по истории и философии науки На тему: “История развития системы получения и моделирования данных об океане” (стр. 5 из 6)
Рис. 6. Схема эксперимента в заливе Монтерей 2006 г.
В эксперименте используются заякоренные буи, подводные датчики и спускаемые аппараты системы MARS (Monterey Accelerated Research System). Подобный эксперимент “NEPTUNE” (см. Рис. 7) проводится в Канаде [9] университетом Виктории.
Очевидно, что синхронизированные данные, получаемые в реальном времени несут больше информации, чем разрозненные наблюдения с большими временными интервалами между ними. Поэтому идеология подобных наблюдений предполагает единый центр сбора, обработки и хранения полученных данных. В заливе Монтерей таким центром является MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) в эксперименте NEPTUNE – университет Виктории.
Для синхронизации всех наблюдений в этих экспериментах используется высокопроизводительная оптоволоконная сеть, к которой подключены все имеющиеся приборы и, с помощью которой, с них возможно не только получать данные, но и дистанционно управлять ими.
Подобные наблюдательные комплексы предоставляют полный комплект, необходимых для различных исследований, данных, что облегчает накопление и последующих анализ. Единственным недостатком таких комплексов является их стоимость – около 100-120 млн. долларов, что сравнимо с расходами на подготовку и запуск спутника на орбиту.
Рис. 7. Схема сети эксперимента NEPTUNE.
В будущем, например в рамках проекта LOOKING, о котором будет рассказано позже, планируется интеграция подобных наблюдательных комплексов в единую систему мониторинга состояния западного побережья США.
Основной целью создания подобных систем, является накопления большого объема данных по интересующим акваториям, для их последующего анализа с помощью океанических моделей.
Наше понимание океана в целом базируется на измерениях, однако каковы бы ни были измерения их количество все равно не достаточно, чтобы описывать состояние всего океана в каждый, интересующий нас момент времени. В дополнение к задаче анализа существует задача прогнозирования, которая никак не может быть решена только измерениями.
Данные проблемы привели к тому, что любая деятельность, связанная с получением данных об океане использует математические модели. Даже люди, занимающиеся измерением параметров океана, используют модели чтобы получать различные дополнительные данные, которые измерить напрямую очень сложно, например тепловые потоки, поверхностное натяжение и т.д.
Современная океанология рассматривает океан и движения в нем на различных масштабах, начиная от самого мелкого – поверхностных волн и заканчивая структурой глобальной циркуляции мирового океана. Изучение мелкомасштабных изменений важны для прибрежных районов, крупномасштабные модели используются для оценки влияния океана на климат всей планеты. Изучение разномасштабных процессов в рамках одной модели потребовало бы слишком больших вычислительных ресурсов, которые на данный момент океанологи получить не в состоянии. В связи с этим модели океана по своему масштабу подразделяются на [4]:
1) Региональные модели – модели, применяемые для расчета процессов, происходящих на региональных масштабах. Они, как правило, достаточно быстры при расчетах и основным их недостатком является необходимость задавать граничные условия на открытых границах морей, которые в большинстве случаев неизвестны. Из-за вышеперечисленного данные модели не используются для предсказаний на длинные периоды времени.
2) Глобальные модели – модели, рассчитывающие состояние акватории всего мирового океана. У данных моделей есть два недостатка, первый – очень высокая требовательность к вычислительным ресурсам и большое время расчета, и второй – невозможность учитывать мелкомасштабные процессы, из-за чего страдает точность расчетов.
По физическим принципам, на основе которых построена модель, делятся на:
1) Гидростатические модели – модели, использующие приближение гидростатики, которое заключается в том, что вертикальные ускорения в океане, как правило, очень малы, по сравнению с ускорением силы тяжести. Поэтому давление в океане вычисляются просто как давление столба стоячей жидкости. Такие модели неприменимы на мелких масштабах (порядка нескольких десятков метров) поскольку на таких масштабах гидростатическое приближение неверно
2) Негидростатические модели – модели, не использующие гидростатическое приближение, как правило, это модели прибрежной циркуляции. Такие модели являются очень мелкомасштабными и используются для описания небольших акваторий.
3) Модели Бусинеска – модели, пренебрегающие изменениями плотности почти везде, кроме гидростатического уравнения. Данный вид моделей не в состоянии правильно прогнозировать изменение уровня океана, поскольку в них сохраняется не масса частиц, а их объем. Из всех моделей на данный момент только модель MIT не использует приближение Бусинеска.
По применяемой в моделях топографии (представлению вертикальной координаты) они разделяются на:
1) Z-модели – использующие привычную нам координату, отсчитываемую от ноля глубин.
2) σ-модели – применяют специальное преобразование координат, при котором поверхность моря всегда имеет σ координату равную 0, а дно всегда -1. Таким образом, координатная сетка учащается при наличии, например, подводных гор.
3) изопикнические модели – в этих моделях в качестве вертикальной координаты используется плотность воды. В свою очередь делятся на непрерывные изопикнические и дискретные (слоеные) изопикнические модели
Различия в вертикальной координате приводят к достаточно весомым отличиям в выходных данных модели (при идентичных остальных параметрах). Пример таких отличий приведен на Рис. 8. Результаты приведены по данным испытаний моделей MOM4 и GOLD, разработанных GFDL совместно с NOAA. В тестах было получено что модели с непрерывной изопикнической координатой наиболее точно воспроизводят реальные процессы в океане, наихудшие результаты показали модели с Z координатой. [14]
Рис. 8. Разница в модельных расчетах, в зависимости от топографии моделей. Задача о скатывании с уклона жидкости более высокой плотности, чем вода в различных вертикальных координатах.
По типу используемой сетки:
1) Модели, считаемые на равномерной сетке, т.е. имеющие примерно равные расстояния между соседними узлами в сетке. Основным их недостатком является, как правило, отсутствие измерений во всех узлах сетки, вследствие чего данные в узлы сетки либо интерполируются, либо усваиваются. Данный процесс снижает точность вычислений
2) Модели, работающие на нерегулярных сетках. Главным недостатком таких моделей является высокая сложность решаемых уравнений и завышение требований к вычислительным ресурсам.
Самыми распространенными на данный момент моделями океана являются MOM4 (среди глобальных моделей океана) и ROMS/TOMS (среди региональных). MOM4 является гидростатической моделью Бусинеска с Z координатой на равномерной сетке. Модель ROMS отличается σ вертикальной координатой и рассчитывается на неравномерной сетке.
Самой долгоживущей моделью океана по праву можно назвать MOM, ее первая версия была выпущена в конце 60-х годов. Из-за недостаточной мощности компьютеров и нехватки данных для обработки океанические модели долгое время не были основным средством расчета характеристик океана, а применялись как вспомогательный инструмент. В отличие от моделей атмосферы, которые начали успешно применяться еще в 80-х, первая успешная версия океанической модели MOM была выпущена в 1992 году. По точности предсказания океанические модели все еще уступают атмосферным, в первую очередь это связано с недостатком исходных данных и малым количеством наблюдательных пунктов и буйковых станций в мировом океане. Но, несмотря на проблемы, гидродинамические модели океана являются основным средством предвычисления состояния акваторий, хотя они и не так широко распространены как атмосферные модели. С введением в обиход спутниковых наблюдений точность моделей атмосферы повысилась на 10-15%, еще большее повышение их точности было достигнуто расширением сети метеостанций по всему миру, по данным WMO за 2005 год [15].
Спутники могут добывать только данные о состоянии поверхности океана, но не глубинные данные, поэтому единственный способ повысить точность моделей океана это увеличение числа стационарных, судовых и буйковых наблюдений.
Помимо достаточно хороших исходных данных модель также должна быть настроена на конкретный участок океана, это делается с помощью регулирования входящих/исходящих тепловых потоков, испарения и т.д. Процесс настройки модели на реальный регион Земли называется верификацией.
Для верификации подобных моделей используются различные способы, в том числе эксперименты с различными трассерами.
Например: 10 января 1992 года 12-ти футовый контейнер с 29000-ми резиновых утят, смыло за борт контейнеровоза в точке с координатами 44.7˚ с.ш. и 178.1˚ в.д.
В зависимости от гидрометеоусловий в момент смыва за борт и в последующее время траектории движения игрушек могли очень сильно отличаться. (Рис 2.)
Рис. 2. Возможные траектории движения игрушек, если бы они были смыты за борт 10 января, но в разные годы. По данным Эббесмейра и Инграхама (1994).
Десять месяцев спустя, игрушки стало выбрасывать на берег около Ситки на Аляске. Эти события, а также находки, время от времени, игрушек и обуви, оказались в хорошем соответствии с численными моделями расчета траекторий утечек нефти, проделанными Эббесмейром и Инграхамом (1992, 1994). Они рассчитали возможные траектории выпавших за борт игрушек, используя численную модель поверхностной циркуляции океана (OSCURS), как ветровые течения, рассчитанные по ежедневным данным об атмосферном давлении на уровне морской поверхности, предоставленных флотским центром океанографических данных. После коррекции расчетов с учетом увеличения парусности игрушек на 50% и уменьшения угла отклонения на 5˚, они точно предсказали появление выброшенных игрушек около Ситки 16 ноября 1992 года, десять месяцев после их смыва за борт [16]. Данный эксперимент считается одним из наиболее масштабных тестов гидрометеорологических моделей на реальных данных за всю историю наблюдений.