en ru

Прогноз состояния вод Атлантики

Рис.1. ТПО (°C) в модели Северной Атлантики за 2008-06-29 в базовом эксперименте (А01) и эксперименте с усвоением методом EnOI (А02). Кругами показаны расположение дрифтеров АРГО, профили температуры и солености, с которых поступили данные на 2008-06-29. Размер кругов пропорционален разнице между температурой с дрифтеров и модельной температурой. Крестик в круге означает, что модельная температура ниже температуры с дрифтера, точка в круге - модельная температура выше
Рис.1. ТПО (°C) в модели Северной Атлантики за 2008-06-29 в базовом эксперименте (А01) и эксперименте с усвоением методом EnOI (А02). Кругами показаны расположение дрифтеров АРГО, профили температуры и солености, с которых поступили данные на 2008-06-29. Размер кругов пропорционален разнице между температурой с дрифтеров и модельной температурой. Крестик в круге означает, что модельная температура ниже температуры с дрифтера, точка в круге - модельная температура выше
Рис. 2. ТПО (°C) в Мексиканском заливе (модель Северной Атлантики) за 2008-06-29 (a) в базовом эксперименте (А01);  (b) в эксперименте с усвоением методом EnOI (А03);  (c) спутниковые данные наблюдений ARMOR 3d
Рис. 2. ТПО (°C) в Мексиканском заливе (модель Северной Атлантики) за 2008-06-29 (a) в базовом эксперименте (А01); (b) в эксперименте с усвоением методом EnOI (А03); (c) спутниковые данные наблюдений ARMOR 3d
Рис. 3. Уровень (м) в модели Северной Атлантики за 29.06.2008 г. в эксперименте А01 с усвоением альметрии методом EnOI (а) и базовом эксперименте А02 (б). Кругами показаны точки, для которых поступили данные уровня на 29.06.2008 г. из проекта AVISO (спутник Jason-1). Размер кругов пропорционален разнице между уровнем, измеренным спутником и модельным
Рис. 3. Уровень (м) в модели Северной Атлантики за 29.06.2008 г. в эксперименте А01 с усвоением альметрии методом EnOI (а) и базовом эксперименте А02 (б). Кругами показаны точки, для которых поступили данные уровня на 29.06.2008 г. из проекта AVISO (спутник Jason-1). Размер кругов пропорционален разнице между уровнем, измеренным спутником и модельным
Рис. 4. ТПО в эксперименте А04. Звездочками показано расположение дрифтеров D1 (30.4° с.ш., 38.1° з.д.) и D2 ( 40.5° с.ш., 56.0° з.д.). Черными кругами показаны остальные дрифтеры ARGO, данные профилей температуры и солености с которых поступили 2008-06-29
Рис. 4. ТПО в эксперименте А04. Звездочками показано расположение дрифтеров D1 (30.4° с.ш., 38.1° з.д.) и D2 ( 40.5° с.ш., 56.0° з.д.). Черными кругами показаны остальные дрифтеры ARGO, данные профилей температуры и солености с которых поступили 2008-06-29
Рис. 5. Профили температуры (a,c) и солености (b,d)  (1, красный) двух дрифтеров ARGO D1 (a,b) и D2 (c,d);  (2, зеленый) модельные из эксперимента А04 с усвоением альтиметрии AVISO; (3, синий) модельные из контрольного эксперимента А01c
Рис. 5. Профили температуры (a,c) и солености (b,d) (1, красный) двух дрифтеров ARGO D1 (a,b) и D2 (c,d); (2, зеленый) модельные из эксперимента А04 с усвоением альтиметрии AVISO; (3, синий) модельные из контрольного эксперимента А01c
Усвоение данных ARGO и спутниковых данных в модели Северной Атлантики

С применением параллельного алгоритма EnOI усвоения данных наблюдений проведены исследования по прогнозу состояния океана. Усваивались профили температуры и солености (данные дрифтеров ARGO) и аномалия уровня океана (спутниковые данные AVISO) в модели Северной Атлантики, которая является частью модели Мирового океана 1/10 х 1/10 х 49.

Приведем пример прогноза состояния океана с усвоением данных профилей температуры и солености, полученных с дрифтеров ARGO. Постановка задачи описана в работе (Кауркин, Ибраев, Беляев, 2016).

Модельное поле поверхностной температуры для Северной Атлантики без усвоения данных (эксперимент А01) и с усвоением методом EnOI (эксперимент А02) за 2008-06-29 показано на рис. 1. По анализу размера кругов, который пропорционален разнице между модельной температурой поверхности океана (ТПО) и данными измерений, можно сделать выводы об эффективности усвоения. Очень хорошо заметна большая разница этих кругов в районе экватора и Северо-Атлантического течения, то есть в тех областях, где динамика океана особенно выражена. Усвоение корректирует модельную температуру в правильном направлении, то есть в соответствии с наблюдениями, при этом величина коррекции пропорциональна, но не линейно, значениям модельной скорости.

Обратим внимание, что ТПО (температура поверхности океана) в районе Мексиканского залива в эксперименте А02 (рис. 2б) превышает значение ТПО контрольного эксперимента A01 (рис. 2а), при этом разница в среднем составляет около 2ºC. При сравнении с независимыми спутниковыми данными ТПО (ARMORd3, рис. 2в) видно, что расчетные поля А02 заметно ближе к наблюдениям, разница в среднем составляет меньше 1ºC. Это свидетельствует о том, что схема усвоения совместно с моделью, корректно приближает поля модели к измерениям, при этом сохраняя имеющийся в реальных физических полях баланс тепла и массы. Особо обратим внимание, что за 2 месяца эксперимента в Мексиканском заливе не наблюдалось ни одного дрифтера АРГО, а наблюдаемые ТПО никак не использовались в процедурах усвоения.

Усвоение спутниковых данных в модели Северной Атлантики

Далее рассмотрим прогноз с усвоением данных спутниковой альтиметрии AVISO со спутника Jason-1. Модельное поле уровня для Северной Атлантики с усвоением методом EnOI (эксперимент А01) за 29.06.2008 г. и без усвоения данных (эксперимент А02) показаны на рисунке 3. Из анализа размера окружностей, которые пропорциональны разнице между модельным уровнем поверхности океана и данными измерений, можно сделать выводы об эффективности усвоения. Хорошо заметна большая разница этих окружностей в районе Северо-Атлантического течения, где динамика океана особенно выражена.

На рисунке 5 приведены профили температуры и солености для двух дрифтеров ARGO (D1 и D2) и модельные профили для экспериментов А02 (контрольный расчет) и А01 (усвоение данных AVISO), интерполированных в точки расположения дрифтеров. Расположение дрифтеров показано на рисунке 4.

Дрифтеры выбраны таким образом, чтобы D1 был в открытом океане, а D2 – в области течения Гольфстрим. Видно, что на глубине от 3 до 1000 метров в эксперименте с усвоением данных альтиметрии (эксперимент А01), значительно лучше воспроизводится вертикальный профиль температуры и солености, представленный данными ARGO по сравнению с экспериментом без усвоения (А02), как для области открытого океана вдали от интенсивных течений, так и для области течения Гольфстрим, в которой происходят активные динамические процессы. В открытом океане в точке дрифтера D1 модель с усвоением практически идеально воспроизводит профиль данных дрифтера: ошибка для температуры не превышает 1°C и 0.2‰ для солености на всей глубине. Для динамически активного района в точке расположения дрифтера D2 результат в эксперименте А01 хуже, но все равно ошибка для температуры и солености уменьшается практически в два раза по сравнению с экспериментом А02. Здесь, скорее всего, сказывается довольно простая схема параметризация вертикального перемешивания методом Манка–Андерсена, используемая в модели океана.