Интерпретация результатов расчетов со спектральной моделью прогноза волн с помощью фазо-разрешающей модели

Статья посвящена интерпретации результатов спектрального прогнозирования ветрового волнения с помощью фазо-разрешающей модели. Спектральные модели рассчитывают эволюцию распределения потенциальной энергии по углу и частоте, но не содержат информации о геометрии и статистических характеристиках волн. Эти сведения приходится извлекать с помощью дополнительных гипотез, не всегда хорошо обоснованных. Предлагается вычислительная процедура, позволяющая трансформировать спектральную информацию в двухмерное волновое поле. Такое поле состоит из совокупности линейных мод со случайно распределёнными фазами. Это поле нереально, поскольку оно не обладает нелинейными свойствами: повышенной вероятностью крупных волн и различными свойствами асимметрии, например, повышенным эксцессом. На следующем этапе разработанной процедуры предлагается принимать воспроизведённое на основе спектра линейное волновое поле как начальное условие для фазо-разрешающей модели. Затруднение состоит в том, что точные модели, формально пригодные для такого счёта, слишком громоздки и неэффективны, что практически исключает их систематическое применение. Положение может быть исправлено привлечением нового типа моделирования трёхмерных волн, основанного на двухмерных уравнениях. Двухмерная модель считает в десятки раз быстрее, чем точная трёхмерная модель. Анализ результатов, полученных с такой моделью, показал, что она воспроизводит статистические характеристики волн, практически не отличающиеся от результатов точного моделирования. В статье описана процедура обработки спектральных данных и приведены примеры использования разработанного метода процедуры для интерпретации спектрального прогноза волн в Балтийском море.

1. Tolman H.L. User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14. Technical Report. NOAA/ NWS/NCEP/MMAB. May 2009.

2. Clamond D., Fructus, D., Grue J., Krisitiansen O. An efficient method for three-dimensional surface wave simulations. Part II: Generation and absorption // J. Comp. Phys. 2005. Vol. 205. P. 686–705. doi:10.1016/j.jcp.2004.11.038

3. Bingham H.B., Zhang H. On the accuracy of finite-difference solutions for nonlinear water waves // J. Eng. Math. 2007. Vol. 58. P. 211–228. doi:10.1007/s10665-006-9108-4

4. Engsig-Karup A.P., Bingham H.B., Lindberg O. An efficient flexible-order model for 3D nonlinear water waves // J. Comp. Phys. 2009. Vol. 228. P. 2100–2118. doi:10.1016/j.jcp.2008.11.028

5. Chalikov D. Numerical modeling of sea waves. Springer, 2016. 330 p.

6. Ducrozet G., Bonnefoy F., Le Touzé D., Ferrant P. HOS-ocean: Open-source solver for nonlinear waves in open ocean based on High-Order Spectral method // Comp. Phys. Comm. 2016. Vol. 203. P. 245–254. doi:10.1016/j.cpc.2016.02.017

7. Chalikov D. Numerical modeling of surface wave development under the action of wind // Ocean Sci. 2018. 14 (3). P. 453–470. doi:10.5194/os-14-453-2018

8. Chalikov D. Accelerated reproduction of 2-D periodic waves // Ocean Dyn. 2021. Vol. 71. P. 309–322. doi:10.1007/s10236-020-01435-8

9. Чаликов Д. Двумерное моделирование трехмерных волн // Океанология. 2021. Т. 61. № . 6. P. 913–924. doi:10.31857/S0030157421060046

10. Chalikov D. A 2D Model for 3D Periodic Deep-Water Waves // J. Mar. Sci. Eng. 2022. 10, 410. doi:10.3390/jmse10030410

11. Chalikov D. Statistical Properties of 3-D Waves Simulated with 2-D Phase-Resolving Model // Phys. Wave Phen. 2023. Vol. 31. No. 2. P. 114–122. doi:10.3103/S1541308X23020048

12. Michalakes J., Dudhia J., Gill D., Henderson T., Klemp J., Skamarock W., Wang W. The Weather Reseaрch and Forecast Model: Software Architecture and Performance // Proceedings of the 11th ECMWF Workshop on the Use of High Performance Computing In Meteorology. 2004. P. 25–29.

13. National Centers for Environmental Prediction/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce, NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses, continuing from July 1999. Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory, Boulder, CO. 2000, 11–14. doi:10.5065/D6M043C6