STORM WAVES IN THE NORTHERN PART OF THE BLACK SEA

ШТОРМОВОЕ ВОЛНЕНИЕ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ

Научная статья

Гармашов А.В.¹, ^*, Толокнов Ю.Н.² , Коровушкин А.И.³ , Марюшкин Ю.А.⁴

¹ ORCID: 0000-0003-4412-2483;

^1–4 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* Корреспондирующий автор (ant.gar[at]mail.ru)

Аннотация

В статье приводятся результаты мониторинга ветрового волнения, проводимого в период 2011-2019 гг. на морской стационарной платформе, расположенной в северной части Черного моря в районе п.Кацивели. В результате анализа более 39000 часовых волнограмм получены основные статистические характеристики высот волн, описывающие волновой режим в районе южного берега Крыма. В частности, среднемесячная высота значительных волн в летние месяцы составляла примерно 0,4 м, в зимние месяцы – 0,75 м. Максимальные высоты значительных волн при штормах достигали значений 2 м летом и 2,7 м – зимой, при этом наибольшие одиночные волны достигали 4,6м летом, 6,4 м зимой. Наибольшую повторяемость в летние месяцы имело слабое волнение, в зимние месяцы легкое волнение. Высота значительных волн в районе южного берега Крыма, возможная 1 раз в 40 дет, составляет 4 м, а максимальная высота волны может достигать 9 м.

Ключевые слова: ветровое волнение, высоты волн, повторяемость, Черное море.

STORM WAVES IN THE NORTHERN PART OF THE BLACK SEA

Research article

Harmashov A.V.¹, ^*, Toloknov Yu.N.² , Korovushkin A.I.³ , Maryushkin Yu.A.⁴

¹ ORCID: 0000-0003-4412-2483;

^1–4 Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences, Sevastopol, Russia

* Corresponding author (ant.gar[at]mail.ru)

Abstract

The article presents the results of wind waves monitoring conducted in the period 2011-2019 on an offshore fixed platform located in the northern part of the Black Sea in the area of Katsiveli. As a result of the analysis of more than 39,000 hourly wave records, the main statistical characteristics of wave heights describing the wave mode in the area of the southern coast of Crimea were obtained. In particular, the average monthly height of significant waves in summer months was about 0.4 m, in winter months – 0.75 m. The maximum heights of significant waves during storms reached values of 2 m in summer and 2.7 m in winter, while the largest single waves reached 4.6 m in summer and 6.4 m in winter. Little agitation had the biggest frequency in summer months, and light agitation in winter months. The height of significant waves in the area of the southern coast of Crimea, possible 1 time in 40 years, is 4 m, and the maximum wave height can reach 9 m.

Keywords: wind waves, wave heights, frequency, the Black Sea.

Введение

Несмотря на достаточно длительную историю исследования ветро-волновых характеристик Черного моря, наблюдается явная нехватка длительных инструментальных наблюдений в акватории моря. Нарастающая активность военного и коммерческого судоходства актуализировала проблему получения современной информации о климатических и экстремальных волновых параметрах в акватории Черного моря.

Ввиду явной нехватки продолжительных натурных измерений параметров ветровых волн в открытых районах моря характеристики ветрового волнения различной статистической обеспеченности и повторяемости получают обычно расчетным путем [1], [2], [3] с помощью численных моделей, таких как SWAN [3], [4], WAM [5] или WW3.

Существует большое количество справочной и научной литературы по режимным и экстремальным параметрам ветровых волн для акватории Черного моря [6], [7], наблюдается недостаточное количество работ, которые бы использовали продолжительные инструментальные записи в северной части Черного моря. Здесь необходимо отметить единственные комплексные измерения ветро-волновых параметров, которые проводились в Черном море в рамках проекта NATOTU-WAVESProject, на шести станциях: Синоп и Хопа (Турция), Геленджик (Россия), платформы Кацивели (южный берег Крыма) и Голицыно-4 (Украина), платформа Глория (Румыния). Измерения на станциях Синоп и Хопа и Геленджик проводились с помощью заякоренной волновой станции DATAWELL. Продолжительность измерений на станции Геленджик составляла 52 месяца, на Хопе – 41 месяц и на Синопе – 8 месяцев. Волновые данные с этих станций достаточно хорошо освещены в различных статьях и представлены на научных конференциях [3], [4], [8], [10]. Ветро-волновой мониторинг, который проводился на стационарных платформах Кацивели, Голицыно-4 и Глория, выполнялся с помощью автоматизированного гидрометеорологического комплекса, разработанного в МГИ. Данные со стационарных платформ Кацивели, Голицыно-4 и Глория практически не представлены в литературе. На сегодняшний день гидрометеорологические измерения, которые были выполнены на платформах Голицыно-4 и в п. Кацивели, являются самыми длительными наблюдениями за ветровым волнением в акватории Черного моря.

Основная цель данной работы заключалась в анализе и обобщении многолетних измерений ветрового волнения в северной части Черного моря (южный берег Крыма (ЮБК)), выполненных на стационарной океанографической платформе (СОП) в 2011-2019 гг., для получения режимных и экстремальных характеристик волн.

Район измерений, используемая аппаратура, методы

Гидрометеорологические измерения были выполнены на исследовательской СОП, находящейся в прибрежной части Черного моря в районе п. Кацивели (рисунок 1). СОП представляет собой свайную прямоугольную конструкцию размером 20x20 м., оборудованную для выполнения специализированных гидрологический, океанографических и метеорологических исследований. Глубина моря в точке расположения СОП – 30 м., дистанция до берега составляет около 600 м. Для проведения океанологических измерений используется морская часть платформы, ориентированная примерно 50⁰ – 230⁰ относительно севера.

Рис. 1 – Расположение платформы и места установки измерительных датчиков

Для выполнения измерений ветрового волнения на СОП был задействован разработанный в МГИ РАН комплекс сбора гидрометеорологических данных (КСГД) [11]. Все регистрируемые комплексом КСГД параметры, диапазон и погрешность измерений, дискретность опроса приводятся в работе [11]. Для регистрации высот волн на выстреле длиной 6м (точка 1 рисунок 1) был установлен витой резистивный волнограф, дискретность записи возвышения поверхности моря составляла 4 Гц, максимальная высота волны, которую способен зафиксировать комплекс КСГД, равна 10 м. Погрешность измерения высот волн комплексом не превышает 1 см. Запись параметров ветрового волнения выполнялась в течениие периода 2011-2019 гг., который с перерывами охватывает 9 лет. За весь период мониторинга было накоплено и обработано более 39 000 волнограмм продолжительностью до 14400 измерений (до 60 мин.). На данный момент наблюдения, выполненные на СОП в районе п. Кацивели, являются самыми продолжительными инструментальными измерениями параметров волн в районе ЮБК в Черном море.

Все волнограммы прошли контроль качества с удалением ненадежных и сбойных фрагментов. В статье высота значительных волн (H_s) рассчитывалась как 4 величины среднеквадратического отклонения [12]. Максимальная высота волны (H_max) в записи ветрового волнения определялась как набольшее расстояние между подошвой и гребнем.В статье при анализе повторяемостей высот значительных волн используется шкала волнения моря, разработанная и принятая Всемирной Метеорологической Организацией:

• H_s< 0,1 м, 0 – 1 балл – штиль, рябь;
• H_s 0,1 – 0,5 м, 2 балла – слабое волнение;
• H_s 0,5 – 1,25 м, 3 балла – легкое волнение;
• H_s 1,25 – 2,5 м, 4 балла – умеренное волнение;
• H_s 2,5 – 4,0 м, 5 баллов – бурное волнение;
• H_s 4,0 – 6,0 м, 6 баллов – очень бурное волнение.

Для получения волновых характеристик, имеющих малую вероятность появления (1 раз в 5, 10, 20, 30, 40 лет), строилась аналитическая функция распределения экстремальных значений исследуемых параметров. Функция распределения была получена методом годовых максимумов с использованием обобщенного распределения экстремальных значений GEV (GeneralizedExtremeValue) [13], [14]. Считается, что экстраполяция методом годовых максимумов обоснована для временных интервалов, не превышающих длину исходного ряда в 3-4 раза [15]. Доверительные интервалы (95-ти %) определялись согласно работе [16].

Основные результаты

Основные результаты гидрометеорологического мониторинга на СОП за 2011-2019 гг. показаны в таблицах 1 – 3. За весь период измерений наибольшую (52,5%) повторяемость (табл. 1) имело слабое волнение, причем в летние месяцы оно наблюдалось в 60-76% всех случаев, а в зимние месяцы составляло – 28-34%. Штилевые условия зимой не наблюдались, а летом составляли – 1-5%. Легкое волнение в течение года было зарегистрировано в 40,5 % всех наблюдений, причем летом оно было характерно для 20-30% всех волн, а зимой в 55-61%. Умеренное волнение в теплые месяцы наблюдалось менее чем в 3% всех случаев, а в холодные месяцы процент наблюдений умеренного волнения возрастал до 11%. Бурное волнение было измерено только в декабре (0,25%) и январе (0,08%). Ветровое волнение с высотами значительных волн более 4 м за весь период наблюдений на СОП зарегистрировано не было.

Таблица 1 – Повторяемость (%) высот значительных волн (H_s, м)

Срок	Hs, м
	0 – 0,1	0,1 – 0,5	0,5 –1,25	1,25 – 2,5	2,5 – 4,0	>4,0
Январь	0	30,62	58,25	11,04	0,08	0
Февраль	0	28,83	61,23	9,94	0	0
Март	2,64	45,85	44,47	7,03	0	0
Апрель	0,81	57,04	37,95	4,2	0	0
Май	3,37	69,94	26,07	0,61	0	0

Окончание таблицы 1 – Повторяемость (%) высот значительных волн (H_s, м)

Срок	Hs, м
	0 – 0,1	0,1 – 0,5	0,5 –1,25	1,25 – 2,5	2,5 – 4,0	>4,0
Июнь	4,15	69,89	23,74	2,22	0	0
Июль	4,84	60,12	33,95	1,1	0	0
Август	1,15	76,83	19,66	2,35	0	0
Сентябрь	1,97	69,4	25,28	3,35	0	0
Октябрь	0,69	45,07	46,37	7,87	0	0
Ноябрь	0	41,94	52,85	5,21	0	0
Декабрь	0	34,58	55,66	9,52	0,25	0
За год	1,63	52,52	40,45	5,38	0,02	0

Наибольшие средние высоты (0,75 м) значительных волн (Н_s av) наблюдались в зимние месяцы, в эти месяцы максимальная высота значительных волн (H_s max) может достигать 2-2,8 м, а наибольшая измеренная высота волны (H_max) составляла 6,42 м. В летние же месяцы характерно волнение с меньшими высотами волн: средние высоты значительных волн достигали примерно 0,4 м. В то же время максимальные высоты значительных волн в теплые месяцы могли достигать высоты 2 м, что немного меньше чем в зимние месяцы. В летние месяцы наибольшая высота волны была измерена в августе и составляла 4,6 м.

Таблица 2 – Характеристики ветрового волнения

Месяц	Величина
	Hs av, м	Hs max, м	H max, м
Январь	0,75	2,61	5,20
Февраль	0,75	2,04	4,03
Март	0,59	2,19	5,15
Апрель	0,50	1,79	3,47
Май	0,40	1,37	2,65
Июнь	0,38	1,83	3,32
Июль	0,43	2,06	3,66
Август	0,38	2,09	4,61
Сентябрь	0,44	2,22	4,21
Октябрь	0,63	2,19	5,65
Ноябрь	0,63	2,10	4,04
Декабрь	0,72	2,78	6,42

Рассчитанные значения для высот значительных волн и максимальной высоты волн, имеющих повторяемость 1 раз в 5, 10, 20, 30, 40 лет, а также границы 95-ти % доверительных интервалов приведены в табл. 3. Получено, что высота значительных волн, возможная 1 раз в 40, составляет 4 м, а максимальная высота волны может достигать 9 м. Следует обратить внимание, что полученные оценки сделаны только по данным измерений на СОП в 2011-2019 гг., в которых присутствуют пропуски. Поэтому для акватории Черного моря в районе ЮБК следует ожидать бóльших значений высот волн чем те, что приведены в табл. 3. Полученные в нашей работе оценки высот волн малой режимной обеспеченности следует рассматривать как минимально возможные оценки высот волн. Результаты, приведенные в табл. 3, хорошо согласуются с работой [17].

Таблица 3 – Оценки экстремальных значений высот волн для ЮБК

Период повторяемости,годы	5	10	20	30	40
Hmax , м	6,68	7,42	8,18	8,64	8,95
Доверительный интервал для Hmax, м	[4,82-8,55]	[5,41-9,43]	[6,06-10,30]	[6,47-10,81]	[6,79-11,11]
Hs , м	3,59	3,76	3,89	3,95	3,98
Доверительный интервалдля Hs, м	[3,29-3,89]	[3,46-4,06]	[3,59-4,19]	[3,65-4,25]	[3,67-4,28

Заключение

Проведены расчеты и оценены как режимные, так и максимальные характеристики параметров волнения, получено что:

• среднемесячная высота значительных волн в летние месяцы составляет примерно 0,4 м, в зимние месяцы – 0,75 м;
• максимальные высоты значительных волн при штормах достигали значений 2 м летом и 2,7 м – зимой, при этом наибольшие одиночные волны достигали 4,6м летом, 6,4 м зимой;
• наибольшую повторяемость в летние месяцы имело слабое волнение (0,1м<H_s<0,5м), в зимние месяцы легкое волнение (0,5м<H_s<1,25м);
• высота значительных волн в районе ЮБК, возможная 1 раз в 40 дет, может достигать 4 м, а максимальная высота волны составляет 9 м.

Полученные результаты измерений высот волн на СОП в районе ЮБК могут представлять интерес для развития рекреации региона, верификации численных волновых моделей и данных дистанционного зондирования искусственных спутников Земли.

Конфликт интересов  Не указан.

Conflict of Interest  None declared.