Способ предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами

Изобретение относится к области физической океанографии и может быть использовано для предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами. Сущность: для заданных значений радиального распределения скорости ветра и скорости перемещения циклона определяют безразмерный параметр Y. Рассчитывают частоту и энергию волн по формулам, выбираемым в зависимости от величины безразмерного параметра Y. Если безразмерный параметр Y больше или равен нулю, то траектории излучаемых волн считают совпадающими с направлением движения циклона, а скорость распространения их энергии - соответствующей групповой скорости. При этом если безразмерный параметр Y находится в интервале 1-3, то генерируемые волны считают имеющими аномально высокие значения и представляющими опасность. В этом случае выполняют расчет высоты волн, групповой скорости и времени, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки. Если безразмерный параметр Y меньше единицы, то такие волны относят к волнам аномально малой амплитуды, остающимся позади движущегося циклона и не представляющим опасности. Технический результат: оценка высот и частот ветровых волн, предсказание времени появления аномально высоких волн в заданной точке. 1 ил.

 

Изобретение относится к области физической океанографии и направлено на создание метода оперативного предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами. Предлагаемый способ применим к анализу тропических и полярных циклонов, а также циклонов синоптического масштаба.

Известен способ предсказания разрушающего потенциала тропических циклонов с помощью вычисления его интегральной кинетической энергии по шкале Пауэлла/Рейнхолда (патент US 7970543). Этот способ основан на анализе метеорологических полей оперативного прогноза, экспериментальных полях скорости ветра, результатах расчета численных моделей прогноза погоды. В результате тропическим циклонам присваивается индекс по шкале Пауэлла/Рейнхолда, что позволяет более точно оценить возможные разрушения, вызванные тропическим циклоном, чем при использовании «стандартной» категории тропических циклонов по шкале Саффира-Симпсона, основанной исключительно на значении максимальной скорости ветра, развиваемой в циклоне.

Недостатками способа, по сравнению с предлагаемым, являются: а) расчет разрушающей силы ветра, отсутствие учета возможности генерации аномально высоких волн; б) необходимость использования большого массива начальных данных (подробных полей скорости ветра).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному техническому решению (прототипом) является решение, описывающее методы характеризования штормов (заявка US 20070225915. Methods of characterizing storms), заключающееся в комбинировании таких параметров, как скорость ветра, размер погодной системы и, необязательного, третьего параметра (например, значения атмосферного давления в центре погодной системы, скорости передвижения или направления движения погодной системы и т.п.) для получения индекса, характеризующего силу и разрушающий потенциал той или иной погодной системы с возможной оценкой степени угрозы той или иной локации.

Недостатками данного прототипа являются: а) отсутствие учета разрушающей силы генерируемых погодной системой волн; б) отсутствие физической составляющей при расчете индекса - метод может лишь более наглядно представить степень угрозы по определенной шкале, но не предсказать конкретные значения физических величин.

Целью настоящего изобретения является оценка высот и частот волн, генерируемых движущимися погодными системами, и предсказание возможности той или иной системы генерировать аномально высокие волны, а также предсказание времени появления аномально высоких волн в заданной точке.

Способ предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами, основан на обобщении теории подобия развития ветровых волн для случая движущейся системы, предложенной в работе (Kudryavtsev et al., 2015). Упрощенное поле ветра погодной системы схематически изображается, как показано на Фиг. 1. Основное внимание уделяется поиску распределения энергии волн вдоль отрезка А-О, где формируются волны максимальной энергии, которые далее, обладая групповой скоростью, превышающей скорость движения циклона, излучаются вперед по ходу движения циклона в виде волн зыби, см. Фиг. 1.

Аналитическое решение задачи генерации волн движущимся циклоном дано в работе (Kudryavtsev et al., 2015), где предполагалось, что эффективная генерация волн происходит вдоль прямолинейных разгонов, ограниченных разрезами А-О и О-В. Например, ветровые волны, наблюдаемые в точке 'f' на расстоянии r, развивались вдоль линии, начинающейся в точке 's'. Длина этого разгона , а скорость ветра, генерирующая волны, имеет усредненное значение ur=u(r), где u(r) - это тангенциальная скорость ветра на расстоянии r от центра циклона («глаза урагана»). Если циклон неподвижен, то генерация волн начинается в точке 's' и заканчивается в точке 'f'. При движении циклона со скоростью V картина развития волн меняется: они начинают генерироваться в точке 's0', двигаясь по мере развития против движения циклона, а в точке 's' групповая скорость волн сравнивается со скоростью движения циклона V, в результате чего волновые пакеты отражаются и продолжают развиваться, имея групповую скорость, превышающую скорость движения циклона (см. в качестве примера пунктирную серую линию на Фиг. 1 как пример траектории волнового пакета). В результате этого эффекта (именуемого как «захват волн») дистанция, на которой происходит развитие волн (разгон волн), увеличивается на величину Lcr (соответствует отрезку s-s0), определяемую как

где - константа, зависящая от других известных эмпирических констант q и сα, определяющих развитие волн (см., например, Babanin and Soloviev, 1998). В работе (Kudryavtsev et al., 2015) показано, что энергия и частота волн на выходе из движущегося циклона (т.е. через горизонтальную линию А-А1) нормированная на ожидаемую энергию волн (без учета движения циклона),

и ожидаемую частоту

где - безразмерный разгон волн, g - ускорение свободного падения, является универсальной функцией безразмерного параметра

Предлагаемый способ позволяет дать простой расчет высот волн и их частот, излучаемых движущимся циклоном в направлении его движения. Математической формулировкой предлагаемого способа являются следующие формулы.

Если параметры циклона удовлетворяют условию

то энергия волн и частота волн, излучаемая циклоном вперед по ходу движения вперед, рассчитывается по формуле

где be, bω, mе, mω - полуэмпирические параметры модели генерации волн.

Численные значения могут быть приняты следующие: bе=5.5, bw=0.45, mе=0.54, mω=0.245.

Однако если параметры циклона удовлетворяют условию

то генерируемые волны являются волнами с аномально низкой высотой и остаются позади циклона, а их энергия и частота рассчитывается как

Высота значимых волн Hs определяется по энергии как

Групповая скорость (скорость распространения энергии) как

Из соотношения (9) можно найти время Т, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки (например, на побережье), которое определяется через групповую скорость, как:

где X - это расстояние между текущим положением атмосферного образования (циклона) и заданной точкой.

Для практической реализации способа эмпирические константы в выражениях (1) и (2) могут быть заданы в соответствии с (Babanin and Soloviev, 1998): q=-0.275, cα=15.4, p=0.89 и cα=4.41×10-7. Соответственно, константа ccr в (1) равна ссr=7.9×103.

Способ работает следующим образом.

Исходными данными являются измеренное радиальное распределение скорости ветра в циклоне ur и скорость передвижения циклона V. Данные параметры могут быть получены, например, из спутниковых альтиметрических, скаттерометрических измерений или видеоизображений с геостационарных спутников, а также баз данных, документирующих параметры циклонов (координаты центров для расчета расстояний, скорости передвижения и радиусы скорости ветра заданной величины).

Для заданных радиальных значений скорости ветра ur и скорости перемещения циклона V определяется безразмерный параметр Y. В зависимости от его величины выбирается формула для расчета частоты и энергии , а при необходимости - высоты волн Hs, групповые скорости Сg и время Т, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки.

Если безразмерный параметр Y больше или равен единице, то рассчитанные параметры волн относятся к волнам, излучаемым вперед по ходу движения циклона. Траектории излучаемых волн совпадают с направлением движения циклона, а скорость распространения их энергии соответствует групповой скорости Сg. Если выполняется неравенство 1<Y<3, то генерируемые волны имеют аномально высокие значения и представляют опасность. Далее производят расчет высот этих аномально высоких волн Hs, групповых скоростей Сg и времени Т, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки.

Если безразмерный параметр Y меньше единицы, то рассчитанные параметры относятся к волнам, остающимся позади движущегося циклона и обладающим «аномально малой» амплитудой, вследствие этого не представляющим опасности и, соответственно, не требующим предсказания и оценки.

Таким образом, способ предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами, основан на обобщении теории подобия развития ветровых волн, дает простые алгебраические выражения, позволяющие определить высоты и скорости распространения генерируемых волн в зависимости от скорости ветра, размера циклона и скорости его перемещения, что делает возможным раннее предупреждение об опасности возникновения аномально высоких волн, генерируемых заданной погодной системой, а также время, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки.

Литература

1. Babanin A.N., and Y.P. Soloviev (1998). Variability of directional spectra of wind-generated waves, studied by means of wave staff arrays. Mar. Freshwater Res., 49, 89-101, doi:10.1071/MF96126.

2. Kudryavtsev V., P. Golubkin, and B. Chapron (2015). A simplified wave enhancement criterion for moving extreme events. J. Geophys. Res. Oceans, 120, 7538-7558, doi: 10.1002/2015JC011284.

Способ предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами, заключающийся в определении высоты волн, групповой скорости и времени, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки, на основании радиального распределения скорости ветра в циклоне и скорости перемещения циклона, отличающийся тем, что для заданных значений радиального распределения скорости ветра и скорости перемещения циклона определяется безразмерный параметр Y, в зависимости от величины которого выбирается формула для расчета частоты и энергии волн, при этом если Y больше или равен 1, то траектории излучаемых волн совпадают с направлением движения циклона, а скорость распространения их энергии соответствует групповой скорости, при этом при выполнении неравенства 1<Y<3 генерируемые волны имеют аномально высокие значения, представляют опасность, в этом случае выполняется расчет высоты волн, групповой скорости и времени, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки, а если безразмерный параметр Y меньше 1, то рассчитанные параметры относятся к волнам, остающимся позади движущегося циклона, и дальнейшее их определение может не производиться, так как это волны аномально малой амплитуды, не представляющие опасности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для экологического мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы промышленного региона.

Изобретение относится к информационно-измерительной системе и может быть использовано в радиолокационной технике для высокоточной оценки ледовой обстановки в районах морской добычи и транспортировки нефтегазовых ресурсов.

Изобретение относится к системам для дистанционного контроля состояния окружающей среды. Сущность: система содержит блок управления, блок определения координат по системе спутниковой навигации, блок определения состояния атмосферы, блок определения толщины ледяного покрова, блок электропитания, установленные в термостатируемом корпусе.

Автоматическая система предназначена для фиксации критического повышения уровня воды на контролируемой местности и передачи информации на пульт централизованного наблюдения.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения коэффициента турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Сущность: измеряют объемную активность радона одновременно на двух высотах: 0,5-2 м от поверхности земли и не менее 10 м от поверхности земли.

Изобретение касается гидродинамического моделирования источника штормовых нагонов и экстремальных течений под воздействием подвижного атмосферного тайфуна. Сущность: определяют внешнее возмущение для прямого вычислительного эксперимента при моделировании штормовых нагонов и экстремальных течений вблизи побережья с возможностью выбора наиболее вероятных или потенциально опасных маршрутов атмосферных тайфунов и глубоких циклонов над открытым морем.

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и предназначено для прогноза возникновения ограниченной посадочной видимости, обусловленной слепящим воздействием солнца, низко расположенного над горизонтом, на экипаж воздушного судна (ВС) при посадке (взлете).

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами. Сущность: собирают талломы лишайников со стволов деревьев, произрастающих в антропогенно-трансформированной и фоновой (не загрязненной антропогенными выбросами) зонах.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения неблагоприятных и опасных метеорологических явлений конвективного происхождения.

Изобретение относится к области технологий борьбы с ураганом в интересах защиты населения от него путем прерывания развития его мощности. Способ воздействия на ураган, циклон, тайфун включает осуществление взрывного воздействия при угрозе достижения скорости ветра 20-30 м/с в расчетных точках на окружности, охватывающей сплошную облачность урагана на расстоянии 20-30 км от нее в верхней части тропосферы.

Изобретение относится к области цифрового картографирования и может быть использовано для построения цифровых моделей карт характеристик поверхностного снега. Сущность: выполняют фильтрацию и удаление шума из рядов гляциологических наблюдений. Определяют градиент скорости изменчивости картографируемого параметра. Определяют оптимальные параметры гридирования – размер ячейки грида, радиус поиска, радиус осреднения. Выполняют интерполяцию методом Kriging. Устраняют краевые эффекты пространственной интерполяции посредством применения настраиваемых фильтров к смоделированным значениям между узлами грида. Оценивают точность полученной пространственной модели характеристик поверхностного снега посредством расчета ошибки грида с учетом пространственно-осредненных реальных данных. Технический результат: построение цифровых моделей карт характеристик поверхностного снега. 1 ил.

Группа изобретений относится к способу и системе определения прозрачности атмосферы, а также машиночитаемому носителю данных и может использоваться в метеорологии, в авиации, задачах видеонаблюдения. Способ определения прозрачности атмосферы, а также система определения прозрачности атмосферы и машиночитаемый носитель, включает этапы, на которых получают оптические сигналы от объектов окружающего пространства при помощи оптического сенсора, после чего определяют значение яркости по крайней мере двух направлений с различными углами места этих точек, и в итоге определяют значение прозрачности атмосферы на основании модели, связывающей определенные на предыдущем шаге значения яркости сигналов, пришедших с направлений с заданным углом места и прозрачность атмосферы. Технический результат - повышение точности определения прозрачности атмосферы с использованием датчика, расположенного в фиксированном месте, упрощение устройства определения прозрачности атмосферы. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области физической океанографии и может быть использовано для предсказания и оценки аномально высоких волн, генерируемых движущимися погодными системами. Сущность: для заданных значений радиального распределения скорости ветра и скорости перемещения циклона определяют безразмерный параметр Y. Рассчитывают частоту и энергию волн по формулам, выбираемым в зависимости от величины безразмерного параметра Y. Если безразмерный параметр Y больше или равен нулю, то траектории излучаемых волн считают совпадающими с направлением движения циклона, а скорость распространения их энергии - соответствующей групповой скорости. При этом если безразмерный параметр Y находится в интервале 1-3, то генерируемые волны считают имеющими аномально высокие значения и представляющими опасность. В этом случае выполняют расчет высоты волн, групповой скорости и времени, через которое аномально высокие волны достигнут заданной точки. Если безразмерный параметр Y меньше единицы, то такие волны относят к волнам аномально малой амплитуды, остающимся позади движущегося циклона и не представляющим опасности. Технический результат: оценка высот и частот ветровых волн, предсказание времени появления аномально высоких волн в заданной точке. 1 ил.

Наверх