Методы и модели прогноза опасных короткоживущих морских волн

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-17-00041

НазваниеМетоды и модели прогноза опасных короткоживущих морских волн

Руководитель Диденкулова Ирина Игоревна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-503 - Волновые процессы в океане

Ключевые слова экстремальные морские волны, прогноз экстремальных событий, волны-убийцы, ветровые волны, накат волн, численное моделирование, лабораторное моделирование

Код ГРНТИ37.25.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку методов и реализацию моделей для целей прогноза опасных волновых явлений в открытом море и прибрежной зоне. Первым направлением работ по проекту является разработка методов и моделей краткосрочного (детерминистского) прогноза экстремальных волн на морской поверхности, возникающих в результате действия нелинейности и дисперсии, в рамках двух подходов: на основе прямого численного моделирования и с применением нелинейного спектрального анализа. Прямое численное моделирование подразумевает быстрый расчет уравнений гидродинамики в заданной области с обновляемыми условиями на ее границе (адаптивное решение, предсказывающее волны в заданной области). Нелинейный спектральный анализ будет основываться на численном решении задачи рассеяния (для нелинейного уравнения Шредингера) для моментальных разрезов поверхности. Также будут рассмотрены его упрощенные версии, включая использование индекса модуляционной неустойчивости. Этот подход позволит осуществлять краткосрочный прогноз возможных экстремальных волн без детального расчета уравнений гидродинамики. Актуальность поставленной задачи обуславливается несколькими причинами. Во-первых, все возрастающая стоимость морских сооружений, кораблей, перевозимых ими грузов, людских жизней и экологических последствий аварий требует усовершенствования методов прогноза опасных волн. Во-вторых, в последние примерно 20 лет стала очевидной проблема т.н. аномальных морских волн (rogue waves, freak waves, волны-убийцы), которые возникают в результате нелинейных эффектов в динамике волн и не учитываются классическими вероятностными теориями. Таким образом, вероятность высоких волн при определенных условиях значительно превышает ожидаемую. В-третьих, именно сейчас понимание физики сильно нелинейных волн, существующий математический аппарат и алгоритмы расчета уравнений гидродинамики, а также уровень производительности компьютеров позволяют сделать стохастическое морское волнение предсказуемым. Подобный краткосрочный прогноз экстремальных короткоживущих волн никем ранее не делался. Здесь мы опираемся на собственные разработки, современные математические методы и численные коды для расчета динамики морских волн (от приближенных до полных). Другим направлением проекта будет теоретическая разработка экспресс-оценок экстремальных величин наката в условиях неопределенности данных о характеристиках подходящих к берегу волн, определение признаков условий аномального усиления волн в прибрежной зоне. Такие формулы необходимы для оценки наката ветровых волн и волн зыби при определении безопасности строительства на берегу. В общем виде задача выхода волн на берег является сложной для расчета, потому хоть и приближенные, но простые формулы для экспресс-оценки опасных волн очень важны. Вывод подобных формул обычно основывается на преобразованиях, позволяющих свести нелинейную проблему наката к линейной системе уравнений. Ряд профилей берега допускает т.н. «безотражательное» распространение волн, что повышает долю энергии, дошедшей до берега. Ожидается, что такие условия способствуют наиболее интенсивным накатам волн на берег. По этому направлению авторами уже получен существенный задел; некоторые полученные экспресс-формулы были успешно протестированы в рамках лабораторных экспериментов. Исследования экстремальных поверхностных волн будут отчасти опираться на собственные лабораторные измерения в лотке, экипировку и работу которого предполагается частично поддержать на средства проекта. Абсолютное большинство современных лабораторных исследований нелинейных волн требуют высокого качества оборудования и проводятся за рубежом. Для работ по проекту нами планируется использовать запускаемую сейчас собственную лабораторную установку на базе НГТУ им. Р.Е. Алексеева, которая позволит проводить моделирование нелинейной динамики волн на мировом уровне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шургалина Е.Г., Пелиновский Е.Н. Nonlinear dynamics of a soliton gas: Modified Korteweg–de Vries equation framework Physics Letters A, Volume 380, Issue 24, Pages 2049–2053 (год публикации - 2016)
10.1016/j.physleta.2016.04.023

2. Слюняев А.В., Сергеева А.В., Диденкулова И.И. Rogue events in spatiotemporal numerical simulations of unidirectional waves in basins of different depth Natural Hazards, Volume 84, Pages 549-565 (год публикации - 2016)
10.1007/s11069-016-2430-x

3. Диденкулова И.И., Пелиновский Е.Н. On shallow water rogue wave formation in strongly inhomogeneous channels Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Volume: 49 Issue: 19 Article Number: 194001 (год публикации - 2016)
10.1088/1751-8113/49/19/194001

4. Диденкулова И.И. Волны-убийцы: наблюдения и механизмы возбуждения Сборник трудов VI Сахалинской молодёжной научной школы "Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз", Южно-Сахалинск, 3-8 октября 2016 г., Южно-Сахалинск, ИМГиГ ДВО РАН, с. 26-29 (год публикации - 2016)

5. Диденкулов О.И., Диденкулова И.И., Пелиновский Е.Н. The run-up of nonlinearly deformed sea waves on the coast of a bay with a parabolic cross-section Moscow University Physics Bulletin, Volume: 71 Issue: 3 Pages: 323-328 (год публикации - 2016)
10.3103/s0027134916030048

6. Слюняев А.В., Сергеева А.В., Пелиновский Е.Н., Талипова Т.Г., Донг Д.-Дж. Numerical simulation of rogue waves in coastal waters 12th International Conference on Hydroscience & Engineering Hydro-Science & Engineering for Environmental Resilience November 6-10, 2016, Tainan, Taiwan (год публикации - 2016)

7. Слюняев А.В. Sea rogue waves: is forecasting possible? Moscow University Physics Bulletin (год публикации - 2016)

8. Слюняев А.В., Пелиновский Е.Н. Role of Multiple Soliton Interactions in the Generation of Rogue Waves: The Modified Korteweg–de Vries Framework PHYSICAL REVIEW LETTERS, Volume 117, Article number 214501 (год публикации - 2016)
10.1103/PhysRevLett.117.214501

Публикации

1. Пелиновский Е.Н., Диденкулова И.И., Шургалина Е.Г., Асеева Н. Nonlinear wave dynamics in self-consistent water channels J. Phys. A: Math. Theor., vol. 50, 505501 (год публикации - 2017)
10.1088/1751-8121/aa923e

2. Пелиновский Е.Н., Слюняев А.В. Волны-убийцы Большая российская энциклопедия (год публикации - 2017)

3. Слюняев А., Кляйн М., Клаусс Г.Ф. Laboratory and numerical study of intense envelope solitons of water waves: Generation, reflection from a wall, and collisions Physics of Fluids, vol. 29, 047103 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4979524

4. Диденкулов О.И., Пелиновский Е.Н., Диденкулова И.И. Динамика нелинейных длинных волн в наклонных каналах переменного сечения Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 90 стр. (год публикации - 2017)

5. Туболь Дж., Пелиновский Е. On the use of linear theory to estimate bottom pressure distribution under nonlinear surface waves European Journal of Mechanics / B Fluids, vol. 67, 97–103 (год публикации - 2018)
10.1016/j.euromechflu.2017.08.007

6. Слюняев А.В. Predicting rogue waves Moscow University Physics Bulletin, Vol. 72, No. 3, pp. 236–249 (год публикации - 2017)
10.3103/S0027134917030122

7. Абрашкин А., Пелиновский Е. Lagrange form of the nonlinear Schrödinger equation for low-vorticity waves in deep water Nonlin. Processes Geophys., vol. 24, 255–264 (год публикации - 2017)
10.5194/npg-24-255-2017

Публикации

1. Диденкулова И.И. Волны-убийцы в прибрежной зоне моря Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 94 с. (год публикации - 2018)

2. Слюняев А., Досаев А. On the incomplete recurrence of modulationally unstable deep-water surface gravity waves Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simulat., Vol. 66, 167–182. (год публикации - 2019)
10.1016/j.cnsns.2018.05.009

3. Абрашкин А.А., Пелиновский Е.Н. Dynamics of a Wave Packet on the Surface of an Inhomogeneously Vortical Fluid (Lagrangian Description) Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 54, No. 1, pp. 101–105 (год публикации - 2018)
10.1134/S0001433818010036

4. Слюняев А.В. Group-wave resonances in nonlinear dispersive media: The case of gravity water waves Physical Review E, 97, 010202(R) (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevE.97.010202

5. Слюняев А.В. Analysis of the Nonlinear Spectrum of Intense Sea Wave with the Purpose of Extreme Wave Prediction Radiophysics and Quantum Electronics, Vol. 61, Issue 1, pp 1–21. (год публикации - 2018)
10.1007/s11141-018-9865-8