Способ квазиоперативной диагностики и прогноза изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна

Способ квазиоперативной диагностики и прогноза изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данный способ относится к измерительной технике и технологии экспериментальных исследований океана.

Цель изобретения - создание технологии для оперативной диагностики и краткосрочного прогноза изменчивости параметров гидрофизических и экологических полей океанического бассейна.

Для достижения поставленной цели необходимо создать: технологию сбора комплексных экспериментальных данных изменчивости полей океана, доступной пользователям; методику проведения экспериментальных наблюдений мелкомасштабной изменчивости параметров гидрофизических полей в заданном районе; технологию ассимиляции информации, получаемой из различных источников в численной модели оперативной диагностики и прогноза изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна; технологию отображения результатов диагноза и прогноза в виде карт циркуляции в исследуемом районе, распределения температуры воды на различных горизонтах и экологических параметров на день измерения, а также их распределения на несколько дней вперед.

Решение поставленной задачи может быть достигнуто на основе новой технологии с использованием для наблюдения изменчивости параметров гидрофизических полей многокомпонентной системы сбора экспериментальных данных (МССД), включающей в себя дистанционное зондирование водной поверхности, дрейфующие, поверхностные и зондирующие буи, автономные буйковые, донные станции и обсерватории, стационарные наблюдательные системы, научно-исследовательские (НИС) и попутные суда, и обработки полученных экспериментальных данных с применением современных компьютеров, численных моделей океанических процессов и методов ассимиляции наблюдений [1, 2].

В качестве прототипов предлагаемого изобретения использованы:

Авторское свидетельство на изобретение №1207298 от 22 сентября 1985 г. «Способ определения пространственно-временной структуры синоптического возмущения в океане и комплекс средств для его осуществления»; Патент на изобретение № 2261460 от 27 сентября 2005 г. «Способ вертикального профилирования течений»; Патент на изобретение №2191415 от 20 октября 2002 г. «Способ оперативной съемки фронтальных зон в океане»; Патент на изобретение №2192025 от 27 октября 2002 г. «Способ определения параметров внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле»; Патент на изобретение №2148828 от 10 мая 2000 г. «Способ определения параметров меандрирующих течений в океане» [3, 4, 5, 6, 7].

Непрерывный мониторинг океана на основе последующей ассимиляции в моделях океана спутниковых наблюдений и гидрологических измерений сформулирован в качестве основной проблемы в 1985 году при реализации Всесоюзной фундаментальной программы исследования океана «Разрезы» и обоснован в работах [8, 9, 10].

Предлагаемый способ оперативной диагностики и прогноза изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна предусматривает использование информации дистанционного зондирования водной поверхности с искусственных спутников Земли, запущенных в рамках международных программ, прошедшей первичную обработку и доступной пользователям через Интернет, автономных буйковых станций, обеспечивающих выполнение исследований по международным проектам, в которых наша страна принимает участие, научно-исследовательских судов, выполняющих по специальной программе комплексные междисциплинарные наблюдения изменчивости параметров полей водного бассейна, автономных буйковых станций и дрифтеров, осуществляющих наблюдения в рамках той же программы.

Сущность изобретения

Блок-схема технологического процесса осуществления способа квазиоперативной диагностики и прогноза изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна приведена фиг.1.

В качестве примера предлагаемой технологии приведем результаты работ прототипа системы на Черном море. На первом этапе производится анализ доступной информации об изменчивости параметров гидрофизических полей океанического бассейна в котором проводится данный эксперимент. При этом в качестве источника информации рассматриваются комплексы дистанционного зондирования поверхности океана с искусственных спутников Земли, стационарные наблюдательные системы и автономные буйковые станции. Анализ информации подразумевает: характеристику, наличие, оценку объема и ее первичную обработку, предусматривающую представление всех данных в абсолютных единицах измеряемых параметров. Так, при создании системы диагноза гидрофизических полей Черного моря и ее экспериментальной эксплуатации были использованы компоненты дистанционного наблюдения альтиметрических спутников TOPEX/POSEIDON, GeoSat, ERS, Jason, EnviSat, скатеррометра QUIKSAT, спутников серии NOAA, обеспечивающих ИК-измерения, сканер AVHRR и цветовые сканеры SeaWiFS и MODIS. Данные альтиметров проходят предварительную обработку в центре, в Тулузе (Франция), и адаптируются к условиям Черного моря. Скаттерометрические данные обрабатываются Лабораторией Реактивного Движения (США) и принимаются по Интернету. Инфракрасные данные сканеров AVHRR со спутников серии NOAA принимаются непосредственно на приемную HRPT-станцию. Затем производится предварительная обработка спутниковых измерений. Она включает калибровку, географическую привязку и геометрическую коррекцию. После этого производится выделение безоблачных участков, осуществляется атмосферная коррекция и рассчитывается температура морской поверхности, приведенная на Фиг.2.

Вторая компонента наблюдательной системы базируется на проведении измерений со свободно-дрейфующих буев. В эксперименте на Черном море использовались данные наблюдений, получаемые с помощью поверхностных свободно-дрейфующих буев и буев-профилемеров. Зарегистрированные траектории движения поверхностных дрейфующих буев приведены на Фиг.3.

Для обеспечения функционирования системы диагноза и прогноза гидрофизических полей Черного моря использовались также анализы поля ветра на основе расчетов по моделям прогноза погоды и данные наблюдений стационарных измерительных систем, автономных буйковых станций и научно-исследовательских судов.

Во втором блоке технологической схемы осуществлялась подготовка данных для ввода в численную модель. Численная модель циркуляции Черного моря основана на дискретизации примитивных уравнений морской динамики [11]. Уравнения модели, записанные в декартовой системе координат с осями X, Y, Z, направленными на восток, на север и вертикально вниз соответственно, в форме Громеки-Лемба имеют следующий вид:

где u, v, w - проекции скорости течения на оси OX, OY, OZ соответственно; ξ=dν/dx-du/dy - вертикальная составляющая вектора вихря скорости; Е=ρ_oj(u²+ν²)/2; T,S и Р - температура, соленость и давление соответственно; f - параметр Кориолиса; g - ускорение свободного падения; ν_V - коэффициент вертикальной турбулентности вязкости; ν_H - коэффициент горизонтальной бигармонической вязкости; K_V, K_H - коэффициенты горизонтальной и вертикальной диффузии.

Численное интегрирование системы уравнений (1)-(7) проводится со следующими граничными условиями:

на морской поверхности z=0:

где (τ^X, τ^Y) - вектор тангенциального напряжения трения ветра; Q^T - суммарный поток тепла; PR - осадки и EV - испарения на поверхности моря; Т, S - температура и соленость из стандартных наблюдений.

Численная модель использовалась для моделирования циркуляции вод в Черном море [12] и показала хорошее качество воспроизведения климата и основных синоптических процессов. Спутниковые альтиметрические наблюдения позволяют рассчитывать возвышения уровня морской поверхности, а компоненты напряжения трения ветра достаточно точно вычисляются по данным о скорости приповерхностного ветра. Данные о поле температуры поверхности моря (ТПМ) получаются посредством обработки наблюдений морской поверхности в инфракрасном (ИК)-диапазоне электромагнитного спектра с ИСЗ. Численная модель осуществляет ассимиляцию спутниковых данных возвышений уровня моря, температуры его поверхности и информации о напряжении трения, вычисленной по реальному ветру, что позволяет решить задачу квазипериодического мониторинга гидрофизических полей Черного моря.

Основные компоненты опытной наблюдательной системы, реализованной на Черном море, дают возможность эффективного использования моделей динамики для диагноза и прогноза циркуляции вод в бассейне. В частности, наблюдения ТПМ по данным ИК сканеров и приводного ветра по данным скаттерометрии или из расчетов по атмосферным моделям дают возможность задавать динамические и термодинамические условия на поверхности моря. Ассимиляция альтиметрии позволяет с высокой точностью воспроизводить изменчивость морских течений в широком диапазоне масштабов.

Модель общей циркуляции вод Черного моря, использующаяся при проведении квазиоперативного мониторинга, реализована на сетке 5×5 км, что позволяет хорошо описывать мезомасштабные особенности морских течений. На Фиг.4 приведен пример карты поверхностных течений, восстановленных на основе ассимиляции наблюдений в модели динамики Черного моря. На Фиг.4. видно положение Основного Черноморского течения, его меандры и вихревые структуры, располагающиеся вдоль побережья.

Однако ассимиляция измерений в моделях позволяет восстанавливать не только поля на морской поверхности, но и в глубинах моря. На Фиг.5 приведена карта распределения температуры на глубине 50 м, показывающая сложную картину пространственной изменчивости, вызванную сдвиговыми течениями.

Следует отметить, что в настоящее время карты такого типа могут быть представлены на любой момент времени и на любой глубине, причем в режиме времени, близком к реальному.

Результаты расчетов, получаемые при оперативном мониторинге гидрофизических полей Черного моря, подлежат контролю и валидации. Контроль результатов расчетов состоит в обнаружении «моментов разладки», т.е. моментов времени, в которых происходят резкие изменения параметров гидрофизических полей, полученных по результатам численного моделирования. Контроль осуществляется привлечением инструментальных измерений гидрофизических параметров и позволяет повысить надежность контроля результатов расчета и осуществить валидацию гидродинамической модели. В результате ее выполнения получаем оценки точности расчетов гидрофизических полей в разных точках наблюдаемой акватории за длительные интервалы времени. В настоящее время источниками контактных инструментальных измерений являются данные дрейфующих буев-дрифтеров, буев-профилемеров и гидрологические разрезы, выполняемые научно-исследовательскими судами.

Точность воспроизведения среднесуточной скорости поверхностных течений оценивалась на основе сопоставления с данными поверхностных дрейфующих буев. С этой целью находятся среднесуточные значения скорости течений в одной и той же точке и в один и тот же момент времени по результатам расчетов и по данным о дрейфе поверхностных буев. Среднесуточная скорость поверхностных течений пропорциональна перемещению буя за сутки и относится к среднему положению буя в пространстве. Рассчитанная по модели в узлах регулярной сетки скорость течений интерполируется в точку среднего положения буя в пространстве в соответствующий момент времени. Разброс вычисленных таким образом скоростей представлен на Фиг.6. Относительная погрешность данных диагноза скорости течений оказалась довольно небольшой, равной, примерно, 30%. Коэффициент корреляции рассчитанных и наблюденных полей также достаточно высок - около 0,7.

Отображение данных предусматривает представление результатов расчетов и валидации модели в текстово-графическом формате. При этом пользователям доступны отображения карт гидрофизических полей на разных горизонтах, графики вертикальных разрезов гидрофизических полей, графики временных рядов гидрофизических параметров, осредненные по пространству или в отдельных точках акватории, результаты валидации модели в таблично-графической и текстовой формах.

Литература

1. Смирнов Г.В., Нерсесов Б.А. Тенденции развития техники и технологии исследования мирового океана. Материалы VII Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» Москва, 2001 г. 130-141 стр.

2. Смирнов Г.В. Роль океанологического приборостроения в восстановлении морской наблюдательной системы. Материалы VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» Москва, 2000 г. 69-83 стр.

3. Нелепо Б.А., Вишняков Ю.С., Шамрай Б.В., Коротаев Г.К., Смирнов Г.В., Кушнир В.М., Шадрин А.Б. Авторское свидетельство на изобретение №1207298 от 22 сентября 1985 г. «Способ определения пространственно-временной структуры синоптического возмущения в океане и комплекс средств для его осуществления»;

4. Смирнов Г.В. Патент на изобретение № 2261460 от 27 сентября 2005 г. «Способ вертикального профилирования течений»;

5. Смирнов Г.В. Патент на изобретение №2191415 от 20 октября 2002 г. «Способ оперативной съемки фронтальных зон в океане»;

6. Смирнов Г.В. Патент на изобретение №2192025 от 27 октября 2002 г. «Способ определения параметров внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле»;

7. Смирнов Г.В. Патент на изобретение №2148828 от 10 мая 2000 г. «Способ определения параметров меандрирующих течений в океане».

8. Нелепо Б.А., Коротаев Г.К. и др. Исследование океана из Космоса. 1985, Наукова Думка, 160 с. (из главы 4.1).

9. Нелепо Б.А., Мановицкий В.Н. Создание системы диагноза и прогноза состояния океана как актуальная проблема автоматизации океанологических исследований Морской гидрофизический журнал. // Изд-во МГИ АН УССР, Севастополь, №3, 1985

10. Тимченко И.Е. Динамико-стохастические модели состояния океана. Киев: Наукова думка. - 1981. - 190 с.

11. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная энергосбалансированная модель бароклинных течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане. М.: ИВМ РАН. 1992. С. 163-231.

12. Demyshev S.G., Korotaev G.K. Numerical modeling of synoptic variability of the Black Sea with consideration of the seasonal boundary conditions. 1996, Izv. RAN, Phys. Atm. and Oceans v.32 N1 p.108-116 (in Russian).

Способ квазиоперативной диагностики и прогноза циркуляции моря, заключающийся в наблюдении изменчивости гидрофизических параметров с использованием многокомпонентной системы сбора экспериментальных данных, включающей в себя дистанционное зондирование водной поверхности, дрейфующие, поверхностные и зондирующие буи, автономные буйковые, донные станции и обсерватории, стационарные наблюдательные системы, научно-исследовательские и попутные суда, отличающийся тем, что по данным дистанционного с искусственных спутников Земли зондирования поверхности океана строится карта температуры поверхностного слоя воды, по результатам наблюдений свободно-дрейфующих буев, буев-профилемеров и данным поля ветра над исследуемым бассейном строится карта поверхностных течений, по материалам буев-профилемеров и автономных буйковых станций и судовых измерений строятся карты распределения гидрологических параметров на заданных горизонтах, далее все полученные данные вводятся в численную модель циркуляции моря, ведется расчет параметров гидрологических полей на всей акватории исследуемого океанического бассейна, строятся карты распределения гидрологических рассчитанных по численной модели параметров, осуществляется контроль результатов расчетов и валидации модели, полученные результаты работы квазиоперативного моделирования отображаются в таблично-графическом и текстовом форматах.