Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев

В настоящей статье рассмотрены особенности создания базы данных на основе материалов дрифтерного эксперимента, выполненного в Черном море в 2001 – 2006 гг. Статья содержит общую статистическую информацию обо всех буйковых постановках в море. Рассмотрены критерии, по которым выполнялась фильтрация пе...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Морской гидрофизический журнал
Дата:	2009
Автори:	Ратнер, Ю.Б., Толстошеев, А.П., Холод, А.Л., Мотыжев, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2009
Теми:	Экспериментальные и экспедиционные исследования
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105054
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев / Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 3. — С. 50-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105054
record_format	dspace
spelling	Ратнер, Ю.Б. Толстошеев, А.П. Холод, А.Л. Мотыжев, С.В. 2016-08-05T18:47:17Z 2016-08-05T18:47:17Z 2009 Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев / Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 3. — С. 50-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105054 551.465 В настоящей статье рассмотрены особенности создания базы данных на основе материалов дрифтерного эксперимента, выполненного в Черном море в 2001 – 2006 гг. Статья содержит общую статистическую информацию обо всех буйковых постановках в море. Рассмотрены критерии, по которым выполнялась фильтрация первичных данных, принципы формирования и структура базы дрифтерных данных. В качестве примера приведены методика и результаты сопоставления модельных оценок и контактных измерений дрейфующими буями температуры поверхности моря. Features of creation of the database composed based on the materials of the drifter ex-periment carried out in the Black Sea in 2001 – 2006 are examined. Information on all the drifter deployments in the sea is presented. The criteria used for filtering primary data, the principles of for-mation of the drifter database and its structure are considered. The method and the results of compari-son of the model sea surface temperature estimates with those measured directly by the drifters are given as an example. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Экспериментальные и экспедиционные исследования Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
spellingShingle	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев Ратнер, Ю.Б. Толстошеев, А.П. Холод, А.Л. Мотыжев, С.В. Экспериментальные и экспедиционные исследования
title_short	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
title_full	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
title_fullStr	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
title_full_unstemmed	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
title_sort	создание базы данных мониторинга черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев
author	Ратнер, Ю.Б. Толстошеев, А.П. Холод, А.Л. Мотыжев, С.В.
author_facet	Ратнер, Ю.Б. Толстошеев, А.П. Холод, А.Л. Мотыжев, С.В.
topic	Экспериментальные и экспедиционные исследования
topic_facet	Экспериментальные и экспедиционные исследования
publishDate	2009
language	Russian
container_title	Морской гидрофизический журнал
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
format	Article
description	В настоящей статье рассмотрены особенности создания базы данных на основе материалов дрифтерного эксперимента, выполненного в Черном море в 2001 – 2006 гг. Статья содержит общую статистическую информацию обо всех буйковых постановках в море. Рассмотрены критерии, по которым выполнялась фильтрация первичных данных, принципы формирования и структура базы дрифтерных данных. В качестве примера приведены методика и результаты сопоставления модельных оценок и контактных измерений дрейфующими буями температуры поверхности моря. Features of creation of the database composed based on the materials of the drifter ex-periment carried out in the Black Sea in 2001 – 2006 are examined. Information on all the drifter deployments in the sea is presented. The criteria used for filtering primary data, the principles of for-mation of the drifter database and its structure are considered. The method and the results of compari-son of the model sea surface temperature estimates with those measured directly by the drifters are given as an example.
issn	0233-7584
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105054
citation_txt	Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев / Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — № 3. — С. 50-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT ratnerûb sozdaniebazydannyhmonitoringačernogomorâsispolʹzovaniemdreifuûŝihpoverhnostnyhbuev AT tolstošeevap sozdaniebazydannyhmonitoringačernogomorâsispolʹzovaniemdreifuûŝihpoverhnostnyhbuev AT holodal sozdaniebazydannyhmonitoringačernogomorâsispolʹzovaniemdreifuûŝihpoverhnostnyhbuev AT motyževsv sozdaniebazydannyhmonitoringačernogomorâsispolʹzovaniemdreifuûŝihpoverhnostnyhbuev
first_indexed	2025-11-25T20:40:04Z
last_indexed	2025-11-25T20:40:04Z
_version_	1850525995759566848
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 50 Экспериментальные и экспедиционные исследования УДК 551.465 Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, С.В. Мотыжев Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев В настоящей статье рассмотрены особенности создания базы данных на основе материалов дрифтерного эксперимента, выполненного в Черном море в 2001 – 2006 гг. Статья содержит общую статистическую информацию обо всех буйковых постановках в море. Рассмотрены критерии, по которым выполнялась фильтрация первичных данных, принципы формирования и структура базы дрифтерных данных. В качестве примера приведены методика и результаты сопоставления модельных оценок и контактных измерений дрейфующими буями температуры поверхности моря. Введение. Изменчивость климата и связанная с ней проблема достовер- ного прогнозирования погоды определяют задачу систематического контроля процессов в верхнем слое океана и приводной атмосфере. Неотъемлемым компонентом современной системы оперативных наблюдений океана явля- ются дрифтерные технологии. Автономные дрейфующие платформы сбора данных (дрифтеры), оборудованные аппаратурой спутниковой связи, вошли в число наиболее эффективных средств исследования верхнего слоя океана и пограничной с ним атмосферы. В Черноморском регионе дрифтерные эксперименты последнего десяти- летия стали одним из основных источников контактной оперативной систе- матической информации о состоянии верхнего слоя открытого моря и при- водной атмосферы. К 2007 г. продолжительность работы дрифтеров состави- ла более 90 000 ч. За это время получены представительные с разрешением в 1 ч массивы данных о температуре поверхности моря, профилях температуры верхнего слоя моря, атмосферном давлении и поверхностных течениях. Од- нако при очевидных преимуществах дрифтерного мониторинга остается ма- лоэффективным использование его результатов для полноценного дальней- шего анализа и адекватного реагирования на изменчивость окружающей сре- ды. Причина этого в отсутствии формализованных в соответствии с совре- менными требованиями массивов дрифтерных данных и, как следствие, в ог- раниченном доступе пользователей к полученной информации. В статье представлены основные результаты работы по систематизации данных дриф- терного мониторинга Черного моря, разработке методик обработки дрифтер- ной информации с целью создания базы дрифтерных данных и ее экспорта в базу океанологических данных. В качестве примера рассмотрено использова- ние дрифтерных данных для оценивания результатов модельного диагноза поля температуры поверхности моря (ТПМ).  Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, С.В. Мотыжев, 2009 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 51 Общие сведения о дрифтерном эксперименте в Черном море 2001 – 2006 гг. Дрифтерный эксперимент в Черном море 2001 – 2006 гг. выполнялся по про- граммам черноморского сегмента Глобальной системы наблюдений океана BS GOOS (Black Sea Global Ocean Observing System) и Европейской наблюда- тельной дрифтерной системы E-Surfmar (EUCOS Surface Marine Programme). В этот период были развернуты 50 дрейфующих буев различных модифика- ций производства фирмы «Марлин-Юг» (Украина) (http://www.marlin- yug.com). Основные сведения о дрифтерах приведены в табл. 1. На рис. 1 по- казана карта траекторий дрифтеров, некоторые типы движений которых бо- лее детально рассмотрены в работе [1]. Р и с . 1 . Карта траекторий дрейфующих буев в черноморском эксперименте 2001 – 2006 гг. (черные маркеры – точки развертывания дрифтеров) Эффективность дрифтера как средства получения оперативных система- тических данных о процессах в верхнем слое моря стала причиной создания ряда модификаций буев с расширенными информационно-измерительными возможностями. В 2004 – 2006 гг. фирмой «Марлин-Юг» на основе стандарт- ного лагранжевого барометрического дрифтера SVP-B (http://www.jcommops.org./dbcp/SVPB-design-manual.pdf) были разработаны буи с термопрофилирующими линиями до глубин 60 (SVP-BTC60) и 80 м (SVP-BTC80), мини-буи с подповерхностными датчиками температуры на глубине 12 м (SVP-BT-mini), буи с приемниками системы глобального пози- ционирования GPS (SVP-BT-GPS). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 52 Т а б л и ц а 1 Общие характеристики автономных дрейфующих буев черноморского эксперимента 2001 – 2006 гг. № п/п Идентификационный номер буя Тип буя Дата развертывания Дата оконча- ния продук- тивной работы Продолжительность продуктивной работы, сут Дата окончания работы пе- редатчика Продолжительность работы передатчика, сут Средний период локализаций, ч 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 16330 SVP-B 19.12.2001 14.01.2003 391 01.03.2004 803 3 2 16331 SVP-B 25.12.2001 08.06.2002 165 08.06.2002 165 4 3 16332 SVP-B 25.12.2001 02.04.2002 98 02.04.2002 98 5 4 16333 SVP-B 23.12.2001 15.02.2002 55 28.02.2004 798 4 5 16335 SVP-B 23.12.2001 09.02.2002 48 09.02.2002 48 3 6 16336 SVP-B 25.12.2001 27.03.2002 92 05.01.2004 741 4 7 16337 SVP-B 25.12.2001 16.05.2002 142 01.07.2003 553 4 8 16335 SVP-B 03.04.2002 08.08.2002 127 08.08.2002 127 4 9 34829 SVP-B 03.04.2002 20.09.2002 170 20.09.2002 170 5 10 34830 SVP-B 03.04.2002 17.08.2002 136 01.06.2003 424 4 11 34831 SVP-B 03.04.2002 26.04.2002 23 31.08.2004 881 9 12 34832 SVP-B 03.04.2002 20.08.2002 139 27.09.2003 542 6 13 34833 SVP-B 03.04.2002 29.08.2002 148 31.08.2004 881 4 14 34834 SVP-B 03.04.2002 13.11.2002 224 13.11.2002 224 5 15 35499 SVP-B 06.02.2003 12.09.2003 218 12.09.2003 218 5 16 35500 SVP-B 06.02.2003 18.04.2003 71 18.04.2003 71 4 17 35501 SVP-B 06.02.2003 25.02.2003 19 07.03.2003 29 4 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 53 Продолжение табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 35502 SVP-B 06.02.2003 04.04.2003 57 13.04.2003 65 3 19 40419 SVP-B 14.03.2003 02.04.2003 19 04.06.2003 82 3 20 40420 SVP-B 14.03.2003 25.08.2003 164 25.08.2003 164 5 21 40421 SVP-B 14.03.2003 02.08.2003 141 19.06.2004 464 2 22 40422 SVP-B 14.03.2003 23.04.2003 40 23.04.2003 40 3 23 40423 SVP-B 14.03.2003 20.08.2003 159 19.09.2003 189 2 24 40424 SVP-B 14.03.2003 29.06.2003 107 30.06.2003 108 3 25 40425 SVP-B 14.03.2003 23.05.2003 71 31.08.2004 536 4 26 40426 SVP-B 14.03.2003 05.06.2003 83 07.06.2003 85 3 27 40427 SVP-B 14.03.2003 19.04.2003 36 25.08.2003 164 7 28 40428 SVP-B 14.03.2003 14.06.2003 92 14.06.2003 92 3 29 47603 SVP-B 14.05.2004 29.06.2004 46 29.06.2004 46 3 30 47604 SVP-B 14.05.2004 06.07.2004 53 26.07.2005 438 3 31 47605 SVP-B 14.05.2004 06.10.2004 145 23.06.2005 404 3 32 47606 SVP-B 14.05.2004 23.07.2004 70 26.07.2005 438 3 33 47607 SVP-B 14.05.2004 05.08.2004 83 12.09.2004 121 3 34 47608 SVP-B 14.05.2004 08.07.2004 55 26.07.2005 438 4 35 49169 SVP- BTC60 23.08.2004 21.12.2004 120 24.12.2004 123 3 36 49170 SVP- BTC60 23.08.2004 18.09.2004 25 18.09.2004 25 3 37 49171 SVP- BTC60 23.08.2004 02.12.2004 97 06.07.2005 312 3 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 54 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 38 49172 SVP- BTC60 27.08.2004 12.10.2004 46 21.05.2005 267 3 39 34252 SVP-BT- mini 23.01.2005 17.02.2005 25 15.11.2005 296 3 40 34253 SVP-BT- mini 24.01.2005 31.08.2005 219 31.08.2005 220 2 41 34859 SVP- BTC60 04.04.2005 31.07.2005 118 09.09.2005 158 3 42 34860 SVP- BTC60 05.04.2005 29.09.2005 177 30.11.2005 239 2 43 40414 SVP-BT- mini 03.07.2006 16.10.2006 105 22.12.2006 172 2 44 40418 SVP-BT- mini 03.07.2006 06.08.2006 34 22.12.2006 172 2 45 40445 SVP-BT- GPS-mini 03.07.2006 26.08.2006 55 26.08.2006 55 1 46 47621 SVP-BT- GPS-mini 03.07.2006 05.07.2006 2 01.10.2006 90 1 47 56090 SVP- BTC60 03.07.2006 03.07.2006 0 06.03.2007 246 2 48 56091 SVP- BTC60 03.07.2006 03.07.2006 0 10.11.2006 130 2 49 56092 SVP- BTC80 03.07.2006 14.09.2006 73 08.11.2006 128 2 50 56093 SVP- BTC80 03.07.2006 27.09.2006 86 05.11.2006 125 2 П р и м е ч а н и е. Продуктивная работа – функционирование дрифтера с присоединенным подводным парусом. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 55 Основные показатели назначения дрифтеров различных модификаций приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 2 Основные показатели назначения дрейфующих буев черноморского эксперимента 2001 – 2006 гг. Тип буя DAR Атмосферное давление, гПа Температура воды, С Номинальные горизонты измерения температуры верхнего слоя моря, м Погрешность измерения координат, м     SVP-B 40  1 0,1  0,1 0,04 0,2 ±150 (класс 3) ±350 (класс 2) ±1000 (класс 1) SVP-BT mini 0,2; 12 SVP- BTC60 8 0,2; 12,5; 22; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60 SVP- BTC80 6,5 0,2; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70; 75; 80 SVP-BT- GPS 40 0,2; 12 10 П р и м е ч а н и е : DAR (Drag Area Ratio) – соотношение между площадями паруса и ос- тальных элементов буя;  – погрешность измерения;  – цена единицы младшего разряда выходного кода; класс – служебный параметр, сопровождающий каждую обсервацию. Ниже рассмотрены некоторые особенности, которые необходимо прини- мать во внимание при усвоении дрифтерных данных. Измерение координат. Погрешность оценивания траекторий дрейфую- щих буев, кроме основной погрешности доплеровского метода, указанной в табл. 2, содержит также и дополнительные составляющие, которые необхо- димо учитывать при изучении поверхностных течений по дрифтерным дан- ным. Во-первых, для корректного воспроизведения траекторией буя поверхно- стного течения соотношение между площадями паруса и остальных элемен- тов буя должно быть не менее 40 [2]. В этом случае дрифтер имеет свойства, близкие к свойствам лагранжевой частицы, и параметры его движения с по- грешностью несколько процентов определяются параметрами течения на го- ризонте расположения паруса. В работе [2] показано, что при таком соотно- шении ветер скоростью 10 м/с приводит к «проскальзыванию» буя не более чем на 0,7 см/с. Такое соотношение выполняется для всех буев, развернутых в Черном море, кроме термопрофилирующих (см. табл. 2). Это обстоятельст- во необходимо учитывать при восстановлении параметров поверхностных течений по координатам термопрофилирующих буев. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 56 Во-вторых, при использовании данных о координатах буя, полученных по доплеровскому методу, необходимо также принимать во внимание нерав- номерность интервалов времени между обсервациями. Длительности этих интервалов зависят от погодных условий, количества обслуживающих спут- ников и других факторов и могут отличаться от средних значений периодов локализаций, приведенных для каждого дрифтера в табл. 1. При применении простых способов интерполяции таких данных возрастает вероятность полу- чения ошибочных результатов в оценках вектора скорости потока, особенно при дрейфе буя в условиях относительно высокочастотных, например инер- ционных, колебаний. Как следует из рис. 2, где в качестве примера показаны фрагменты траектории дрифтера № 47621, построенные по показаниям при- емника GPS и по данным, полученным доплеровским методом спутниковой системы определения координат платформ и сбора данных Argos, линейная интерполяция последних приводит к значительным искажениям восстанов- ленной траектории. Существенно более точные результаты могут быть полу- чены при применении более сложных методов обработки первичных рядов координат, учитывающих априорные сведения о возможных диапазонах и характере изменчивости исследуемых физических процессов. На том же гра- фике показан результат, полученный методом локальной аппроксимации «доплеровских» данных функцией, вид которой приведен в работе [3]. Р и с . 2 . Фрагменты траектории дрифтера SVP-BT-GPS № 47621, построенные по данным, полученным доплеровским методом спутниковой системы Argos, по данным приемника GPS и по методу локальной аппроксимации (МЛА) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 57 Третье замечание, касающееся выбора для анализа поверхностных тече- ний только тех данных о координатах буя, которые были получены при ла- гранжевом дрейфе, т. е. при дрейфе буя с присоединенным подводным пару- сом, рассмотрено ниже. Измерение температуры верхнего слоя моря. Все дрейфующие буи, развернутые в Черном море, обеспечивают измерение ТПМ с помощью дат- чика, расположенного в латунном корпусе в нижней полусфере поплавка на средней глубине около 20 см. Основные метрологические характеристики канала ТПМ приведены в табл. 2. Необходимо принимать во внимание, что при дискретности измерений 1 ч в принятой информации могут наблюдаться пропуски данных. Это замечание относится к буям, развернутым до 2004 г., и объясняется разреженной сеткой пролетов в ранее существовавшей 3-спутниковой системе и недостатками формата передачи данных DBCP-M1. Существенно повысить регулярность дрифтерной информации удалось начи- ная с 2004г. с применением формата DBCP-M2 (http://www.jcommops.org/dbcp/fmt-dbcp-m2.html). Особенность этого форма- та – мультиплексированная передача данных, основанная на сохранении в памяти буя блоков архивной информации с поочередной их трансляцией на спутник. На рис. 3 для сравнения показаны временные ряды данных о темпе- ратуре, полученные в форматах DBCP-M1 и DBCP-M2. Кроме того, в 2003 г. была введена 6-спутниковая система, что также улучшило регулярность приема дрифтерных данных. Р и с . 3. Временные ряды данных о ТПМ (дрифтер SVP-B № 49169), полученные в форматах DBCP-M1 (белые кружки) и DBCP-M2 (темные кружки) Принципиально новым средством изучения тепловых процессов в верх- нем слое моря стал термопрофилирующий дрейфующий буй SVP-BTC [1, 4], модификации SVP-BTC60 и SVP-BTC80 которого ориентированы на получе- ние систематической оперативной информации о термических процессах в сезонном термоклине и холодном промежуточном слое. Технические харак- теристики термопрофилографов приведены в табл. 2. Поправки на положение по глубине каждого термодатчика вводились на основании показаний датчи- ков глубины, встроенных в термолинии. Термолинии буев построены по технологии «однопроводной» сети MicroLAN с интегральными цифровыми термометрами DS18B20 (Dallas Semi- conductor). Эти датчики изначально подготовлены к работе в «однопровод- ной» сети и позволяют решать задачи измерения распределенной температу- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 58 ры протяженных объектов. Однако при допустимой погрешности канала из- мерения температуры дрифтера 0,1 С гарантируемая производителем по- грешность датчиков составляет 0,5 С в диапазоне от 10 до 85 С. Наряду с этим для датчиков, построенных на основе свойств запрещенной зоны кремния (bandgap temperature sensing architecture), к которым относятся и термометры DS18B20, предложена методика градуировки (http://www.maxim- ic.com/appnotes.cfm/an_pk/208), позволяющая обеспечить требуемое значение погрешности. Для проверки возможности применения термометров DS18B20 в термолинии дрейфующего буя в соответствии с указанной методикой были проведены испытания 100 экземпляров датчиков, которые показали, что в диапазоне температур от 0 до 35 С в течение 4 мес погрешность остается в допустимых для каналов измерения температуры дрифтеров пределах для приблизительно 70 % датчиков. По результатам этого тестирования в термо- профилографах использовались индивидуально калиброванные и отобранные термометры DS18B20. Конструктивно каждый датчик размещается в цилинд- рическом латунном корпусе диаметром 20 мм и длиной 60 мм, заполненном теплопроводной пастой. Оценивание положений по глубине измерителей температуры тер- мопрофилирующего буя. При первичной обработке профилей температуры, кроме обычной процедуры отбраковки сбоев в рядах температур, оценива- лись и вводились поправки на горизонты положений датчиков термолинии. Необходимость введения поправок обусловлена отклонениями термолинии от вертикали при дрейфе буя, что приводит к смещениям положений датчи- ков температуры относительно номинальных значений горизонтов. Для ко- личественного оценивания величины смещения по каждому горизонту была рассчитана модель поведения термолинии при разных скоростях дрейфа, в качестве переменного параметра в которой использовались результаты изме- рений глубины положения нижнего конца линии термопрофилографа. При этом предполагалось, что, во-первых, точка верхнего крепления линии при оцениваемых пространственно-временных масштабах не изменяет своего по- ложения в вертикальной плоскости; во-вторых, в исследуемом слое отсутст- вуют сдвиговые течения либо их влияние пренебрежимо мало. Первое пред- положение основывалось на том, что верхний конец термолинии крепится на нижнем кольце подводного паруса, который в масштабах исследуемых про- цессов представляет собой относительно стационарную в вертикальном на- правлении платформу; второе – на том, что гидродинамическое сопротивле- ние паруса существенно (приблизительно в 40 раз) превышает сопротивление термолинии. С целью проверки и уточнения принятой модели оценивания положений термодатчиков по глубине и, как следствие, для повышения дос- товерности восстановления вертикального распределения температуры в термолинии дрифтера SVP-BTC80 № 56092 были установлены дополнитель- ные датчики глубины на номинальных горизонтах 15, 35 и 60 м. Для миними- зации влияния этих датчиков на поведение линии были выбраны малогаба- ритные датчики гидростатического давления типа MS5535 (Intersema, Швей- цария), что позволило разместить каждый из них вместе с устройством адап- тации к «однопроводному» интерфейсу линии в корпусе диаметром 35 мм и длиной 60 мм. В течение почти 3 мес дрейфа буя № 56092 с дополнительны- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 59 ми датчиками глубины были получены представительные данные о поведе- нии термолинии в широком диапазоне пространственно-временных масшта- бов поверхностных течений. В частности, вертикальные смещения точки подвеса термолинии к нижнему кольцу паруса не превышали 1 м, что под- тверждает справедливость предположения об относительной вертикальной стабильности этого узла и свидетельствует о надежности выбранной конст- рукции крепления термолинии. Степень достоверности результатов модели- рования изменчивости конфигурации линии оценивалась по полученным данным в предположении линейности ее участков между датчиками глубины. Анализ полученных результатов позволяет обоснованно предположить, что при измерении положения по глубине только нижнего конца линии и линей- ной ее аппроксимации погрешность оценивания истинного горизонта любого термодатчика не превышает 1,5 м. Измерение атмосферного давления. Условия эксплуатации дрифтеров SVP-B определили особенности конструкции канала измерения атмосферного давления и алгоритм его работы. Ввод давления осуществляется через баро- порт, исключающий контакт датчика давления с водной средой при погруже- нии буя на глубину до 10 м и снижающий влияние ветра на результат изме- рения. Алгоритм измерения обеспечивает фильтрацию отсчетов, полученных в подводном положении дрифтера. В качестве датчиков атмосферного давле- ния в дрифтерах, развернутых в Черном море, использовались пьезорези- стивные преобразователи типа MS5534 (Intersema, Швейцария). Исследова- ния метрологических характеристик этих датчиков, проведенные фирмой «Марлин-Юг» с целью оценивания возможности их применения в дрейфую- щих буях, показали, что при индивидуальной градуировке в диапазоне давле- ний от 850 до 1050 гПа погрешность не превышает 1 гПа в течение года. База дрифтерных данных. Получаемая по глобальной телеметрической системе распределения (GTS) дрифтерная информация содержит сбои раз- личных типов, и использование таких данных может привести к ошибочным результатам. В связи с этим для создания достоверной базы данных (БД) бы- ли разработаны интерактивные программы выявления и исключения сбойных ситуаций. Фильтрация данных выполняется в два этапа: 1) фильтрация по результатам измерения заныривания; 2) фильтрация грубых сбоев. Фильтрация по результатам измерения заныривания. Фильтрации по заныриванию подвергаются первичные данные о координатах буев и ТПМ. В результате фильтрации для последующего анализа выбираются только дан- ные, полученные при лагранжевом дрейфе буя. Критерием наличия паруса служит информация о средней продолжительности пребывания поплавка дрифтера в притопленном состоянии, получаемая по каналу измерения заны- ривания. Продолжительные нулевые показания по этому каналу свидетельст- вуют об обрыве подводного паруса. Последующее движение буя не может рассматриваться как дрейф лагранжевой частицы, и, следовательно, его тра- ектория не может использоваться для оценивания параметров поверхностных течений. Необходимость фильтрации по заныриванию первичных данных о ТПМ иллюстрируется рис. 4, где представлены временной ряд данных по каналу измерения заныривания и соответствующий ему ряд результатов измерений ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 60 ТПМ (дрифтер SVP-B № 40427). Обрыв подводного паруса приблизительно в третьей декаде апреля приводит к тому, что датчик температуры оказывается на границе раздела вода – воздух, и его показания с этого времени в значи- тельной степени определяются суточным ходом температуры воздуха. Р и с. 4 . Временные ряды данных о ТПМ и заныривании (дрифтер SVP-B № 40427) Фильтрация по заныриванию выполняется по специально разработанной программе, а ее результатом является массив лагранжевых данных. В этом массиве автоматически оказываются также все данные дрифтеров SVP-BTC о профилях температуры и дрифтеров SVP-BT о температуре на глубине 12 м, поскольку обрыв подводного паруса приводит к потере подповерхностных датчиков температуры. Фильтрация грубых сбоев в результатах измерения температуры. Для фильтрации сбоев в рядах данных о поверхностной (все типы буев), под- поверхностной (буи SVP-BT) температурах и о профилях температуры верх- него слоя моря (буи SVP-BTC) разработана программа, по которой обрабаты- вается соответствующий массив лагранжевых данных. Программа позволяет в интерактивном режиме обнаружить сбойное измерение и удалить его. От- браковка результатов измерений температуры воды выполняется на основа- нии двух последовательно применяемых критериев. В качестве первого кри- терия принимается во внимание диапазон физически значимых температур верхнего слоя моря в районах дрейфов буев, в качестве второго – заданное ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 61 оператором пороговое значение градиента температуры. Выборки, значения температуры в которых превышают пороговое значение, считаются сбойны- ми и переносятся оператором в файл сбойных измерений. Оператор может подтвердить свой выбор или отказаться от него. Значения применяемых кри- териев могут быть изменены оператором в зависимости от условий измерений (времени года, географического положения буя, горизонта измерений и др.). Процедура фильтрации первичных временных рядов измерений темпера- туры позволяет существенно повысить достоверность информации, поме- щаемой в БД, однако не гарантирует полного исключения сбоев. Дальнейшее использование БД для решения конкретных научно-прикладных задач не ис- ключает необходимости выполнения дополнительной фильтрации. Фильтрация грубых сбоев в результатах измерения атмосферного давления. Процедура фильтрации сбоев в рядах данных об атмосферном дав- лении аналогична методике фильтрации данных по температуре, приведен- ной выше. При этом отсчеты, значения градиентов давления в которых пре- вышают 1 гПа/ч, классифицируются как сомнительные. Решение по таким реализациям принимается по результатам анализа монотонности значений давления в последующих отсчетах и, если это возможно, с привлечением данных, полученных от других источников в совместимом пространственно- временном масштабе. Такими источниками могут служить аналогичные буи, дрейфовавшие в том же районе. Выбор формата представления данных. При построении БД мы исхо- дили из необходимости обеспечения оперативного доступа, надежности хра- нения и документирования данных, а также возможности обмена данными между научными сообществами в рамках международных проектов. Форматы представления научных данных должны отвечать следующим требованиям: способность к объединению в одном файле записей самых раз- ных типов и структур; ориентация на большие объемы данных; гарантируе- мая форматом и поддерживаемая его инструментарием мобильность; обеспе- чение быстрого ввода/вывода; эффективное хранение на различных носите- лях; расширяемость. Участниками Европейской конференции по объектно- ориентированному программированию ECOOP (European Conference on Object-Oriented Programming) был рекомендован разработанный по програм- ме Unidata Университетской корпорации по атмосферным исследованиям (University Corporation for Atmospheric Research, UCAR) формат netCDF (network Common Data Form), который и был принят для решения задачи соз- дания базы дрифтерных данных. Формат и интерфейс netCDF обеспечивают хранение и обработку дрифтерных данных в переносимом и самоопределяе- мом виде. Был разработан пакет утилит для манипулирования данными, представленными в формате netCDF, и обеспечения произвольного доступа к ним как поэлементно, так и по блокам. Структура БД. БД дрифтеров была создана на основе формата хранения данных netCDF с использованием программного пакета MATLAB 7.0. Пер- вичные данные для каждого дрифтера, включенного в БД, были записаны в ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 62 одном или нескольких текстовых файлах различной структуры. В них содер- жится информация, полученная собственно с измерительных каналов, коор- динаты дрифтера и время обсервации, данные о режимах функционирования аппаратуры. С целью преобразования различных структур данных к универ- сальному виду была разработана программа CreateBD.m, которая считывает исходные данные дрифтеров (файл контактных измерений и файл обсерва- ций), создает общий массив измерений всех дрифтеров с учетом их типа и записывает соответствующие данные в файлы БД netCDF. База дрифтерных данных состоит из 4 файлов, каждый из которых со- держит результаты последовательно усложняющихся уровней обработок: БД уровня 1 – первичные данные; БД уровня 2 – данные уровня 1, отфильтро- ванные по результатам измерения заныривания (база лагранжевых данных); БД уровня 3 – отфильтрованные на предмет сбоев данные по атмосферному давлению и лагранжевые данные по температуре и координатам; БД уровня 4 – добавлена таблица координат, полученных с помощью разных методов ин- терполяции координат буев из БД уровня 3. Доступ к базе дрифтерных дан- ных возможен по согласованию с дирекцией МГИ НАН Украины (ocean@alpha.mhi.iuf.net). Пример сопоставления результатов моделирования поля ТПМ с ба- зовыми данными дрифтерных измерений. Одно из направлений использо- вания базы дрифтерных данных – привлечение дрифтерной информации для оценивания точности модельных расчетов циркуляции вод Черного моря [5]. Система моделирования циркуляции вод Черного моря в настоящее время находится на этапе тестирования. В ее состав входят бассейновая и волновая модели, с помощью которых выполняются расчеты полей температуры, соле- ности, скорости морских течений, возвышений уровня морской поверхности, высоты и направления распространения волн с разрешением 5 км. В допол- нение к бассейновой модели в составе системы функционируют вложенные модели циркуляции для отдельных районов акватории Черного моря, с по- мощью которых выполняются расчеты на сетке с более высоким пространст- венным разрешением – 1 км. Данные расчетов поставляются пользователям в виде карт полей, представленных на регулярно обновляемом интернет-сайте http://dvs.net.ua/mp. Ниже в качестве примера приведены методика и резуль- таты сопоставления модельных оценок и контактных измерений дрейфую- щими буями ТПМ. Методика. Погрешность оценивания точности модельных расчетов со- держит составляющие, обусловленные рядом влияющих факторов: во- первых, несинхронностью во времени и пространственным несовпадением точек локализации дрифтеров с узлами модельной сетки, а также несоответ- ствием пространственно-временных масштабов дрифтерных измерений и ре- зультатов модельных расчетов ТПМ; во-вторых – погрешностями исходных данных, используемых при проведении модельных расчетов; в-третьих, несо- вершенством самой модели. Все эти факторы могут приводить к значитель- ным погрешностям результатов сопоставления, особенно в условиях сильно- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 63 го суточного прогрева верхнего слоя моря, прибрежных апвеллингов, темпе- ратурных фронтов, в областях активной мезо- и мелкомасштабной изменчи- вости поля ТПМ. Хотя перечисленные особенности встречаются относитель- но редко (не более 10 % случаев), они могут приводить к появлению ано- мально больших отклонений между результатами модельных расчетов и из- мерениями in situ. Подобные аномальные ситуации ни в коем случае не должны исключаться из дальнейшего рассмотрения, так как именно они в первую очередь могут содержать ценную информацию, необходимую для дальнейшего совершенствования модели и процедур подготовки исходных данных для выполнения модельных расчетов. Но в то же время их нельзя анализировать таким же образом, как и однородную часть тестового массива. С учетом указанных влияющих факторов в процедуру сопоставления ре- зультатов модельных расчетов с дрифтерной информацией были включены следующие этапы: анализ однородности массивов данных; формирование подмножеств однородных и аномальных данных; анализ с привлечением всей доступной дополнительной информации подмножества аномальных данных с целью выяснения причин возникновения аномальных ситуаций; расчет ста- тистических оценок отклонений для однородного массива данных и массива данных, объединяющего однородные данные и данные из аномального под- множества, неоднородность которых либо осталась не объясненной, либо связана с физическими особенностями поля ТПМ. Для выделения аномальных ситуаций при сопоставлении данных мо- дельных расчетов и измерений in situ были использованы методы робастной статистики. Они основаны на построении робастных регрессионных оценок коэффициентов линейной регрессии величин ТПМ, рассчитанных по модели, на величины, измеренные с помощью дрифтеров. В результате применения итерационно-взвешенного метода наименьших квадратов [6] были получены оценки коэффициентов регрессии, величины отклонений между модельными и контактными значениями ТПМ и веса wi этих отклонений. Веса отклонений несут информацию об уровне аномальности сопоставляемых пар величин ТПМ. Чем меньше вес, тем выше уровень аномальности соответствующей пары сопоставляемых величин. Это свойство используемого алгоритма, как показано ниже, является ключевым для выделения аномальных измерений. Выявленные аномальные случаи подвергались последующему анализу с привлечением дополнительной метеорологической, гидрологической и спут- никовой информации. Ситуации, в которых возможно однозначное объясне- ние возникших аномальных расхождений, например, погрешностями в ис- ходных данных для модельных расчетов, исключались из дальнейшего рас- смотрения. Ситуации, в которых большие величины отклонений могут быть объяснены физическими особенностями изменчивости поля ТПМ или кото- рые не допускают однозначной интерпретации и относятся к сомнительным случаям, оставлялись в тестовых массивах данных. В качестве основных ста- тистических характеристик отклонений между модельными расчетами и дан- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 64 ными контактных измерений нами использовались цензурированные средние и среднеквадратичные отклонения [7]. Результаты. Предложенный подход иллюстрируется примером сопос- тавления модельных расчетов поля ТПМ и результатов контактных измере- ний, полученных с помощью дрифтеров SVP-BTC в июле – сентябре 2006 г. Для этого был сформирован тестовый массив данных. При его формировании было необходимо обеспечить пространственно-временную квазисинхрон- ность расчетов по модели в точках локализации дрифтеров. На основе работы [8] значение порога по времени было принято равным 1 ч, а величина порога по пространству – половине шага сетки модели по широте и долготе, т.е. приблизительно 2,4 км. В результате выполнения этой процедуры был сфор- мирован тестовый массив, содержащий 216 совместных измерений. В соответствии с первым этапом были получены стандартные оценки среднего и среднеквадратичного отклонений между результатами модельных расчетов ТПМ и измерениями дрифтеров. Их величины составили соответст- венно 0,37 и 0,94 С. Скаттерограмма значений ТПМ, рассчитанных по мо- дели и измеренных in situ, представлена на рис. 5. Р и с. 5. Скаттерограмма значений ТПМ, рассчитанных по модели и измеренных in situ (июль – сентябрь 2006 г.) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 65 Полученные результаты свидетельствуют о том, что в сформированной выборке есть пары данных с аномальными отклонениями. Для выделения аномальных ситуаций анализировались веса wi всех сопоставляемых пар ТПМ, полученные в результате робастного оценивания. Их гистограмма при- ведена на рис. 6. Большей части сопоставляемых данных соответствуют веса, близкие к 1. Именно эти данные относятся к однородной части тестового массива. Наименее часто встречаются значения с весами w0,3 – 0,6. По мере дальнейшего уменьшения веса частота встречаемости соответствующих пар ТПМ незначительно увеличивается. Это говорит о том, что пороговое значение веса можно принять равным 0,5. Данные с весами, меньшими 0,5, относятся к аномальным ситуациям сопоставления, а оставшиеся – к одно- родной части тестового массива. Р и с . 6 . Гистограмма весов отклонений между модельными и измеренными in situ значе- ниями ТПМ (июль – сентябрь 2006 г.) В результате применения этого подхода к аномальным ситуациям отне- сено 29 случаев сопоставления. Пространственное распределение точек с аномальными отклонениями между результатами моделирования и данными контактных измерений ТПМ показано на рис.7. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 66 Р и с. 7. Географическое распределение точек с аномальными отклонениями между значе- ниями ТПМ, рассчитанными по модели Тм и измеренными дрифтерами Тд Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые выводы относительно причин возникновения аномальных ситуаций. Прежде всего, из рисунка видно, что большое количество точек с аномальными отклонениями группируется вблизи береговой линии. Объяснить это можно рядом причин. Во-первых, в прибрежных районах наблюдается существенная неоднород- ность поля ТПМ, например, в результате апвеллингов. Во-вторых, модельные значения ТПМ для районов мелководья могут содержать ошибки задания граничных условий из-за погрешности дискретизации модели. В-третьих, из- за погрешности дискретизации береговой линии для точек, расположенных вблизи нее, возможно отсутствие спутниковых данных о ТПМ. Вследствие этого не происходит ассимиляции спутниковых данных о температуре в не- посредственной близости от берега и модель имеет тенденцию релаксировать к режиму, соответствующему расчетам без ассимиляции ТПМ. С учетом осо- бенностей прибрежных данных из дальнейшего рассмотрения были исклю- чены 15 точек. Именно среди них отмечаются наиболее экстремальные вели- чины отклонений. В результате общее число аномальных точек уменьшилось до 14. Оставшиеся аномальные случаи были разделены на пары с положи- тельными и отрицательными отклонениями. В результате дальнейшего ана- лиза было установлено, что по два случая с отрицательными отклонениями приходится на отсутствие ассимиляции спутниковых данных о ТПМ из-за мешающего влияния облачности на протяжении не менее 24 ч до момента сопоставления и на возможное влияние ошибок в этих данных из-за наличия ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 67 холодной пленки при слабых, по данным Национального центра прогноза окружающей среды NCEP (National Centers for Environmental Prediction), вет- рах. Еще в двух случаях положительные аномальные отклонения объясняют- ся эффектом сильного дневного перегрева верхнего слоя моря в условиях, близких к штилевым. Таким образом, еще 6 точек должны быть исключены из рассмотрения. Оставшиеся 8 аномальных отклонений не поддаются ин- терпретации и оставлены в тестовом массиве для дальнейшего анализа. По- сле исключения 21 аномальной точки и повторной обработки массива данных для сопоставления значения математического ожидания и среднеквадратич- ного отклонения составили 0,30 и 0,68 С соответственно. Большое отрица- тельное значение математического ожидания объясняется систематическими погрешностями в данных о температуре поверхности Черного моря, восста- навливаемых по информации Национального агентства по изучению океана и атмосферы NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и усваи- ваемых в модели. Значение среднеквадратичного отклонения на 10 % мень- ше, чем приведено в работе [8]. Поскольку климатические условия 2003 и 2006 гг. были примерно одина- ковыми и методология сопоставления за прошедший период принципиально не изменилась, можно предположить, что повышение точности результатов моделирования поля ТПМ связано как с совершенствованием процедуры ас- симиляции спутниковых данных о ТПМ в модели циркуляции вод Черного моря, так и с повышением достоверности привлекаемой для сопоставления дрифтерной информации. Заключение. На основе анализа данных черноморского дрифтерного экс- перимента 2001 – 2006 гг. были получены следующие основные результаты: – создана БД дрифтерного мониторинга Черного моря; – предложены методы фильтрации первичных дрифтерных данных, что позволило повысить достоверность информации, экспортируемой в БД; – повышена достоверность восстановления траекторий дрейфующих буев путем применения более совершенных алгоритмов интерполяции данных спутниковой системы определения координат платформ и сбора данных Argos; – систематизация дрифтерных данных и повышение их достоверности позволили значительно улучшить качество и оперативность результатов мо- дельных расчетов циркуляции вод Черного моря. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Мотыжев В.С. Развитие средств и методов дрифтерной технологии применительно к проблеме изучения Черного моря // Океанология. – 2008. – 48, №1. – С. 149 – 158. 2. Griffa A., Kirwan A.D., Mariano A.J. et al. Lagrangian analysis and prediction of coastal and ocean dynamics. – Cambridge: Cambridge University Press, 2007. – P. 39 – 67. 3. Bograd S.J., Rabinovich A.B., Thomson R.E. et al. On sampling strategies and interpolation schemes for satellite-tracked drifters // J. Atmos. Ocean. Technol. – 1999. – 16, №7. – P. 893 – 904. 4. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Коротаев Г.К. и др. Термопрофилирующий дрейфующий буй // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использо- вание ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. – Вып. 11. – С. 143 – 154. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2009, № 3 68 5. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная энергосбалансированная модель бароклинных течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибро- вочных расчетов течений в Атлантическом океане. − М.: ИВМ РАН, 1992. − С. 163 – 231. 6. Holland P.W., Welsch R.E. Robust regression using iteratively reweighted least-squares // Commun. Statist: Theory and Meth. – 1977. – 6, №9. – P. 813 – 827. 7. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: основы моделирова- ния и первичная обработка данных. – М.: Финансы и статистика, 1983. – 472 с. 8. Ратнер Ю.Б., Баянкина Т.М. Сопоставление величин поверхностной температуры, полу- ченных по модели динамики Черного моря и данным SVP-дрифтеров в марте – августе 2003 г. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис- пользование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. – Вып. 11. – С. 51 – 63. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил Севастополь в редакцию 21.01.08 После доработки 11.04.08 ABSTRACT Features of creation of the database composed based on the materials of the drifter ex- periment carried out in the Black Sea in 2001 – 2006 are examined. Information on all the drifter deployments in the sea is presented. The criteria used for filtering primary data, the principles of for- mation of the drifter database and its structure are considered. The method and the results of compari- son of the model sea surface temperature estimates with those measured directly by the drifters are given as an example.

Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев

Репозитарії

Схожі ресурси