База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины

База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины

Представлена база волнографических данных, полученных с платформы в Кацивели в течение последних 10 лет. База включает возвышения морской поверхности, регистрируемые решеткой волнографов, а также одновременно измеренные скорость и направление ветра. Описаны структура база данных, пакет программ для...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автор: Чечина, Е.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Морський гідрофізичний інститут НАН України 2013
Назва видання:Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:
Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56941
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины / Е.В. Чечина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 215-220. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-56941
record_format dspace
spelling irk-123456789-569412014-03-02T03:01:13Z База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины Чечина, Е.В. Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга Представлена база волнографических данных, полученных с платформы в Кацивели в течение последних 10 лет. База включает возвышения морской поверхности, регистрируемые решеткой волнографов, а также одновременно измеренные скорость и направление ветра. Описаны структура база данных, пакет программ для их обработки и анализа, процесс отбраковки сбойных записей. Обсуждено качество данных. Представлена база хвильографічних даних, отриманих з платформи в Кацивели упродовж останніх 10 років. База включає піднесення морської поверхні, реєстровані решіткою хвильографів, а також одночасно виміряні швидкість і напрям вітру. Описані структура база даних, пакет програм для їх обробки і аналізу, процес відбракування збійних записів. Обговорено якість даних. Database compiling wave data obtained on the Katsively Research Platform for the past 10 years is presented. The database contains sea surface elevations recorded with wave staff array, wind speed and wind direction. Database structure, software package for data processing and analysis, and quality check procedure are described. Data quality is discussed. 2013 Article База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины / Е.В. Чечина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 215-220. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56941 551.465.5+551.466 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
spellingShingle Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
Чечина, Е.В.
База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description Представлена база волнографических данных, полученных с платформы в Кацивели в течение последних 10 лет. База включает возвышения морской поверхности, регистрируемые решеткой волнографов, а также одновременно измеренные скорость и направление ветра. Описаны структура база данных, пакет программ для их обработки и анализа, процесс отбраковки сбойных записей. Обсуждено качество данных.
format Article
author Чечина, Е.В.
author_facet Чечина, Е.В.
author_sort Чечина, Е.В.
title База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
title_short База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
title_full База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
title_fullStr База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
title_full_unstemmed База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины
title_sort база волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы экспериментального отделения мги нан украины
publisher Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate 2013
topic_facet Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56941
citation_txt База волнографических данных, полученных со стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения МГИ НАН Украины / Е.В. Чечина // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 215-220. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv AT čečinaev bazavolnografičeskihdannyhpolučennyhsostacionarnojokeanografičeskojplatformyéksperimentalʹnogootdeleniâmginanukrainy
first_indexed 2025-07-05T08:12:08Z
last_indexed 2025-07-05T08:12:08Z
_version_ 1836793860516216832
fulltext 215 УДК 551 .465 .5 + 551 .466 Е.В.Чечина Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь БАЗА ВОЛНОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ СО СТАЦИОНАРНОЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОТДЕЛЕНИЯ МГИ НАН УКРАИНЫ Представлена база волнографических данных, полученных с платформы в Каци- вели в течение последних 10 лет. База включает возвышения морской поверхности, регистрируемые решеткой волнографов, а также одновременно измеренные скорость и направление ветра. Описаны структура база данных, пакет программ для их обра- ботки и анализа, процесс отбраковки сбойных записей. Обсуждено качество данных. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : база волнографических данных, возвышения и уклоны морской поверхности, решетка волнографов, контроль качества волновых данных. Введение. В течение десятка последних лет на стационарной океано- графической платформе (которую дальше будем называть «платформой») Экспериментального отделения МГИ НАН Украины в пгт. Кацивели вы- полнялись записи решеткой струнных волнографов. Они содержат инфор- мацию об амплитудах и направлениях распространения поверхностных волн. В результате был накоплен довольно большой объем данных. Как правило, записи выполнялись в рамках экспериментов, нацеленных на ис- следование других характеристик морской поверхности [1]. Однако волно- графические данные представляют самостоятельный интерес, и желательно объединить их в специальную базу данных вместе с сопутствующими дан- ными о локальной скорости ветра, выполнить контроль качества данных, и дополнить базу средствами анализа, что является целью данной работы. Созданная база данных, прежде всего, может быть использована для проверки оперативных метеорологических и волновых моделей, как для Черноморского региона, так и для прибрежной зоны. Кроме того, данные могут быть использованы для проверки физических концепций, что уже было продемонстрировано в [2, 3]. Длительные записи волнографических характеристик в хорошо контролируемых условиях нужны для изучения статистических характеристик волнения таких, как спектр и моменты выс- шего порядка (асимметрия, эксцесс). Общее описание массива данных. Океанографическая платформа расположена вблизи пгт. Кацивели (южный берег Крыма) на расстоянии 0,5 км от берега, где глубина моря составляет около 30 м, подробное описа- ние платформы можно найти в [1]. Данные были получены в ходе осенне- летних экспедиций в 2003 – 2005, 2007 – 2009 и 2011 – 2012 гг. Волногра- фические записи проводились для непрерывных промежутков времени дли- тельностью от 20 до 200 мин. Резюме по базе данных приведено в таблице, где указан период времени измерений в каждом году, а также общее коли- чество часов записи. В базу были включены только данные, обеспеченные надежными непрерывными измерениями вектора скорости ветра.  Е .В .Чечина , 2013 216 Т а б л и ц а . Резюме по базе данных. год даты кол-во часов 2003 10.07 – 03.09 170 2004 07.08 – 03.09 116 2005 06.08 – 11.10 280 2007 16 – 22.08 120 2008 22.09 – 31.10 530 2009 26.09 – 06.11 450 2011 13.09 – 13.10 341 2012 05.06 – 17.10 2107 Волнографические данные были получены с помощью решетки из шес- ти струнных волнографов [2, 4], которые расположены в центре и вершинах правильного пятиугольника с радиусом описанной окружности 25 см. Ре- шетка подвешивалась на подъемном выстреле так, что расстояние волно- графа до ближайшего элемента платформы всегда превышало 10 м. Регу- лярно проводилась сквозная калибровка всей системы: решетка как целое смещалась на определенное расстояние по вертикали, при этом фиксирова- лись выходные сигналы с каждого датчика. Положение датчиков определя- лось с точностью до миллиметров с использованием видеокамеры. Чтобы получить тарировочную кривую для каждого датчика в пределах смещений до 4 м, процедура неоднократно повторялась. На рис.1 приведен пример та- рировочных кривых, которые позволяют вычислить калибровочные коэффи- циенты датчиков, а также проконтролировать линейность каждого датчика. Измерения скорости и направления ветра выполнялись на высоте 21 м над уровнем моря с центральной мачты над платформой. Для этого в раз- личных экспедициях использовались различные метеоорологические ком- плексы, а с 2011 года запись метеоданных ведется метеорологическим ком- плексом «Davis». Для включения в базу данных метеозаписи различного формата были приведены к единому виду. Структура базы и средства анализа данных. Следуя подходу, приня- тому для баз спутниковых данных, было организовано два уровня базы – нулевой и первый. Нулевой уровень включает все исходные файлы волно- графических и метеорологических данных, файлы по калибровочным рабо- там, электронные копии экспедиционных журналов. Первый уровень вклю- чает обработанную информацию, представленную в едином формате – в виде возвышений морской поверхности для каждого датчика и вектора ско- рости ветра, привязанных к временным рядам. Временные ряды могут соот- ветствовать частотам исходных записей (10, 20, 50 или 100 Гц) или мень- шим частотам, заданным в зависимости от решаемой задачи. Нулевой уровень базы был реализован на физическом уровне в виде архи- ва данных. Первый уровень был реализован в виде компьютерного пакета свя- занных программ, позволяющего выводить обработанную информацию для заданного промежутка времени. В процессе обработки выполняется отбраковка данных и контроль их качества, подробно обсуждаемый ниже. Пакет преду- Р и с . 1 .Тарировочные кривые 6 датчиков. 217 сматривает различные виды визуализации данных, а также расчет стандартных статистических характеристик (средних, стандартных отклонений и т.п.). Средства анализа включают программы для оценки частотных и час- тотно-угловых спектров волнения, и программы для совместного исследо- вания возвышений и уклонов морской поверхности (для «триплет-анализа»). Для оценки частотных спектров применяется метод Вэлша [5] – БПФ вы- полняется по наполовину перекрывающимся отрезкам записи (длительно- стью около 100 с в нашем случае), затем оценка спектра следует из усредне- ния квадратов модулей Фурье-разложения [6]. Для оценки частотно-угловых спектров использован прикладной пакет DIWASP [7], процедуры которого вызываются из пакета анализа базы данных. Спектры могут быть оценены методом максимального правдоподобия и методом максимальной энтропии [8, 9]. Оба метода дают близкие формы спектров, но их сопоставление может дать визуальное представление о степени неопределенности спектральной оценки. На рис.2, а и г в качестве примера использования пакета анализа дан- ных показаны частотный и частотно-угловой спектры одной из реализаций. Для удобства сравнения с направлением ветра по оси углов на рис.2, г отло- жены азимуты, откуда приходят волны. На частотном спектре не различают- ся зыбь и ветровые волны, но такое разделение легко сделать по частотно- угловому спектру. Как правило, на рисунках с частотно-угловым спектром из-за линейного масштаба представления спектра можно видеть лишь энер- гонесущую часть волнения. Чтобы были видны ветровые волны с большими частотами, на рис.2, д представлен спектр, умноженный на четвертую сте- пень частоты, пропорциональный спектру уклонов. Как следует из рисунка, коротковолновая часть волнения распространяется в направлении ветра. Р и с . 2 .Характеристики волн за 16 августа 2007 г. 17:19 – 17:39. частот- ный спектр (а); дисперсионное соотношение: оценка (точки) и линейная теория (линия) (б); среднее направление волн (линия – направление ско- рости ветра) (в); частотно угловой спектр возвышений (г); частотно угло- вой спектр уклонов (д). б а в г д 218 Измерения волнографической решеткой дают возможность изучать не только возвышения морской поверхности (Z), но и ее уклоны. Вектор укло- на, т.е. производные от возвышений по горизонтальным координатам х и у (Zx и Zy), может быть оценен по любой тройке волнографов в каждый мо- мент времени. Наиболее надежные оценки можно получить методом наи- меньших квадратов путем построения плоскости, приближающей шесть измерений возвышений, которые получены всеми датчиками. В результате в каждый момент времени будут известны три величины – Z, Zx и Zy, назы- ваемые триплетом [8]. Анализ, основанный на рассмотрении взаимных спектров триплетов, был в свое время предложен для интерпретации дан- ных буев «pitch/roll» [10], а в последнее время он используется для контро- ля качества волнографических данных [11]. Применительно к нашей базе данных «триплет-анализ» дает прямые оценки среднего направления волн и угловой ширины спектра в зависимости от частоты, а также прямую оценку среднего для каждой частоты волнового числа [8, 10]. В качестве примера на рис. 2б показаны результаты анализа триплетов - зависимости рассчи- танного волнового числа и среднего направления волн рис. 2в от частоты в сравнении с теоретическим дисперсионным соотношением для гравитаци- онных волн и направлением ветра. С приближением частоты волн к 1 Гц длины волн уменьшаются вплоть до 1,5 м и становятся сравнимыми с раз- мером решетки волнографов (0,5 м). При этом решетка уже не может слу- жить инструментом для измерения уклонов морской поверхности. Это объ- ясняет отклонение оценок от дисперсионного отношения для высокочас- тотных волн на рис.2, б. Дисперсионное соотношение выполняется на час- тотах выше частоты спектрального пика и нарушается для более низких частот, где нет волновой энергии, в соответствии с выводами работы [12]. Рис.2, в показывает, что среднее направление коротких волн соответствует направлению ветра. Качество данных. Важнейшим элементом создания базы данных явля- ется отбраковка непригодных фрагментов записей. Из-за сбоев электропи- тания, прохождения рядом с датчиками прогулочных и рыболовных мало- мерных судов, загрязненности акватории как антропогенными пленки, так и бытовым мусором (упаковками от различных продуктов, пластиковыми бу- тылками, полиэтиленовыми пакетами, водорослями и т.д.), возникают сбои записи, которые выражаются в реализации как выбросы. Чаще всего наблю- даются одиночные выбросы, но встречаются и групповые, когда выпадают несколько точек подряд или длительные фрагменты записи какого-либо датчика. Устранение выбросов выполнялось в 2 этапа. Одиночные выбросы фильтровались по второй производной возвышений по времени, имеющей смысл вертикального ускорения морской поверхности. Для этой величины в интерактивном режиме устанавливался порог, и отбраковывались все точки, модуль ускорения для которых оказывался выше порога. На втором этапе обработки, выполняемом в автоматическом режиме, устранялись групповые выбросы. В качестве контрольной величины использовалась разность меж- ду возвышениями с двух различных датчиков. Для всех комбинаций пар дат- чиков вычислялись стандартные отклонения этой величины за период в 20 мин. Из них выбирался минимальное значение, а порог определялся путем 219 умножения минимального значения на заранее подобранный коэффициент. Выходной файл содержал ряды возвышений, где одиночные выбросы были устранены путем линейной интерполяции по правильным измерениям. Кро- ме того, файл включал массив, где содержались номера сбойных точек. Такие данные уже пригодны для оценки спектров возвышений, но тре- буют дальнейшей обработки для аккуратного расчета уклонов морской по- верхности. Решетка волнографов предназначена для регистрации колебаний поверхности с периодами поверхностных волн, поэтому в ней не преду- смотрена стабилизация среднего уровня сигнала для больших периодов. Со- ответствующие колебания в сигнале не несут надежной информации о дви- жениях морской поверхности и являются источником ошибок, если нас инте- ресует разность возвышений на различных датчиках. Кроме того, из-за не- равномерного суточного нагрева элементов измерительного комплекса про- исходили слабые (на уровне 1 %) вариации калибровочных коэффициентов датчиков, которые также нужно принять во внимание при анализе уклонов. Цель следующего этапа обработки – устранить долгопериодные вариа- ции среднего уровня и выполнить скользящую интеркалибровку датчиков. Для этого использовались скользящие средние и дисперсии по интервалам времени 20 мин со сдвигом 10 мин для каждого датчика. Средние вычисля- лись по массивам, где были удалены выбросы, а затем вычитались из выход- ных данных. Дисперсии рассчитывались по автоспектрам в диапазоне частот от 0,1 до 0,5 Гц с использованием данных, где выбросы были заменены, ис- пользуя интерполяцию. Если в двадцатиминутном фрагменте более 3 % точек содержали выбросы, фрагмент отбраковывался. Средняя дисперсия по всем датчикам и была использована для окончательной нормировки данных. Аналогичная проблема устранения выбросов в волнографических дан- ных, полученных с помощь массива лазерных альтиметров в Норвежском море, обсуждалась в [11]. Там было предложено выполнить Фурье-фильтра- цию данных, оставив лишь волновые частоты (от 0,1 до 0,5 Гц), а затем сравнить исходные и профильтрованные данные. При таком анализе легко выделяются одиночные выбросы, однако он требует визуального просмотра всех данных. Наш подход лишен этого недостатка – в нем отбраковка не- пригодных данных выполняется в полуавтоматическом режиме. Однако для части записей мы применили также подход [11], чтобы твердо убедиться в надежности работы нашего пакета программ. Выводы: В данной работе создана база волнографических данных вы- сокого качества на основе уже существующих записей, выполненных ре- шеткой волнографов с платформы в пгт. Кацивели. Также создан пакет свя- занных компьютерных программ, позволяющих проводить контроль каче- ства, отбраковывать сбойные данные, и выполнять традиционный анализ записи. Подготовленные данные и компьютерные программы будут исполь- зованы для изучения нелинейных свойств поверхностных волн. Автор c благодарностью отмечает, что данные получены сотрудниками ла- боратории прикладной физики моря отдела дистанционных методов исследова- ний МГИ НАН Украины. Работа выполнялась при частичной финансовой под- держке 7-го рамочного европейского проекта СоСоNET и Государственного фонда фундаментальных исследований Украины по контракту Ф53/117-2013. 220 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис- пользование ресурсов шельфа. К 30-летию океанографической платформы в Кацивели.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2010.– вып.21.– 265 с. 2. Сапрыкина Я.В., Дулов В.А., Кузнецов С.Ю., Смолов В.Е. Аномально высокие волны в Черном море: механизм и условия возникновения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ре- сурсов шельфа.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2010.– вып.21.– С.88-103. 3. Ivanov V.A., Dulov V.A., Kuznetsov S.Yu. et al. Risk assessment of encountering killer waves in the black sea. // Geography environment sustainability.– 2012.– № 1, V05.– P.84-112. 4. Малиновский В.В., Дулов В.А., Большаков А.Н. и др. Методическое и техниче- ское обеспечение калибровки РЛСБО ИСЗ «СИЧ-1М» для работ над морской поверхностью. Возможный подход // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа.– Севасто- поль: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2004.– вып.11.– С.236-251. 5. Welch P.D. The use of FFT for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short modified periodograms // IEEE Trans. Audio Electroac- oust.– 1967.– v.AU-15, № 2.– P.70-73. 6. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных.− М: Мир, 1989.– 540 с. 7. Johnson D. DIWASP, a directional wave spectra toolbox for MATLAB®: User Ma- nual // Research Report WP-1601-DJ.– Perth, Australia: Centre for Water Research, University of Western Australia, 1999.– 16 p. 8. Kahma K., Hauser D., Krogstad H.E., Lehner S., Monbaliu J.A., Wyatt L.R. Measur- ing and analysing the directional spectra of ocean waves. // EU COST Action – 714 -EUR-21367, Brussels. 9. Ефимов В.В. Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана.− Киев: Наукова думка.– 1981.– 256 с. 10. Long R.B. The statistical evaluation of directional spectrum estimates derived from pitch/roll buoy data // J. Phys. Oceanogr.− 1980.– v.10.− Р.944-952. 11. Krogstad H.E., Barstow S.F., Mathisen J.P., Lønseth L., Magnusson A.K., Donelan M.A. Extreme Waves in the Long-Term Wave Measurements at Ekofisk // Proc. Ro- gue Waves. Oct. 13-15 2008.– Brest, 2008.− Р.23-33. 12. Krogstad H.E., Trulsen K. Interpretations and observations of ocean wave spectra // Ocean Dynamics.– 2010.– 60:973–991 doi 10.1007 - s10236-010-0293-3. Материал поступил в редакцию 19 .08 .2013 г . АНОТАЦ IЯ Представлена база хвильографічних даних, отриманих з платформи в Кацивели упродовж останніх 10 років. База включає піднесення морської поверхні, реєстровані решіткою хвильографів, а також одночасно виміряні швидкість і на- прям вітру. Описані структура база даних, пакет програм для їх обробки і аналізу, процес відбракування збійних записів. Обговорено якість даних. ABSTRACT Database compiling wave data obtained on the Katsively Research Plat- form for the past 10 years is presented. The database contains sea surface elevations rec- orded with wave staff array, wind speed and wind direction. Database structure, software package for data processing and analysis, and quality check procedure are described. Data quality is discussed.

Схожі ресурси