43 УДК 551.46(06) АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОГО ВЛИЯНИЯ

Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
УДК 551.46(06)
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОГО ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ
НА ПАРАМЕТРЫ ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ
ЮГО-ВОСТОЧНОЙ БАЛТИКИ
А.Н. Соколов, Б.В. Чубаренко
Атлантическое отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН,
Россия, 236022, г. Калининград, пр. Мира, 1
E-mail: [email protected]; E-mail: [email protected]
С помощью численного моделирования проведен анализ возможного влияния климатических изменений на параметры ветрового волнения в прибрежной зоне Калининградской области.
Произведены расчеты полей волнения при различных подъемах уровня моря: условия сегодняшнего дня, а также подъемы фонового уровня вод от 0.5 до 2 м. При этих величинах подъема ширина зоны между полосой первого обрушении волн и урезом сужается в 1.5-2 раза, что может приводить к усилению вдольбереговых течений и, как следствие, усилению эрозии дна и увеличению
интегрального транспорта наносов.
численное моделирование, ветровое волнение, транспорт наносов, климатические изменения
ВВЕДЕНИЕ
Ветры штормовой силы западных, северо-западных и северных направлений оказывают отрицательное влияние на пляжи Калининградской области, в
особенности на пляжи северной части Самбийского полуострова, где расположены основные курортные зоны: города Светлогорск, Зеленоградск и Куршская коса. Интенсивные течения [1], образующиеся между урезом и зоной первого обрушения волн, вызывают активную эрозию пляжей. Подъем уровня, связанный со
штормовым нагоном, усиливает разрушительное воздействие волнения и течений.
Толчком к написанию данной работы послужил шторм 12-14 января
2012 г. Во время этого шторма в течение длительного времени дул ветер северных
– северо-западных румбов. Ветер таких направлений обеспечивает фронтальный
подход волн к северному побережью Самбийского полуострова, создает условия
для значительного штормового нагона и является наиболее опасным с точки зрения размыва пляжей. Такие условия сложились в январе 2012 г. Из всех штормовых ситуаций с ноября 2011 по февраль 2012 г. шторм середины января был
наиболее разрушительным [2].
Последствиями шторма 12-14 января 2012 г. стали [3]: прорыв авандюны в
основании Вислинской косы и затопление ряда жилых строений; сильный размыв
берегозащитных дюн в основании Куршской косы (примерный объем смытого в
море материала составил 50 тыс. кубометров); разрушение набережных в Светлогорске, Зеленоградске и Пионерском. Ущерб, нанесенный штормом береговой
инфраструктуре, составил приблизительно 35 млн. руб., а берегам Куршской косы
и Самбийского полуострова – 80 млн. руб.
Целью данной работы является проведение исследований того, как климатические изменения и связанный с ними общий подъем уровня моря могут повлиять на последствия шторма, подобного тому, который наблюдался 12-14 января
2012 г.
43
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
МЕТОД
Исследования проводились путем математического моделирования с использованием комплекса MIKE1, который включает гидродинамический и спектрально-волновой модули, обменивающиеся в ходе расчета данными для обеспечения учета взаимного влияния волнения и течений.
В гидродинамическом модуле используются уравнения мелкой воды в
двумерном горизонтальном приближении [4, 5]. Спектрально-волновой модуль
основывается на решении уравнения баланса плотности волнового действия [5, 6].
Для моделирования волнения и осредненных по глубине течений использовалась нерегулярная сетка, охватывающая центральную часть Балтики (рис. 1).
Размеры ячеек сетки для открытого моря составляли порядка 5-7 км, а для прибрежных областей, представляющих интерес для моделирования, – порядка 100150 м. Данные о глубинах в расчетной области взяты из [7]. Все границы расчетной области были закрытыми, т.е. центральная часть Балтики рассматривалась
как замкнутый водоем. Единственной движущей силой, формирующей волнение
и течения в модели, был ветер. Предполагалось, что во всей расчетной области
ветер можно считать одинаковым по скорости и направлению и равным скорости
и направлению локального ветра, измеренного в районе, представляющем интерес
для моделирования.
Рис. 1. Расчетная область (центральная часть Балтийского моря). На врезках –
профили детального исследования в районе Зеленоградска и Балтийска
Fig. 1. Computational domain (the central part of the Baltic Sea). Inserts show profiles
for the detailed investigations near Zelenogradsk and Baltiysk
1
Программный комплекс MIКE разработан Датским гидравлическим институтом (www.dhi.de).
44
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Калибровка гидродинамического модуля была выполнена по данным полевых измерений, полученных Институтом гидроинженерии Польской академии
наук (IBW PAN). Результаты калибровки детально изложены в [5]. Основные результаты показаны на рис. 2. Коэффициент корреляции между модельным решением и измерениями составил 0.82.
Рис. 2. Скорости вдольбереговых течений в период 01-16 октября 2006 г.:
натурные данные (1) и результаты моделирования с учетом (2) и без учета (3)
взаимодействия волнения и средних адвективных течений
Fig. 2. Longshore current speed 01-16.10.2006: field data (1) and simulation results
with (2) and without (3) interaction waves and average advective currents
Калибровка спектрально-волнового модуля была выполнена по данным
полевых измерений, полученных также IBW PAN в период 23.10-16.11.2006г. [8]
с помощью волнового буя (Directional Wavereader), установленного на расстоянии
примерно в 2 км от уреза вблизи полевой станции института в пос. Любятово
(Польша). Глубина на месте установки буя была примерно 15 м. Запись направления и скорости локального ветра велась синхронно с измерением параметров волнения с помощью метеорологической станции IBW PAN.
Предварительные расчеты показали, что основным калибровочным
параметром в модели является коэффициент диссипации энергии в результате
образования волновых "барашков" при обрушении волн по типу рассыпания
волнового гребня. Оптимальное калибровочное значение безразмерного
параметра, полученное по результатам сравнения измерений и результатов
моделирования (рис. 3), оказалось равным 9.
45
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Рис. 3. Значительная высота волны и период пиков волн 23.10-16.11.2006:
натурные данные и результаты модельных расчетов
Fig. 3. Significant wave height and Peak wave period 23.10-16.11.2006: field data and
simulation results
Видно, что результаты моделирования находятся в удовлетворительном
соответствии с натурными данными с точки зрения совпадения пиков, средних за
несколько дней величин характеристик волнения и их размаха: средняя разность
значительных высот волн меньше 0.5, а максимальная - порядка 1.5 м. Средняя
разность натурных и модельных периодов пиков волн составляет менее 1, а максимальная – порядка 3 с. Коэффициент корреляции равен 0.89 для значительных
высот волн и 0.77 для периодов пиков волн.
Основываясь на результатах калибровки, можно сделать вывод, что использованная модельная постановка задачи учитывает основные факторы, необходимые для расчета с удовлетворительной точностью, как полей волнения, так и
осредненных по глубине течений.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Моделирование шторма 12-14.01.2012 г.
Откалиброванная модель была применена для расчета реального шторма,
который обрушился на Калининградскую область 12-14.01.2014 г.. Результаты
расчетов показаны на рис. 4 и 5. Легко видеть, что поля волнения неоднородны
вдоль береговой линии. Неоднородности зависят от направления ветра и бухтообразной изрезанности берега. Если ветер является западным или юго-западным,
северное побережье Самбийского полуострова находится в ветро-волновой тени.
В этом случае высота волн возле берега существенно меньше, чем во время северных или северо-западных ветров. Если ветер является северным или северозападным, обрушение волн на мелководье происходит на бóльших глубинах и на
бóльшем расстоянии от берега, что ведет к расширению прибойной зоны, где образуются интенсивные течения, вызывающие транспорт песчаных наносов.
Рис. 4. Поля волнения. Ветры с одинаковой скоростью и разными направлениями
Fig. 4. Wave fields. Winds with the identical speed and different directions
46
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Рис. 5. Зависимость значительной высоты волны от расстояния от уреза и от
глубины для профиля, расположенного в районе Зеленоградска (см. врезку на
рис. 1). Моделировался ветер с одинаковой скоростью (22 м/с) и разными
направлениями
Fig. 5. Significant wave height against distance from the shore and against the depth
dependencies for the profile near Zelenogradsk (see Fig. 1, insert) are shown. Wind with
the identical speed (22 m/sec) and different direction was simulated
Важно отметить, что северные и северо-западные ветры вызывают на северном побережье Самбийского полуострова штормовой нагон. Например, по результатам моделирования, в 6:00 14.01.2012 г. подъем уровня моря в районе Зеленоградска составил более 0.5 м. Вообще говоря, побережье в районе Зеленоградска является наиболее уязвимым в Калининградской области с точки зрения северных и северо-западных штормов. Это определяется географическим положением Зеленоградска, а именно его расположением на перегибе, который образуют
направления генерального простирания береговых линий – северного побережья
Самбийского полуострова и Куршской косы.
Анализ возможного влияния климатических изменений на параметры
ветрового волнения
Для моделирования влияния возможных климатических изменений на параметры волнения в прибрежной зоне Калининградской области рассматривались
четыре возможных климатических сценария с подъемом базового уровня моря на
0.5; 1; 1.5 и 2 м. Для каждого из сценариев рассчитывались поля волнения в прибрежной зоне с исходной глубиной 0-10 м (без учета сценарного подъема уровня)
при ветровых условиях, которые имели место во время реального шторма 12-14
января 2012 г. Результаты моделирования показаны на рис. 6-8.
Видно, что для северо–северо-западного ветра (340 ) расстояние от берега
до линии, на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается с 700 до
500 м при любом подъеме уровня. Расстояние от берега до линии, где происходит
второе обрушение волн, практически не меняется с подъемом уровня. Высоты
волн между линиями первого и второго обрушения плавно меняются с подъемом
уровня.
Для западного–юго-западного ветра (260 ) расстояние от берега до линии,
на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается значительно сильнее: от 700 м до 300 м при любом подъеме уровня. Второе обрушение при данном
направлении ветра практически незаметно.
47
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Рис. 6. Зависимость высоты волны от расстояния до уреза для профиля в районе
Зеленоградска (см. врезку на рис. 1) при подъемах уровня, соответствующих различным климатическим сценариям. Подъем "на 0 м" соответствует условиям,
характерным для 2012 г.
Fig. 6. Significant wave height against distance from the shore dependencies for the
profile near Zelenogradsk (see Fig. 1, insert) are shown. Different surface elevations
according to the different scenarios of the climate change are simulated. 0 meter level
rise corresponds to the 2012 year conditions
Рис. 7. Зависимость высоты волны от расстояния до уреза для профиля в районе
севернее Балтийского морского канала (см. врезку на рис. 1) при подъемах
уровня, соответствующих различным климатическим сценариям. Подъем "на 0 м"
соответствует условиям, характерным для 2012 г.
Fig. 7. Significant wave height against distance from the shore dependencies for the
profile located north of the Baltiysk strait (see Fig. 1, insert) are shown. Different surface elevations according to the different scenarios of the climate change are simulated.
0 meter level rise corresponds to the 2012 year conditions
Видно, что для северо–северо-западного ветра (340 ) расстояние от берега
до линии, на которой происходит первое обрушение волн, практически постоянно, пока подъем уровня не достигнет 2 м. В случае подъема уровня на 2 м, расстояние от берега до линии, на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается с 700 до 300 м. Расстояние от берега до линии, где происходит второе обрушение волн, практически не меняется с подъемом уровня, за исключением
подъема уровня на 2 м. При подъеме уровня на 2 м второе обрушение практически незаметно.
48
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Для западного–юго-западного ветра (260 ) расстояние от берега до линии,
на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается с 700 до 300 м при
любом подъеме уровня. Второе обрушение при данном направлении ветра практически незаметно.
Рис. 8. Зависимость высоты волны от расстояния до уреза для профиля в районе
южнее Балтийского морского канала (см. врезку на рис. 1) при подъемах уровня,
соответствующих различным климатическим сценариям. Подъем "на 0 м"
соответствует условиям, характерным для 2012 г
Fig. 8. Significant wave height against distance from the shore dependencies for the
profile located south of the Baltiysk strait (see Fig. 1, insert) are shown. Different surface elevations according to the different scenarios of the climate change are simulated.
0 meter level rise corresponds to the 2012 year conditions
Видно, что для северо–северо-западного ветра (340 ) расстояние от берега
до линии, на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается с 700 до
550 м при любом подъеме уровня. Расстояние от берега до линии, где происходит
второе обрушение волн, составляет порядка 250 м при любом подъеме уровня.
Высоты волн между линиями первого и второго обрушения плавно меняются с
подъемом уровня.
Для западного–юго-западного ветра (260 ) расстояние от берега до линии,
на которой происходит первое обрушение волн, уменьшается с 700 до 250 м при
подъеме уровня на 1-2 м. Второе обрушение при данном направлении ветра практически незаметно.
ВЫВОДЫ
Результаты моделирования показывают, что параметры волнения мористее
линии первого обрушения волн и в зоне между урезом и линией последнего обрушения практически одинаковы для всех рассмотренных сценариев и зависят
только от локальной глубины.
В то же время ширина зоны трансформации волн уменьшается в 1.5-2 раза
практически при любом подъеме уровня по сравнению с условиями, которые
наблюдаются сегодня. Сужение зоны трансформации волн ведет к увеличению
скорости вдольберегового течения. Это обстоятельство со значительной долей
вероятности приводит к усилению эрозии дна и увеличению интегрального
транспорта наносов.
49
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
Пример шторма 12-14 января 2012 г., случившегося на фоне экстремально
высокого уровня моря, не должен рассматриваться как прямой аналог возможных
штормов в будущем, когда средний уровень моря поднимется в силу климатических изменений. Подъём уровня в силу климатических изменений будет происходить в течение длительного времени, не мгновенно, как это было в период с ноября 2011 по декабрь 2012 г. В силу постепенности этих изменений и у донного рельефа, и у береговой линии "будет время" приспособиться к возможному подъему
уровня, так как рыхлый материал в прибойной зоне всегда приспосабливается к
полю ветрового волнения. Но, как следует из оценок, это приспособление будет
проходить на фоне развивающейся абразии берега.
БЛАГОДАРНОСТИ
Настоящий анализ был частично проведен за счет кооперационных проектов
СLIMSEAS и «Selection of shore protection methods in the conditions of observed
climate changes in the South-East Baltic» (АО ИО РАН – IBW PAN). Авторы
благодарны сотрудникам IBW PAN (Dr. Rafal Ostrowski, Dr. Piotr Szmytkiewicz) за
предоставленные данные натурных измерений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Massel S. R. Hydrodynamics of Coastal Zones. Oceanography Series, Elsevier Science & Technology. – 1989. – 48. – 336p.
2. Стонт, Ж.И. О зимней штормовой активности 2011-12 гг. и её последствиях для Куршской косы / Ж.И. Стонт, В.П. Бобыкина // Проблемы изучения и
охраны природного и культурного наследия национального парка «Куршская коса». – Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта. – 2013. – № 9. – C. 126-136.
3. Рекомендации круглого стола по теме "О состоянии берегов Калининградской области и мерах, принятых для обеспечения защиты побережья", Калининград, 14.03.2012 / Калининградская областная дума. – Калининград. – 2012. –
7с.
4. MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module.
Scientific Documentation, DHI Software. – 2005. – 48p.
5. Sokolov A., Chubarenko B. Wind Influence on the Formation of Nearshore
Currents in the Southern Baltic: Numerical Modelling Results // Archives of Hydroengineering and Environmental Mechanics. – 2012. – 59 (1-2) . – P. 37–48.
6. MIKE 21 Spectral Wave Module. Scientific Documentation, DHI Software. –
2005. – 52p.
7. Seifert T., Kayser B. A high resolution spherical grid topography of the Baltic
Sea. // Meereswiss. Ber. – 1995. – № 9. – P. 72-88.
8. Pruszak S., Szmytkiewicz P., Ostrowski R., Skaja M., Szmytkiewicz M. Shallow-water wave energy dissipation in a multi-bar coastal zone // Oceanologia. – 2008. –
50 (1). – 43-58.
50
Научный журнал «Известия КГТУ», №34, 2014 г.
SENSITIVITY ANALYSIS FOR WAVE REGIME IN WAVE-DEFORMATION
ZONE IN THE SOUTH-EASTERN BALTIC IN A VIEW OF POSSIBLE CLIMATE
CHANGES
A.N. Sokolov, B.V. Chubarenko
P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Atlanthic branch,
Russia, 236022, Kaliningrad, pr. Mira, 1
E-mail: [email protected]; E-mail: [email protected]
The two-dimensional spectral numerical model was used for a simulation of wind waves. The
modeling domain included the central part of the Baltic Proper, all boundaries were closed. Wind uniform
in space and varying in time was the only forcing in the model. The correlation coefficient higher than 0.8
was obtained by the previously made model calibration versus field measurements of waves conducted at
the Lubiatowo field station in 2006. The task of the study was to simulate the influence of a possible climate changes on wave parameters in the nearshore zone of the Kaliningrad region. Four scenarios for the
background sea level in the modeling domain were used to simulate wave fields in the nearshore zone (010 m of depth) under the real wind forcing, which took place during the storm on 12-14 January 2012:
nowadays level, +50…+200 cm, according to different possible climate change scenarios. The results of
the simulations showed that wave parameters seaward the first wave breaker and in the area between the
shoreline and the last wave breaker are almost the same in all used scenarios and depend on the local water depth only. At the same time, the width of the wave transformation zone for scenarios of higher water
level became narrow in 1.5-2 times in comparison with nowadays conditions. Narrowing of the wave
transformation zone leads to increasing of the longshore current speed. This fact is very likely leads to
increasing of the bottom erosion and the integral sediment transport.
the numerical simulation, wind waves, the sediment transport, climate changes
51