Численное моделирование гидродинамических волновых процессов в Азовском море на основе ветроволновой модели Wavewatch III
Автор: Проценко Е.А., Сухинов А.И., Проценко С.В.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.17, 2024 года.
Бесплатный доступ
Статья посвящена исследованию возможностей современной версии ветроволновой модели третьего поколения WAVEWATCH III (WW3). Приведены основные уравнения модели и описана программная реализация. Проведен численный реанализ (повторный анализ с учетом изменения во времени) характеристик ветрового волнения в Азовском море, результаты моделирования сопоставлены с данными многолетних наблюдений гидрометеостанций на его берегах, хранящимися в базах данных Единой межведомственной федеральной информационной системы (ЕСИМО). Расчетные области, аппроксимирующие конфигурацию берегов и батиметрию реальных морских бассейнов, в прогностической модели представляют собой регулярные широтно-долготные сетки из элементов размером 1.2 x 1.2 град (примерно 2 x 2 км). Необходимые для проведения расчетов батиметрия и соответствующая ей маска «суша-море» (двумерный массив значений, задающих принадлежность ячейки суше или морю) для каждого из бассейнов получены с использованием навигационных карт. При реанализе входная информация о ветре в узлах сетки формировалась исходя из многолетних климатических данных о его скорости в течение определенного месяца с 2008 по 2023 год. На основе спектральной модели WW3 осуществлен расчет параметров ветрового волнения в Азовском море. Построены прогностические карты ветрового волнения в течение среднего периода, средних длин и высот преобладающих волн в различные моменты времени. Необходимые для вычислений метеорологические поля (скорости ветра, температуры воды и воздуха) брались из баз данных системы Гидрометцентра России и Национальной администрации океанических и атмосферных исследований США. Найдены показатели эффективности при гибридном распараллеливании (MPI-OpenMP), определена масштабируемость как при MPI, так и при гибридных запусках.
Математическое моделирование, модель wavewatch iii, гибридное распараллеливание, ретроспективный анализ, ветровое волнение, прогностические карты
Короткий адрес: https://sciup.org/143183749
IDR: 143183749 | DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.4.34
Numerical simulation of hydrodynamic wave processes in the Sea of Azov based on the Wavewatch III wind-wave model
The article is devoted to the study of the possibilities of the modern version of the third-generation wind-wave model WAVEWATCH III (WW3). The basic equations of the model are given and the software implementation is described. A retrospective analysis of the characteristics of wind waves in the Sea of Azov was carried out, and the simulation results were compared with the data from long-term observations of coastal hydrometeostations of the Sea of Azov, presented in the Unified Interdepartmental Federal Information System (ESIMO) databases. In the predictive model, the computational domains approximating the shoreline configuration and the bathymetry of real marine basins are regular latitude-longitude grids consisting of elements of size 1.2 x 1.2 degree (about 2 x 2 km). The bathymetry and the corresponding land-sea mask (a two-dimensional array with values determining the belongingness of an element to ground or sea) required to do calculations for each of the basins were constructed using navigation maps. In the retrospective analysis, climatic data for a multi-year month (2008-2023) on wind speed were used to generate input wind data at grid nodes. Based on the WW3 spectral model, the forecast of wind wave parameters in the Sea of Azov was carried out. Prognostic maps of the average period, average length and heights of the waves prevailing at different points in time were constructed. The meteorological fields (wind speed, water and air temperature) necessary for calculations were taken from the databases of the Hydrometeorological Center of Russia and NCEP/NOAA. Parallel efficiency indicators for hybrid parallelization (MPI-OpenMP) were calculated, and scalability was determined for both MPI and hybrid launches.
Список литературы Численное моделирование гидродинамических волновых процессов в Азовском море на основе ветроволновой модели Wavewatch III
- Alves J.- H.G.M., Chawla A., Tolman H.L., Schwab D., Lang G., Mann G. The Operational Implementation of a Great Lakes Wave Forecasting System at NOAA/NCEP* // Weather and Forecasting. 2014a. Vol. 29, no. 6. P. 1473–1497. DOI: 10.1175/WAF-D-12-00049.1
- Ardhuin F., Rawat A., Aucan J. A numerical model for free infragravity waves: Definition and validation at regional and global scales // Ocean Modelling. 2014a. Vol. 77. P. 20–32. DOI: 10.1016/j.ocemod.2014.02.006
- Ardhuin F., Collard F., Chapron B., Girard-Ardhuin F., Guitton G., Mouche A., Stopa J.E. Estimates of ocean wave heights and attenuation in sea ice using the SAR wave mode on Sentinel-1A // Geophysical Research Letters. 2015a. Vol. 42. P. 2317–2325. DOI: 10.1002/2014GL062940
- WAVEWATCH III Development Group: Public release version 6.07. a. URL: https://github.com/NOAA-EMC/WW3/releases/tag/6.07 (дата обращения: 15.11.2024)
- Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане. URL: http://esimo.ru/portal/ (дата обращения: 15.11.2024)
- Панфилова М.А., Кузнецова А.М., Байдаков Г.А., Троицкая Ю.И., Караев В.Ю. Методика сравнения данных расчёта волновой модели WAVEWATCH III с данными радиолокатора Ka-диапазона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17, № 7. C. 9–18. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-7-9-18
- Li J., Zhang S., Liu Q., Yu X., Zhang Z. Design and evaluation of an efficient high-precision ocean surface wave model with a multiscale grid system (MSG_Wav1.0) // Geoscientific Model Development. 2023a. Vol. 16, no. 21. P. 6393–6412. DOI: 10.5194/gmd-16-6393-2023
- Gu J., Li X., He Y. A speckle noise suppression method based on surface waves investigation and monitoring data // Acta Oceanologica Sinica. 2023a. Vol. 42, no. 1. P. 131–141. DOI: 10.1007/s13131-022-2103-4
- Li J., Qian H., Li h., Liu Y., Gao Z. Numerical study of sea waves created by tropical cyclone Jelawat // Acta Oceanologica Sinica. 2011a. Vol. 30. P. 64–70. DOI: 10.1007/s13131-011-0148-x
- Li M., Ip R., Judith W., Chen X., Burrows R. Numerical investigation of wave propagation in the Liverpool Bay, NW England // Acta Oceanologica Sinica. 2011a. Vol. 5. P. 1–13. DOI: 10.1007/s13131-011-0142-3
- Григорьева В.Г., Гулев С.К., Шармар В.Д. Верификация глобальной спектральной волновой модели WAVEWATCH III по данным попутных судовых наблюдений // Океанология. 2020. Т. 60, № 1. C. 14–26. DOI: 10.31857/S003015742001013X
- Chu P.C., Qi Y., Chen Y., Shi P., Mao Q. South China Sea Wind-Wave Characteristics. Part I: Validation of Wavewatch-III Using TOPEX/Poseidon Data // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2004a. Vol. 21. P. 1718–1733. DOI: 10.1175/JTECH1661.1
- Sangalugeme C., Luhunga P., Kijazi A., Kabelwa H. Validation of Operational WAVEWATCH III Wave Model Against Satellite Altimetry Data Over South West Indian Ocean Off-Coast of Tanzania // Applied Physics Research. 2018a. Vol. 10, no. 4. P. 55–65. DOI: 10.5539/apr.v10n4p55
- WAVEWATCH III Development Group: User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 6.07. Tech. Note 333, NOAA/NWS/NCEP/MMAB. College Park, MD, USA, 2019a. 465 p.
