Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO

Приводится сравнение результатов численных расчетов циркуляции и термохалинной структуры Черного моря на синоптическом и сезонном масштабах и данных всплывающих буев-профилемеров ARGO. Трехмерная гидродинамическая модель характеризуется самым современным уровнем физического наполнения, максимально у...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Багаев, А.В., Демышев, С.Г., Коротаев, Г.К., Плотников, Е.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Schriftenreihe:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Schlagworte:	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112415
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO / А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.К. Коротаев, Е.В. Плотников // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 78-90. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112415
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1124152025-02-23T17:45:45Z Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Коротаев, Г.К. Плотников, Е.В. Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Приводится сравнение результатов численных расчетов циркуляции и термохалинной структуры Черного моря на синоптическом и сезонном масштабах и данных всплывающих буев-профилемеров ARGO. Трехмерная гидродинамическая модель характеризуется самым современным уровнем физического наполнения, максимально учитывает реальное атмосферное воздействие, потоки солнечной радиации и соли. В ней ассимилируются спутниковые данные об уровне моря и поверхностной температуре. Описываются специализированные методика валидации и программное обеспечение для анализа и визуализации итогов сопоставления. Показано, что модель в целом достаточно хорошо воспроизводит натурные данные. Максимальные расхождения отмечаются в позиционировании постоянного галоклина и сезонного термоклина в районах со сложной топографией дна и/или находящихся под непосредственным влиянием пресноводного стока. 2011 Article Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO / А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.К. Коротаев, Е.В. Плотников // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 78-90. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112415 551.465 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу application/pdf Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
spellingShingle	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Коротаев, Г.К. Плотников, Е.В. Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	Приводится сравнение результатов численных расчетов циркуляции и термохалинной структуры Черного моря на синоптическом и сезонном масштабах и данных всплывающих буев-профилемеров ARGO. Трехмерная гидродинамическая модель характеризуется самым современным уровнем физического наполнения, максимально учитывает реальное атмосферное воздействие, потоки солнечной радиации и соли. В ней ассимилируются спутниковые данные об уровне моря и поверхностной температуре. Описываются специализированные методика валидации и программное обеспечение для анализа и визуализации итогов сопоставления. Показано, что модель в целом достаточно хорошо воспроизводит натурные данные. Максимальные расхождения отмечаются в позиционировании постоянного галоклина и сезонного термоклина в районах со сложной топографией дна и/или находящихся под непосредственным влиянием пресноводного стока.
format	Article
author	Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Коротаев, Г.К. Плотников, Е.В.
author_facet	Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Коротаев, Г.К. Плотников, Е.В.
author_sort	Багаев, А.В.
title	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO
title_short	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO
title_full	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO
title_fullStr	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO
title_full_unstemmed	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO
title_sort	сопоставление результатов моделирования термохалинных полей черного моря с данными буев-профилемеров argo
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112415
citation_txt	Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO / А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.К. Коротаев, Е.В. Плотников // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 24. — С. 78-90. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT bagaevav sopostavlenierezulʹtatovmodelirovaniâtermohalinnyhpolejčernogomorâsdannymibuevprofilemerovargo AT demyševsg sopostavlenierezulʹtatovmodelirovaniâtermohalinnyhpolejčernogomorâsdannymibuevprofilemerovargo AT korotaevgk sopostavlenierezulʹtatovmodelirovaniâtermohalinnyhpolejčernogomorâsdannymibuevprofilemerovargo AT plotnikovev sopostavlenierezulʹtatovmodelirovaniâtermohalinnyhpolejčernogomorâsdannymibuevprofilemerovargo
first_indexed	2025-11-24T04:14:36Z
last_indexed	2025-11-24T04:14:36Z
_version_	1849643684651335680
fulltext	78 УДК 551 .465 А.В. Багаев , С.Г. Демышев, Г.К. Коротаев , Е.В. Плотников Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОХАЛИННЫХ ПОЛЕЙ ЧЕРНОГО МОРЯ С ДАННЫМИ БУЕВ-ПРОФИЛЕМЕРОВ ARGO Приводится сравнение результатов численных расчетов циркуляции и термо- халинной структуры Черного моря на синоптическом и сезонном масштабах и дан- ных всплывающих буев-профилемеров ARGO. Трехмерная гидродинамическая мо- дель характеризуется самым современным уровнем физического наполнения, мак- симально учитывает реальное атмосферное воздействие, потоки солнечной радиа- ции и соли. В ней ассимилируются спутниковые данные об уровне моря и поверх- ностной температуре. Описываются специализированные методика валидации и программное обеспечение для анализа и визуализации итогов сопоставления. Пока- зано, что модель в целом достаточно хорошо воспроизводит натурные данные. Максимальные расхождения отмечаются в позиционировании постоянного галок- лина и сезонного термоклина в районах со сложной топографией дна и/или нахо- дящихся под непосредственным влиянием пресноводного стока. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : численное моделирование, гидрофизические поля, Черное море, ARGO, визуализация. Введение. Современная концепция мониторинга морской среды осно- вана на важной роли ассимиляции данных натурных измерений в регио- нальных моделях оперативного прогноза циркуляции. Начавшаяся более десяти лет тому назад эра прецизионных глубоководных буев-профилеме- ров ARGO, обеспечивает значительное улучшение прогноза гидрофизиче- ских параметров морской среды. На базе этих буев разрабатывается первая in situ система наблюдения состояния океана в режиме реального времени. В начале измерительного цикла буй ARGO в течение примерно недели сво- бодно дрейфует на запрограммированном горизонте – см. циклограмму ра- боты буя, показанную на рис. 1. Затем он опускается на заданную фиксиро- ванную глубину и всплывает примерно за 10-часовой временной интервал, измеряя температуру и соленость на заданных горизонтах, максимальное число которых достигает 80. По достижении морской поверхности в тече- ние 1 – 8 часов буй передает в эфир данные, которые принимаются спутни- ковыми системами сбора и передачи информации ARGOS или Iridium, уста- новленными на ИСЗ серии NOAA. Затем измерительный цикл повторяется. За период 2002 − 2010 гг. в Черном море было запущено в эксплуата- цию 8 буев ARGO. В итоге был получен массив уникальной информации о профилях температуры и солености, а также средних лагранжевых скоро- стях буев, которые планируется ассимилировать в действующей оператив- ной модели Черного моря [1, 2]. © А .В . Багаев, С .Г. Демышев, Г .К . Коротаев, Е .В . Плотников, 2011 79 Рис . 1. Обобщенная циклограмма работы буя-профилемера ARGO: 1 – запуск буя; 2 – по- гружение; 3 – свободный дрейф (до 7 суток), 4 – всплытие (до 10 часов); 5 – дрейф на по- верхности и передача сигнала (до 8 часов); 6 – погружение на глубину дрейфа; 5 1 2 3 4 6 3 1500 м Валидация продуктов чис- ленного моделирования цирку- ляции Черного моря на основе данных первых трех буев-профи- лемеров, запущенных в 2002 г., описана в работах [3, 4]. Целью нашей статьи является срав- нение результатов моделиро- вания, выполненного в рамках рабочей версии оперативной модели Черного моря, с дан- ными, полученными с по- мощью буев-профилемеров (в дальнейшем тексте статьи бу- дем называть их ARGO-данны- ми) в период с 2007 по 2008 гг. Необходимость выбора лучшей версии модели для ассимиля- ции в ней ARGO-данных по температуре и солености потребовала раз- работки определенной эвристической верификационной методики и созда- ния специализированного программного обеспечения, которое в будущем может применяться к последующим версиям оперативной модели. Данные, методы и инструменты. В качестве исходных использова- лись данные о вертикальных распределениях температуры и солености в верхнем 1 400-метровом слое моря, измеренные на 71 горизонте с помощью четырех буев ARGO, оснащенных датчиками SeaBird SBE-41 CTD. На их осно- ве был сформирован соответствующий 2007 − 2008 гг. анализируемый массив. Некоторые эксплуатационные параметры аппаратуры и характеристика выбор- ки приведены в таблице. Глубина свободного дрейфа интересующих нас буев составляла 1 500 м. Технические параметры приборов можно найти на сайте корпорации Sea-Bird Electronics, Inc. (http://www.seabird.com/alace.htm). Таблица . Некоторые характеристики буев и анализируемой выборки Идентификационный номер (ID) буя ARGO Координата начальной точки Период эксплуатации (день/месяц/год) Число станций в период с 2007 по 2008 гг. 4900489 41,88° с.ш., 29,58° в.д. 14/03/05 − 18/01/09 95 4900540 41,86° с.ш., 29,56° в.д. 14/03/05 − 02/10/08 84 4900541 42,13° с.ш., 30,25° в.д. 01/08/06 − 01/03/09 90 4900542 42,15° с.ш., 30,26° в.д. 25/07/06 − 23/12/09 86 Термогидродинамическая модель. В настоящее время в МГИ НАН Ук- раины в квазиоперативном режиме функционирует система мониторинга 80 гидрофизических полей Черного моря, ядро которой составляют численная термогидродинамическая модель [1] и модуль ассимиляции альтиметрических данных [5]. Уравнения модели представляют собой систему примитивных уравнений, записанных в форме Громеки-Лэмба [1] для динамики океана в де- картовой системе координат. Данный подход обеспечивает сохранение энергии и потенциальной энстрофии в случае баротропного и бездивергентного движе- ния [1]. Уравнение гидростатики позволяет более точно представить нелиней- ную зависимость плотности от температуры и солености за счет непосредст- венного учета обмена кинетической и потенциальной энергии внутри ячейки [6]. На поверхности задаются 12-ти часовые поля тангенциального напряжения трения ветра, потоки тепла, осадки и испарения, полученные в рамках регио- нальной атмосферной модели высокого разрешения (2,5 км) ALADIN, функ- ционирующей при Национальной Метеорологической Администрации Румы- нии [7]. На дне и твердых боковых границах используются условия непротека- ния и прилипания для компонент вектора скорости, а также отсутствия потоков тепла и соли. На жидкой границе ставится условие Дирихле на втоке и потоки импульса, тепла и соли − на вытоке. Конечно-разностная аппроксимация реа- лизуется по горизонтали на сетке C по классификации Аракавы [8] с шагом 5 км, что позволяет хорошо воспроизвести мезомасштабные процессы (харак- терный радиус деформации Россби в глубоководной части Черного моря со- ставляет 20 – 25 км [9]). По вертикали − на 35-ти неравномерно распределен- ных по глубине горизонтах. Для аппроксимации по времени используется яв- ная схема «чехарда» второго порядка точности с периодическим подключени- ем схемы Мацуно. Турбулентный обмен импульсом и диффузия тепла и соли по горизонтали формализуются с помощью бигармонического оператора. В настоящей версии модели вместо используемого ранее турбулентного замыка- ния Филандера-Пакановски [10] для коэффициентов вертикальной турбулент- ности вязкости и диффузии применяется параметризация Меллора-Ямады 2.5 [11], которая позволяет более корректно описать летний прогрев приповерхно- стного слоя воды и непосредственно учесть интенсивное атмосферное воздей- ствие в сезон зимних штормов. Эффективность включения такой параметриза- ции в модель была изучена в работе [12]. Процедура ассимиляции данных спутниковых альтиметрических изме- рений [5] реализуется на основе теории фильтра Калмана. Для усвоения ис- пользуются данные ERS, TOPEX/POSEIDON, GFO, Jason, EnviSat, прошед- шие препроцессинг в центре космических исследований AVISO (Тулуза, Франция). Описание специализированного программного обеспечения. Для пер- вичной обработки ARGO-профилей температуры и солености, полученных с сервера USGODAE, и их интерполяции были разработаны специализиро- ванные программы на языке MATLAB. Сначала была реализована простран- ственно-временная интерполяция модельных полей в точку, где измерялись профили. Затем ARGO-данные интерполировались на вертикальную сетку модели. Кроме пространственно-временной координации между телеметри- ей и численным расчетом, было выполнено преобразование данных в стан- дартный формат CSV, проведен их дополнительный контроль, а также по 81 каждой станции были построены изображения вертикальных профилей, предназначенные для качественного анализа. Для количественной оценки степени близости данных моделирования и измерений, на языке PHP был реализован программный модуль с веб- интерфейсом. Такой подход обеспечивает следующие преимущества: – универсальные и эффективные библиотеки функций для работы с файлами применяются для считывания и преобразования данных с преды- дущего этапа и сохранения результатов верификации в формате, подразу- мевающем их последующее использование; – наличие библиотеки математических функций позволяет проводить расчеты с достаточной точностью, используя внешние вычислительные мощности − удаленный сервер; – подключение графической библиотеки GD снимает все ограничения на визуализацию результатов исследований, что важно при больших объе- мах поступающей информации и неравномерном ее пространственном рас- пределении; – веб-интерфейс обеспечивает доступ к инструментам и показателям верификации заинтересованным специалистам без необходимости измене- ния кода основной программы. Что, в свою очередь, позволяет размещать данные на удаленном сервере, повышая уровень их сохранности; – в будущем это позволит применять методику сопоставления к произ- вольному набору данных, в том числе поступающих из различных источни- ков в квазиоперативном режиме. Анализ полученных результатов. Для каждого буя, данные которых ис- пользовались при выполнении работы, была проанализирована изменчивость профилей характеристик морской воды вдоль его трассы. В качестве примера на рис. 2 показана траектория движения буя № 4900542 в акватории Черного моря, а на рис. 3 – соответствующие диаграммы для температуры (см. рис. 3, а) и солености (см. рис. 3, б) по траектории его дрейфа (см. рис. 2). Несмотря на то, что вариабельность определяется как временной, так и пространственной составляющей, в верхнем 50-метровом слое явно доминирует первая. Опираясь на структуру исходного массива данных, можно, прежде всего, судить о квази- периодической перестройке вертикальных термохалинных характеристик. От- четливо видны процессы формирования особенностей поля температуры, ти- пичных для Черного моря: зимних ячеек конвекции (в период с декабря по март) и термоклина (с апреля по ноябрь). По солености в этом слое также про- слеживается сезонный сигнал, который характеризуется временным сдвигом в фазе колебаний. Но он в бóльшей степени маскируется перемещением буя в пространстве, за счет чего датчики, вероятно, фиксируют эпизодические ин- трузии речных вод. На разрезах четко идентифицируется холодный промежу- точный слой, верхняя граница которого в зимний период поднимается к по- верхности, и иногда, как, например, в феврале-марте 2008 г, на нее выходит. В изменчивости слоя постоянного пикноклина 75 – 200 м, которую иллю- стрирует разрез по солености, на фоне пространственного сигнала сезонный – практически не просматривается. Глубже 200 м вариабельность температуры и солености в целом резко падает. Это означает, что ее условное разделение на сезонную и пространственную составляющие теряет свой смысл. 82 Рис . 2. Траектория дрейфа буя № 4900542 в акватории Черного моря. Рис . 3. Профили вдоль траектории дрейфа буя: а – температуры морской воды (°С); б – солености морской воды (‰). Г л у б и н а, м Г л у б и н а, м . 01 06 01 06 Месяц года 2007 год 2008 год 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 Буй № 4900542 а б 83 Для сличения результатов моделирования с ARGO-профилями рассчи- тывались и сопоставлялись между собой среднеквадратичные отклонения (в дальнейшем тексте статьи будем обозначать их RMS – root mean square) и абсолютные разности в различных вариантах осреднения по пространству и времени. Целью графического представления итогов сравнения является полу- чение простых и наглядных выводов на основе продуманного рендеринга сжа- той информации. Так, понимание описанных в предыдущем параграфе физи- ческих механизмов изменчивости послужило основой для построения карт, на которых можно увидеть пространственную структуру полей RMS. При этом роль временной шкалы играет цветовая дифференциация. На рис. 4 представлено соответствующее распределение для осреднен- ных по слою 0 – 1 400 м RMS между модельными и ARGO-данными по темпе- ратуре. Отчетливо видно, что по температуре модель приближается к показа- ниям датчиков на участках устойчивой циркуляции – вдоль турецкого побере- жья от г. Зонгулдак до г. Синоп, вдоль Кавказского побережья от Сочи до Но- вороссийска и далее вдоль изобаты 1 900 м в районе свала глубин Керченско- Таманского шельфа. Затем – вдоль Южного берега Крыма до центра западного циклонического круговорота. То есть, область низких значений RMS по темпе- ратуре практически совпадает с интервалами устойчивости струи ОЧТ. При этом данные наблюдений и модели незначительно различаются зи- мой и весной. Наибольшие отклонения характерны для районов палеодель- ты рек Кызыл-Ирмак и Эшли-Ирмак, Батумского антициклона и центра за- падного круговорота. Подчеркнем, что максимальные отличия по темпера- туре имеют место летом и осенью. На рис. 5 приведена аналогичная карта по солености. Здесь уже не на- блюдается явного разделения RMS по сезонам. По пространству низкими значениями характеризуется струя ОЧТ вдоль турецкого побережья и при- керченского шельфа. На фоне достаточно гладкого поля RMS выделяются три области с высокими значениями, которые, учитывая консервативный характер солености, требуют индивидуального изучения. Это – централь- ный район западной части моря, область Кызыл-Ирмакского антициклона и зона, находящаяся под непосредственным влиянием стока крупных кавказ- ских рек – Риони и Чороха. Представленные на рис. 4 и рис. 5 карты отражают свои интерактивные аналоги. Для формирования запроса используется html-форма, на выходе – изображение в необходимом формате. Разработанное программное обеспе- чение позволяет выбирать различные версии модели для сравнения, иссле- довать различные слои и месяцы, масштабировать карты с выводом необхо- димой информации по каждой станции. Кроме того, пользователю предос- тавляется выбор опций, которые дают возможность генерировать высокока- чественные изображения для печати. Для того чтобы определить возможные причины отклонения модельных профилей от экспериментальных, ARGO-профили сопоставлены с модельными распределениями – см. рис. 6, после чего выполнен их визуальный анализ. Ус- ловно станции можно разделить на четыре группы. Рассмотрим профили температуры и солености, полученные на типичных станциях, принадле- жащим к этим группам. 78 84 с.ш. 45° 44° 43° 29° 31° 33° 35° 37° 39° 41° в.д. менее 1 от 1 до 3 более 3 Зима Весна Лето Осень Рис . 4. Среднеквадратичные отклонения (RMS) модельных профилей температуры от ARGO-профилей. Изобаты проведены от 100 м с шагом 200 м. RMS 79 85 540-141 541-048 542-041 с.ш. 45° 44° 43° 29° 31° 33° 35° 37° 39° 41° в.д. Рис . 5. Среднеквадратичные отклонения (RMS) модельных профилей солености от ARGO-профилей. Изобаты проведены от 100 м с шагом 200 м. Цифрами в выносках обозначены номера буев-профилемеров (см. табл., последние три цифры идентификационных номеров) и номера точек их всплытия (станций). RMS менее 0,3 от 0,3 до 0,6 более 0,6 Зима Весна Лето Осень 540-102 RMS 80 Рис . 6. Сопоставление модельных ( ) и экспериментальных ( ) профилей температуры и солености для некоторых станций в акватории Черного моря. Номера станций – см. рис. 5. 7,6 8,0 8,4 8,8 T, °C 4 8 12 16 20 T, °C 7,6 8,0 8,4 8,8 T, °C 4 8 12 16 20 T, °C 0 100 200 300 400 Г л у б и н а , м 18 19 20 21 S, ‰ 17 18 19 20 21 S, ‰ 17 18 19 20 21 S, ‰ 18 19 20 21 S, ‰ Буй № 4900540 Станция 141 22 января 2008 г. RMST = 0,13 RMSS = 0,20 S T S T S T S T T S T S T S T S а б в г Буй № 4900541 Станция 48 23 июля 2007 г. RMST = 2,41 RMSS = 0,23 Буй № 4900540 Станция 102 16 марта 2007 г. RMST = 0,29 RMSS = 0,43 Буй № 4900542 Станция 41 2 июня 2007 г. RMST = 0,71 RMSS = 0,46 86 87 На рис. 6, а приводится пример достаточно хорошего совпадения, кото- рое имеет место для подавляющего количества измерений. Данный профиль 141 выполнен на свале глубин у Керченско-Таманского шельфа (см. рис. 5). Здесь модель правильно описывает не только глубинную водную массу, но и поверхностный слой, для которого характерен большой разброс значений. Подобные профили наблюдаются в немеандрирующем стрежне ОЧТ в зим- ний и весенний сезоны. Рис. 6, б иллюстрирует процессы, происходящие в Кызыл-Ирмакском топографическом вихре (станция 41). Здесь в летние и весенние месяцы мо- дель неверно позиционирует области максимальных градиентов постоян- ного галоклина и термоклина. Малые ошибки их определения ведут к большим отклонениям. Видно, что в данном случае модель обмеляет посто- янный пикноклин примерно на 30 – 40 м. На рис. 6, в приведены кривые, полученные на станции 102, нахо- дящейся в весенний период под прямым влиянием стока р. Риони – одной из крупнейших рек Кавказа. Возможно, в верхнем 70-тимеровом слое в чис- ленном эксперименте явно недооценено поступление пресной воды. Кроме того, модель завышает температуру ХПС на 0,4 °С и дает нереалистичную ступенчатую структуру профиля. Заметим, что положение верхнего локаль- ного температурного минимума, тем не менее, совпадает с реальным ядром ХПС. Станция 48, которой соответствуют профили, приведенные на рис. 4, г, на- ходится почти в центре западной части моря. Приведенные результаты отно- сятся к летнему сезону. В верхнем 50-ти метровом слое на ARGO-солености можно заметить слабый сигнал от максимального стока рек на северо-западном шельфе моря. Интересно, что в летний период он просматривается на несколь- ких близлежащих станциях, локализованных в области каньона Дуная. При этом временной сдвиг составляет около двух месяцев. Большое значение RMS по температуре объясняется небольшой ошибкой в позиционировании термо- клина, который летом проявляется особенно резко. Отклонение модельного профиля солености от ARGO-данных в слое 60 – 170 м, по-видимому, можно объяснить неточностями в параметризации обмена через пролив Босфор. Не- трудно заметить, что на всех приведенных станциях модель по сравнению с ARGO-данными дает несколько размытый по глубине постоянный галоклин. Для количественной оценки близости модельных результатов и натур- ных данных в терминах RMS, учитывая ее зависимость от глубины, мы раз- делили водный столб на четыре слоя: – наиболее подверженный атмосферному воздействию поверхностный слой 0 – 15 м ; – слой сезонного термоклина 15 – 60 м; – слой постоянного пикноклина 60 – 100 м; – глубинный слой 100 – 1500 м. Затем рассчитали послойно RMS по температуре и солености по двум временным интервалам: зима-весна и лето-осень. Результаты расчетов представлены на рис. 7. 88 Как и ожидалось в со- ответствии с выводами ра- боты [4], наибольшими невязками по температу- ре характеризуется слой 0 – 15 м в летне-осенний период. Точность воспро- изведения температуры моделью растет с глуби- ной. Расхождения по соле- ности практически не за- висят от времени года. При этом, слой постоянно- го пикноклина 60 – 100 м демонстрирует макси- мальные значения RMS. На рис. 8 приводится накопленная T-S диаграм- ма, которая позволяет оценить близость резуль- татов моделирования и ARGO-данных в терминах абсолютных отклонений. Видно, что модель незна- чительно (в среднем при- мерно на 0,2 ‰) завыша- ет соленость поверхност- ного слоя. При этом, точ- ность модельного воспро- изведения термохалинной структуры слоя глубинных вод Черного моря – достаточно высока. Рис . 8. Сравнение модельных и натурных данных в T-S осях: × – модельные данные; – ARGO-данные. 26 22 18 14 10 6 Т е м п е р а т у р а , °С 17 18 19 20 21 22 23 Соленость, ‰ Рис . 7. Вертикальная структура среднеквадра- тичных отклонений (RMS) по солености и темпе- ратуре: – зима-весна; – лето-осень. RMS S , ‰ 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 RMS T , °C 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0 – 15 15 – 60 60 – 100 100 – 1 500 Глубина слоев, м 89 Суммируя все вышесказанное, можно сказать, что: 1. Функционирующая в МГИ НАН Украины система мониторинга гидрофизических полей Черного моря в квазиоперативном режиме удовле- творительно воспроизводит ARGO-профили температуры и солености. 2. В смысле абсолютных отклонений улучшенная версия модели имеет тенденцию к незначительному завышению солености в поверхностном слое. При этом модель достаточно точно описывает термохалинный режим глу- бинных вод Черного моря. 3. Наилучшее согласие в терминах RMS модельных результатов и на- турных данных имеет место в зоне устойчивого потока ОЧТ в зимний и ве- сенний период. 4. Наибольшие отклонения характерны для района со сложным релье- фом дна (Кызыл-Ирмакский топографический вихрь), для зоны, находящей- ся под прямым влиянием стока крупных кавказских рек (Риони и Чороха), а также для акватории, где эти два фактора накладываются друг на друга. Речь идет о станциях, находящихся в центре западного круговорота в кань- оне Дуная, которые чувствительны к остаточному распресняющему сигналу от стока рек северо-западного шельфа. 5. Основной причиной увеличения RMS профилей является незначи- тельная ошибка позиционирования границы сезонного термоклина (отсюда повышенные значения RMS летом и осенью) и постоянного пикноклина. Значимость этой ошибки особенно высока для Черного моря, так как имен- но положение постоянного пикноклина регулирует структуру оптических слоев и экологических компонент. 6. Предложенная в работе методика верификации и разработанное специализированное программное обеспечение могут быть использованы для сравнения данных буев-профилемеров с другими версиями модели, в том числе после процедуры усвоения ARGO-данных. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная энергосбалансированная модель ба- роклинных течений океана с неравным дном на сетке С // Численные модели и результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане. – М.: ИВМ РАН. – 1992. – С. 163-231. 2. Korotaev G., Oguz T., Riser S. Intermediate and deep currents of the Black Sea obtained from autonomous profiling floats // Deep-Sea Res. – 2006. – 53. – P. 901-910. 3. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К. Валидация результатов моделирования циркуля- ции Черного моря на основе данных всплывающих буев // Экологическая безо- пасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа / Дистанционное зондирование морских экосистем. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2004. – вып. 11. – С. 63-74. 4. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К., Мартынов М.В., Ратнер Ю.Б. Система монито- ринга гидрофизических полей Черного моря в квазиоперативном режиме // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис- пользование ресурсов шельфа / Дистанционное зондирование морских экоси- стем. – Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2004. – вып. 11. – С. 9-24. 90 5. Korotaev G.K., Saenko O.A., Koblinsky C.J. Satellite altimetry observations of the Black Sea level // Journ. Geoph. Res. – 2001. – v.106, № C1. – P. 917-933. 6. Демышев С.Г. Аппроксимация силы плавучести в численной модели бароклин- ных течений океана. // Известия РАН: Физика атмосферы и океана. – 1998. – т. 34, № 3. – С. 404-412. 7. Stefanescu S., Cordoneanu E., Kubryakov A. Ocean wave and circulation modeling at NIMH Romania // Roman. J. Meteor. – 2004. – v. 6, № 1-2. – P.75-88. 8. Arakawa A. Computational design for long-term numerical integration of the equations of fluid motion: Two-dimensional incompressible flow. Part I // J. Comput. Phys. – 1966. – 1. – P. 119-143. 9. Дорофеев В.Л., Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Вихреразрешающая модель цир- куляции Черного моря // Экологическая безопасность прибрежной и шельфо- вой зон и комплексное использование ресурсов шельфа – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2001. – С. 73-82. 10. Pacanowski R.C., Philander S.G.H. Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans // J. Phys. Oceanogr. – 1981. – v. 11, № 11. – P. 1443-1451. 11. Mellor G.L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. and Space Phys. – 1982. – v. 20, № 4. – P. 851-875. 12. Багаев А.В., Демышев С.Г. Климатическая циркуляция Черного моря по резуль- татам численного моделирования с использованием параметризации Меллора- Ямады 2.5 для коэффициентов вертикальной турбулентности вязкости и диф- фузии // Морской гидрофизический журнал. – 2011. – № 3. – С. 66-76. Материал поступил в редакцию 16 .01 .2011 г . После доработки 10 .06 .2011 г .

Сопоставление результатов моделирования термохалинных полей Черного моря с данными буев-профилемеров ARGO

Institution

Ähnliche Einträge