Parametrii valurilor mixte din Marea Neagră pe baza modelării numerice

Obiectivul principal al acestei cercetări este de a estima particularitățile climatice ale distribuției valurilor eoliene și a valurilor „bombate” din Marea Neagră. Metoda cercetărilor noastre este modelarea numerică. Am ajustat modelul spectral al valurilor DHI MIKE 21 SW pentru separarea automată ale componentelor valurilor de suprafață. Noi am estimat particularitățile distribuției spațiale a puterii valurilor eoliene și ale valurilor „bombate” din bazinul Mării Negre în ultimii 10 ani (2007-2016). Am determinat regiunile de dominație ale valurilor eoliene, precum și ale valurilor „bombate” (swell = valuri bombate/umflate care au suficientă energie pentru a călători mult dincolo de locul de origine).

1. Introducere

1.1 Informații generale

Două componente principale pot fi distinse în structura valurilor de suprafață: valurile eoliene și valurile bombate. Dezvoltarea valurilor eoliene este imediat legată de câmpul eolian local. Valurile bombate sunt legate direct de propagarea mult dincolo de zona de producere sau viteza fazei acestor valuri depășește viteza vântului. În câmp oceanic deschis, valuri „bombate” se pot propaga sute sau chiar mii de kilometri. Caracteristicile valurilor bombate din Marea Neagră sunt limitate de mărimea geografică și închiderea bazinului mării.

De obicei, caracteristicile câmpului valurilor sunt reprezentate ca un set de parametrii integrali (înălțimea semnificativă a valurilor, perioada medie, direcția generală de propagare).

O asemenea abordare este justificată în cazul unui câmp de undă unidimensional. Dacă spectrul valului este format ca rezultat a interecțiunii dintre numeroase sisteme de valuri, este rezonabil să obținem caracteristici separate ale valurilor pentru fiecare dintre aceste sisteme.

Pe lângă interesele ștințifice fundamentale față de această problemă, separarea câmpului valurilor în componente individuale face asta posibil să:

- descrie mai corect structura spațiotemporală a undelor de suprafață;

- calculează eficient valurile mari spre construcțiile de pe mal și prognozează fenomene de risc în bazine închise (oscilații cu frecvență joasă);

- clarifică scheme de redistribuire și transportul sedimentelor de pe fund;

- îmbunătățirea estimărilor prognostice ale situației valurilor pentru navigația pe mare.

În prezent, informații despre caracteristicile valurilor mixte sunt prezente în cadrul unui număr de proiecte de reanaliză globală, de exemplu, Centru European pentru Prognoze Meteo pe Perioade Medii. Rezultatele cercetărilor recente efectuate pe baza seturilor de date similare au făcut posibilă estimarea particularităților climatice ale distribuției valurilor „bombate” pe scara oceanică. Aplicarea parametrilor valurilor din reanalizarea datelor de bază par incorecte în Marea Neagră pentru că intervalul de timp ale acestor date este de numai 3 ore.

Un set de caracteristici a activității furtunoase în Marea Neagră au fost investigate în Boukhanosky and Loupatokhin (2015). S-a arătat în particular că durata medie a furtunilor este de 14-25 de ore în funcție de nivelul predefinit al pragului. Aceasta este cauza pentru care intervalul de timp al câmpurilor de ieșire ale valurilor produse de vânt este evident insuficient pentru condițiile sinoptice din Marea Neagră.

Nu sunt foarte multe publicații pe descriere separată a componentelor valurilor de suprafață din Marea Neagră. Autorii din Bukhanovsky et al. (2000) au făcut o încercare de a construi spectre climatice pentru clase individuale de valuri în partea de nord-est a Mării Negre. Analizele au fost bazate pe date experimentale publicate în Kos’yan et al. (1998).

Recurențele spectrale climatice pentru valurile produse de vânt, valurile bombate și valurile mixte au fost estimate la 43%, 32%, respectiv 25%. Caracteristicile valurilor eoliene și valurilor bombate, bazate pe ECMWF reanalizate în partea de sud-est a Mării Negre, în perioada 1 octombrie 2000 - 28 februarie 2006, cu un interval de 12 ore, au fost analizate în disertație de Berkun (2007). O asemenea analiză poate fi considerată numai o estimare datorată cauzei menționate mai sus. Una dintre publicațiile recente este Van Vleder and Akpinar (2016). Din păcate, cât timp lucrarea noastră a fost pregătită, acest manuscris a fost disponibil doar sub forma unei teze. Prin urmare este dificil de făcut comentarii.

1.2. Metode de separare a componentelor unui val

Calcularea caracteristicilor undelor integrale, în contul undelor mixte, este de obicei legată de analiza spectrelor de putere ale undelor de suprafață sau condiții fizice de propagare a undelor. Mai multe abordări sunt aplicate în funcție de datele disponibile:

- Analiza spectrului frecvenței unidimensionale.

Separarea frecvenței fsep este selectată în spectrul de unde; se presupune că intervalul spectrului de putere sub această frecvență corespunde valurilor bombate (swell), iar intervalul frecvențelor mai înalte corespunde valurilor eoliene. Apoi, curba densității spectrale S (f) este integrată și, de exemplu, se determină înălțimi semnificative ale valurilor eoliene și ale valurilor bombate:

unde fl, fu sunt frecvențele de integrare inferioară și superioară.