Modelowanie procesów hydrodynamicznych, takich jak falowanie, prądy morskie i poziomy morza, odgrywa ważną rolę w analizie środowiska morskiego i jego oddziaływania, a także stanowi kluczowe narzędzie w prognozowaniu i ostrzeganiu przed niebezpiecznymi zjawiskami. Aktualnie wykorzystywane w IMGW-PIB modele numeryczne, MIKE21, MIKE3D i SWAN, umożliwiają symulowanie, prognozowanie i wizualizowanie wielu parametrów, m.in. prędkości i kierunku prądów morskich w warstwie powierzchniowej oraz w kolumnie wody, poziomu morza, wysokości fali znacznej, kierunku propagacji fali, rozkładu przestrzennego parametrów fizykochemicznych i biologicznych.
AUTORZY:
Anna Kubicka, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/Wydział Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni
Krzysztof Piłczyński, IMGW-PIB/Centrum Badań i Rozwoju/Zakład Oceanografii i Monitoringu Bałtyku
Patryk Sapiega, IMGW-PIB/Centrum Badań i Rozwoju/Zakład Oceanografii i Monitoringu Bałtyku
W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej prognozy morskie są opracowywane w Zakładzie Oceanografii i Monitoringu Bałtyku oraz w Biurze Prognoz Hydrologicznych. W procesach kalibracji i weryfikacji modelowania wykorzystuje się dane pomiarowe, satelitarne i asymilowane z innych modeli funkcjonujących w podobnej domenie obliczeniowej, a także dane pozyskiwane w ramach współpracy zagranicznej.
Modelowanie parametrów falowania
Modelowanie falowania stanowi istotne narzędzie w analizie środowiska morskiego i badaniu wpływu morza na strefę brzegową. Stosowany w IMGW-PIB model SWAN pozwala na prognozowanie kierunku i wysokości fali znacznej[i] oraz stanów morza według skali Douglasa. Poza wysokością fali znacznej istnieje możliwość symulacji innych parametrów falowania, takich jak okres fali, długość grzbietu fali, wysokość fali martwej (rozkołysu), oraz zmiennych związanych z energią, m.in. dyssypacji energii na skutek różnych czynników, np. pokrywy lodowej, fitobentosu lub morfologii dna. Model zasilają dane wejściowe – w tym pola wiatrowe pochodzące z modelu COSMO, batymetria dna morskiego, zadane wartości poziomów morza oraz zmienne związane z dynamiką falowania (konfiguracja fal, indukowanie, wzrost, łamanie fali) – które są generowane i przetwarzane zgodnie ze strukturą plików odczytywanych przez oprogramowanie, a następnie obliczane w bloku wynikowym.
Uzyskane wyniki porównuje się z wartościami odczytanymi z urządzeń pomiarowych zainstalowanych na morzu (Zatoka Pomorska, platforma Petrobaltic), przy czym korzysta się także z danych satelitarnych i rezultatów z innych modeli (CMEMS, DWD). Po zweryfikowaniu i skalibrowaniu modelu prognozy są prezentowane w wewnętrznych i zewnętrznych serwisach IMGW. Dla synoptyków stanowią one podstawowe narzędzie do wydawania ostrzeżeń w różnych częściach Morza Bałtyckiego. Ponadto z tych prognoz mogą z powodzeniem korzystać odbiorcy indywidualni w sektorze żeglugi, mieszkańcy nadmorskich miejscowości, inwestorzy i podmioty związane z pracami w strefie offshore i onshore. Każdy, kto wybiera się na plażę, kąpielisko miejskie lub w rejs albo uprawia sporty wodne, może sprawdzić aktualną prognozę falowania w serwisie baltyk.imgw.pl (prognozy numeryczne/SWAN).
Modelowanie i prognozowanie zmian poziomów wody
Aby prawidłowo modelować poziom wody w dowolnym akwenie, należy na wstępie rozpoznać siły wpływające na ten ruch. Po pierwsze są to masy powietrza, które w różnym stopniu oddziałują na zachowanie się powierzchni styku dwóch ośrodków: hydrosfery i atmosfery, po drugie – zmieniające się właściwości fizyczne wody, mające odzwierciedlenie w jej ruchu. Kolejnym czynnikiem jest dno akwenu, którego ukształtowanie, budowa i pokrycie, np. roślinnością, znacząco wpływają na kierunek i prędkość ruchu wody. Na końcu należy wspomnieć o istotnym wpływie przyciągania Słońca i Księżyca, które są odpowiedzialne za powstawanie pływów, a także o działaniu na masy wody siły Coriolisa.
Uwzględniwszy powyższe zależności, można przystąpić do budowy modelu. Aktualnie w IMGW, w codziennej pracy operacyjnej, korzysta się z trzech dwuwymiarowych modeli hydrodynamicznych, zbudowanych w oprogramowaniu MIKE: dla obszaru Zalewu Szczecińskiego, Bałtyku Południowego (zawierającego polskie wybrzeże wraz z Zalewem Wiślanym) i ujściowego odcinka Wisły. Prognoza jest liczona codziennie rano na kilka dni w przód z wykorzystaniem najnowszych dostępnych danych meteorologicznych (kierunek i prędkość wiatru, ciśnienie atmosferyczne) z dwóch numerycznych modeli meteorologicznych: COSMO i ALADIN. Surowe wyniki są dostępne w serwisie baltyk.imgw.pl (prognozy numeryczne/MIKE 21).
Na podstawie wyników modelowania synoptyk hydrolog przygotowuje – dla wybranych punktów polskiego wybrzeża – codzienną prognozę synoptyczną i dokonuje analizy aktualnej i najbliższej sytuacji hydrologiczno-meteorologicznej. W przypadku gdy modele wskazują na możliwość wystąpienia niebezpiecznego zjawiska, Biuro Prognoz Hydrologicznych wydaje Ostrzeżenie Hydrologiczne, które można śledzić w serwisach baltyk.imgw.pl lub meteo.imgw.pl.
Modelowanie parametrów fizykochemicznych i biologicznych
Prognozy prądów morskich, temperatury wody, zasolenia, rozkładu i stężenia tlenu oraz związków mineralnych przygotowuje się przy użyciu trójwymiarowego modelu hydrodynamicznego MIKE3D Flow Model FM – dla siatki nieregularnych punktów w dziesięciu warstwach, jak również we współrzędnych sigma. Model korzysta z zasymilowanych danych numerycznych poziomów morza, wartości przepływu oraz temperatury wody dla rzek Wisły i Redy, a także prognozy meteorologicznej zawierającej informacje o temperaturze powietrza, wilgotności względnej, zachmurzeniu, opadach, kierunku i prędkości wiatru. Surowe wyniki modelowania prądów morskich są generowane co 3 godziny (tj. o godzinie 9, 12, 15, 18, 21, 00, 3, 6 UTC), prognozy temperatury wody, stężenia zasolenia, azotanów, azotynów, tlenu i chlorofilu-a – raz na dobę (o godzinie 12 UTC).
[i] Wysokość fali znacznej – w oceanografii fizycznej oznacza średnią wysokość 1/3 największych fal występujących w grupie fal w danym miejscu na oceanie/morzu, obserwowanych w określonym okresie.
Zdjęcie główne: Michał Seredin.
Anna Kubicka
Absolwentka Wydziału Biologii, Geografii i Oceanologii Uniwersytetu Gdańskiego ze specjalizacją w zakresie oceanografii fizycznej. W IMGW-PIB od 2010 roku. Obecnie jest synoptykiem hydrologiem w Wydziale Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni. Realizuje zadania związane z osłoną morską i osłoną hydrologiczną w ramach Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej.
Krzysztof Piłczyński
Absolwent Wydziału Biologii, Geografii i Oceanologii Uniwersytetu Gdańskiego ze specjalizacją w zakresie fizyki morza i geologii morza. W IMGW-PIB od 2016 roku. Obecnie jest starszym specjalistą w Zakładzie Oceanografii i Monitoringu Bałtyku. Realizuje zadania w zakresie rozwijania systemu modelowania, zajmuje się także przygotowywaniem i opracowywaniem prognoz numerycznych dla parametrów fizykochemicznych z wykorzystaniem modelu MIKE3D. Ponadto opracowuje oceanograficzne dane pomiarowe (temperatura, zasolenie, prądy morskie), zajmuje się też obróbką i raportowaniem danych hałasu podwodnego.
Patryk Sapiega
Absolwent Wydziału Nauk Geograficznych i Geologicznych Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. W IMGW-PIB od 2019 roku. Obecnie pracuje jako młodszy specjalista w Zakładzie Oceanografii i Monitoringu Bałtyku. Od lat związany z szeroko pojętą hydrosferą oraz modelowaniem numerycznym wód powierzchniowych i ich oddziaływaniem na inne składowe środowiska, w szczególności morskiego. Realizuje zadania w zakresie oceanografii fizycznej. Pracuje z modelem falowania SWAN, stanowiącym narzędzie wydawania prognoz i ostrzeżeń w MBPM.
