FORECAST OF LEEWAY’S TRAJECTORIES OF FREE-DRIFTING OBLECTS ON THE SURFACE OF THE OKHOTSK SEA

Усольцев И.И.¹, Кильматов Т.Р.²

¹ Аспирант, Дальневосточный Федеральный Университет, г. Владивосток, Россия

² Доктор физико-математических наук, профессор, Дальневосточный Федеральный Университет, г. Владивосток,

Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, г. Владивосток Россия

ПРОГНОЗ ТРАЕКТОРИЙ ДРЕЙФА ПЛАВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ОХОТСКОГО МОРЯ

Аннотация

В приложении к задачам распространения загрязнения на поверхности моря представлены модельные и натурные эксперименты по перемещению дрейфующих объектов. Эксперименты проведены с плавающими буями в акватории центральной части Охотского моря. Приводятся результаты исследования раздельного влияния ветра и термогалинной составляющей на дрейф. Модельные оценки показали, что для прогноза одного поля ветра недостаточно, необходим учет термогалинной составляющей поверхностного морского течения. Предлагается использовать данные спутниковой альтиметрии. Представлены наблюденные траектории движения объекта, модельные траектории движения под действием ветра, модельные траектории под действием термогалинных течений. Отмечается, что атмосферные синоптические циклоны приводят к непредсказуемым стохастическим смещениям объектов и затрудняют прогноз перемещения объектов

 Ключевые слова: Дрейф, Охотское море, поверхностное загрязнение, поле ветра, спутниковая альтиметрия

Usoltsev I.I.¹, Kilmatov T.R.²

¹Postgraduate student, Far Eastern Federal University

²Ph.D in Physics and Mathematics, Professor, Far Eastern Federal University,

Maritime State University

FORECAST OF LEEWAY’S TRAJECTORIES OF FREE-DRIFTING OBLECTS ON THE SURFACE OF THE OKHOTSK SEA

Abstract

There are represented model and real experiments of leeway of drifting objects, attached to the surface of the sea pollution problems. Those experiments were held with drifting buoys in the central part of water area of the Okhotsk Sea. Here are results of research of separated influence of wind and termohaline component on the leeway. Model estimates showed, that wind field only is insufficient for the forecast. It is necessary to take into account also the termohaline component of the surface current of the sea. Data of the satellite’s altimetry is offered for use. There are represented real trajectories of object’s leeway, model trajectories, using wind data and model trajectories, using termohaline currents. It was noticed, that atmospheric synoptic cyclones lead to unpredictable stochastic movements of objects and difficult to forecast the object’s leeway

Keywords: Leeway, the Sea of Okhotsk, surface pollution, wind field, satellite altimetry.

В настоящее время большое внимание уделяется анализу и прогнозу движения объектов, свободно плавающих на поверхности моря. Это связано с прикладными задачами по изучению распространения загрязнения в морях и океанах, в частности по возможным потенциальным загрязнениям нефтепродуктами в Охотском море рядом с о. Сахалин [4, 5, 8]. Проблема дрейфа объектов остается актуальной, поскольку однозначного решения задач распространения объектов по поверхности акваторий нет.

В данной работе представлены результаты наблюдений за дрейфом буев в центральной части Охотского моря. Экспериментальные работы проведены в рамках ДВНИГМИ с буями типа SVP-Marlin [7]. Буй “SVP-Marlin” снабжен спутниковой системой “Argos” и имеет подводный парус с крылом 1 метр, который и определяет генеральное направление движения буя по течению. Наблюдения проведены в летний период 2013 года, причем в данной работе выделяется буй период движения 01.08 – 28.08 2013 года.

На рис.1 представлена траектория движения буя. На начальную дату 01.08.2013 координаты траектории соответствуют 52.865° N, 144.804°Е. Это рядом с северо-восточным шельфом о. Сахалин, что имеет прикладное значение для прогноза зоны загрязнения вследствие близости нефтедобычи на шельфе и потенциальной возможности разлива нефти.

Из рис. 1(С) видно, что движение буя можно разделить на два периода. Первый период (П1) с 1 по 15 августа можно ассоциировать как упорядоченное движение с преобладающим северным направлением движения. Второй период (П2) с 16 по 28 августа характерен квази – хаотическим характером траектории севернее точки начала дрейфа. В данном конкретном случае не так важна конечная координата точки буя 28.08.2013, поскольку в режиме движения П2 достаточно определить границы акватории, в которую вероятно попадет дрейфующий объект и будет совершать хаотические перемещения.

Причина двух режимов движения в данном эксперименте легко объяснить из анализа синоптической ситуации в тот период времени. Она была резко отличной в периоды П1 и П2. Анализ поля (карт) давления над рассматриваемой акваторией по данным [11] показал, что в период П1 доминировали антициклоны, период П2 характеризовался появлением крупного циклона. Так, на 16 августа с материковой части в направлении о. Сахалин на северо-восток двигался крупный циклон с давлением 998 мбар. На дату 17.08.2013 его центр находится над о. Сахалин, примерно 142°в.д. 51°с.ш. и смещался в северо-восточном направлении. На 20.08 его центр находится примерно 155°в.д. 62°с.ш.

При наличии ветра именно он несет основную ответственность за движением объектов на поверхности моря, поскольку дрейфовая составляющая в большей степени формирует поверхностное поле течений [1, 3, 6]. Ниже было использовано поле ветра по данным реанализа японского метеорологического агентства JMA [11]. Разрешение по пространству 0,5 градуса (сетка Охотского моря 254х93), шаг по времени 6 часов. Период и место наблюдений соответствует положению дрейфа дрифтера. Отметим, что в период с 16 августа буй попал под действие атмосферного циклона. В целом данные показывают, что движение в П1 имеет генеральное направление на север – северо-восток, то есть довольно близко по генеральному направлению ветра.

Важную роль играет в формировании поверхностного поля течения играет геострофической компонента, особенно при слабых ветрах [1, 2, 10]. Эта компонента довольно консервативна во времени и в значительной степени определяет генеральную климатическую циркуляцию. В настоящее время есть возможность использовать массовые наблюдения – спутниковые альтиметрические поля, в частности Las Aviso [9], которые являются результатом интегрального геострофического эффекта. Отметим, что в [9] представлены также модельные геострофические расчеты скорости течения на поверхности моря. Хотя эти данные между собой связаны классическими геострофическими соотношениями:

,            (1)

,

В работе были опробованы оба поля. В формуле 1, обозначено  – геострофические компоненты скорости на восток и север соответственно, f – параметр Кориолиса, g – ускорение свободного падения, Δx, Δy – шаги сетки на восток и север соответственно,  - поле уровенной поверхности со спутниковых альтиметрических наблюдений. Для расчета использовалась сетка по пространству 25 минут, шаг по времени 24 часа. Результаты представлены на рис.1, траектория Б. Реализовано два эксперимента. Первый -  буй запускался из начальной точки П1 и двигался в поле геострофических течений. Из рис. 1 видно, что объект за 16 дней резко уходил на запад и упирался в берег о. Сахалин. Во втором эксперименте за начальную точку использовалось положение буя на дату 16.08.2013, то есть движение П2. Буй в этом случае монотонно под действием геострофического течения перемещался на восток, хаотическое движение отсутствовало. Таким образом, геострофическая составляющая определяет только фон, реальное перемещение объекта в данном случае больше соответствует дрейфовой составляющей.

Рис. 1 - (C) - Сравнения движения реального и модельного буев, движущегося по геострофической траектории (в период П1 – Б, в период П2 – В). Движение реального буя – А. Расчетное движение по геострофической траектории – Б.

(D) – поле геострофического течения (слева), поле наклона уровенной поверхности моря (справа) вдоль траектории движения буя

Рассмотрим результаты модельных экспериментов по модифицированной (с учетом геострофической поправки) полуэмпирической модели свободно-дрейфующего тела “Leeway” [8]. Модель построена на экспериментальной основе подбора коэффициентов связи между полями ветра и дрейфа с разными типами объектов. В данной работе используется структура формулы из [9]:

,

,    (2)

.

Здесь обозначено ,    — компоненты скорости движения модельного буя соответственно по ветру, перпендикулярно отклонения вправо (+) и влево (-). Главная идея этой модели – смещение буя пропорционально W – скорости ветра. Параметры пропорциональности  подбираемые экспериментальным путем. В работе дополнительно учитывалась геострофическая поправка. Характерный результат модельного дрейфа представлен на рис.2:

Рис. 2 - Результаты моделирования движения буя (В – Б) по модифицированной модели [8].  Модельные траектории остаются южнее реальной.

Если подставить характерные коэффициенты, то движение модельного буя на север более ограничено, чем реального. Характер движения П1 и П2 повторяются, хотя акватория квази – хаотического движения расположена южнее. На рис.2 обозначено (А) – реальная траектория, (Б) (В)– модельные траектории с учетом и без учета дополнительных факторов. Из рис.2 видно, что в соответствие с расчетами геострофической составляющей движения буя учет этого фактора приводит к смещению траектории на запад ближе к о. Сахалин в период П1, как и следует из рис. 1. Соответственно в период дрейфа П2 геострофическая составляющая смещает буй на восток.

Резюмируем результаты экспериментальных и модельных исследований:

1. Поле поверхностных течений, прежде всего ветровой дрейф и геострофическая составляющая течения определяет движение свободно плавающего объекта в море. Это движение корректируется климатическими, синоптическими особенностями конкретной акватории
2. Хотя определяющую роль в движении играет ветер, геострофическая составляющая может переместить объект в другом направлении. В частности, для исследуемой акватории Охотского моря при отсутствии ветра траектория движения направлено в сторону берега о. Сахалин.
3. Геострофическая составляющая поверхностного течения удобно оценивать и рассчитывать с помощью альтиметрических спутниковых наблюдений.
4. Атмосферный синоптический циклон на поверхности моря сильно изменяет положение дрейфующих объектов, поэтому при поиске и прогнозировании положения свободно плавающих тел важно учитывать их возможные пересечения с атмосферными аномалиями.

Список литературы / References

1. Верхунов А.В. Развитие представлений о крупномасштабной циркуляции Охотского моря. Комплексные исследования Охотского моря / Под ред. В.В. Сапожникова. Москва: ВНИРО, 1997. С. 8-18.
2. Залесный В.Б., Дианский Н.А., Конторовский С.В.. Численное моделирование динамики вод Охотского моря // Дальневосточные моря России, книга1. Москва: Наука 2007. С. 335-387.
3. Пищальник В.М., Архипкин В.С. Сезонные вариации циркуляции вод на охотоморском шельфе острова Сахалин // Темат. Вып. ДВНИГМИ. 1999. №2. С. 84-96.
4. Пранц С.В., Улейский М.Ю., Будянский М.В.. Численное моделирование распространения в океане радиоактивного загрязнения от АЭС "Фукусима-Дайичи'' ДАН. том 439, № 6, [2011] С.811-814.
5. Становой В.В., Лавренов И.В., Неелов И.А. Система моделирования разливов нефти в ледовитых морях.// Проблемы Арктики и Антарктики, 2007, вып. 77. С. 7-16.
6. Атлас по океанографии Берингово, Охотского и Японского морей. // Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН г. Владивосток. Режим доступа: http://www.pacificinfo.ru/data/cdrom/2/HTML/1_00.htm
7. Описание буев SVP-Marlin. Режим доступа: http://www.marlin-yug.com.
8. Leeway model documentation // Режим доступа: https://zendo.org/record/797/files/12152.pdf
9. Live Access Server // Режим доступа: http://las.aviso.oceanobs.com/
10. Preller R. H., Hogan P.J. Oceanography of the sea of Okhotsk and the Sea of Japan/East sea // The sea. N.Y.: Wiley, 1998. Vol. 11. P. 429-449.
11. Japan Meteorological Agency. Режим доступа: http://www.jma.go.jp/jma/indexe.html

Список литературы на английском языке / References in English

1. Verhunov A.V. Razvitie predstavlenij o krupnomasshtabnoj cirkuljacii Ohotskogo morja [The development of ideas about the large-scale circulation of the Okhotsk Sea]. Kompleksnye issledovanija Ohotskogo morja [Integrated studies of the Okhotsk Sea] / Pod red. V.V. Sapozhnikova. Moskva: VNIRO, 1997. S. 8-18.
2. Zalesnyj V.B., Dianskij N.A., Kontorovskij S.V.. Chislennoe modelirovanie dinamiki vod Ohotskogo morja [Numerical simulation of the dynamics of the Okhotsk Sea waters] // Dal'nevostochnye morja Rossii [Far eastern seas, book 1], kniga1. Moskva: Nauka 2007. S. 335-387.
3. Pishhal'nik V.M., Arhipkin V.S. Sezonnye variacii cirkuljacii vod na ohotomorskom shel'fe ostrova Sahalin [Seasonal variations in the circulation of water in the Sea of Okhotsk offshore Sakhalin Island] // Temat. Vyp. DVNIGMI. [Works of FERHRI] 1999. №2. S. 84-96.
4. Pranc S.V., Ulejskij M.Ju., Budjanskij M.V.. Chislennoe modelirovanie rasprostranenija v okeane radioaktivnogo zagrjaznenija ot AJeS "Fukusima-Dajichi'' [Numerical modeling of the ocean of radioactive contamination from the nuclear power plant "Fukushima-Daiichi '] DAN. tom 439, № 6, [2011] S.811-814.
5. Stanovoj V.V., Lavrenov I.V., Neelov I.A. Sistema modelirovanija razlivov nefti v ledovityh morjah [Modeling System of oil spills in ice-covered seas]. Problemy Arktiki i Antarktiki [Problems of Arctic and Antarctic] , 2007, vyp. 77. S. 7-16.
6. Atlas po okeanografii Beringovo, Ohotskogo i Japonskogo morej.[Atlas of Oceanography Bering Sea, Sea of Okhotsk and the Sea of Japan] // Tihookeanskij okeanologicheskij institut im. V.I. Il'icheva DVO RAN g. Vladivostok. Rezhim dostupa: http://www.pacificinfo.ru/data/cdrom/2/HTML/1_00.htm
7. Opisanie buev SVP-Marlin [Description of buoys SVP-Marlin] http://www.marlin-yug.com.
8. Leeway model documentation // https://zendo.org/record/797/files/12152.pdf
9. Live Access Server // http:las.aviso.oceanobs.com/
10. Preller R. H., Hogan P.J. Oceanography of the sea of Okhotsk and the Sea of Japan/East sea // The sea. N.Y.: Wiley, 1998. Vol. 11. P. 429-449.
11. Japan Meteorological Agency. Rezhim dostupa: http://www.jma.go.jp/jma/indexe.html