Shamol to'lqinlari modeli - Wind wave model

NOAA WAVEWATCH III (R) Shimoliy Atlantika uchun 120 soatlik prognoz
Ushbu mavzuni kengroq yoritish uchun qarang Shamol to'lqinlari.

Yilda suyuqlik dinamikasi, shamol to'lqinlarini modellashtirish tasvirlash uchun qilingan sa'y-harakatlarni tasvirlaydi dengiz davlati va evolyutsiyasini bashorat qilish energiya shamol to'lqinlaridan foydalanadi raqamli texnikalar. Ushbu simulyatsiyalar atmosfera shamolini majburlash, to'lqinlarning o'zaro ta'sirlashishi va ishqalanish tarqalishini hisobga oladi va ular chiqadi statistika tasvirlash to'lqin balandliklari, davrlar va mintaqaviy dengizlar yoki global okeanlar uchun tarqalish yo'nalishlari. Bunday to'lqin hindcasts va to'lqin prognozlar ochiq dengizdagi tijorat manfaatlari uchun juda muhimdir.[1] Masalan, transport sanoati operativ rejalashtirish va taktik uchun ko'rsatma talab qiladi dengizga kirish maqsadlar.[1]

Okeandagi shamol to'lqinlari statistikasini taxmin qilishning o'ziga xos holati uchun atama okean sathining to'lqin modeli ishlatilgan.

Boshqa dasturlar, xususan qirg'oq muhandisligi, qirg'oq bo'yidagi ilovalar uchun maxsus ishlab chiqilgan shamol to'lqinlari modellarining rivojlanishiga olib keldi.

Tarixiy obzor

Ning erta prognozlari dengiz davlati asosida qo'lda yaratilgan empirik dengizning hozirgi holati, kutilayotgan shamol sharoitlari, olish / davomiyligi va to'lqin tarqalishi yo'nalishi o'rtasidagi munosabatlar.[2] Shu bilan bir qatorda shishiradi uzoqdan kuzatuvlar yordamida shtatning bir qismi 1920 yildayoq bashorat qilingan.[3]

1950-60 yillarda to'lqin evolyutsiyasini raqamli tavsiflash uchun zarur bo'lgan nazariy asoslarning ko'p qismi yaratildi. Bashorat qilish maqsadida, dengiz holatining tasodifiy tabiati spektral parchalanish bilan eng yaxshi tavsiflanganligi aniqlandi, bu erda to'lqinlarning energiyasi har birining o'ziga xos yo'nalishi va davriga ega bo'lgan miqdordagi to'lqinli poezdlarga tegishli edi. Ushbu yondashuv prognozlarni birlashtirishga imkon berdi shamol dengizlari va shishiradi. Dengiz holatining spektral parchalanishiga asoslangan birinchi raqamli model 1956 yilda Frantsiya ob-havo xizmati tomonidan boshqarilgan va Shimoliy Atlantika tomon yo'naltirilgan.[4] 1970-yillarda birinchi operatsion, yarim sharik to'lqin modeli paydo bo'ldi: spektral to'lqinli okean modeli (SWOM) Filo Raqamli Okeanografiya Markazi.[5]

Birinchi avlod to'lqin modellari chiziqli bo'lmagan to'lqinlarning o'zaro ta'sirini hisobga olmadilar. 1980-yillarning boshlarida mavjud bo'lgan ikkinchi avlod modellari ushbu o'zaro ta'sirlarni parametrlashtirdi. Ular tarkibiga "bog'langan gibrid" va "bog'langan diskret" formulalar kiritilgan.[6] Uchinchi avlod modellari dengiz holatini rivojlantirish uchun zarur bo'lgan barcha fizikani ikki o'lchovda aniq ifodalaydi. Xalqaro sa'y-harakatlarni to'lqinli modellashtirish loyihasi (WAM) 1984-1994 yillar davomida zamonaviy to'lqinlarni modellashtirish texnikasini takomillashtirishga olib keldi.[7]Yaxshilashga shamol va to'lqinlar o'rtasida ikki tomonlama bog'lanish, sun'iy yo'ldosh to'lqinlari ma'lumotlarini assimilyatsiya qilish va o'rta masofada operatsion prognoz qilish kiradi.

Shamol to'lqinlari modellari prognozlash yoki xindkasting tizimi sharoitida qo'llaniladi. Model natijalaridagi farqlar (ahamiyati kamayib borishi bilan) quyidagilardan kelib chiqadi: shamol va dengiz muzining majburlashidagi farqlar, fizik jarayonlarning parametrlanishidagi farqlar, foydalanish ma'lumotlar assimilyatsiyasi va unga bog'liq bo'lgan usullar va to'lqinli energiya evolyutsiyasi tenglamasini echishda ishlatiladigan raqamli usullar.

Umumiy strategiya

Kiritish

To'lqin modeli dastlabki holat sifatida dengiz holatini tavsiflovchi ma'lumotlarni talab qiladi. Dengiz yoki okeanni tahlil qilish ma'lumotlarni assimilyatsiya qilish yo'li bilan yaratilishi mumkin, bu erda shamchiroq yoki sun'iy yo'ldosh altimetrini o'lchash kabi kuzatishlar avvalgi prognoz yoki iqlimshunoslik fon taxminlari bilan birlashib, davom etayotgan sharoitlarni eng yaxshi baholash uchun yaratiladi. Amalda ko'pgina prognozlash tizimlari kuzatishlarni assimilyatsiya qilmasdan faqat oldingi prognozga tayanadi.[8]

Shamol maydonlari tomonidan "majburlash" muhimroq: shamol tezligi va yo'nalishlari bo'yicha vaqt o'zgaruvchan xarita. To'lqin modeli natijalarida eng ko'p uchraydigan xato manbalari shamol maydonidagi xatolardir. Okean oqimlari shuningdek, G'arbiy oqim, Kuroshio yoki Agulxas oqimi kabi g'arbiy chegara oqimlarida yoki dengiz oqimlari kuchli bo'lgan qirg'oq mintaqalarida ham muhim bo'lishi mumkin. To'lqinlarga dengiz muzlari va aysberglari ham ta'sir qiladi va barcha operatsion global to'lqin modellari hech bo'lmaganda dengiz muzlarini hisobga oladi.

Ushbu raqamlar oqimlarning to'lqin balandliklariga ta'siriga misol keltiradi. Ushbu misol Journal of Physical Oceanography jurnalida (42-jild, 2012 yil dekabr) chop etilgan ilmiy maqoladan olingan. Yuqori panellarda Fransiyaning g'arbiy qirg'og'ida, materikdan 20 km uzoqlikda joylashgan Oessant oroli atrofida, 2008 yil 28 oktyabrda soat 3 da va 11 da to'lqin oqimlari ko'rsatilgan. Pastki panelda o'zgaruvchan piksellar soniga ega uchburchak to'r yordamida WAVEWATCH III (R) raqamli modeli bilan hisoblangan to'lqinlarning balandliklari va yo'nalishlari ko'rsatilgan. Oessantning janubidagi kuchli oqimlar to'lqinlarni past to'lqinda o'lchash shamshiridan uzoqlashtiradi.

Vakillik

Dengiz holati a spektr; dengiz yuzasi har xil to'lqinlarga ajralishi mumkin chastotalar printsipidan foydalangan holda superpozitsiya. To'lqinlar tarqalish yo'nalishi bilan ham ajralib turadi. Model domenining hajmi mintaqadan global okeangacha bo'lishi mumkin. Kichikroq domenlar qiziqish doirasidagi yuqori aniqlikni ta'minlash uchun global domenga joylashtirilishi mumkin. Dengiz holati fizikaviy tenglamalar bo'yicha rivojlanadi - ning saqlanishining spektral tasviriga asoslangan to'lqin harakati - quyidagilarni o'z ichiga oladi: to'lqinlarning tarqalishi / advection, sinish (batimetriya va oqimlar bo'yicha), shoaling va to'lqin energiyasini ko'paytirish yoki kamaytirishga imkon beruvchi manba funktsiyasi. Resurs funktsiyasi kamida uchta shartni o'z ichiga oladi: shamolni majburlash, chiziqli bo'lmagan uzatish va oqartirish orqali tarqatish.[6] Shamol haqida ma'lumot odatda operatsion ob-havo prognozi markazidan alohida atmosfera modelidan keltiriladi.

Suvning oraliq chuqurliklari uchun pastki ishqalanish effekti ham qo'shilishi kerak.[9] Okean miqyosida shishlarning tarqalishi - buzilmasdan - juda muhim atama.[10]

Chiqish

Shamol to'lqinlari modelining chiqishi har bir chastota va tarqalish yo'nalishi bilan bog'liq bo'lgan amplitudalar bilan to'lqin spektrlarining tavsifidir. Natijalar odatda tomonidan umumlashtiriladi muhim to'lqin balandligi, bu eng katta to'lqinlarning uchdan birining o'rtacha balandligi va dominant to'lqinning davri va tarqalish yo'nalishi.

Birlashtirilgan modellar

Shamol to'lqinlari atmosfera xususiyatlarini o'zgartirish uchun sirtga yaqin shamollar va issiqlik oqimlarining ishqalanish kuchi orqali ta'sir qiladi.[11] Ikki tomonlama bog'langan modellar to'lqin faolligini atmosferaga qaytarishga imkon beradi. The Evropaning o'rta masofali ob-havo prognozlari markazi Quyida tavsiflangan atmosfera-to'lqinlarni prognozlash tizimi (ECMWF) buni almashinuv orqali osonlashtiradi Charnock parametri boshqaradigan dengiz sathining pürüzlülüğü. Bu atmosfera sirt pürüzlülüğündeki o'zgarishlarga kabi javob berishga imkon beradi shamol dengizi hosil qiladi yoki parchalanadi.

Misollar

WAVEWATCH

Operatsion to'lqinlarni prognozlash tizimlari NOAA WAVEWATCH III (R) modeliga asoslangan.[12] Ushbu tizim taxminan 50 km aniqlikdagi global domenga ega, shimoliy yarim sharning okean havzalari uchun mintaqaviy domenlari taxminan 18 km va taxminan 7 km aniqlikda. Fizika to'lqin maydonining sinishini, nochiziqli rezonans o'zaro ta'sirlar, hal qilinmagan orollarning sub-grid tasvirlari va dinamik ravishda yangilangan muz qoplamasi. Shamol haqidagi ma'lumotlar GFS ob-havo modeli uchun GDAS ma'lumotlarini assimilyatsiya qilish tizimidan taqdim etiladi. 2008 yilgacha model to'lqinlar sayoz chuqurliklarga kuchli ta'sir o'tkazmaydigan, bemaqsad zonasidan tashqaridagi hududlar bilan cheklangan edi.[13]

Model o'zining dastlabki dizayni bilan to'lqinlarga oqimlarning ta'sirini o'z ichiga olishi mumkin Xendrik Tolman 1990-yillarda va endi qirg'oqqa yaqin ilovalar uchun kengaytirilgan.

WAM

WAM to'lqin modeli bu ikki o'lchovli birinchi uchinchi avlod prognostik to'lqin modeli deb nomlangan to'lqin spektri spektral shakldagi cheklovlarsiz erkin (kesilgan chastotaga qadar) evolyutsiyaga ruxsat berildi.[14] Model 1980-yillarning oxiridan boshlab dasturiy ta'minotning bir qator yangilanishlarini o'tkazdi.[15] So'nggi rasmiy versiyasi nemis tomonidan qo'llab-quvvatlanadigan Cycle 4.5 Helmholtz Zentrum, Geesthacht.[16]

ECMWF WAMni o'zining deterministik va ansamblni bashorat qilish tizimi.,[17] nomi bilan tanilgan Integratsiyalashgan prognozlash tizimi (IFS). Hozirgi vaqtda model 36 ta chastota qutisi va o'rtacha 25 km kenglikdagi 36 ta tarqalish yo'nalishini o'z ichiga oladi. Model 1998 yildan beri IFS ning atmosfera tarkibiy qismiga qo'shildi.[18][19]

Boshqa modellar

Shamol to'lqinlarining prognozlari mintaqaviy ravishda e'lon qilinadi Atrof-muhit Kanada.[20]

Mintaqaviy to'lqin prognozlari, shuningdek, kabi universitetlar tomonidan ishlab chiqariladi Texas A&M universiteti SWAN modelidan foydalanish (tomonidan ishlab chiqilgan Delft Texnologiya Universiteti ) Meksika ko'rfazidagi to'lqinlarni prognoz qilish.[21]

Boshqa bir CCHE2D-COAST modeli bu turli qirg'oqlarda qirg'oqdagi jarayonlarni simsiz ravishda murakkab qirg'oqlar bilan, masalan, dengizdan quruqlikka notekis to'lqin deformatsiyasi, radiatsion stresslar, to'lqinlarni o'rnatish, to'lqinlar to'plamidan kelib chiqadigan yaqin oqimlar kabi simulyatsiya qilishga qodir. - pastga, cho'kindi tashish va dengiz tubining morfologik o'zgarishi.[22]

Shamol to'lqinlarining boshqa modellariga quyidagilar kiradi AQSh dengiz kuchlari Sörfning standart modeli (NSSM).[23]

Tasdiqlash

To'lqinli model prognozlarini kuzatuvlar bilan taqqoslash modeldagi kamchiliklarni tavsiflash va takomillashtirish yo'nalishlarini aniqlash uchun juda muhimdir. Joyida kuzatuvlar shamalar, kemalar va neft platformalaridan olinadi. Altimetriya kabi yo'ldoshlardan olingan ma'lumotlar GEOSAT va TOPEX, shuningdek, shamol to'lqinlarining xususiyatlarini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.

Ekstremal sharoitlarda to'lqin modellarining hindkastlari, shuningdek, modellar uchun foydali sinov to'shagi bo'lib xizmat qiladi.[24]

Qayta tahlil

Retrospektiv tahlil yoki reanaliz mavjud bo'lgan barcha kuzatuvlarni fizik model bilan birlashtirib, tizimning o'nlab yillar davomida holatini tavsiflaydi. Shamol to'lqinlari NCEPni qayta tahlil qilishning ikkala qismidir[25] va ERA-40 ECMWF tomonidan.[26] Bunday manbalar oylik to'lqinli iqlim sharoitlarini yaratishga imkon beradi va yillik va ko'p dekadalik vaqt o'lchovlarida to'lqin faolligining o'zgarishini kuzatishi mumkin. Shimoliy yarim sharda qish paytida eng kuchli to'lqin faolligi Aleutiyaliklarning janubiy shimoliy Tinch okeanida va Islandiyaning janubiy shimoliy Atlantika qismida joylashgan. Janubiy yarimsharda qish paytida kuchli to'lqin faolligi qutbni 50 ° S atrofida aylanib chiqadi, hind okeanining janubida odatiy bo'lgan 5 m to'lqin balandligi bilan.[26]

Adabiyotlar

  1. ^ a b Koks, Endryu T. va Vinsent J. Kardone (2002). "Oceanweather-da 20 yillik operatsion prognoz" (PDF). To'lqinlarni radioeshittirish va bashorat qilish bo'yicha 7-xalqaro seminar, 2002 yil 21-25 oktyabr, Banff, Alberta, Kanada. Olingan 2008-11-21.
  2. ^ Wittmann, Pol va Mayk Klansi, "Filo Raqamli Meteorologiya va Okeanografiya Markazida O'ttiz yillik operatsion okean to'lqinlarini prognoz qilish", Operatsion raqamli ob-havo bashoratining 50 yilligiga bag'ishlangan simpozium, 2004 yil 14-17 iyun, Merilend universiteti
  3. ^ Robert Montagne, Marokashda shishlarni prognoz qilish xizmati (frantsuz tilida), 1922, Annales Hydrographiques, 157-186 betlar. Ushbu maqolada Gain tomonidan shu jurnalda chop etilgan (1918) Shimoliy Atlantika bo'ronlari tasnifini Azor va Portugaliyadagi kuzatuvlardan foydalangan holda Marokashdagi shishlarni bashorat qilishdan foydalanilganligi tasvirlangan.
  4. ^ Gelci, R., H. Cazalé, J. Vassal (1957) Dengiz holatini bashorat qilish. Spektral usul (frantsuz tilida), Axborot byulleteni d'information information on Comité d'Océanographie et d'Etude des Côtes, Vol. 9 (1957), 416-435 betlar.
  5. ^ "To'lqinlarni modellashtirish", Oceanweather Inc
  6. ^ a b Komen, Gerbrand, "To'lqinlarni modellashtirish guruhi, tarixiy istiqbol"
  7. ^ G.J. Komen, L. Kavaleri, M. Donelan, K. Xasselmann, S. Xasselmann va P.A.E.M. Janssen, 1994. Okean to'lqinlarining dinamikasi va modellashtirish. Kembrij universiteti matbuoti, 532s.
  8. ^ http://polar.ncep.noaa.gov/mmab/papers/tn276/MMAB_276.pdf
  9. ^ Arxuin, F.; O'Reilly, W. C .; Herbers, T. H. C.; Jessen, P. F. (2003). "Kontinental shelf bo'ylab shishgan o'zgarish. I qism: susayish va yo'nalishni kengaytirish". J. Fiz. Okeanogr. 33 (9): 1921–1939. Bibcode:2003 yil JPO .... 33.1921A. doi:10.1175 / 1520-0485 (2003) 033 <1921: statcs> 2.0.co; 2.
  10. ^ Arxuin, F.; Chapron, B .; Collard, F. (2009). "Okeanlar bo'ylab shish tarqalishini kuzatish". Geofiz. Res. Lett. 36 (6): L06607. arXiv:0809.2497. Bibcode:2009GeoRL..36.6607A. doi:10.1029 / 2008GL037030.
  11. ^ Bender, L.C. (1996). "Uchinchi avlod okean to'lqinlari modelida fizika va raqamlarni o'zgartirish". Atmosfera va okean texnologiyalari jurnali. 13 (3): 726–750. Bibcode:1996JAtOT..13..726B. doi:10.1175 / 1520-0426 (1996) 013 <0726: motpan> 2.0.co; 2.
  12. ^ Tolman, H. L., "WAVEWATCH III Model tavsifi"
  13. ^ Tolman, 2002g: WAVEWATCH-III 2.22 versiyasining foydalanuvchi qo'llanmasi va tizim hujjatlari. NOAA / NWS / NCEP / MMAB Texnik eslatma 222, 133 bet.
  14. ^ Komen, GJ va Kavaleri, L. va Donelan, M. va Xasselmann, K. va Xasselmann, S. va Yanssen, P. va boshq., 1994: "Okean to'lqinlarining dinamikasi va modellashtirish", Kembrij, 534 bet
  15. ^ Xasselmann, S; Xasselmann, K; Yanssen, P A E M; va boshq. (1988). "WAM modeli - uchinchi avlod okean to'lqinlarini bashorat qilish modeli". Jismoniy Okeanografiya jurnali. 18 (12): 1775–1810. Bibcode:1988 yil JPO .... 18.1775 Vt. doi:10.1175 / 1520-0485 (1988) 018 <1775: twmtgo> 2.0.co; 2.
  16. ^ "Arxivlangan nusxa". Arxivlandi asl nusxasi 2013-08-23. Olingan 2012-03-22.CS1 maint: nom sifatida arxivlangan nusxa (havola)
  17. ^ "Okean to'lqinlarining modeli" Arxivlandi 2008-06-03 da Orqaga qaytish mashinasi, Evropaning o'rta masofadagi ob-havo prognozlari markazi
  18. ^ Janssen, P. A. E. M., J. D. Doyl, J. Bidlot, B. Xansen, L. Isaksen va P. Viterbo, 2002: "Okean to'lqinlarining atmosferaga ta'siri va teskari aloqasi", "Suyuqlar mexanikasining yutuqlari", "Atmosfera-okeanning o'zaro ta'siri", jild. Men, WITpress, Ed. V. Perri., 155-197 betlar
  19. ^ Janssen, P. A. E. M., 2004: Okean to'lqinlari va shamolning o'zaro ta'siri, Kembrij, 300 bet
  20. ^ "Operatsion model bashoratlari", Kanada atrof-muhit
  21. ^ "Surf Up: Professor ulkan to'lqinlarni bashorat qilish uchun modellardan foydalanmoqda", ScienceDaily, 2005 yil 23 fevral
  22. ^ "Arxivlangan nusxa". Arxivlandi asl nusxasi 2016-03-04 da. Olingan 2015-06-01.CS1 maint: nom sifatida arxivlangan nusxa (havola)
  23. ^ "Dengiz kuchlari uchun standart sörf modeli uchun tasdiqlash sinovlari to'g'risida hisobot", AQSh dengiz tadqiqot laboratoriyasi
  24. ^ Kardone, V .; Jensen, R .; Resio, D .; Salyangoz, V .; Koks, A. (1996). "Noyob ekstremal hodisalarda zamonaviy okean to'lqinlari modellarini baholash: 1991 yil oktyabrdagi" Xellouin bo'roni "va 1993 yil martdagi" Asr bo'roni "". J. Atmos. Okean Technol. 13 (1): 198–230. Bibcode:1996JAtOT..13..198C. doi:10.1175 / 1520-0426 (1996) 013 <0198: eocowm> 2.0.co; 2.
  25. ^ Cox, A., V. Cardone va V. Swail, "NCEP-NCAR reanalysis loyihasini dengiz yuzidagi shamol mahsulotlarini uzoq muddatli Shimoliy Atlantika to'lqinlari uchun baholash"
  26. ^ a b Caires, S., A. Sterl, G. Burgers va G. Komen, ERA-40, "Global atmosferani qirq yillik Evropa qayta tahlil qilish; Okean to'lqinlari mahsulotlarini tekshirish va tahlil qilish" Arxivlandi 2007-02-07 da Orqaga qaytish mashinasi