МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ А.С. Саркисян: различия между версиями
(→Четырехмерный анализ) |
|||
(не показаны 4 промежуточные версии этого же участника) | |||
Строка 2: | Строка 2: | ||
http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/112568/01-Sarkisian.pdf?sequence=1 | http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/112568/01-Sarkisian.pdf?sequence=1 | ||
− | + | [[Саркисян]] | |
В обзоре обсуждаются семь основных направлений, или стадий, развития моделирования характеристик океанов и морей: | В обзоре обсуждаются семь основных направлений, или стадий, развития моделирования характеристик океанов и морей: | ||
Строка 29: | Строка 29: | ||
основные недостатки модели Экмана: | основные недостатки модели Экмана: | ||
* морская вода однородна; | * морская вода однородна; | ||
− | * единственной силой, возбуждающей движение, служит касательное трение | + | * единственной силой, возбуждающей движение, служит касательное трение ветра |
− | + | ||
== Динамический метод == | == Динамический метод == | ||
− | Параллельно с моделью Экмана возник динамический метод... Многие называют это методом расчета геострофических течений | + | Параллельно с моделью Экмана возник динамический метод... Многие называют это методом расчета геострофических течений... а его исключительный, частный, упрощенный случай – случай, который предполагает наличие так называемой «нулевой» поверхности. Это предположение приводит к искусственно быстрому затуханию скорости течения с глубиной и ко многим другим серьезным недостаткам – нарушение закона сохранения массы, отсутствие возможности расчета вертикальной компоненты скорости течения, отсутствие зависимости скорости течения в данной точке от соседних или связи одной компоненты скорости с другой, и т.д. и т.п... Геострофическое приближение приемлемо только в случае, когда поле давления рассчитано правильно. |
− | |||
− | так называемой «нулевой» поверхности. Это предположение приводит к искусственно быстрому затуханию скорости течения с глубиной и ко многим другим серьезным недостаткам – нарушение закона сохранения массы, отсутствие возможности расчета вертикальной компоненты скорости течения, отсутствие зависимости скорости течения в данной точке от соседних или связи | ||
− | одной компоненты скорости с другой, и т.д. и т.п... Геострофическое приближение приемлемо только в | ||
− | случае, когда поле давления рассчитано правильно. | ||
метод вечен по двум причинам: | метод вечен по двум причинам: | ||
* несмотря на уйму недостатков, метод в первом приближении качественно правильно отражает схему градиентной части поверхностных (но не средних по высоте, а тем более не глубинных) течений; | * несмотря на уйму недостатков, метод в первом приближении качественно правильно отражает схему градиентной части поверхностных (но не средних по высоте, а тем более не глубинных) течений; | ||
* метод крайне прост. | * метод крайне прост. | ||
+ | |||
== Модель Штокмана == | == Модель Штокмана == | ||
После того, как два совершенно противоречивых метода – [[#Модель Экмана]] и [[#Динамический метод]] (согласно одному из них, | После того, как два совершенно противоречивых метода – [[#Модель Экмана]] и [[#Динамический метод]] (согласно одному из них, | ||
Строка 54: | Строка 51: | ||
Основные достижения этой стадии расчетов | Основные достижения этой стадии расчетов | ||
− | * а) главным достижением является выяснение очень важной роли зонального переноса массы бароклинной жидкостью в западной интенсификации и отрыве интенсивных течений (Гольфстрим, Куросио и т.д.) с западного побережья... Учет бароклинности (адвекции аномалии плотности) привел к термическому варианту объяснения механизма общей циркуляции океана в противоположность механическому, ветровому воздействию на однородный океан | + | * а) главным достижением является выяснение очень важной роли зонального переноса массы бароклинной жидкостью в западной интенсификации и отрыве интенсивных течений ([[Гольфстрим]], Куросио и т.д.) с западного побережья... Учет бароклинности (адвекции аномалии плотности) привел к термическому варианту объяснения механизма общей циркуляции океана в противоположность механическому, ветровому воздействию на однородный океан |
* б) расчеты показали, что рельеф дна играет принципиальную роль и этим фактором никак нельзя пренебречь | * б) расчеты показали, что рельеф дна играет принципиальную роль и этим фактором никак нельзя пренебречь | ||
* в) трансформация аномалии плотности оказалась в такой степени важным процессом, что вопрос о том, какова роль того или иного фактора в динамике течений, сводился к тому, какова роль его в трансформации плотности? Иными словами, каковы изолинии аномалии плотности, такова крупномасштабная (стационарная, сезонная) циркуляция. Если у западного (северного, южного) побережья есть сгущение изолинии плотности, то есть и Гольфстрим, есть интенсивное градиентное течение (если нет – то нет). Если у восточного есть сгущение плотности, то есть апвеллинг, если нет – то нет | * в) трансформация аномалии плотности оказалась в такой степени важным процессом, что вопрос о том, какова роль того или иного фактора в динамике течений, сводился к тому, какова роль его в трансформации плотности? Иными словами, каковы изолинии аномалии плотности, такова крупномасштабная (стационарная, сезонная) циркуляция. Если у западного (северного, южного) побережья есть сгущение изолинии плотности, то есть и Гольфстрим, есть интенсивное градиентное течение (если нет – то нет). Если у восточного есть сгущение плотности, то есть апвеллинг, если нет – то нет | ||
Строка 90: | Строка 87: | ||
Некоторые глобальные модели обладают таким высоким разрешением, как (1/12)°, с тридцатью двумя уровнями по глубине. Одни модели ассимиляции основаны на фильтре Калмана (в РСФСР и Украинской ССР это называется динамикостохастический подход), другие – пользуются вариационным методом... Это больше реклама, чем глубокий анализ хотя бы части 15-летней работы по | Некоторые глобальные модели обладают таким высоким разрешением, как (1/12)°, с тридцатью двумя уровнями по глубине. Одни модели ассимиляции основаны на фильтре Калмана (в РСФСР и Украинской ССР это называется динамикостохастический подход), другие – пользуются вариационным методом... Это больше реклама, чем глубокий анализ хотя бы части 15-летней работы по | ||
− | такой важной и высококвалифицированной программе. Тот факт, что ни России, ни Украины нет среди 11 стран, участвующих в одной или обеих программах, говорит о нашем серьезном отставании... только в этом году появилась одна работа по моделированию циркуляции Мирового океана с разрешением в (1/10)° и 49 уровнями (Ибраев Р.А., Хабеев Р.Н., Ушаков К.В. Вихреразрешающая 1/10° модель Мирового океана // Известия РАН: серия «Физика атмосферы и океана». – 2012. – том 48, №1. – С. 45-55) | + | такой важной и высококвалифицированной программе. Тот факт, что ни России, ни Украины нет среди 11 стран, участвующих в одной или обеих программах, говорит о нашем серьезном отставании... только в этом году появилась одна работа по моделированию циркуляции Мирового океана с разрешением в (1/10)° и 49 уровнями (Ибраев Р.А., Хабеев Р.Н., Ушаков К.В. [[Вихреразрешающая 1/10° модель Мирового океана]] // Известия РАН: серия «Физика атмосферы и океана». – 2012. – том 48, №1. – С. 45-55) |
Текущая версия на 16:15, 25 октября 2020
http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/112568/01-Sarkisian.pdf?sequence=1
В обзоре обсуждаются семь основных направлений, или стадий, развития моделирования характеристик океанов и морей:
- Модель Экмана. Экман впервые в океанологии представил проблему расчета морских течений в виде задачи теоретической гидродинамики.
- Динамический метод возник для расчета только одной из трех компонент скорости течения по гидрологическому разрезу.
- Метод полных потоков оказался моделью однородного океана.
- Численное прогностическое моделирование – уже реальная ступень в исследовании бароклинного океана с учетом геометрии бассейна.
- Метод синтеза модели и данных гидрологических наблюдений – важная следующая ступень. Он у нас называется «диагноз-адаптация».
- #Модель К. Брайена. Впервые в океанологии им построена модель категории 3DPEM.
- #Четырехмерный анализ – самая трудная и самая важная стадия моделирования.
Содержание
Понятия[править]
wikiru:Баротропность[править]
такое свойство сплошной среды, при котором её плотность является функцией только давления. Сплошная среда, не являющаяся баротропной, называется «барокли́нной»... В бароклинном океане плотность воды является функцией не только давления, но и температуры или солености.
β-эффект[править]
планетарная завихренность
СЭБИР[править]
совместный эффект бароклинности и рельефа дна
В преобразованном таким образом уравнении появился новый источник энергии – СЭБИР, который в несколько раз превосходит энергию ветра.
Принципы[править]
основной перенос водных масс происходит в верхнем километровом слое океана[править]
первые модели[править]
Модель Экмана[править]
основные недостатки модели Экмана:
- морская вода однородна;
- единственной силой, возбуждающей движение, служит касательное трение ветра
Динамический метод[править]
Параллельно с моделью Экмана возник динамический метод... Многие называют это методом расчета геострофических течений... а его исключительный, частный, упрощенный случай – случай, который предполагает наличие так называемой «нулевой» поверхности. Это предположение приводит к искусственно быстрому затуханию скорости течения с глубиной и ко многим другим серьезным недостаткам – нарушение закона сохранения массы, отсутствие возможности расчета вертикальной компоненты скорости течения, отсутствие зависимости скорости течения в данной точке от соседних или связи одной компоненты скорости с другой, и т.д. и т.п... Геострофическое приближение приемлемо только в случае, когда поле давления рассчитано правильно.
метод вечен по двум причинам:
- несмотря на уйму недостатков, метод в первом приближении качественно правильно отражает схему градиентной части поверхностных (но не средних по высоте, а тем более не глубинных) течений;
- метод крайне прост.
Модель Штокмана[править]
После того, как два совершенно противоречивых метода – #Модель Экмана и #Динамический метод (согласно одному из них, ρ = const и единственной движущей силой является ветер, а другой основан исключительно на переменной плотности и обходится без учета прямого воздействия ветра) просуществовали бок о бок около полувека «не замечая друг друга», казалось, что В.Б. Штокман [2, 3] нашел выход, предложив модель, которая учитывает и ветер и, как ему показалось, бароклинность морской воды... известно Штокман придавал большое значение наличию аналогии между уравнениями полного потока в море и изгибом закрепленной пластины... #основной перенос водных масс происходит в верхнем километровом слое океана... Чтобы облегчить вывод уравнения полных потоков, Штокман, Свердруп и Манк сделали предположение о наличии некоторой поверхности на большой глубине с поистине феноменальными свойствами. А именно, они считали, что на этой глубине затухают и скорости течения, и градиенты давления, и вертикальное трение; кроме того, сама эта глубина бароклинного слоя постоянна во всем океане. Что правильно в рассуждениях авторов метода полных потоков, это то, что градиенты плотности убывают с глубиной, так же как и вертикальное трение.
три недостатка[править]
- Однако, они убывают, но вовсе не затухают,
- а глубина бароклинного слоя вовсе не постоянна. На деле их океан баротропен, потому что в их основном уравнении нет градиентов плотности, и единственной движущей силой для функции полного потока у них всех является вихрь от касательного трения ветра, не имеющий никакого отношения к бароклинности воды...
- В модели полного потока Штокмана-Манка был еще один неверный постулат – считалось, что изолинии функции полного потока отображают линии тока поверхностного течения.
... учет β-эффекта (что оказалось важным) привел к западной интенсификации и в результате показалось, что модель Манка реалистична. Это вдохновляло многих ученых и «теория» полных потоков получила широкое распространение... успеху модели Манка содействовали не только учет β-эффекта, но и перечисленные #три недостатка
Прогностические модели[править]
только путем расчетов можно понять под действием каких именно факторов формируется и трансформируется поле ρ, а, следовательно, и климатическая циркуляция. Расчеты такого рода называются прогностическими в отличие от диагностических, в которых ρ задается. Прогностическими считаем модели, в которых решаемое уравнение для ρ или T и S обязательно нелинейное, нестационарное, трехмерное и содержит поля u,v,w. Только таким путем составляющие скорости и аномалия плотности становятся взаимозависимыми... Что касается уравнений движения, то они в первом приближении могут быть и линейными – лишь бы они были трехмерными и содержали все три компоненты скорости в качестве искомых функций. Это упрощение допустимо вследствие того, что вне экватора основные линейные слагаемые (градиент давления и ускорение силы Кориолиса) почти балансируют друг друга...
Основные достижения этой стадии расчетов
- а) главным достижением является выяснение очень важной роли зонального переноса массы бароклинной жидкостью в западной интенсификации и отрыве интенсивных течений (Гольфстрим, Куросио и т.д.) с западного побережья... Учет бароклинности (адвекции аномалии плотности) привел к термическому варианту объяснения механизма общей циркуляции океана в противоположность механическому, ветровому воздействию на однородный океан
- б) расчеты показали, что рельеф дна играет принципиальную роль и этим фактором никак нельзя пренебречь
- в) трансформация аномалии плотности оказалась в такой степени важным процессом, что вопрос о том, какова роль того или иного фактора в динамике течений, сводился к тому, какова роль его в трансформации плотности? Иными словами, каковы изолинии аномалии плотности, такова крупномасштабная (стационарная, сезонная) циркуляция. Если у западного (северного, южного) побережья есть сгущение изолинии плотности, то есть и Гольфстрим, есть интенсивное градиентное течение (если нет – то нет). Если у восточного есть сгущение плотности, то есть апвеллинг, если нет – то нет
тут и выявились наши проблемы, а именно – слабость советской вычислительной техники... это сильное отставание, заставляло нас решать искомые задачи глобальной циркуляции только с грубым разрешением (двух-пятиградусные шаги по горизонтали), заниматься моделированием только для небольшой части Мирового океана... Тогда и возникла идея о расчете циркуляции Мирового океана по заданным из наблюдений полям плотности, т.е. идея диагностических расчетов
Диагностические расчеты[править]
как метод восстановления и взаимного приспособления всех климатических характеристик. После расчетов по диагностическим моделям стало ясно, что пользоваться методом полного потока однородного океана абсолютно бессмысленно. Формально диагностические расчеты можно было выполнить с очень высоким разрешением даже на отсталых советских ЭВМ.
недостатки[править]
нижний предел разрешения[править]
Но, нижний предел разрешения определяется не мощностью ЭВМ, а масштабом осреднения, которым пользовались при подготовке полей T, S от разрозненных по времени и пространству данных наблюдений... основной недостаток любой диагностической модели не в этом...
СЭБИР[править]
При диагностическом расчете копируются ошибки несоответствия гидрологических полей рельефу дна океана, ибо невозможно было аккуратно учесть влияние рельефа дна при подготовке полей T, S по скудным данным наблюдений. Сильное влияние рельефа дна на поле течений – это «палка о двух концах», оно говорит не только о важности учета рельефа дна, но и о том, что велики последствия погрешностей поля плотности, привнесенные в поле течений #СЭБИР'ом (совместный эффект бароклинности и рельефа дна)... Это и было основным аргументом оппонентов против диагностических расчетов, отстаивающих отсталые однородные модели полного потока...
3DPEM[править]
Что делать? ...взяться за прогностическое моделирование на основе полной нелинейной системы с учетом #СЭБИР, вычисляя не только динамику, но и T, S, т.е. по модели, которая в англоязычной литературе называется 3DPEM – Three dimensional primitive equation model.
Диагноз-адаптация[править]
Полная, высокого разрешения модель, лучший интерполянт, но, создавая или усиливая градиенты в одном месте, она начинает сглаживать, портить в другом – получается «нос вытащил – хвост увяз». Мы и предлагаем остановиться. Вместо «сотворения мира» сделаем синтез модели и данных наблюдений. Это интерактивное действие человека и машины называем диагноз-адаптация
Модель К. Брайена[править]
Брайен принял за начальные T, S идеализированные вертикальные профили, не зависящие от горизонтальных координат, т.е. взялся за задачу о «сотворении мира» для Мирового океана. Для первых пробных оценок это было полезно, но никто не мог тогда знать, что это полезно лишь качественно – и только. Даже с сегодняшними возможностями ЭВМ все сначала решают задачу инициализации, исходя из трехмерных осредненных данных измерений T, S (сезонных, среднемноголетних, месячных и т.д.) и только после этого переходят к решению конкретных нестационарных задач.
недостатки модели Брайена[править]
ни модель, ни возможности ЭВМ не были способны решить задачу о «сотворении океана» и длительное интегрирование (тысячелетия модельного времени) было нецелесообразно... Чтобы избежать перегрузки памяти ЭВМ, многие ученые стерли из памяти ЭВМ именно самую интересную часть (стадию 1 кривых I и II) 10-15 лет... Словом, простым формальным совместным решением двух систем уравнений (атмосферы и океана) нельзя прогнозировать изменения климата на десятилетия или столетия.
Четырехмерный анализ[править]
высшая ступень моделирования. Он крайне важен как для моделирования изменений климатических характеристик, так и для оперативной океанологии. В частности, он необходим для решения проблем с обнаружением подводных лодок... Четырехмерный анализ, также как и процедура диагноз-адаптация, стоит на двух ногах – модель и данные наблюдений. Но в данном случае, связи между этими двумя аспектами сложнее... В четырехмерном анализе помимо данных наблюдений нужны две модели – детерминированная модель термогидродинамики океана и статическая модель усвоения данных наблюдений... Общие последовательности связей между ними следующие: модель термогидродинамики → статистическая модель → данные наблюдений → уточненная термогидродинамическая модель. Статистическая часть строится на основе динамической... С одной стороны, основной является модель динамики, с другой – эта модель уточняется, «обучается», впитывая данные наблюдений. Именно четырехмерный анализ позволяет перейти к оперативной океанологии.
Какие еще перспективные направления существуют?[править]
Ответ на этот вопрос давно найден и реализуется в виде:
- AOMIP (The Arctic Ocean Model Intercomparison Project) – программа моделирования и интеркалибрации Арктического океана;
- CORE's (Common Ocean-ice Reference Experiments) – координированные эксперименты по взаимоотношению океана и льда;
масштабность работы: в расчетах принимали участие 12 научно-исследовательских институтов из 5 стран, было использовано 7 моделей... Разочаровали меня только грубые разрешения: 1 – 2° по горизонтали. С таким грубым разрешением трудно ожидать реалистичные результаты. Если по меридиональному переносу тепла большинство моделей показывают близкие друг к другу, но заниженные значения (± 1,5 петаватт), то полученный расход воды через пролив Дрейка крайне разнороден: от 20 до 180 свердруппов.
- GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment) – эксперименты по ассимиляции глобальных океанографических данных и др.
Оперативную систему GODAE мы считаем вершиной математического моделирования океанографических характеристик. Эти системы работают вот уже 15 лет. В GODAE участвуют 12 моделей из 9 стран... GODAE основаны на: 1) лучших современных моделях общей циркуляции Мирового океана; 2) наиболее развитых методах четырехмерной ассимиляции данных. Эта система моделей ассимилируют альтиметрические данные по аномалии уровня океана, температуре поверхности океана, in situ профилям температуры и солености, включая данные Argo.
Некоторые глобальные модели обладают таким высоким разрешением, как (1/12)°, с тридцатью двумя уровнями по глубине. Одни модели ассимиляции основаны на фильтре Калмана (в РСФСР и Украинской ССР это называется динамикостохастический подход), другие – пользуются вариационным методом... Это больше реклама, чем глубокий анализ хотя бы части 15-летней работы по такой важной и высококвалифицированной программе. Тот факт, что ни России, ни Украины нет среди 11 стран, участвующих в одной или обеих программах, говорит о нашем серьезном отставании... только в этом году появилась одна работа по моделированию циркуляции Мирового океана с разрешением в (1/10)° и 49 уровнями (Ибраев Р.А., Хабеев Р.Н., Ушаков К.В. Вихреразрешающая 1/10° модель Мирового океана // Известия РАН: серия «Физика атмосферы и океана». – 2012. – том 48, №1. – С. 45-55)