Прогноз погоды океана

Ученые из Морского гидрофизического института РАН (МГИ) (г. Севастополь) демонстрируют инновационную разработку высокоточного прогнозирования в оперативной океанологии, основанную на результатах математического моделирования морской динамики, методов ассимиляции данных наблюдений и оптимизации наблюдательных систем. Альтернативный подход позволяет повысить эффективность изучения Мирового океана и его отдельных акваторий, в частности, реконструировать динамическую структуру соленых вод или дать более качественное представление об аспектах морской динамики

Исследование Мирового океана требует разработки действенной системы анализа и прогноза его состояния. Для получения полного объёма информации о процессах, происходящих в море, океане, атмосфере, учеными создаются новые или совершенствуются существующие технологии. Чтобы проследить эволюционное развитие или выявить доминирующие тенденции в природной системе, а в дальнейшем и охарактеризовать современное состояние морской среды, эксперты обращаются к мониторингу и прогнозу состояния морских бассейнов.

Отечественные специалисты представили оригинальный подход – прототип геоинформационной системы непрерывного анализа и прогноза полей Мирового океана (СНАПО), с учетом опыта развития стандартных разработок, и провели тестирование предлагаемой системы для акваторий Мирового океана, Арктического бассейна и Азово-Черноморского района. Предложенное решение подтверждено эффективной работой действующей СНАПО в составе трех модулей и отработанным запуском моделей.

Сотрудники Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Морской гидрофизический институт РАН» (ФГБУН ФИЦ МГИ) (г. Севастополь) – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией численного моделирования динамики физических и биогеохимических процессов в морских средах Артем Игоревич Мизюк и  кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории морских прогнозов Антон Леонидович Холод – рассказали об актуальности проблемы создания системы непрерывного анализа и прогноза состояния Мирового океана и в чем достоинства новаторского решения ученых МГИ, базирующегося на модельных расчетах и являющейся совместной разработкой с коллегами из Института вычислительной математики РАН (г. Москва) и Института океанологии РАН (г. Москва).

«Все мы периодически смотрим прогноз погоды. Возможно, многие и не задумываются, как его делают, но тем не менее человек следит за погодой и знает, когда похолодает, если похолодает, то на какой период, насколько сильным будет ветер, сколько выпадет осадков и т. д. Зачастую, информация, которую мы получаем о погоде, является весьма достоверной, поскольку методики выполнения прогноза отлаживаются длительное время. И поэтому есть глобальные центры прогнозов погоды, а в большинстве стран есть и свои региональные центры. Есть такой и в России, как вы знаете. Однако, если мы вспомним, что многие крупные города мира расположены на побережьях морей и океанов, а также, что значительная доля транспортировки грузов происходит по морским путям, то становится понятно, что для комфортного проживания человеку необходимо знать и состояние океана. Поэтому необходимо создавать аналогичные погодным центры морских (или океанских) прогнозов. Они работают на основе систем непрерывного анализа и прогноза состояния морей и океанов. Результат работы подобных систем дает представление о течениях, температуре, солености, причем не только на поверхности, но и на глубине. Также позволяет получить представление об уровне моря и, соответственно, о поверхностной циркуляции. На самом деле, если забегать немного дальше, то сейчас такие системы дают информацию о волнении, содержании хлорофилла (т. н. цвет моря), переносе загрязняющих веществ и т. д. Если мы разработали подобную систему, то можем решить задачи не только прогноза на последующие 5-10 суток, но и можем определить состояние океана (или моря) в прошлом с привлечением имеющегося большого объема накопленных данных наблюдений. Следует отметить, что в США и в Европе подобные системы разрабатывались продолжительное время. Сейчас они функционируют непрерывно и дают представление о состоянии океана в реальном масштабе времени. В Российской Федерации, несмотря на все предпосылки к созданию и важность решения такой задачи, подобные системы отсутствовали. Хотя для нашей страны это наиболее актуально: у нас выход к трем океанам и большое количество морей», – Артем Мизюк сообщил о необходимости создания систем морского прогноза.

Дополняя ответ коллеги, Антон Холод уточняет, что «система анализа и прогноза состояния Мирового океана является аналогом системы прогноза состояния атмосферы или, как принято говорить, системой «прогноза погоды». Т.е. аналогично прогнозу погоды в атмосфере, которым занимаются метеослужбы, мы делаем прогноз погоды только в «океане». Вот как раз задача созданной системы анализа и прогноза состояния Мирового океана выдать потребителю такой прогноз на срок до 5-10 суток в любой точке Мирового океана. При этом надо отметить, что в любой точке МО как по пространству, так и по глубине. Доступны такие данные как температура, соленость, скорости течений, уровень моря. А по поводу значения, так оно очень широко от задач, связанных с рекреацией, рыболовством, судоходством до вопросов, связанных с исследованием изменения климата».

Оригинальная система прогнозирования базируется на вихреразрешающих или вихредопускающих моделях. Чем обоснован такой подход, Артем Мизюк дал подробное пояснение: «В основе систем непрерывного анализа и прогноза лежат численные модели общей циркуляции океана. По сути – это программные комплексы, которые позволяют численно находить решение системы уравнений гидротермодинамики океана. Для этого нужны начальные условия: поля температуры, солености, скоростей течений и уровня моря. Кроме того, нужные граничные условия на поверхности, которые получаются на основе данных атмосферного прогноза. Таким образом, получая решение системы уравнений от известных нам начальных условий, мы выполняем прогноз состояния океана на период атмосферного прогноза. Очень важным параметром моделей является их пространственное разрешение. Чем оно выше, тем лучше с точки зрения короткопериодного прогноза, поскольку в этом случае в результатах моделирования будут разрешены так называемые синоптические и мезомасштабные вихри. Это аналог вихрей атмосферных. Они проявляются во всех частях Мирового океана и их характерный масштаб зависит от широты: в районе экватора они довольно большие, но по мере приближения к полюсам характерный масштаб вихрей уменьшается. Ранее было показано, что, чем больше мы можем воспроизвести мелкомасштабную изменчивость в результатах моделирования, тем точнее будет прогноз. Поэтому в арктических районах модели должны иметь для этого очень высокое пространственное разрешение. Но зачастую мы ограничены в ресурсах и во времени. Напомню, что речь идет об оперативном прогнозе, то есть в режиме, близкому к реальному масштабу времени. Это значит, что мы должны как можно быстрее с помощью модели найти численное решение. Поэтому пространственное разрешение модели берется таким, чтобы непосредственно за счет моделирования долю вихрей воспроизвести было нельзя. Но если эти вихри уже есть в начальных условиях, то модель «поддерживает» их интенсивность на период прогноза. Прогнозу предшествует так называемый период анализа, когда в численной модели усваиваются данные наблюдений, в которых эти вихри также проявляются. Поэтому можно сказать, что использование вихредопускающей модели – это некий компромисс между точностью прогноза и оперативностью работы системы».

Исследование российских специалистов выполнялось в рамках проекта РНФ «Новые методы и суперкомпьютерные технологии анализа и прогноза Мирового океана и Арктического бассейна» (с 2017-2020 гг.) под руководством чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессора, научного руководителя ФГБУН ФИЦ МГИ Геннадия Константиновича Коротаева. Фундаментальной целью работы стало развитие методов оперативного контроля и прогноза морской среды и создание системы непрерывного анализа и прогноза состояния океана (СНАПО), конечной функцией, в свою очередь, которого являлось доведение анализов и прогнозов в удобном виде до потребителей. Большая команда ученых была представлена как сотрудниками Морского гидрофизического института РАН (г. Севастополь), так и коллегами из Института вычислительной математики имени Г.И. Марчука РАН (г. Москва) и Института океанологии РАН (г. Москва). Основные исполнители ИВМ РАН: д.ф.-м.н., профессор, ученый секретарь Виктор Петрович Шутяев, д.ф.-м.н., профессор, в.н.с. Владимир Борисович Залесный и чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., г.н.с. Рашит Ахметзиевич Ибраев.

Периодически, начиная с 1-го года проекта РНФ (с 2017 г.), на базе ФГБУН ФИЦ МГИ «Морской гидрофизический институт РАН» (г. Севастополь) проходит международная школа молодых ученых и специалистов по оперативной океанологии. Это было одним из требований при выполнении проекта.

Как замечает Антон Холод, «определенный опыт у нас был, поскольку раньше, в период участия института в проектах Европейских рамочных программ нашими специалистами проводились подобные тренинги. Школа состояла из двух частей: теоретической и практической. Под теоретической частью имеются в виду лекции, которые проводились ведущими специалистами по направлению оперативной океанографии и морских прогнозов, не только отечественными, но и зарубежными. Например, на последней школе, проведенной в 2020 году, со своими лекциями выступили Джордж Зодиатис (Океанографический центр морских исследований Университета Кипра), Шапиро Георгий (проф., д.ф.-м.н., Университет Плимута, Великобритания),  Гертман Исаак (проф., PhD, Институт океанографических и лимнологических исследований, г. Тель-Шикмона, Израиль), Динаский Николай Ардальянович (ИВМ РАН, г. Москва), Еремина Татьяна Рэмовна (РГГМУ, г. Санкт-Петербург). до отметить, что лекции были весьма увлекательным и представляли результаты, которые получали ученые при разработке систем морских прогнозов, аналогичных нашей. Второй составляющей школ стали практические занятия, для чего специально был подготовлен компьютерный класс, хотя многие выполняли практические задания на своих лэптопах. Здесь участники могли научиться скачивать и компилировать   численные модели циркуляции океана, выполнять с их помощью численные эксперименты и анализировать их результаты, а также анализировать результаты работы прогностических систем, различных данных наблюдений о состоянии океана».

«Нами специально была продумана последовательность тематик в школах, чтобы участники могли представить объем работ и нюансы, которые возникают при создании систем диагноза и прогноза океана. Первая школа являлась некоторым введением, дающим представление о численном моделировании и наблюдениях. Далее была школа, посвященная более углубленному изучению текущих разработок в области численного моделирования океана, ледового покрова, моделированию эволюции экосистемы и прогнозированию распространения загрязнений. Также была школа с упором на различные виды данных наблюдений и методы их усвоения в моделях, а также с обзором отечественных и зарубежных банков данных и дата-центров. На последней школе представлены отечественные и зарубежные системы диагноза и прогноза состояния океана и результаты выполнения отмеченного проекта РНФ, – севастопольский ученый обратил внимание на разнообразный тематический диапазон исследовательских задач в школах и резюмировал, – Таким образом, за четыре года проекта нами было проведено четыре школы. Поскольку школы имели определенный успех и популярность среди молодых ученых Российской Федерации, работающих по тематике оперативной океанографии и в смежных областях, руководством института была поддержана идея проведения школ и далее, так что уже осенью этого года мы планируем вновь проводить школу вместе с ежегодной научной конференцией МГИ «Моря России». 

В ходе исполнения проекта коллективом исследователей было предложено авторское решение по созданию оригинальной системы мониторинга прогноза состояния океана. Антон Холод указал на преимущества и принципиальные отличия от других существующих систем и раскрыл, какой заложен алгоритм:

«Основой для создания системы анализа и прогноза состояния океана были знания и опыт, полученные при работе в ряде Европейских проектов с 2006 по 2014 гг., таких как ARENA, ECOOP, MyOcean, MyOcean2. В это время на базе МГИ был создан Черноморский центр морских прогнозов в соответствии с требованиями всех Европейских стандартов. Прототипом созданной СНАПО как раз и являлся Черноморский центр морских прогнозов. Созданная система состоит из ряда подсистем или модулей: подсистема загрузки данных, подсистема обработки данных, подсистема расчета, подсистема выхода, подсистема валидации и верификации. Именно модульный принцип является преимуществом такой системы, т.к. он позволяет в будущем совершенствовать различные модули или заменить один из модулей, не нарушая общую конструкцию системы. Для выполнения расчетов в рамках проекта РНФ нами был закуплен достаточно мощный вычислительный кластер на 672 ядра. Именно на нем выполняется расчет по моделям Мирового океана, Арктики и Азово-Черноморского региона.

Система содержит модуль валидации и верификации. В его задачи как раз и входит подтверждение эффективности и корректности модельных расчетов. Для этого осуществляется регулярное сопоставление результатов модельных расчетов с данными спутниковых и натурных измерений. Тестирование системы выполнялось в автоматическом режиме, начиная с мая по декабрь 2020 года, и показало, что функционирование системы обеспечивает ежедневный диагноз и прогноз полей температуры, солености, скоростей течений, уровня морской поверхности и сплоченности морского льда. В основном система качественно верно воспроизводит вертикальные распределения полей температуры и солености. Однако в некоторых районах Мирового океана наблюдаются систематические погрешности, в определенных районах замечено излишнее осолонение вод вблизи кромки льда. Причины и пути устранения этих погрешностей будут идентифицированы и устранены при более длительной эксплуатации системы».

Кроме того, российскими экспертами представлена методика регионального гидрометеорологического моделирования. Как отметил Артем Мизюк, «системы прогноза состояния Мирового океана (как и глобальные системы прогноза погоды) дают информацию с разрешением вполне удовлетворительным, если говорить о масштабах Мирового океана. Однако, если мы захотим исследовать его отдельные акватории, мы можем испытывать определенные трудности, поскольку здесь уже пространственного разрешения очевидно недостаточно. Поэтому для отдельных районов (регионов) Мирового океана следует создавать региональные системы прогноза, которые могут использовать, в том числе, и информацию из глобальных систем. То есть система регионального прогноза также основана на численной модели, что и глобальная, но адаптирована непосредственно к данной акватории. При этом модели могут быть одинаковыми, могут и различаться. Отмеченная акватория теперь будет незамкнутой, то есть будет иметь так называемые открытые жидкие границы (в случае если речь идет об океане). И информация о граничных условиях на этих границах может быть получена как раз из глобальной системы».

Так, специалисты МГИ провели оценку точности численного моделирования Азово-Черноморского бассейна. В частности, предметом изучения стали термохалинные поля. Что они собой представляют и какова точность их моделирования Антон Холод разъяснил:

«Термохалинные поля – это поля температуры и солености. В рамках гранта мы оценивали точность моделирования этих полей с помощью бассейновой модели Черного моря, функционирующей в Черноморском центре морских прогнозов МГИ. Эта модель разработана в нашем институте, прошла все цикли калибровки и валидации и сейчас работает в оперативном режиме. Точность оценивали на основе сопоставления с данными in situ измерений буев ARGO. Результаты показали, что модель адекватно воспроизводит термохалинные поля, но в летнее время бывают довольно большие ошибки в расчетах полей температуры, связанные с тем, что модели не удается воспроизвести узкий сезонный термоклин, который имеет место в Черном море. Но в целом, в настоящее время, это одна из лучших гидродинамических моделей для бассейна Черного моря».

Каковы результаты прогноза температуры поверхности морской воды?

«Одним из важных параметров, характеризующих точность расчетов по модели, является прогноз температуры поверхности моря (ТПМ). Мы провели сопоставление прогноза ТПМ Черного моря по нашей модели и модели, функционирующей в службе Коперника (Европейская служба). Результаты показали, что расчеты ТПМ, как анализ, так и прогноз на срок до 5 суток по нашей модели примерно на 15-20% лучше, чем в службе Коперник, если оценивать точность по таким параметрам как среднее и среднеквадратичное отклонение относительно данных натурных измерений. Точность расчета по модели падает при увеличении срока прогноза», – конкретизировал севастопольский ученый.

1. )                                                                   b)

Рисунок 2. Свободные инерционные колебания, наложенные на средний дрейф в точке с координатами 44֯ с.ш., 35֯ в.д. (а) разность между исходным сигналом и средним дрейфом в этой же точке (b) (Н – начало реализации, К – конец реализации).

Источник: «Kholod A. L., Korotaev G. K. Simulation of Inertial Oscillations Induced by a Strong Storm by the Operational Circulation Model of the Black Sea //Russian Meteorology and Hydrology. – 2018. – Т. 43. – №. 12. – С. 837-842».

Какие данные о морской динамике дает анализ инерционных колебаний Черного моря и что он выявил посредством вашей гидродинамической модели?

«Инерционные колебания – это движение воды, возникающее в морях и океанах вследствие вращения Земли. Их период зависит от широты. Для Черного моря период инерционных колебаний составляет примерно 17.5 часов. Мы исследовали развитие инерционных колебаний после прохождения сильного шторма над акваторией Черного моря в ноябре 2007 года. Модель хорошо воспроизвела фазу колебаний, интенсивность была немного завышена. Тем не менее было видно, что со временем интенсивность инерционных колебаний на поверхности падает, а их энергия переносится в глубинные слои моря, а еще через определенное время инерционные колебания охватывают весь столб жидкости. Хочу добавить, что в процессе эксплуатации модели, после проведения ряда валидационных расчетов в модели была изменена параметризация турбулентного обмена на схему Меллора-Ямады, которая более точно воспроизводит влияние штормов», – сообщил Антон Холод.

Исследователи провели сопоставительный анализ применения разных методик расчета (спутниковых альтиметрических наблюдений и оценки изображений в ИК-диапазоне), чтобы выяснить, что дает более точную оценку полю уровня моря по степени достоверности, объективности и различий в численных значениях.

Как заверил Артем Мизюк, «более точным для определения уровня моря, конечно, являются альтиметрические измерения. Однако проблема бывает в следующем. Спутниковый альтиметр измеряет возвышение поверхности уровня моря над некоторой поверхностью (обычно ее называют средняя динамическая топография) вдоль трека спутника. Такие треки покрывают поверхность моря довольно густо, но все же не полностью. Для получения на основе этих данных поля уровня необходимо применять процедуры интерполяции. И может быть ситуация, когда отсутствие измерений в какой-то акватории не позволит точно определить положение вихря. Спутниковые ИК-измерения выполняются с использованием другого принципа, где мы получаем мгновенное поле восходящего из-под поверхности моря излучения (часто эти измерения называются снимками). Такие измерения также позволяют видеть положение вихрей и при этом, если у нас отсутствует облачность, то вихри довольно хорошо проявляются. Зачастую положение вихрей по тем и другим измерениям совпадают. Но могут и не совпадать, поскольку для реконструкции поля уровня требуется использование процедуры интерполяции на регулярную сетку, что уже может привести к не совсем точному отображению положение  вихря. Отмечу, что хоть и по полю температуры поверхности моря по ИК-изображениям однозначно восстановить поле уровня моря мы не можем, тем не менее использование последовательности ИК-изображений через достаточно малые промежутки времени позволяет оценить скорости течений, по которым уже можно попытаться восстановить поле уровня. Поэтому я бы сказал, что здесь не надо противопоставлять одну методику другой, а стараться использовать обе, чтобы оценить поле уровня в некотором смысле оптимальным образом».

Посредством численного моделирования циркуляции на основе авторской модели севастопольские ученые исследовали структуру и траекторию внутрипикноклинных линз в бассейне Черного моря в результате водообмена через Босфор.

Артем Мизюк детально объяснил, что представляют собой внутрипикноклинные линзы, как они образуются, какую роль играют, а также, к каким результатам удалось прийти ученым в своей работе, изучая это явление: «Черное море – почти изолированный бассейн, который однако соединен со Средиземным через Мраморное море и пролив Босфор. Здесь происходит очень интересный процесс водообмена, поскольку соленость поверхностных вод моря около 18 ‰, в то время как соленость вод Мраморного моря близка к средиземноморским и почти в 2 раза выше (около 35 ‰). Поэтому водообмен через пролив Босфор уже примечателен. Во-первых, он довольно узкий и не очень глубокий (относительно глубины морей), всего лишь около 40 – 60 м. Немногие знают, что здесь формируются течения в двух направлениях. Через верхнебосфорское менее соленые (и следовательно, менее легкие) воды Черного моря движутся в бассейне Мраморного моря в верхнем слое 25 – 35 м. Глубже cуществует поток в обратном направлении – мраморноморские воды поступают в бассейн Черного моря (нижнебосфорское течение). Данный факт был известен и ранее. О нем свидетельствуют работы как основанные на измерениях структуры вод в проливе, так и ряд работ по моделированию циркуляции в бассейнах.

Однако до сих пор механизм распространения высокосоленых вод в бассейне Черного моря исследован недостаточно. И есть разные гипотезы. Наиболее логичной является механизм распространения вод по дну (поскольку они тяжелее, чем черноморские водные массы). С этим связывают обычно наличие заметной стратификации вод Черного моря по солености. С другой стороны, в работах российских ученых, использующих для анализа данные автономных буев, дрейфующих в бассейне, было показано, что интрузии высокосоленых вод могут проявляться далеко от пролива, вплоть до центральной части восточного циклонического круговорота Черного моря. Это свидетельствует о наличии другого механизма распространения вод. Например, можно предположить механизм, аналогичный распространению линз соленой воды, возникающих при водообмене Средиземного моря с Атлантическим океаном через пролив Гибралтар, обнаруженным ранее как по измерениям, так и по результатам моделирования и получившим название meddy (от англ. Mediterranean water eddy – вихрь средиземноморских вод).

В рамках проекта РНФ нам впервые удалось провести моделирование каскада морей Азовское – Черное – Мраморное (так называемый Эвксинский каскад) с очень высоким пространственным разрешением (около 1 км), что в принципе позволило по-новому взглянуть на различные процессы и явления в Черном море. Одним из таких явлений оказались воспроизведенные и довольно долгоживущие линзы соленой воды. Они возникают в результате захвата стрежнем основного черноморского течения мраморноморских вод в момент, когда штормовые ветра в акватории Мраморного моря приводят к значительному затоку вод через Босфор. Линзы по результатам моделирования можно наблюдать в течение 1-1,5 месяцев. Их форма действительно похожа на линзу толщиной порядка 40 м и характерным размером около 10 км. Ядро линзы при этом залегает на глубине 60 – 70 м. Несмотря на довольно интересный результат в плане моделирования, подтверждений наличия таких структур в реальности на основе измерений пока нет. Поэтому к результату следует относиться как к гипотезе. Для подтверждения необходима грамотно проведенная гидрографическая съемка в определенный сезон».

Как Вы оцениваете перспективы и потенциал вашей авторской методики для дальнейшего анализа, моделирования или прогнозирования состояния океана?

«Как отмечалось выше, подобные системы в США и Европе развиваются длительное время и сейчас продукты этих систем активно используются, в том числе, и в нашем институте. Выделяемое под такие системы финансирование за рубежом, конечно, значительно больше. Данный проект не ставил амбициозную задачу «переплюнуть» зарубежные разработки, а попробовать разработать отечественный аналог. В то же время, за период выполнения проекта удалось показать, что уровень отечественных комплексов численного моделирования не ниже зарубежных, также как и уровень разработанной системы автоматизации. А главное, созданный и функционирующий по настоящее время прототип является свидетельством того, что при должном уровне финансирования отечественная система морских прогнозов высокого уровня может быть создана. Как нам кажется, в России есть весьма большое количество потенциальных потребителей результатов работы подобных систем. Поэтому сейчас важно их найти и начать с ними работу», – выразил мнение Артем Мизюк.

Представленный российскими учеными макет прогностической системы функционирует и успешно прошел апробацию, что позволяет на регулярной основе получать информацию о текущем состоянии и прогнозе на 5 суток полей температуры, солености, течениях, уровне моря и границах ледового покрова для Мирового океана и Арктического бассейна. Полученные результаты направлены на повышение уровня надежности системы и точности выполняемых прогнозов, они являются важным этапом для создания отечественной системы морских прогнозов мирового уровня, способной конкурировать с зарубежными аналогами.

Фото слайд 

Фото превью