценки точности многих параметров нами широко использовались результаты массового опроса штурманского состава попутных судов о практике выполнения наблюдений за волновыми и ветровыми параметрами.

В третьей главе детально описана разработанная автором методика коррекции визуальных волновых наблюдений и расчета глобальных пространственных полей основных волновых параметров. Отдельную задачу представляет расчет значимой высоты волны по данным попутных судовых наблюдений, поскольку с 1950 года визуальные наблюдения обеспечивают независимые оценки высот ветровых воли и зыби. Мы протестировали несколько методов расчета значимых высот волн.

Коррекция визуальных волновых наблюдений включала в себя несколько этапов. В первую очередь, это решение проблемы малых высот ветровых волн, связанной с кодировкой всех волн менее 0.5 метра в судовых телеграммах цифрой кода «01», что приводит к систематическому завышению малых высот волн и может иметь климатически значимый эффект, например, в тропиках. Следующим элементом анализа была проверка точности разделения ветровых волн и зыби в судовых визуальных наблюдениях. Часто развитое ветровое волнение кодируется как молодая зыбь, и, наоборот — молодая зыбь, как ветровое волнение. Нами была разработана двухступенчатая методология контроля такого разделения. Далее мы скорректировали периоды ветровых волн и зыби по эмпирическим формулам Гулева и Хассе [75], разработанным на основе анализа долговременных наблюдений на буях. Заключительным этапом стало вычисление доминантных периодов, которые в визуальных наблюдениях определяются как периоды, ассоциированные с наибольшей высотой волны — ветровой или зыби.

Для построения глобальной климатологии было выбрано временное разрешение один месяц и пространственное — 2°х 2°. По скорректированным индивидуальным визуальным наблюдениям для всех волновых характеристик (высот и периодов ветровых волн и зыби, значимых высот волн и доминантных периодов) были рассчитаны пространственные поля за период с 1958 по 2002 годы. Для пространственной интерполяции в районах с неадекватной плотностью данных мы использовали метод локальных процедур Akima [6], модифицированный в работе в применении к пространственным статистическим характеристикам волнения, в комбинации с 15-ти точечным эллиптическим фильтром. Для осреднения в каждом квадрате был выбран критерий 4.5а, что является более справедливым, чем выбор традиционно используемого предела 3.5а, поскольку широкий диапазон обеспечивает сохранение в ансамбле осреднения реальных экстремальных величии волнения в ключевых районах Мирового океана. Это является важным с точки зрения последующей достоверной оценки экстремальных характеристик волнения. Построенная климатология легла в основу Компьютерного Атласа ветрового волнения, организованного в виде WEB-приложения к кандидатской диссертации. Атлас размещен в интернете для свободного доступа (www.sail.msk.ru/atlas/index.htm), его CD-версия для персональных пользователей свободно распространяется. Атлас также включает возможности интерактивного доступа, как к исходным, так и к объективно проанализированным данным па сетке 2×2° для всех месяцев года.

Четвертая глава посвящепа подробному пространственно-временному анализу полей систематических и случайных ошибок в созданной климатологии, оцененных на основе методологии, описанной в предыдущей главе. Это наиболее сложный вопрос, поскольку от точного знания погрешностей зависит оценка репрезентативности данных и диапазон их применения: от наглядного представления о глобальном климатическом распределении характеристик ветрового волнения до решения практических задач, связанных с безопасностью морских перевозок, судостроением и прогнозированием состояния океана. Мы сопоставили полученные климатические оценки с данными долговременных наблюдений на метеорологических буях Национальной Администрации по Океану и.

Атмосфере США и Японского метеорологического Агентства. Всего было использовано 314 буев с продолжительностью измерений от 3 до 21 года.

В основу оценки ошибок репрезентативности, связанных с недостаточным количеством наблюдений, легло сравнение нашей климатологии с 6-часовыми данными о волнах, воспроизведенными численной моделью ветрового волнения WAM Европейского Центра Среднесрочных прогнозов погоды. Мы разработали алгоритм симуляции в модели судовых наблюдений, с учетом их количества и точного времени выполнения. Моделирование плотности наблюдений выполнялось двумя путями. Сначала эмулировалась исключительно плотность наблюдений в данном квадрате в течение календарного месяца генерацией случайного времени их выполнения. Затем такая же процедура выполнялась с учетом точного времени производства наблюдений. Таким образом, мы оценили случайную погрешность репрезентативности и, так называемую, полную ошибку репрезентативности. Их разность, в общем случае, дает оценку погрешности «хорошей погоды», связанной с общей тенденцией мореплавателей использовать благоприятные курсы. Выполненная оценка ошибок репрезентативности позволила впервые провести достоверное сравнение модельных результатов и судовых наблюдений над волнами.

Далее в работе проводится сравнение нашей климатологии волновых параметров с уже существующими региональными климатологиями, основанными как на визуальных наблюдениях за поверхностными волнами [75,91,113,119], так и на альтернативных источниках данных. При сравнении нашей климатологии с массивом глобальных спутниковых наблюдений за период 1988;2001 годов [159] мы использовали тождественное временное покрытие только для полей значимых высот волн (поскольку данные альтиметрии предоставляют суммарные аномалии морской поверхности) за те же годы. Следует отметить, что спутниковые данные о ветровом волнении также имеют ошибку репрезентативности. Типичное количество пролетов спутника над 2-градусным квадратом составляет в месяц от 7−12 в высоких широтах до 11−20 в тропиках и экваториальных широтах. Однако, спутниковые данные свободны от погрешности «хорошей погоды», и эта ошибка носит случайный характер.

В пятой главе на основании построенной информационной базы визуальных волновых наблюдений мы оценили основные характеристики изменчивости ветрового волнения на поверхности Мирового океана и междекадные тенденции в экстремальных характеристиках ветрового волнения. Для оценки долгопериодной и междекадной изменчивости был выбран период с 1885 по 2002 годы. До середины XX века данные о ветровых волнах с достаточной частотой наблюдений доступны только вдоль основных траекторий движения судов. Однако и они характеризуются временной неоднородностью плотности наблюдений, существенно возрастающей в последние десятилетия. Для достоверного анализа вековой изменчивости автором была предложена процедура гомогенизации данных наблюдений. Учитывая то, что до 1950 года визуальные наблюдения включают только максимальную из двух компонентов волнения (ветровые волны и зыбь), мы пересчитали оценки значимых высот волн для последних десятилетий, что добиться сопоставимости данных. По однородным рядам наблюдений были выполнены оценки линейных трендов в высотах значимых волн за период с 1885 по 2002 годы. Оценка значимости линейных трендов осуществлялась в соответствии с критериями Стыодента и Вилкоксона. Нулевая гипотеза (отсутствие тренда) отвергалась в случае удовлетворения обоим критериям на 95% уровне значимости. После этого дополнительно линейные тренды оценивались критерием Hayashi [84], позволяющим получать доверительные интервалы для оценок тренда и иногда отвергать их даже при формальном удовлетворении традиционным статистическим критериям.

Для периода с 1958 по 2002 год плотность наблюдений позволяет рассчитать линейные тренды для четырехградусных квадратов. Анализ их значимости выполнялся точно так же, как и для столетних трендов.

Зимняя изменчивость характеристик ветрового волнения в Атлантике была связана с индексом Северо-Атлантического колебания. Мы обнаружили высокую корреляцию с индексом САК (более 0.7), подтверждающую в целом управляющую роль среднеширотпой атмосферной динамики в изменчивости волновых характеристик. Для Тихого океана прослеживается статистически значимая связь высот ветровых волн в средних широтах с индексом Южного колебания. Таким образом, автором впервые были получены достоверные оценки вековой и междекадной изменчивости характеристик ветрового волнения на поверхности Мирового океана.

Следующим этапом работы стало исследование межгодовой короткопериодной изменчивости характеристик ветровых воли и зыби за последние 45 лет для океанов Северного полушария. Более качественные данные за этот период позволили исследовать сезонность в трендовых изменениях. Картины многолетних линейных сезонных трендов для ветровых волн и зыби значимо различны в Северной Атлантике и более однородны в Тихом океане. Линейные тренды в полях зыби достаточно устойчивы в течение года, меняя лишь свою магнитуду, но не знак, и сохраняя уровень статистической значимости. В то же время, тренды в полях ветровых воли характеризуются существенной сезонностью, меняя в весенний и летний сезоны свой знак. Анализ коротокопериодной межгодовой изменчивости был выполнен на основе полей характеристик ветровых волн и зыби после удаления линейных трендов. Методология анализа основывалась на разложении аномалий полей по естественным ортогональным функциям (ЭОФ), что позволило выделить ведущие моды изменчивости в полях ветровых волн и зыби. Первые ЭОФ для ветровых волн и зыби существенно различаются в северной части.

Атлантического океана. Так, максимум изменчивости ветровых волн обнаруживается в среднеширотной центральной Атлантике, в то время как максимум изменчивости зыби заметно смещен на восток. Главные компоненты ветровых волн и зыби в Атлантике не обнаруживают высокой корреляции друг с другом. По отношению к индексу САК высоты ветровых волн и зыби показывают существенно различную корреляцию в период до 1980 года и в последние 20 лет после изменения режима САК. Это дало основания для увязывания изменчивости ветровых воли с характеристиками локального ветра, а высот зыби — с интенсивностью циклогенеза в Северной Атлантике и северной части Тихого океана. Выполненный линейный статистический анализ позволил придти к выводу, что скалярная сила ветра является доминирующим фактором изменчивости ветровых воли, а количество глубоких циклопов определяет межгодовую изменчивость высот волн зыби. Результирующая изменчивость значимых высот волн, по крайней мере, в Северной Атлантике, в большей степени зависит от вклада колебаний высот зыби, т. е. от циклонической активности. Таким образом, на основе визуальных наблюдений нами впервые была проанализирована раздельная изменчивость различных компонентов ветрового волнения, что крайне затруднительно по данным модельных анализов, главным образом исследующих значимые высоты волн. Независимые оценки различных волновых компонентов в данных попутных наблюдений позволили существенно продвинуться в понимании климатической динамики волновых полей.

В заключительной части этой главы приведены оценки экстремальных высот ветровых волн в Северной Атлантике и северной части Тихого океана, и проанализирована их изменчивость. Эта работа имеет прикладную направленность, поскольку оценка экстремальных значений волнения крайне важна для безопасности судоходства и морских операций. Мы получили возвратные значения ветровых волн, возможные раз в сто лет, двумя способами: методом «распределения начального ансамбля» и методом критических значений". Следует заметить, что в работе впервые использован метод критических значений для нерегулярно наблюденных во времени данных. Его адаптация основана на оригинальном алгоритме выделения штормовых пиков. Для десятилетних периодов 1970;х, 1980;х и 1990;х годов нами были выполнены оценки изменчивости экстремальных высот волн. Эти результаты важны для определения устойчивости экстремальных оценок и их надежности при практическом использовании. Междекадные колебания экстремальных высот волн могут составлять до 2−3 метров и имеют максимальные магнитуды в северной части Атлантического океана.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. Они включают разработку методологии анализа попутных наблюдений над ветровыми волнами, построение Глобальной климатологии ветрового волнения Мирового океана за период 1958 — 2002 гг. и создание глобального массива основных волновых статистик за все время существования попутных судовых наблюдений, оценки всех основных ошибок и неопределенностей в полях ветровых волн в Мировом океане, основанных па попутных наблюдениях, анализ климатической изменчивости характеристик ветровых волн и зыби в Мировом океане, обоснование механизмов, управляющих этой изменчивостью и оценки экстремальных высот ветрового волнения на акватории Мирового океана.

В ходе работы нами было создано около 10 компьютерных информационных приложений для интерактивиого анализа ветрового волнения современными средствами визуализации и обработки информации. На основе этих приложений был создан Атлас глобальных характеристик ветрового волнения. В Приложении к работе представлена CD-версия компьютерного Атласа основных характеристик ветрового волнения на поверхности Мирового океана.

Представляемая работа является первым опытом глобального анализа ветрового волнения на поверхности Мирового океана, выполненного по всем существующим на сегодняшний день данным визуальных наблюдений — более миллиарда записей. Созданная автором методология обработки и анализа волновых наблюдений позволяет быстро и эффективно ассимилировать поступающую новую информацию, уточняя созданную климатологию волненияколичественно оценивать точность, как индивидуальных наблюдений, так и климатических полей характеристик ветровых волн. Построенная в работе климатология представляет основу для использования в научных исследованиях (анализ климатической изменчивости) и на практике (режимно-статистические характеристики). Полученные оценки климатической изменчивости ветровых волн и экстремальных характеристик ветрового волнения позволяют делать выводы об изменениях штормовой активности в Мировом океане и уточнять сценарии будущих климатических изменений.

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Разработана, обоснована и алгоритмизирована детальная методология анализа попутных наблюдений над ветровыми волнами, включающая предварительный контроль качества, коррекцию ошибок, связанных с системой кодирования и наблюдательной практикой, а также оценки случайных и систематических ошибок.

2. Впервые на основе данных попутных судовых наблюдений построена Глобальная климатология ветрового волнения Мирового океана за период 1958 — 2002 гг. и создан глобальный массив основных волновых статистик за все время существования попутных судовых наблюдений. Создан также сетевой компьютерный Атлас основных характеристик ветрового волнения на поверхности Мирового океана, включающий все данные, доступные в цифровом виде. Атлас размещен в интернете по адресу www.sail.msk.ru/atlas/index.htm и свободно распространяется на CD для персонального использования.

3. Выполнены оценки всех основных ошибок и неопределенностей в полях ветровых волн в Мировом океане, основанных на попутных наблюдениях. Оценки случайных ошибок наблюдения для всех характеристик волнения не превышают 10−20% от среднемесячных значений практически по всей акватории Мирового Океана, что позволяет уверенно использовать созданную климатологию, по крайней мере, к северу от 40° Южной широты. Ошибки наблюдения, связанные с неадекватной репрезентативностью, максимальны на акватории Южного океана, где климатические оценки высот волн могут быть занижены на 1−1.5 метра из-за низкой плотности наблюдений.

4. На основе созданной долговременной климатологии проанализирована изменчивость характеристик ветровых волн и зыби в Северном полушарии. Обнаружен существенный рост значимых высот волн в северной части Тихого океана за период последнего столетия (до 8−10 см в десятилетие) и отсутствие значимых положительных трендов в Атлантике. При этом последние 45 лет характеризуются систематическим возрастанием высот волн, как в Атлантике, так и в Тихом океане (до 14 см в десятилетие).

5. Проведен раздельный анализ механизмов климатической изменчивости ветровых волн и зыби в океанах Северного полушария. Области максимальной изменчивости высот ветровых волн и зыби и их межгодовая динамика существенно отличаются. Изменчивость ветровых воли преимущественно управляется межгодовой динамикой ветра, тогда как главным механизмом изменчивости зыби является динамика атмосферных синоптических образований.

6. Впервые па основе попутных наблюдений оценены экстремальные высоты ветровых волн в океанах Северного полушария и исследована их междекадная динамика. Максимальные столетние возвратные величины волн составляют более 24 м в северной Атлантике и около 22 метров в северной части Тихого океана. Междекадные колебания оценок экстремальных высот волн могут составлять до 3 метров.

Дальнейшее развитие нашей работы предполагает детальный анализ и минимизацию ошибок, связанных с методами наблюдений, усовершенствование точности визуальных наблюдений за волнами на основе объединенного рассмотрения параметров волны и ветра с использованием различных двумерных распределений плотности вероятности этих характеристик. Одним из направлений работы будет также создание нового поколения глобальных статистик параметров волнения. Используемые в настоящее время «Global Wave Statistics» [89] базируются на ограниченном количестве наблюдений и могут быть значительно расширены и улучшены при помощи настоящей климатологии. Наконец, мы уже работаем над построением новой климатологии касательного напряжения ветра на поверхности океана, которая будет учитывать взаимодействие полей ветра и волн за счет нормальных напряжений и позволит оценить дополнительный поток импульса в океане, модулируемый ветровыми волнами.

Заключение

Основные выводы работы.

Нами выполнено всеобъемлющее исследование климатологии и динамики характеристик ветрового волнения на поверхности Мирового океана на основе данных попутных судовых наблюдений. В сопоставлении с мировым уровнем в исследовании изменчивости ветрового волнения наша работа учитывает все основные достижения и существенно превосходит существующие исследования, как методически, так и результативно. Во-первых, в работе использован уникальный фактический материалболее чем столетний массив наблюдений за волнами, не имеющий аналогов в мире. Во-вторых, впервые проведен раздельный анализ климатической изменчивости ветровых волн и зыби, и выявлены разные механизмы, управляющие изменчивостью двух компонентов ветрового волнения. Наконец, впервые выполнен анализ долгопериодной изменчивости значимых высот волн за более чем столетний период, и получены уникальные данные о характере вековых тенденций в состоянии поверхности океана. Совокупность этих результатов существенно превосходит выполненные ранее работы по степени использования данных, примененным методикам и объему.