HYDROMETEOROLOGICAL MONITORING IN BLUE GULF

Гармашов А. В.¹, Толокнов Ю. Н.², Коровушкин А. И.³

¹ORCID: 0000-0003-4412-2483, Кандидат географических наук, ²Младший научный сотрудник, ³Ведущий инженер,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН"

Исследование выполнено в рамках темы Государственного Задания № 0827-2018-0001.

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ В ГОЛУБОМ ЗАЛИВЕ

Аннотация

В статье приводятся результаты гидрометеорологического мониторинга, проводимого в период 2011-2017 гг. на стационарной океанографической платформе. В результате анализа 33000 часовых записей с метеопараметрами (скорость ветра, температура воздуха и морской воды, атмосферное давление, относительная влажность) получены основные статистические характеристики, описывающие гидрометеорологический режим в 2011-2017 гг. в районе южного берега Крыма.

Ключевые слова: мониторинг, скорость ветра, температура, платформа, Черное море.

Garmashov A.V.¹, Toloknov Yu.N.², Korovushkin A.I.³

¹ORCID: 0000-0003-4412-2483, PhD in Geography, ²Junior Researcher, ³Leading Engineer,

Federal State Budgetary Research Institution "Marine Hydrophysical Institute of RAS"

The study was carried out within the framework of the topic of the State Task No. 0827-2018-0001.

HYDROMETEOROLOGICAL MONITORING IN BLUE GULF

Abstract

The article presents the results of hydrometeorological monitoring, conducted during the period of 2011-2017 on a stationary oceanographic platform. 33,000 hour of records with meteorological parameters (wind speed, air and sea water temperature, atmospheric pressure, relative humidity) are a result of the analysis, the main statistical characteristics describing the hydrometeorological regime in 2011-2017 were obtained in the southern coast of the Crimea.

Keywords: monitoring, wind speed, temperature, platform, Black Sea.

Введение

Гидрометеорологические наблюдения всегда играли важную роль в народном хозяйстве, обеспечивая безопасность мореплавания и прибрежной инфраструктуры, а также являясь важным элементом поддержания обороноспособности страны. Начиная с 90-х годов ХХ столетия, отмечается резкое сокращение гидрометеорологических наблюдений в прибрежных районах Черного моря. Из-за отсутствия длительных инструментальных измерений параметров ветрового волнения сведения о режиме волнения в Черном море получают расчетным путем [1], [2]. В последние годы для расчета параметров волнения используются волновые модели, например, модели SWAN [3], [4] или WAM [5]. Поэтому любые измерения гидрометеорологических параметров имеют большую научную и практическую ценность.

Цель настоящей работы состояла в анализе данных гидрометеорологического мониторинга, проводимого в прибрежной части южного берега Крыма на стационарной океанографической платформе, для получения статистических характеристик, описывающих режим измеряемых величин в исследуемом районе в 2011-2017 гг.

Район измерений и используемая аппаратура

Измерения проводились на исследовательской стационарной океанографической платформе (СОП), расположенной в прибрежной части Черного моря (рис. 1). Платформа представляет собой свайную прямоугольную конструкцию размером 20x20 м. и оборудована для проведения океанографических исследований. Глубина моря в этой точке – 30 м, расстояние до берега 450 м. Для измерений используется в основном морская часть платформы, ориентированная примерно 50⁰ – 230⁰. Условия измерений в этом районе можно классифицировать по нескольким критериям: по направлению ветра относительно берега, по преобладающему направлению ветра, по скорости ветра и характеру поверхностных волн.

Рис. 1 – Положение платформы и места установки измерительных датчиков

 

Для проведения мониторинга на СОП был использован комплекс сбора гидрометеорологических данных (КСГД) [6], разработанный в МГИ. Измеряемые параметры комплексом КСГД, диапазон измерений, погрешность и дискретность опроса показаны в табл. 1.

 

Таблица 1 – Параметры измеряемых величин (КСГД)

Измеряемые параметры	Диапазон измерений	Погрешность	Дискретность опроса, с
Атмосферное давление	800 – 1090 гПа	± 0,3 гПа	1
Относительная влажность воздуха	0 – 100 %	± 3 %	1
Температура воздуха	-40 – +60 °С	± 0,1 °С	1
Температура воды	-2 – +40 °С	± 0,1 °С	1
Скорость ветра	1,5 – 60 м/с	± 0,5 + 0,1 V	5
Направление ветра	0 – 360 °	± 5 °	1
Высота волны	0 – 10 м	± 0,01 H	0,25

 

Измерительные датчики располагались на СОП в трех местах. На выстреле, в точке 1 (рис. 1), располагался струнный резистивный измеритель высоты волны и датчик температуры воды, глубина погружения которого составляла 1-1,5 м. В точке 2 на высоте 21 м был расположен датчик скорости и направления ветра, в точке 3 на высоте 13 м находились датчики температуры воздуха и относительной влажности.

За 2011-2017 гг. было получено более 33000 часовых записей с метеопараметрами.

Обработка данных

Все данные прошли контроль качества с отбраковкой ненадежных фрагментов. Поскольку измерения скорости ветра проводились на высоте 21 м над уровнем моря, то необходимо было привести их к стандартной высоте наблюдения (10 м). Для этого использовалась формула (1), предполагающая наличие логарифмического подслоя:

   (1)

где z₀ – параметр шероховатости.

Экспериментально установлено [7], что величина z₀ для морской поверхности в рассматриваемом регионе находится в пределах 10^-4-10^{-3 м, в нашей работе было взято среднее значение} z₀ = 5·10^{-4 м.}

Согласно рекомендаций Всемирной метеорологической организации все измеренные параметры усреднялись за 10 мин. и дальнейший анализ производился уже для осредненных величин. Порывы ветра приводятся как мгновенные значения скорости ветра за 5 сек.

Результаты

Основные результаты гидрометеорологического мониторинга, проводимого на СОП в пгт Кацивели в период с 2011 года по 2017 год, приводятся в табл. 2 и 3, где для каждого месяца показаны следующие величины: средняя скорость ветра (V_av), максимальная скорость ветра (V_max) и максимальные порывы ветра (V_p); минимальная, максимальная и средняя температура воздуха (T_{a min}, T_{a max} и T_a av); средняя относительная влажность (H_av); минимальное, максимальное и среднее давление (P_min, P_max и P_av).

Таблица 2 – Основные результаты гидрометеорологического мониторинга, проводимого на СОП в 2011-2017 гг.

	Vav, м/с	Vmax, м/с	Vp, м/с	Ta min, ºС	Ta max, ºС	Ta av, ºС	Hav, %
Январь	6,29	24,0	34,9	-6,2	16,8	7,4	77,5
Февраль	6,03	19,2	26,9	-2,9	19,3	7,3	79,4
Март	6,27	26,2	40,8	-5,4	21,1	8,6	80,5
Апрель	6,23	20,2	29,6	1,2	22,5	10,0	77,4
Май	4,53	19,7	26,3	6,3	23,7	12,7	80,2
Июнь	4,82	21,1	30,6	10,8	29,9	21,9	64,8
Июль	4,93	19,1	26,6	19,0	32,5	24,7	62,2
Август	4,87	24,8	36,5	15,3	33,7	25,0	58,6
Сентябрь	5,12	23,1	35,4	13,4	33,4	21,5	67,0
Октябрь	5,83	25,5	32,4	6,8	25,6	16,6	73,9
Ноябрь	5,35	22,8	34,6	3,5	20,5	13,0	75,5
Декабрь	6,40	23,4	37,2	-2,2	19,6	9,1	72,7
Год	5,67	26,2	40,8	-6,2	33,7	14,1	72,3

 

Таблица 3 – Основные результаты гидрометеорологического мониторинга, проводимого на СОП в 2011-2017 гг.

	Tw min, ºС	Tw max, ºС	Tw av, ºС	Pa min,, гПа	Pa max, гПа	Pa av, гПа
Январь	8,0	14,4	11,1	986,8	1032,8	1012,3
Февраль	6,6	12,9	10,1	991,9	1032,7	1013,8
Март	5,1	13,4	10,1	984,4	1029,2	1010,2
Апрель	7,0	15,0	11,4	992,0	1025,3	1010,4
Май	9,4	21,4	15,4	995,1	1021,3	1008,4
Июнь	7,7	22,5	17,6	991,5	1020,1	1007,8
Июль	8,9	25,5	22,4	992,4	1016,1	1006,4
Август	7,2	26,2	23,6	994,5	1017,8	1007,6
Сентябрь	9,2	25,1	21,8	985,1	1023,7	1010,0
Октябрь	9,9	24,1	18,5	987,1	1035,1	1012,7
Ноябрь	10,1	18,5	15,2	997,1	1034,6	1014,9
Декабрь	7,6	15,4	12,7	991,6	1033,8	1016,9
Год	5,1	26,2	15,8	984,4	1035,1	1011,0

 

Среднемесячная скорость ветра в летний период составляет 4,5 -4,9 м/с, а в зимний – 6-6,4 м/с. Полученные средние величины скорости ветра соответствуют значениям, опубликованным в работах [8], [9], [10]. Несмотря на присутствие ярко выраженного сезонного хода в среднемесячных значениях скорости ветра, в максимальных значениях скоростей ветра и в величинах порывов скоростей ветра годовой ход не наблюдается. Так максимальные скорости ветра на СОП достигали значений 19-26 м/с, а в порывы достигали 40 м/с.

Сезонный ход температуры воздуха имеет достаточно высокую амплитуду, характерную для умеренных широт – среднемесячная температура меняется от 7,3 ºС в феврале до 25 ºС в августе. Сезонных ход присутствует также в минимальных и максимальных значениях температуры воздуха. Наименьшая температура воздуха на СОП была зарегистрирована в 31 января 2014 г. и составляла -6,2 ºС, в июле же температура воздуха не опускалась ниже 19 ºС. В тоже время максимальные температуры воздуха январе достигали 16,8 ºС, а наибольшая температура воздуха на СОП была зарегистрирована в 6 августа 2017 г. и составляла 33,7 ºС.

Среднегодовая влажность воздуха составляет 72%. Годовой ход относительной влажности воздуха хорошо выражен. Высокие значения (72-80%) влажности отмечаются с октября по март, низкие (58-67%) – в июне – сентябре, что соответствует результатам, полученным за другие периоды наблюдений [8].

Наименьшая температура морской воды в районе СОП составляла 5,1 ºС и была зарегистрирована 9 марта 2015 г., однако даже в летние месяцы за счет апвеллингов и сгонных ветров температура воды в море могла опускаться до 7,2 ºС. Сезонный ход температуры морской воды хорошо выражен и повторяет динамику сезонного хода температуры воздуха, но имеет меньшую амплитуду: среднемесячная температура морской воды меняется от 10,1 ºС в феврале-марте до 23,6 ºС в августе. Наибольших значений (26,2ºС – 02.08.2015) температура моря достигала в августе, но даже в зимние месяцы поверхность моря могла прогреваться до 12,9-15,4 ºС. Среднегодовая температура морской воды в районе СОП составляет 15,8 ºС.

Среднегодовое атмосферное давление для района измерений составляет 1011 гПа, что равняется примерно 760 мм.рт.ст. В среднемесячных значениях атмосферного давления присутствует сезонный ход: наименьшие значения (1006,4 гПа) наблюдаются в июле, а наибольшие (1016,9 гПа) – в декабре. Минимальное атмосферное давление (984,4 гПа) было зарегистрировано 21 марта 2013 г., максимальное (1035,1 гПа) – 31 октября 2015 г.

Заключение

По результатам проведенного гидрометеорологического мониторинга в 2011 – 2017 гг. на СОП в Голубой бухте можно сформулировать следующие выводы:

– среднемесячная скорость ветра в летний период составляет примерно 4,8 м/с, а в зимний – 6-6,4 м/с;

– максимальные скорости ветра на СОП достигали значений 19-26 м/с, а порывы – 40 м/с;

– среднемесячная температура воздуха меняется от 7,3 ºС в феврале до 25 ºС в августе;

– среднегодовая влажность воздуха составляет 72 %;

– среднемесячная температура морской воды меняется от 10,1 ºС в феврале-марте до 23,6 ºС в августе;

– в среднемесячных значениях атмосферного давления присутствует сезонный ход: наименьшие значения (1006,4 гПа) наблюдаются в июле, а наибольшие (1016,9 гПа) – в декабре.

Список литературы / References

1. Myslenkov S. A. Numerical simulation of storm waves near the northeastern coast of the Black Sea. / S. A. Myslenkov, A. A. Shestakova, P. A. Toropov // Russ. Meteorol. Hydrol. – 2016. – V. 41 – Issue 10. – pp. 706–713.
2. Akpınar A. Wind and wave characteristics in the black Sea based on the SWAN model forcing with the CFSR winds. / A. Akpınar, B. Bingölbali, G. Ph. Van Vledder // Ocean Eng. – 2016. – V. 126. – pp. 276–298.
3. Akpinar A. An assessment of the wind re-analyses in the modelling of an extreme sea state in the Black Sea. / A. Akpinar, S. P. Leon // Dynamics of Atmospheres and Oceans. – 2016. – V. 73 – pp. 61–75.
4. Van Vledder G. Ph. Wave model predictions in the Black Sea: Sensitivity to wind fields / G. Ph. van Vledder, A. Akpınar // Applied Ocean Research. – 2015. – V. 53. – pp. 161–178.
5. Shokurov M. V. Wind waves in the coastal zone of the southern Crimea: Assessment of simulation quality based on in situ measurements / M. V. Shokurov, V. A. Dulov, E. V. Skiba and others //. Oceanology. – 2016. – Т. 56. – № 2. – pp. 214–225.
6. Толокнов Ю. Н. Система сбора гидрометеорологической информации / Ю. Н. Толокнов, А. И. Коровушкин // Системы контроля окружающей среды. – 2010. – Вып. 10 – С. 50–53.
7. Соловьев Ю. П. Предварительные результаты измерений атмосферной турбулентности над морем. / Ю. П. Соловьев, В. А. Иванов // Морской гидрофизический журнал. – 2007 – № 3. – С. 42–61.
8. Проект «Моря СССР», гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, Черное море // Том 4. – Вып. 1. – С-П.: Гидрометеоиздат, 1991. – 430 с.
9. GarmashovA. V. Wind variability in the northwestern part of the Black Sea from the offshore fixed platform observation data. Russian Meteorology and Hydrology / A. V. Garmashov, A. B. Polopsky //. – 2011 V. 36. – Issue 12. – pp. 811-818.
10. Шокурова И. Г. Анализ метеорологического режима в северо-западной части Черного моря по данным наблюдений на морской стационарной платформе / И. Г. Шокурова, А. В. Гармашов, Ю. Н. Толокнов и другие // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. – 2016. – Вып. 2. – С. 41–51.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Myslenkov S. A. Numerical simulation of storm waves near the northeastern coast of the Black Sea. / S. A. Myslenkov, A. A. Shestakova, P. A. Toropov // Russ. Meteorol. Hydrol. – 2016. – V. 41 – Issue 10. – pp. 706–713.
2. Akpınar A. Wind and wave characteristics in the black Sea based on the SWAN model forcing with the CFSR winds. / A. Akpınar, B. Bingölbali, G. Ph. Van Vledder // Ocean Eng. – 2016. – V. 126. – pp. 276–298.
3. Akpinar A. An assessment of the wind re-analyses in the modelling of an extreme sea state in the Black Sea. / A. Akpinar, S. P. Leon // Dynamics of Atmospheres and Oceans. – 2016. – V. 73 – pp. 61–75.
4. Van Vledder G. Ph. Wave model predictions in the Black Sea: Sensitivity to wind fields / G. Ph. van Vledder, A. Akpınar // Applied Ocean Research. – 2015. – V. 53. – pp. 161–178.
5. ShokurovM. V. Wind waves in the coastal zone of the southern Crimea: Assessment of simulation quality based on in situ measurements /M. V. Shokurov, V. A. Dulov, E. V. Skiba and others //. Oceanology. – 2016. – Т. 56. – № 2. – pp. 214–225.
6. Toloknov Yu. N. Sistema sbora gidrometeorologicheskoj informacii [System for collecting hydrometeorological information] / Yu. N. Toloknov, A. I. Korovushkin // Sistemy kontrolja okruzhajushhej sredy [Environmental monitoring systems]. – 2010. – V. 10 – pp. 50–53. [in Russian]
7. Solovev Ju. P. Predvaritel'nye rezul'taty izmerenij atmosfernoj turbulentnosti nad morem. [Preliminary results of measurements of atmospheric turbulence over the sea] / Ju. P. Solovev, V. A. Ivanov // Morskoj gidrofizicheskij zhurnal [Marine Hydrophysical Journal]. 2007. – № 3. – pp. 42–61. [in Russian]
8. Proekt «Morja SSSR», gidrometeorologija i gidrohimija morej SSSR, Chernoe more [Project "Sea of the USSR", hydrometeorology and hydrochemistry of the USSR seas, the Black Sea] // Tom 4. V. 1. – S-P.: Gidrometeoizdat, 1991. – 430 p. [in Russian]
9. Garmashov A. V. Wind variability in the northwestern part of the Black Sea from the offshore fixed platform observation data. Russian Meteorology and Hydrology / A. V. Garmashov, A. B. Polopsky //. – 2011 V. 36. – Issue 12. – pp. 811-818.
10. Shokurova I. G. Analiz meteorologicheskogo rezhima v severo-zapadnoj chasti Chernogo morja po dannym nabljudenij na morskoj stacionarnoj platforme. [Analysis of the meteorological regime in the north-western part of the Black Sea from observational data on fixed offshore platform] / I. G. Shokurova, A. V. Garmashov, Yu. N. Toloknov and others // Jekologicheskaja bezopasnost' pribrezhnoj i shel'fovoj zon morja [Ecological safety of coastal and shelf zones of sea]. – 2016.– V. 2.– P. 41–51. [in Russian]