Prediction of the Atlantic Ocean
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.
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.