Modern approaches to the study and forecasting of hydrometeorological processes in the Arctic: state, methods and prospects
Modern approaches to the study and forecasting of hydrometeorological processes in the Arctic: state, methods and prospects
Abstract
The article examines modern approaches to the study and forecasting of hydrometeorological processes in the Arctic zone of the Russian Federation (AZRF) as potential sources of obtaining baseline data for the design of hydraulic structures. The key problems of traditional methods of engineering surveys are analysed, related to insufficient development of designers' requests within the framework of obtaining initial data and in the absence of description of applicability of alternative sources of information. Particular attention is paid to the state of the hydrometeorological network in the Arctic, which is characterised by the reduction of observation points and unequal coverage of the territory, which increases the importance of using alternative sources of information.
The review covers a wide range of monitoring technologies and systems: from satellite complexes (PlanetaMultiSat, Copernicus, Roscosmos) to numerical models (WAVEWATCH III, CMIP5). The possibilities of application of software complexes of the Unified State Information System on the Situation in the World Ocean (ESIMO), National Snow and Ice Data Centre (NSIDC), Federal Service for Hydrometeorology (Roshydromet) and other organisations are reviewed. The importance of automating the data collection and processing to improve the accuracy of forecasts and simplify the assignment of design loads is emphasised.
The conclusion is made about the necessity to develop automated forecasting systems and applications in the field of engineering surveys for the design of hydraulic structures, and to prevent the reduction of the number of hydrometeorological stations in the observation network, especially in hard-to-reach areas of the Arctic. Integration of data from various sources through platforms such as Unified State System of Information on the Situation in the World Ocean seems to be a promising direction to ensure quality baseline data for the design of hydraulic structures. This approach will make it possible to improve the safety of economic activity and optimise economic costs in the development of Arctic territories.
1. Введение
Данная обзорная статья затрагивает аспект применения современных методов получения гидрометеорологической информации в качестве потенциального источника параметров окружающей среды в целях использования в отрасли проектирования гидротехнических сооружений в Арктическом регионе.
Арктическая зона Российской Федерации (АЗРФ) является уникальным регионом с огромным экономическим потенциалом (рис. 1). В условиях глобального изменения климата и роста интереса к освоению природных ресурсов Арктики вопросы обеспечения безопасности морской деятельности, строительства гидротехнических сооружений и прогнозирования экстремальных явлений становятся особенно актуальными. Основной задачей современных исследований является разработка надежных методов прогнозирования параметров окружающей среды, которые позволят минимизировать риски и оптимизировать экономические затраты , , .
Рисунок 1 - Карта портов Арктической зоны РФ
Примечание: источник [3]
Отбор источников производился по критерию применимости современных технологий, разработанных в рамках государственных или частных инициатив, в рамках получения исходных данных гидрометеорологических параметров для прогнозной и мониторинговой деятельности. Временной интервал источников составлял порядка 5–10 лет.
2. Экономическое значение Арктики и роль гидрометеорологического обеспечения
Арктика играет ключевую роль в мировой экономике благодаря своему богатству природными ресурсами, включая углеводороды, минералы и биоресурсы. Кроме того, Северный морской путь (СМП) рассматривается как важнейший транзитный маршрут, соединяющий Европу и Азию. Немаловажным фактором остаётся наличие крупных месторождений нефти и газа в Арктическом регионе (рис. 2, 3) .
Рисунок 2 - Лицензии на арктический шельф принадлежат «Газпром нефти»
Примечание: источник «Газпром нефть», в редакции автора
Рисунок 3 - Лицензии на арктический шельф, принадлежащие «Роснефти»
Примечание: источник [6]
Гидрометеорологическое обеспечение является неотъемлемой частью успешного функционирования судоходства, нефтегазодобычи и строительства инфраструктуры в Арктике, включающим сбор, анализ и прогнозирование данных о состоянии атмосферы, океана и ледового покрова. Такие данные необходимы для принятия решений в реальном времени, а также для долгосрочного планирования проектов.
Таким образом, Арктическая зона Российской Федерации обладает значительным потенциалом для экономического роста и укрепления позиций России на мировом рынке энергоресурсов и транзитных перевозок. Однако реализация этого потенциала требует комплексного подхода, включающего развитие инфраструктуры, внедрение инновационных технологий и обеспечение безопасности.
3. Запрос проектирования в нормативной документации
Для реализации проектирования инфраструктурных объектов, в большей степени гидротехнической направленности (порты, морские платформы, оградительные сооружения и др.) необходимо большое количество информации, в частности гидрометеорологической. Такая информация архивируется и первично обрабатывается на постах гидрометеорологической сети, либо традиционным образом производятся инженерные изыскания для выявления необходимых параметров. Описанный подход на протяжении долгого времени осуществлял заданные функции, но не лишен недостатков и проблем.
Одной из ключевых проблем в современной практике инженерных изысканий и нормативной документации является отсутствие четко сформулированных запросов проектировщиков на исходные данные в нормативной документации. Например, в действующих стандартах основное внимание уделяется методам проведения изысканий, но не формулируются конкретные требования к объему и характеру данных, необходимых для проектирования гидротехнических сооружений (ГТС). Это создает ситуацию, при которой:
· Проектировщики не всегда могут четко определить, важность предоставленной информации о параметрах окружающей среды необходимых для расчетов нагрузок, воздействий и других факторов, ввиду необрабатываемых данных и неподходящих форм предоставленных данных;
· Изыскатели предоставляют данные, которые могут быть избыточными или, напротив, недостаточными для решения поставленных задач;
· Отсутствие стандартизированных запросов приводит к разрыву между этапами изысканий и проектирования, что снижает эффективность всего процесса.
Другой значимой проблемой является несформулированность в нормативной документации информации о ранжировании параметров окружающей среды заданных обеспеченностей согласно классам гидротехнических сооружений. Классификация ГТС по уровням ответственности (I, II, III классы) предполагает различный подход к оценке рисков и нагрузок. Уточнённые значения того или иного параметра возможно получить путем статистической обработки повторяемости максимально возможного опасного явления при условии долгих и постоянных наблюдений. Такая информация не описана в нормативной документации по проектированию гидротехнических сооружений.
4. Методы мониторинга и прогнозирования ледовой обстановки
В настоящее время как было описано ранее получение исходных данных происходит традиционно с помощью использования наблюдений на постах гидрометеорологической сети и инженерных изысканий. Необходимо отметить состояние гидрометеорологической сети в Арктическом регионе РФ (рис. 4, 5).
Рисунок 4 - Динамика численности исторической и действующей в настоящее время гидрометеорологической сети, расположенной в Арктической зоне РФ
Примечание: а) гидрометеорологическая сеть в европейской, азиатской частях и в АЗРФ в целом; б) гидрометеорологическая сеть по видам наблюдений.
Источник [10]
Рисунок 5 - Количественный состав гидрометеорологической сети в 2022 г по бассейнам морей, водосборы или части которых расположены в АЗРФ
Примечание: источник [10]
Несмотря на то что, согласно работе , информационная значимость таких НП в АЗ РФ существенно выше, чем в других регионах РФ, что свидетельствует о климатообразующем влиянии процессов, протекающих в Арктике, на формировании климата России — количество НП сокращается и не комплектуется. Основная морская (береговая) наблюдательная сеть АЗ РФ представлена в перечне НП, не подлежащих закрытию и сокращению объемов и программ метеорологических наблюдений согласно приказу Росгидромета. Реорганизации и сокращению могут быть подвергнута только дополнительная наблюдательная сеть. В соответствии с должное внимание уделяется состоянию, организации и проведению наблюдений на труднодоступных станциях, составляющих более 30% от общего числа НП.
Таким образом, предлагается использовать новые подходы в целях применения уже накопленной и архивируемой информации с помощью новых подходов и технологий, которые на данный момент выполняют функцию прогнозную и наблюдательную за состоянием окружающей среды.
4.1. Ледовые карты и роль в прогнозировании
Ледовые карты являются основным инструментом для мониторинга состояния морского льда, создающиеся на основе данных спутникового дистанционного зондирования, наземных наблюдений и экспертных оценок. Важным источником информации служат данные Национального ледового центра США (НЛЦ), а также продукты программ Copernicus и Роскосмоса. Современные технологии позволяют создавать ледовые карты с высоким пространственным разрешением, что значительно повышает точность прогнозов.
Ниже представлена первая работа, описывающая применение разработанного многофункционального комплекса в целях построения ледовых карт .
Рисунок 6 - Основные этапы технологии построения ледовых карт в графическом формате многофункциональном ПК «PlanetaMultiSat»
Примечание: источник [1]
В настоящее время для мониторинга ледовой обстановки в НИЦ «Планета» преимущественно используется информация видимого и инфракрасного диапазонов с полярно-орбитальных российских КА Метеор-М No2, 2-2 Канопус-В No3, 4, 5, 6, Канопус-В-ИК и зарубежных КА NOAA-18, 19, 20, Metop-A, B, Suomi NPP, спутников серии EOS (Aqua, Terra) .
Ледовые карты являются результатом комплексирования спутниковых данных разного рода спектральных диапазонов, пространственного разрешения, а также привлечения наземных измерений ледовых параметров, экспертных мнений (рис. 6).
Данная информационная продукция передается в территориальные органы Росгидромета, Минобороны России (ГМС ВС РФ и др.), МЧС России (НЦУКС и др.). Ледовые карты также размещаются в Мировом центре данных по морскому льду наряду с ледовой продукцией различных национальных ледовых служб и ведущих спутниковых центров мира.
Другая статья обозревает проблемы разработки месторождения "Shtokman" в свете текущей экономической ситуации. При освоении нефтегазовых месторождений на российском шельфе, включая Штокмановское месторождение в Баренцевом море, рассматривается использование технологических судов в качестве эффективной концепции обустройства. В рамках реконструкции траекторий дрейфа льда из северных районов Баренцева моря применяются два подхода: использование данных дрейфующих буев и анализ архивов данных космической информации. Для реконструкции ледового дрейфа используются данные буев, а также изображения пассивные микроволновые (ПМ) и активные (с помощью радаров с синтезированной апертурой, SAR), с различным разрешением и методами координатной привязки (рис. 7).
Рисунок 7 - Траектории дрейфа с 1 февраля по 5 мая 2003 г. на фоне векторных точек 1-7 февраля
Примечание: источник [7]
Таким образом, наиболее приемлемым методом для определения скорости дрейфа льда стал — отслеживание льда по спутниковым снимкам. В мире существуют несколько организаций, фиксирующих дрейф льда с помощью спутниковых снимков. В базах данных представлены в виде наблюденных векторов дрейфа льда по определённой даты и промежутка времени (6 дней), в виде растровых карт и файлов ASCII с векторными координатами. Результаты получают с помощью автоматического анализа карт по смещению ледовых полей .
Опасные явления, такие как торосы, стамухи и айсберги, представляют серьезную угрозу для морских операций. В целях выявления опасных явлений в том числе используется многофункциональный программный комплекс «PlanetaMultiSat», разработанный в ФГБУ «НИЦ «Планета». Данный комплекс позволяет обрабатывать данные различного разрешения и формировать детализированные прогнозы , .
4.2. Численное моделирование дрейфа льда
Помимо использования использование данных дрейфующих буев и анализ архивов данных космической информации применяются численные модели.
Одним из перспективных направлений является использование численных моделей для прогнозирования дрейфа льда. Например, в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) разработана модель, учитывающая влияние ветра, океанских течений и других факторов на движение льда. Модель позволяет прогнозировать экстремальные скорости дрейфа, что особенно важно для обеспечения безопасности судоходства . Также для длительного прогностического результата разработан программный модуль PrognozSP_Ellips, осуществляющий расчет прогностического результирующего перемещения льда в Арктическом бассейне по данным каждого года-аналога, отобранного на предыдущем этапе, и вычисляет вектор направления . Результаты прогнозов показали сравнительно высокую оправдываемость. Метод характеризуется положительной эффективностью по сравнению с климатическими оценками.
5. Исследование ветрового волнения
Необходимость определения ветрового волнения в Арктике сложно недооценить. В последние годы площади льдов в Арктике имеют тенденцию к уменьшению, длительность безледного периода наоборот увеличивается. Таким образом, исследование ветрового волнения в указанных морях является актуальной задачей. Математическое моделирование волнения на основе данных о ветре и сплоченности льда из реанализов сейчас является практически единственным методом, позволяющим изучать климатические особенности волнения за последние 30–40 лет в этих морях.
В данной работе представлены результаты расчетов ветрового волнения за период с 1979 по 2019 год в море Лаптевых, Чукотском и Восточно-Сибирском морях. В результате исследованы режимные и экстремальные характеристики ветрового волнения, а также сделана оценка качества моделирования.
Ветровое волнение является важным фактором, влияющим на безопасность морских сооружений и судоходства. Для прогнозирования такого рода параметров используется спектральная волновая модель WAVEWATCH III, учитывающая нелинейные взаимодействия трех волн, характерные для закрытых и мелководных акваторий, эффекты обрушения и дифракции волн на малых глубинах, а также влияние морского льда. Результаты моделирования показывают высокую корреляцию с натурными наблюдениями, что подтверждает достоверность прогнозирования (рис. 8).
Рисунок 8 - Сравнение высоты значительных волн по данным измерений с результатами моделирования
Примечание: источник [8]
Рисунок 9 - Максимальная многолетняя высота значительных волн с 1979 по 2021 год
Примечание: источник [8]
6. Информационные системы и базы данных
6.1. Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО)
ЕСИМО — это интегрированная информационная система, которая обеспечивает доступ к данным о состоянии атмосферы, океана и ледового покрова, формируемой на основе информации, предоставляемой федеральными органами исполнительной власти и научными организациями (рис. 10). ЕСИМО, осуществляющая деятельность в области подготовки и распространения оперативной диагностической и прогностической информации о состоянии атмосферы и морской среды, играет ключевую роль в координации усилий по мониторингу и прогнозированию гидрометеорологических процессов. В технологическом отношении деятельность центра состоит в реализации информационно вычислительной системы, действующей в автоматизированном режиме и обеспечивающей регулярный выпуск и распространение регламентированной оперативной продукции .
Рисунок 10 - Прогноз параметров ветрового волнения Черного и Азовского морей
Примечание: источник [11]
6.2. Глобальные системы наблюдения
Программы Copernicus и GCOS обеспечивают доступ к глобальным базам данных, включая записи о температуре поверхности моря, концентрации парниковых газов и состоянии ледников. Такие данные используются для анализа долгосрочных изменений климата и прогнозирования будущих тенденций изменения сплоченности и присутствия льда на акватории в различные сезоны. Росгидромет обеспечивает гидрометеорологическую безопасность и предоставляет достоверную информацию о состоянии окружающей среды, на системном уровне, способствуя информируемости широкого спектра отраслей экономики, развитию и укреплению национальной безопасности. Роскосмос, через Геопортал, предоставляет доступ к данным дистанционного зондирования Земли, что важно для мониторинга и анализа состояния земной поверхности, особенно в рамках длительных временных диапазонов.
Международные программы, такие как CMIP5 и NSIDC, дополняют национальные реестры параметров, предоставляя глобальные данные и модели для изучения климатических процессов, прогнозирования изменений и анализа криосферы.
Каждая из приведённых систем обладает очевидными минусами и преимуществами. Например, в разнообразии приводимой информации об окружающей среде и доступу, интерпретируемости полученной информации.
Среди всех выделяется ЕСИМО в простоте использования и доступности ресурсной базы, а также многообразием получаемой информации, разного типа данных. Помимо указанных плюсов ЕСИМО обладает интеграцией с другими системами получения информации об окружающей среде, что расширяет возможности применения комплекса как потенциального источника данных для проектирования.
Таким образом, интеграция данных из различных источников в рамках ЕСИМО, использования современных технологий позволяет эффективно решать задачи, связанные с получением, первичной обработкой и формирования исходных данных для различных отраслей экономики.
7. Перспективы развития
Одним из перспективных направлений является развитие автоматизированных систем прогнозирования, использующих различные программные комплексы и системы накопления и первичной обработки поступающих данных, позволяющие повысить точность прогнозов и сократить время подготовки. Такие инновации применяются в осуществлении различных отраслей, таких как обеспечение мореплавания. Однако в проектировании морских сооружений вышеописанные методы и практики не применяются ввиду использования традиционных, а также в существующих ограничениях в виде несформированных и не описанных подходов в нормативной документации.
Применив такие подходы возможно ускорить и упростить получение исходных данных для назначения расчетных значений нагрузки.
Несмотря на значительные достижения, существующая наблюдательная сеть в Арктике остается недостаточно развитой. Необходимо расширить сеть гидрометеорологических станций и постов, особенно в труднодоступных районах.
8. Заключение
В рамках проделанной работы были достигнуты следующие задачи:
- изучены возможности систем дистанционного зондирования (ДЗЗ), спутниковых наблюдений (например, Роскосмос, Copernicus) и численного моделирования (WAVEWATCH III, CMIP5) для получения данных о ледовом покрове, волнении, ветре и других параметрах;
- подтверждена эффективность ЕСИМО как интегрированной платформы для сбора и анализа данных о морской обстановке, включая ледовые карты в формате SIGRID-3 и прогнозы ледового дрейфа;
- выявлено недостаточное качество проводимых замеров на постах гидрометеорологической сети ввиду постепенного снижения количества наблюдательных пунктов, дефицит специалистов, сложных климатических условий и постепенного выхода из строя измерительного оборудования.
Арктика является уникальным регионом с огромным экономическим потенциалом. Однако, освоение Арктики требует решения сложных задач, связанных с прогнозированием и мониторингом гидрометеорологических процессов. Современные методы, основанные на использовании спутниковых данных, численного моделирования и автоматизированных систем, позволяют значительно повысить точность прогнозов и обеспечить безопасность хозяйственной деятельности. В будущем развитие таких технологий станет ключевым фактором успеха в освоении Арктики.