Кушнір Д.В., мол. наук. співроб., асп., Одеський державний екологічний університет. Нарада-семінар керівників і спеціалістів гідрометеорологічних організацій, 12 жовтня 2016 р., Одеса, ОДЕКУ.

1. ПРОГНОСТИЧНІ МОДЕЛІ
ГІДРОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ВОД
ПІВНІЧНО-ЗАХІДНОГО РЕГІОНУ
ЧОРНОГО МОРЯ
(ВІТРОВЕ ХВИЛЮВАННЯ, РІВЕНЬ,
ТЕМПЕРАТУРА, ТЕЧІЇ)
Д.В. Кушнір, мол. наук. співроб., асп.,
Одеський державний екологічний
університет

2. Прогностичне моделювання у системі
оперативного прогнозу гідрологічних та
гідрофізичних параметрів стану морського
Спостереження
Попередження
Реагування
Прогностичні
системи та
моделі
Вступ

3. Вступ
• Для оперативного прогностичного моделювання
основних гідрологічних процесів морського
прибережного середовища (вітрового
хвилювання, рівня моря та течій, температури та
солоності морської води) використовуються
числові гідродинамічні та спектральні хвильові
моделі;
• Прогностичне моделювання включає збір та
аналіз необхідної вихідної інформації; побудову
розрахункової сітки для моделі морської
акваторії; калібрування та валідацію
математичних моделей на підставі даних
натурних спостережень.

4. Числові гідродинамічні моделі Спектральні хвильові моделі
Основні рівняння: Основні рівняння:
1. Повна система рівнянь Нав´є-
Стокса для нестисливої рідини:
• Рівняння руху у горизонтальній та
вертикальній площинах;
• Рівняння нерозривності;
• Рівняння переносу скалярних
величин (солоність та температура).
2. Для замикання системи рівнянь
використовується відповідна
модель турбулентності:
• Алгебраїчна модель;
• k-L модель;
• k-ε модель;
• Інші моделі турбулентності.
1. Спектральне рівняння збереження
енергії хвиль з джерелами та
стоками.
2. Моделі описують:
• Просторовий розподіл хвиль;
• Зміну амплітуди хвиль;
• Рефракцію;
• Генерацію вітрових хвиль;
• Дисипацію хвильової енергії;
• Дифракцію хвиль;
• Нелінійну взаємодію з
перешкодами.
Характеристики гідродинамічних та спектральних
хвильових моделей

5. Числові гідродинамічні моделі
Рівняння «мілкої води» (рівняння Сен-Венана):
Результат чисельного вирішення системи рівнянь
мілкої води

6. Застосування числових методів
Особливості дискретизації рівнянь моделей:
Структурований підхід Неструктурований підхід

7. Структурована
криволінійна сітка
Неструктурована
сітка
Застосування числових методів
Особливості дискретизації рівнянь моделей:

8. Варіанти застосування численних моделей: 3D, 2DH, 2DV, 1D
Особливості дискретизації рівнянь моделей:
Застосування числових методів

9. Числові гідродинамічні моделі
Основні програмні пакети для оперативного
прогнозування гідрофізичних характеристик
морського шельфу в країнах ЄС та США:
• MIKE ZERO by DHI
(https://www.mikepoweredbydhi.com)
• AQUAVEO SMS by Aquaveo, LLC
(http://www.aquaveo.com/)
• EFDC Explorer by DSI, LLC (http://www.efdc-
explorer.com/)
• Open TELEMAC-MASCARET by TELEMAC-MASCARET
Consortium (http://www.opentelemac.org/)
• Delft3 4 Suite and D-Flow FM Suite by Deltares
(https://www.deltares.nl/en/)

10. Числові гідродинамічні моделі
Характеристики програмних пакетів для побудови прогностичних моделей :
Назва пакету
Гідродинамічний
модуль
Модуль
трансформації хвиль
Варіанти
застосування
Доступ
MIKE ZERO
MIKE11, MIKE 21,
MIKE3
MIKE21-Spectral
Waves FM, Boussinesq
Waves
1D/2D/3D Платний
AQUAVEO SMS
ADCIRC, TUFLOW,
CMS-Flow
CGWAVE, CMS-Wave,
BOUSS-2D, STWAVE,
WAM
Переважно 2D
(3D-модель у
розробці)
Платний
EFDC Explorer
Environmental Fluid
Dynamics Code
(EFDC)
відсутній 1D/2D/3D Платний
Open
TELEMAC-
MASCARET
MASCARET,
TELEMAC-2D,
TELEMAC-3D
TOMAWAC 1D/2D/3D
Open
Source
Delft3 4 Suite
(Structured)
Delft3D-FLOW Delft3D-WAVE (SWAN) 2D/3D
Open
Source

11. Delft3D
https://www.deltares.nl/en/
Програмні
модулі пакету:
• Delft3D-FLOW
• Delft3D-MOR
• Delft3D-WAVE
• Delft3D-WAQ
• Delft3D-ECO
• Delft3D-PART
Розробляється
дослідним інститутом
Deltares, м. Делфт,
Нідерланди та
знаходиться у вільному
доступі.

12. • Базується на чисельному вирішенні рівняння Нав’є-Стокса для
нестисливої рідини на мілкій воді у наближенні Бусінеска.
• Система диференційних прогностичних рівнянь моделі
складається з рівнянь руху у горизонтальній площині, рівняння
нерозривності, рівнянь переносу тепла і солей та з
двопараметричної k-ε-моделі турбулентності, яка замикає ці
рівняння.
• Вертикальні компоненти векторів швидкості течій
розраховуються через рівняння нерозривності.
• Для рівняння швидкості вертикального руху береться
гідростатичне наближення.
• Рівняння стану морської води визначається за формулою
ЮНЕСКО.
• Тепло- і масообмін з атмосферою, випаровування
з водної поверхні розраховуються в моделі
з використанням напівемпіричних формул.
Delft3D-FLOW

13. • Delft3D-Flow використовує криволінійну або сферичну
розрахункову сітку, яка повинна бути ортогональною та добре
структурованою.
• Сітка є зміщеною: точки рівня води визначаються в центрі
розрахункових осередків, а нормальні компоненти швидкості -
на їх відповідних гранях.
• Рівняння обчислюються за допомогою неявної кінцево-
різницевої схеми з використанням методу змінних напрямків.
• Кінцево-різницева схема є безумовно стійкою. Крок за часом
визначається з урахуванням умови Куранта-Фрідріхса-Леві.
Delft3D-FLOW

14. • Спектральна хвильова модель SWAN (Simulating Waves
Nearshore) є модифікацією моделі WAM, що призначена для
розрахунків поля поверхневих хвиль в океанських масштабах;
• SWAN об'єднує опис фізичних процесів генерації і дисипації
хвиль, взятих з моделі WAM, з додатковим описом процесів, які
відбуваються на мілководді: дисипації за рахунок донного тертя
і руйнування хвиль на критичних глибинах;
• SWAN - хвильова модель 3-го покоління, призначена для
отримання реалістичних оцінок хвильових параметрів в
прибережних областях, озерах та естуаріях по заданих полях
вітру, течій і топографії дна;
• SWAN може використовуватися для розрахунків на великих
масштабах (значно більших, ніж прибережні райони), однак в
цьому випадку напрямок досліджень має бути направлений на
вивчення еволюції хвиль від океанських масштабів до
прибережних (SWAN підтримує методику розрахунків з
вкладеними сітками);
• SWAN розробляється Технічним Університетом м. Делфт,
Нідерланди) та знаходиться у відкритому доступі.
SWAN

15. • Комплекс інтегрованих моделей
Delft3D-FLOW-SWAN
Delft3D-FLOW + SWAN
Буфер обміну
(*.com - файл)
Керуюча
програма
Delft3d-FLOW
Delft3d-WAVE
(SWAN)

16. 1. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнір Результати чисельного моделювання внутрішньорічної
мінливості характеристик гідрологічного режиму Куяльницького лиману // Український
гідрометеорологічний журнал. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ. – 2016. – Вип.17.  С. 153-163.
2. Ю.С. Тучковенко, Н.С. Лобода, Д.В. Кушнир Оценка влияния условий водообмена с морем
на изменчивость уровня и солености воды в Тилигульском лимане // Український
гідрометеорологічний журнал. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ. – 2015. – Вип.16.  С. 164-174.
3. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнір Моделювання впливу водообміну з морем на мінливість
гідрологічних характеристик Тилігульського лиману // Наукові записки Тернопільського
національного педагогічного університету ім. Володимира Гнатюка. Серія: Біологія.
Спеціальний випуск: Гідроекологія. – 2015. – №3-4 (64). – 794 с. – С. 384-388.
4. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнир Результаты адаптации модели Delft3D-FLOW к условиям
Тилигульского лимана // Вісник Одеського державного екологічного університету. – Одеса:
ТЕС, ОДЕКУ. – 2014. – Вип.18.  С. 164-174.
5. Ю.С. Тучковенко, Д.В. Кушнир Моделирование ветровой циркуляции
вод в Тилигульском лимане // Вісник Одеського державного
екологічного університету. – Одеса: ТЕС, ОДЕКУ.- 2013.- Вип.16.  С. 149-158.
6. Чисельне моделювання мінливості гідрологічних характеристик Куяльницького лиману /
Водний режим та гідроекологічні характеристики Куяльницького лиману: Монографія /
за ред. Н.С. Лободи, Є.Д. Гопченка. Одеський державний екологічний університет,
– Одеса, 2016. – 332 с., іл. 101, табл. 71, бібл. 389. – С. 261-283.
7. Гідрологічний режим Тилігульського лиману / Водні ресурси та гідроекологічний
стан Тилігульського лиману: Монографія / за ред. Ю.С. Тучковенка, Н.С. Лободи.
Одеський державний екологічний університет, – Одеса: ТЕС, 2014. – 278с., іл. 139,
табл. 62, бібл. 240. – С. 148-158.
Приклади застосування моделей - Публікації

17. Приклади застосування
моделей
Куяльницький
лиман
Тилігульський
лиман

18. Delft3D-FLOW - Приклади застосування
Поля векторів осереднених за глибиною течій, отримані в моделі
Моделювання транспорту наносів при забезпеченні водообміну
Тилігульського лиману з морем через штучний з´єднувальний канал

19. SWAN – Приклади застосування
Поля значних висот хвиль, м,
та хвильових векторів,
отримані в моделі SWAN

20. Приклади застосування прогностичних моделей
RWsOS – North Sea: Система
оперативного прогнозування
для Північного моря та
Північно-Європейського
континентального шельфу

21. Приклади застосування прогностичних моделей
FEWS-Guanabara:
Оперативний
моніторинг та
прогнозування
для бухти Гуанабара,
штат Ріо-де-Жанейро,
Бразилія

22. Криволінійна сітка для оперативної
прогностичної моделі гідрологічних процесів вод
Чорного моря

23. Висновки
• Прогностичні моделі гідрологічних процесів
морських вод є невід'ємною складовою системи
оперативного прогнозу гідрологічних та
гідрофізичних параметрів стану морського
середовища української частини акваторії Азово-
Чорноморського басейну.
• Для підвищення виправдованості оперативних
прогнозів мінливості параметрів вітрового
хвилювання, температури, солоності води, течій,
рівня моря для обраних (портових) ділянок
акваторії Азово-Чорноморського басейну доцільно
використовувати сучасні європейські числові
моделі, такі як Delft3D-FLOW та SWAN.