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...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Багаев, А.В., Демышев, С.Г., Коротаев, Г.К., Плотников, Е.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2011
Назва видання:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:	Моделирование термогидродинамики и экологии Черного моря
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112415
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:	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.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-112415
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1124152017-01-22T03:02:14Z 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 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112415 551.465 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу 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	http://dspace.nbuv.gov.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	2025-07-08T03:54:08Z
last_indexed	2025-07-08T03:54:08Z
_version_	1837049451050434560
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

Репозитарії

Схожі ресурси