Совместное использование спутниковых наблюдений и численного моделирования волн в ураганах на примере тропического циклона Гони

Наблюдение и моделирование волнения в тропических циклонах (ТЦ) представляет большой научный и практический интерес благодаря важной роли волн в системе океан-атмосфера и их потенциальной опасности для судоходства и прибрежной инфраструктуры. В данном исследовании демонстрируется возможность совместного анализа данных со спутников CFOSAT SWIM, Sentinel-1, альтиметрических измерений и результатов недавно разработанной параметрической модели для оценки волн в тропических циклонах.

Спутниковые измерения были получены над Филиппинским морем 29 октября 2020 года в урагане Гони, одном из наиболее интенсивных ТЦ 2020 года. Модель генерации волн в циклоне основана на законах сохранения энергии и импульса. Для решения уравнений используется метод характеристик, позволяющий получить визуальную интерпретацию эволюции энергии, частоты и направления доминирующих поверхностных волн в поле переменного ветра, а также картину распространения генерируемой ураганом зыби. Входными данными модели являются поле ветра, скорость и направление смещения ТЦ. Помимо прямых модельных расчетов, для предсказания волн использовались автомодельные функции, являющиеся результатом обобщения модельных расчетов волн в циклонах с различными характеристиками ветровых полей. Эти универсальные функции позволяют получать экспресс-оценки распределения энергии, частоты и направления волн по трем параметрам поля ветра: максимальной скорость ветра, радиусу максимальной скорости ветра и скорости смещения ТЦ.

Результаты как прямых модельных расчетов с полем ветра, восстановленным по снимку SAR (Sentinel-1), так и предсказаний автомодельных функций, были сопоставлены с измерениями CFOSAT SWIM, включающими вдольтрековую высоту волн и данные волнового скаттерометра, предоставляющими информацию об угловом спектре волн. Волновые поля внутри движущихся циклонов, как правило, демонстрируют значительную азимутальную асимметрию, возникающую в результате резонанса между групповой скоростью доминирующих волн и скоростью движения ТЦ. Для ТЦ Гони этот эффект также был воспроизведен. Оценки максимальных волн, полученные как в измерениях, так и по численным расчетам, дают значения высоты волн около 8 м и длины соответствующих волн около 200 м в правом секторе циклона относительно направления его движения.

Рассмотренный частный случай демонстрирует широкие возможности комбинирования различных типов спутников данных (радиолокационные, альтиметрические, скаттерометрические, данные CFOSAT SWIM), результатов численного моделирования и использования аналитических автомодельных решений для исследования и прогноза волн, генерируемых ураганами.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №21-17-00236 и государственных заданий №0555-2021-0004 и №0763-2020-0005