ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 6, с. 629-642
УДК 551.465
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - НОВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОКЕАНОГРАФИИ
© 2013 г. |Г. И. МарчуК1, Б. Е. Патон2, Г. К. Коротаев3, В. Б. Залесный4
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 2Президиум НАНУ 01601 Украина, Киев-30, ул. Владимирская, 54 3Морской гидрофизический институт НАНУ 99011 Украина, Севастополь, ул. Капитанская, 2 4Институт океанологии РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: zalesny@inm.ras.ru Поступила в редакцию 06.03.2013 г., после доработки 15.05.2013 г.
Проводится анализ методов оперативной океанографии, основой которых являются измерения с искусственных спутников земли, наблюдения со свободно дрейфующих платформ и попутных судов, а также современные модели циркуляции морей и океанов, адекватно воспроизводящие реальные процессы, протекающие в морях и океанах, а также исторический обзор исследований в этой области, проводившихся и проводящихся в СССР, Украине и России. Обсуждаются принципы создания эффективного информационно-вычислительного комплекса (ИВК) для решения задач оперативной океанографии и реализация его прототипа на примере Черного моря в рамках проекта совместных исследований Российской академии наук (РАН) и Национальной академии наук Украины (НАНУ) — "Черное море как имитационная модель океана". Оценивается эффективность применения метода многокомпонентного расщепления при построении моделей морской циркуляции и специализированных ИВК, включающих алгоритмы вариационной ассимиляции данных наблюдений. Развивается концепция использования Черного моря как тестового бассейна для отработки инноваций, основанная на сходности черноморской динамики с процессами, протекающими в Мировом океане. Дается характеристика используемых в проекте численных моделей циркуляции Черного моря, обсуждаются направления их развития и формулируются требования к наблюдательной системе Черного моря.
Ключевые слова: оперативная океанография, численное моделирование, океаническая циркуляция, ассимиляция наблюдений, циркуляция, Черное море.
Б01: 10.7868/80002351513060114
. ВВЕДЕНИЕ
Бурный научно-технологический прогресс последних двадцати лет произвел кардинальные изменения в методах исследования океана. Высокоточные дистанционные измерения с искусственных спутников земли (ИСЗ), ретранслируемые через ИСЗ наблюдения со свободно дрейфующих платформ и попутных судов позволяют осуществлять мониторинг текущего состояния океана. Оперативные измерения покрывают широкий спектр пространственно-временных масштабов, включая синоптические и субмезомасштабные процессы. Современные модели циркуляции морей и океанов, основанные на физически полных нелинейных системах уравнений, способны адек-
ватно, не только качественно, но и количественно, воспроизводить реальные процессы, уточняя начальное состояние гидрофизических полей посредством ассимиляции данных натурных наблюдений. Таким образом, в начале 90-х годов прошлого века, когда перспектива реализации глобальной оперативной системы наблюдений за состоянием океана стала реальностью, сложились предпосылки для создания современных систем гидродинамических прогнозов Мирового океана, аналогичных атмосферным прогнозам погоды. Развитие интегрированных оперативных систем наблюдений и морских прогнозов является предметом оперативной океанографии — новой ветви океанологической науки [1, 2].
Концепция исследований в области оперативной океанографии развивается в течение последних двадцати лет в проектах МОК ЮНЕСКО. К настоящему времени в рамках проекта Global Ocean Observing System (GOOS) [1] совместными усилиями ведущих стран мира создана современная наблюдательная система, основанная на комбинации спутниковых и контактных наблюдений и позволяющая осуществлять оперативный мониторинг вертикальной структуры и циркуляции океана [3]. Разработке методов ассимиляции данных глобальной оперативной наблюдательной системы океана и развитию методов прогноза полей океана посвящен проект "Global Ocean Dynamic Experiment" (GODAE). В проекте участвует 14 групп, представляющих отдельные страны или интернациональные коллективы [4].
Успешное развитие работ по проекту GODAE стимулировало создание систем морских прогнозов, включающих не только Мировой океан, но и окраинные и внутренние моря, в которых сосредоточены интересы основных потребителей информации о состоянии морской среды. Наиболее развитой является система, созданная Европейским консорциумом проекта "Мой Океан" при поддержке Седьмой Рамочной программы Европейской Комиссии для прогноза состояния как Мирового океана в целом, так и окраинных и внутренних морей Европы. Созданная система прогнозов функционирует в рутинном режиме, открыто распространяя свои продукты через сайт www.myocean.eu.
Качественно новая информация о состоянии морей и океанов, доступная исследователям в результате развития оперативной океанографии, впервые позволяет рассматривать Мировой океан как единое целое, что, весьма вероятно, даст возможность приблизиться к решению проблемы долгосрочного прогноза погоды [5].
Дальнейшее развитие оперативной океанографии связано с оптимизацией наблюдательной системы и совершенствованием моделей циркуляции океана для повышения точности и увеличением заблаговременности морских прогнозов. Рост мощности компьютеров позволяет увеличивать пространственное разрешение численных моделей, что дает возможность явного воспроизведения мезо- и субмезомасштабной динамики струйных течений, фронтов и вихрей открытого океана, а также отдельных элементов конвекции и внутреннего перемешивания. Новое качество численных моделей должно сопровождаться ее физическим обогащением, включающим поиск новых параметризаций подсеточных процессов.
Актуальные исследования в области оперативной океанографии требуют проведения огромного количества вычислительных экспериментов с использованием комплекса моделей циркуляции
океана разной сложности: негидростатических моделей высокого разрешения; совместных модели циркуляции океана и атмосферы, циркуляции и волнения; моделей, описывающих взаимодействие прибрежной зоны и открытого океана. Модели должны обладать высокой производительностью и быть частью единого информационно-вычислительного комплекса (ИВК) включающего базы данных как атмосферного воздействия, так и океанографических наблюдений, необходимых для инициализации моделей, их калибровки и оценки адекватности. ИВК должны быть оснащены развитым аппаратом обработки расчетов, алгоритмами ассимиляции данных наблюдений, позволяющими выявлять неадекватности физического содержания моделей и указывать пути их дальнейшего совершенствования.
Однако весь Мировой океан представляется слишком сложным объектом для быстрого прогресса в разработке новых эффективных методов прогноза морской среды. В этой связи целесообразно подобрать более простой тестовый морской бассейн, который по своим характеристикам и разнообразию процессов был бы подобен Мировому океану. Его можно использовать для разработки новых технологий, тестирования моделей и алгоритмов.
Целью настоящей работы является обсуждение принципов создания эффективного ИВК и реализации его прототипа на примере Черного моря. Эта проблема развивается в рамках программы совместных исследований Российской академии наук (РАН) и Национальной академии наук Украины (НАНУ) — "Черное море как имитационная модель океана" [6]. Данной проблеме посвящено основное содержание этого номера журнала.
2. МЕТОДЫ ОПЕРАТИВНОЙ ОКЕАНОГРАФИИ
Формирование оперативной океанографии как раздела науки неразрывно связано с открытием интенсивной синоптической изменчивости открытого океана [7], показавшим, что текущее состояние океана значительно отличается от среднеклиматического. Поэтому для эффективного обеспечения потребностей человеческой деятельности необходимо создавать средства непрерывного мониторинга состояния морской среды и развивать методы прогноза ее изменений. Выполненный в советско-американском эксперименте "Полимоде" в середине 70-х годов прошлого столетия мониторинг гидрологических характеристик на полигоне размером 500 х 500 км с разрешением синоптических процессов впервые показал возможность восстановления непрерывной эволюции четырехмерной структуры полей
океана на основе синтеза данных наблюдений и численных расчетов [8].
Идеология непрерывного мониторинга океана на основе сочетания моделирования и наблюдений явилась основой программы "Разрезы", выполнявшейся в СССР в 1980-1990-х годах. Проведение исследований по этой программе было связано с осознанием роли Мирового океана в формировании короткопериодных колебаний климата [5]. В частности, с помощью аппарата сопряженных уравнений было показано, что средняя приземная температура европейской части России определяется главным образом интенсивностью теплообмена океана и атмосферы в энергоактивных зонах океана (ЭАЗО), расположенных в Северной и Тропической Атлантике. Были выделены и другие ЭАЗО, вносящие основной вклад в климатическую изменчивость отдельных регионов Земли.
2.1. Оперативные наблюдения. Учитывая важное климатическое значение ЭАЗО, именно в них первоначально была сосредоточена основная наблюдательная часть программы "Разрезы". С точки зрения объема судовых работ в акваториях Мирового океана программа "Разрезы" имела беспрецедентный размах в истории развития отечественной и мировой науки.
Начало реализации программы "Разрезы" совпало с развитием в СССР спутниковой океанологии. Успешный эксперимент с первым советским океанографическим ИСЗ "Космос-1151" [9] дал основание рассматривать спутниковую компоненту как важнейший элемент наблюдательной системы программы "Разрезы" [10, 11]. В середине 80-х годов в рамках проекта "ТПО-0.5", был подготовлен многоканальный измерительный комплекс ИК- и СВЧ-диапазонов для всепогодного восстановления по измерениям с ИСЗ температуры поверхности океана с точностью не хуже 0.5°С, готовился к запуску отечественный альтиметр и по программе "Интеркосмос" цветовой сканер. Планировалось также расширит
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.