Технология оперативного прогноза волнения высокого разрешения (Мысленков Станислав)

Мысленков Станислав Александрович 

Технология оперативного прогноза волнения высокого разрешения, на примере Чёрного моря 

МГУ имени М.В.Ломоносова, Географический факультет, кафедра океанологии [email protected]

При участии Е.В. Столяровой и В.С. Архипкина

Разведка и подготовка к добыче нефти и газа на шельфе, строительство морских объектов делает востребованными точные региональные

прогнозы волнения для прибрежной зоны, портов и гаваней.

Лазаревское

Имеретинский порт

Имеретинский порт

Шторма на Черном море представляютбольшую потенциальную опасность

для различных объектов,расположенных в прибрежной зоне. Нередко шторма приносят реальные

разрушения…

Актуальность

Цели доклада:

Общая схема разработки диагноза и прогноза волнения

Создание неструктурной вычислительной сетки

Использование данных о ветре из реанализа и прогноза

Создание Batch скриптов

Визуализация прогнозов

Продукция – прогноз волнения высокого разрешения

Схема разработки системы диагноза и прогноза волнения

ВетерРеанализ

NCEP CFSR, JRA-25

ВетерПрогноз GFS,

Региональные модели

COSMO, WRF

SWANПосле

калибровки

Региональный прогноз

волнения

Сравнение с данными

наблюдений (буи, спутники)

БатиметрияНавигационные

карты

SWANНа

неструктурной сетке

Поля ветрового волненияДиагноз Оценка качества

прогноза волнения

Мировая практика

• В мире в последние годы для диагноза и прогноза волнения все чаще применяются региональные версии волновых моделей , с использованием данных мезомасштабных метеорологических моделей.

• Современные волновые модели: WAM, WaveWatch3, SWAN, STWAVE, CGWAVE и др.

• Реанализы полей ветра и давления: NCEP/NCAR, NCEP CFSR, ERA-Interim, JRA и др.

• Мезомасштабные прогнозы ветра и давления: GFS, Hirlam, WRF, Cosmo, Aladin и др.

STRATEGIES IN USING NUMERICAL WAVEMODELS IN OCEAN/COASTAL APPLICATIONSEugen Rusu //Journal of Marine Science and Technology, Vol. 19, No. 1, pp. 58-75 (2011)

В ФГБУ «Гидрометцентр России» в оперативном режиме работает технология прогноза ветрового волнения в Черном море с пространственным разрешением – 9 км, прогнозы ветра GFS.

ГОИН. Система оперативного диагнозаи прогноза гидрометеорологическихполей для Карского и Печорского морей. WRF И РАВМ.

Новизна работы определяется совместным использованием численных моделей SWAN и WRF на оригинальной неструктурной сетке, включающей все Черное море и выбранные прибрежные районы с высоким разрешением (до 200 м).

Неструктурная сетка для Черного моря

Сетка состоит из 15 000 узлов, шаг в нужных районах до 200-300 мПри использовании регулярной сетки с шагом 0.05° - 33 000 узлов.

Суперкомпьютер “Cray CX” МГУ М.В.Ломоносова, 24 ядра Intel Xeon, 2.9 GHz – расчет прогноза на 3 суток занимает 2 часа

Сетка

Получена мелкомасштабная нерегулярная расчетная сетка с минимальным разрешением 250 м

Инструментальные данные о волнении

Дистанционный измеритель волнения в Цемесской бухте, Шесхарис (глубина 22 м, ряд за 2010-11 год, высота значимых волн, дискретность 15 мин, точность 2-3 см)

Данные предоставил А. Пономарев(Гидрометеобюро Новороссийска)

5 км

Применение технологии для Голубой бухты (Геленджик)

6/26/11 6/27/11 6/28/11 6/29/11Date

0

1

2

3

4

Wav

e he

ight

, m

Measured significant wave heightMeasured maximum wave heightModeled significant wave height

Применение технологии для района Сочи

Софт для создания неструктурной сетки

Суперкомпьютер “Cray CX” МГУ М.В.Ломоносова

SMS (Surface Water Modelling System)

Нерегулярная сеткаЧерное море кол-во узлов 8443Разрешение в открытом море 10 км Цемесская бухта 200-300 м Вычислительный шаг 15 мин.

Работа в программе SMS Aquaveo

Метеорологическая информация

GFS - среднесрочный глобальный прогноз метеоусловий (72 часа, 0.25°, шаг 3 часа)

NCEP CFSR – глобальный реанализ (1979-2010 0.31°, 1 час), (2011-н/в 0.2°, 1 час)

Система оперативного прогноза• Исполняемые файлы системы расположены не сервере CRAY в МГУ

имени М.В.Ломоносова. • Ежедневно с сервера NOAA (ftp://nomads.ncdc.noaa.gov/GFS/)

происходит скачивание полей прогноза GFS на 72 часа с шагом 3 часа. • Помощи скриптов из глобальных полей GFS вырезается область

Черного моря.• Происходит конвертация полей GFS и формирование входного файла

для модели SWAN. • После формирования входного файла происходит запуск модели

SWAN. • После окончания расчетов модель выдает файлы содержащие

следующую информацию о волнении.• Далее при помощи скриптов в Surfer производится построение карт

распределения параметров волн для акватории Черного моря и для Цемесской бухты в увеличенном масштабе.

• Готовые прогнозы отправляются на е-майл.

Скрипт для запуска моделиДля автоматизации технологии прогноза написан batch скрипт для windows, позволяющий автоматически загружать поля, запускать модель SWAN, визуализировать данные.set dd=%date:~6,4%%date:~3,2%%date:~0,2%echo %dd% > date.txt4yest.exefor /f %%i in (dateY.txt) do set ddy=%%i echo %ddy%wget64.exe -a wget.log -O gfs.t12z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -t 100 http://www.ftp.ncep.noaa.gov/data/nccf/com/gfs/prod/gfs.%ddy%12/gfs.t12z.master.grbf00.10m.uv.grib2wget64.exe -a wget.log -O gfs.t00z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -t 100 http://www.ftp.ncep.noaa.gov/data/nccf/com/gfs/prod/gfs.%dd%00/gfs.t00z.master.grbf00.10m.uv.grib2wgrib2.exe gfs.t12z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -d 1.1 -lola 27:31:0.5 40:17:0.5 %ddy%_12_000U.txt textwgrib2.exe gfs.t12z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -d 1.2 -lola 27:31:0.5 40:17:0.5 %ddy%_12_000V.txt textwgrib2.exe gfs.t00z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -d 1.1 -lola 27:31:0.5 40:17:0.5 %dd%_000U.txt textwgrib2.exe gfs.t00z.master.grbf00.10m.uv.grib2 -d 1.2 -lola 27:31:0.5 40:17:0.5 %dd%_000V.txt text4input.exeswan_convert.exeswan.exerazdelenie.exescripter.exe -x Azov_karta_zoom003.basscripter.exe -x Black_karta_zoom003.basscripter.exe -x Kerch_karta_zoom003.basscripter.exe -x Total_karta_zoom003.bas

Скрипт для запуска визуализацииSub Main

Dim SurferApp As ObjectSet SurferApp = CreateObject("Surfer.Application")SurferApp.Visible = True

WorkDir="D:\Matlab\kerch\KerchForecastSystem\wave\"Dim Plot As ObjectSet Plot = SurferApp.Documents.AddInFile ="D:\Matlab\kerch\KerchForecastSystem\003.txt"OutFile = "D:\Matlab\kerch\KerchForecastSystem\wave\\" + "003"

LvlFile=WorkDir+"1.lvl"BlankFile1=WorkDir+"Setka_Total.bln"

xcol= 1ycol= 2zcol= 3

'Grids the specified data file using the Kriging algorithmSurferApp.GridData(DataFile:=InFile, xcol:=xcol,ycol:=ycol,zcol:=zcol, xMin:=27.440647,

xMax:=41.800105, yMin:=40.932543, yMax:=47.287045, Algorithm:=5, ShowReport:=False, OutGrid:=OutFile)……………………..

Dim Wks As ObjectSet Wks = SurferApp.Documents.Open("D:\gfs\Date.txt")

Dim Text As ObjectSet Text = Shapes.AddText(x:=2.0, y:=8.0, Text:="Significant wave height (m) forecast for 003 hours

from") Text.Font.Size = 12

Text.Font.Bold = True Set Text = Shapes.AddText(x:=6.4, y:=8.0, Text:=plotdoc1)

Text.Font.Size = 12Text.Font.Bold = True

Plot.Export(FileName:= WorkDir+"Total_wave_003.png", SelectionOnly:=False , Options:="Width=600, Height=375")

End Sub

На 66 часов

На 27 часов

Прогноз волнения для

акватории Азово-

Черноморского бассейна

Прогноз волнения для акватории Азово-Черноморского бассейна

Прогноз волнения для

акватории Керченского

пролива

На 27 часов

На 66 часов

Прогноз волнения в Керченском проливе от 30.01.2015 на 72 часа

Отправка продукции потребителю• rem *** Путь к программе blat.exe ***• set file_blat=blat.exe• rem *** Путь к файлу с текстом сообщения ***• set file_text=date.txt• rem *** Путь к файлу для сохранения лога ***• set file_log=log.txt

• rem *** Данные отправителя ***• set from_server=127.0.0.1 (stunnel.exe)• set from_port=587• set [email protected]• set [email protected]• set from_pass=BlackSea• set to_subject="Azov, Black Sea and Kerch wave forecast“

• %file_blat% %file_text% -attach kerch_wave_forecast_%dd%.zip -server %from_server%:%from_port% -f %from_mail% -u %from_name% -pw %from_pass% -to [email protected] -s %to_subject% -log %file_log%

Список опубликованных работ

1. Система регионального прогноза ветрового волнения в Цемесской бухте Черного моря Мысленков С.А., Архипкин В.С. // Труды государственного океанографического института, 2014, том 215, с. 117-125

2. Анализ ветрового волнения в Цемесской бухте Черного с использованием модели SWAN Мысленков С.А., Архипкин В.С. //Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации, 2013,№ 350, с. 58-67

3. Система мониторинга ветрового волнения в прибрежной зоне черного моря на основе радиолокации, прямых наблюдений и моделирования: первые результаты Ивонин Д.В., Мысленков С.А., Чернышов П.В., Архипкин В.С., Телегин В.А., Куклев С.Б., Чернышова А.Ю.,Пономарев А.Ю., Халиков

З.А. Проблемы региональной экологии, 2013, № 4, с. 172-182

4. Прогноз ветрового волнения высокого пространственного разрешения в Керченском проливе Столярова Е.В., Мысленков С.А.

в журнале Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации, № 354, с. 24-35

Спасибо за внимание!

Изм

ерен

ия, м

Изм

ерен

ия, м

Изм

ерен

ия, м

Геленджик Хопа Синоп

Оценка качества диагностической версии на глубокой водеСравнение результатов моделирования с инструментальными данными

Шаг по времени 15 мин, длина ряда около 1 года. SWAN+CFSR.

Кол-во значений Геленджик 1649

Хопа

3121Синоп

2412Корреляция 0.89 0.84 0.87

Систематическая ошибка, м 0.05 0.01 0.03Средняя квадратическая ошибка, м 0.38 0.28 0.25

Коэффициент рассеяния 0.38 0.49 0.31

Модель, м Модель, м Модель, м

Сравнение с РАВМ

(Кабатченко И.М., Резников М.В. Моделирование морского ветрового волнения, методы и аспекты прикладного применения, Труды ГОИН, 2011, Т.213)

Средняя высота волн, м

SWANИзмерения

РАВМ

29

Здесь хотелось бы ещё что-то по SWAN дать с лазерным уровнемером

Сравнение высоты волны по модели с данными волномера февраль 2010

Swh – высота значительных волн, м

Сравнение высоты волн по модели с данными волномераноябрь-декабрь 2011

Swh –высота значительных волн, м

31

Сравнение высоты волны по модели с данными волномераиюль 2010

Swh – высота значительных волн, м

Статистические оценки качества моделирования волнения с ветром CFSR на мелкой воде

2010 2011Месяц Корр. Сист.

Ошибка, м

Ср.Кв. Ошибка, м

Корр. Сист. Ошибка, м

Ср.Кв. Ошибка, м

январь 0,78 -0,06 0,38 0,81 -0,12 0,26февраль 0,85 0,09 0,43 0,92 -0,19 0,30март 0,71 -0,17 0,31 0,91 -0,12 0,20апрель 0,54 -0,15 0,25 0,87 -0,17 0,31май 0,35 -0,15 0,23 0,26 -0,18 0,24июнь 0,53 -0,23 0,30 0,78 -0,28 0,32июль 0,51 -0,29 0,33 0,41 -0,31 0,34август 0,30 -0,28 0,31 0,44 -0,28 0,31сентябрь 0,60 -0,17 0,22 0,51 -0,22 0,24октябрь 0,72 -0,10 0,22 0,73 -0,13 0,21ноябрь 0,89 -0,04 0,27 0,80 -0,17 0,22декабрь 0,77 0,08 0,40 0,74 -0,01 0,30Среднее 0,79 -0,12 0,31 0,81 -0,19 0,27Среднее (период май-сентябрь исключен)

0,81 -0,04 0,34 0,83 -0,12 0,26

2011

2010

Распределение систематической ошибки

Использование ветра WRF в диагностических расчетах

Диагноз значительной высоты волн по данным измерений и по результатам моделирования с использованием ветра WRF и CFSR

за период 7-23 декабря 2010 г

Прогноз на 3-72 часа высоты значительных волн по результатам моделирования с использованием форсинга WRF (А) и GFS (Б) за период 16-31 марта 2012 г.

Использование ветра WRF и GFS в прогностических расчетах

А

Б

Высота значительных волн в Черном море и Керченском проливе 11 ноября 2007