Введение к работе
Цель и задачи работы
Целью работы является создание методических основ комплексной автоматизированной системы объективного анализа и гидродинамического прогноза морских метеорологических и океанографических величин (КАС). Ее внедрение в Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромете) означало бы переход к скоординированной обработке морской гидрометеорологической информации с учетом современных возможностей вычислительной техники, возросщего качества метеорологического объективного анализа и прогноза, новых видов метеорологических и океанографических наблюдений.
В связи с этим в диссертационной работе решались задачи:
разработки гидродинамических моделей процессов, происходящих в атмосфере, океане и на поверхности их раздела, и изучения этих процессов с помощью аналитических методов и численных экспериментов;
создания новых методов численной реализации моделей и интегрирования комплекса прогностических задач (моделей), приводящего к минимальным ошибкам анализа и прогноза основных величин;
разработки и внедрения программных комплексов, реализующих на базе моделей прогностические технологии и их элементы.
Актуальность проблемы н условия для ее решения
В настоящее время появились объективные условия для существенного увеличения точности и полноты оперативной морской информации, выпускаемой учреждениями Росгидромета. Во-первых, за последние годы создан и внедрен в оперативное использование ряд методов объективного анализа метеорологических величин и моделей для краткосрочного и среднесрочного метеорологического прогноза. Заложены основы систем усвоения метеорологических и океанографических данных. Во-вторых, большинство из действующих в Росгидромете моделей по своему уровню сложности ориентировано на ЭВМ с быстродействием порядка одного миллиона операций с плавающей запятой в секунду, в то время как мощность уже имеющихся и ожидаемых ЭВМ значительно
больше. В Гидрометцентре России создана оперативная база данных, содержащая все необходимые типы информации для составления морских метеорологичес-ких анализов и прогнозов.
Актуальность работы состоит в том, что в ней на основе анализа современного состояния развития численного прогноза погоды и морской метеорологии предлагается взаимно скоординированная организация обработки различных видов оперативной гидрометеорологической информации. Необходимость координации возникла в связи с тем, что в настоящее время и в обозримом будущем для прогнозов и диагноза основных гидрометеорологических величин будет использоваться комплекс различных моделей. Их точность и сложность постоянно возрастают. Соответственно, повышаются требования к "внешней" информации, используемой при интегрировании каждой из моделей. Она извлекается из других моделей и блоков обработки данных. В предлагаемой системе интегрирование прогностических моделей и работа блоков обработки данных осуществляется в порядке, определенном чувствительностью моделей на их современном уровня развития к ошибкам в задании внешней информации и "инерционностью" полей рассматриваемых гидрометеорологических величин. Кроме того, учитываются возможности действующей системы подготовки прогнозов, приоритет метеорологического прогноза и технологические особенности реализации прогностического процесса на ЭВМ. При этом информационные потоки между моделями и блоками обработки данных организуются таким образом, что во время работы какого-либо из блоков системы для него оказывается доступной вся оперативная информация из других блоков, существенно влияющая на результат. Поэтому, выполняя расчеты скоординированно, можно добиться увеличения точности и надежности гидрометеорологических прогнозов.
Теоретически идеальным вариантом был бы расчет прогнозов и подготовка полей объективного анализа на основе полной совместной модели океана - волнения - атмосферы, сопряженной с системой усвоения данных о состоянии всей системы в целом. Время воплощения подобной системы в жизнь еще не пришло. Тем не менее, предлагаемый подход является одним из шагов к ее созданию.
Новизна результатов
Основные результаты диссертации получены впервые. К ним относятся:
а) концепция скоординированной обработки морской гидрометео
рологической информации и входящий в нее составным элементом способ
совместного интегрирования прогностических моделей атмосферы, волне
ния и верхнего слоя океана в рамках общего комплекса с учетом их
взаимного влияния;
б) технологический блок оперативного диагноза и прогноза
спектра волн в океане, основанный на дискретной спектральной модели
третьего поколения;
в) численные схемы повышенной точности и устойчивости для
дискретных спектральных моделей волнения, позволяющие использовать
шаги по времени порядка нескольких часов и получать решения для всей
области определения аргументов (частоты и угла распространения волн) с
учетом взаимного влияния всех компонент спектра;
г) обобщенная формулировка задачи моделирования верхнего
перемешанного слоя и бароклинного слоя океана с учетом нестационар-
ности и вытекающие из нее результаты анализа структуры пограничных
слоев.
Практическая ценность
Данные о крупномасштабном распределении морских метеорологических и океанографических элементов непосредственно используются при морском гидрометеорологическом обслуживании. Кроме того, они выступают в качестве фона и/или граничных условий для последующей детализации данных объективного анализа и прогнозов регионального характера, составляемых как в Гидрометцентре России, так и в территориальных прогностических органах. Отсюда следует, что совершенствование методов обработки оперативной информации в масштабах океанов или их крупных частей является основополагающей задачей, по существу определяющей качество морского метеорологического обслуживания, предоставляемого как Гидрометцентром России, так и другими прогностическими органами Росгидромета.
Практическая ценность отдельных результатов диссертации состоит в следующем.
Блоки физических параметризаций модели Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), программы которых были отлажены автором для спектральной модели атмосферы Гидрометцентра России СМ-15, вошли также в ее исследовательский глобальный вариант, на основе которого проводятся разработки по долгосрочному гидродинамическому прогнозу. Спектральная модель атмосферы СМ-15 составила
основу оперативной технологии среднесрочного метеорологического прогноза в Росгидромете.
Одномерная модель атмосферы используется для работ по развитию физических параметризаций в Гидрометцентре России и в других институтах Росгидромета, а также в ряде инженерных приложений как модель пограничного слоя.
Разработанные численные методы для моделей волнения могут применяться в любой дискретной спектральной модели, а методика расчета распространения волновой энергии может быть внедрена в любую параметрическую модель волнения.
Методы численного решения двухмерного уравнения переноса могут использоваться в широком спектре приложений и, в том числе, в моделях общей циркуляции атмосферы и океана.
Численная спектральная модель волнения третьего поколения составила основу метода диагноза и прогноза волн, работающего в реальном масштабе времени.
Методика расчета динамической скорости, учитывающая данные о скорости ветра, статической устойчивости приводного слоя относительно поверхности океана и средней частоте ветровых волн, может быть использована для расчета касательного напряжения ветра, потоков тепла и влаги в современных моделях циркуляции атмосферы и океана.
Общий подход к совместному интегрированию гидродинамических моделей атмосферы, циркуляции океана, ветрового волнения может составить методическую основу для дальнейшего развития прогностического комплекса Гидрометцентра России в целом.
Внедрение результатов
Технология среднесрочного метеорологического прогноза, основанная на спектральной модели атмосферы СМ-15, в соответствии с решением Центральной Методической Комиссии Росгидромета с 1986 г. используется в оперативной практике как основной метод.
Результаты исследований по теории бароклинного слоя океана, опубликованные в монографии "Вопросы теории термоклина", ис-
пользуются при чтении лекций по курсу "Динамика океана" на океанологическом факультете Российского государственного гидрометеорологического института (акт о внедрении от 15 февраля 1989 г.).
Технология диагноза и прогноза ветрового волнения полностью готова к оперативным испытаниям. Она прошла авторские испытания. Расчеты проводятся в автоматическом режиме, ежедневно, в реальном масштабе времени.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были представлены в докладах автора на заседаниях Ученого совета Гидрометцентра (1990, 1991 г.) и секции Ученого совета Гидрометцентра России по гидрологическим и морским прогнозам (1991 г.), на семинарах отдела морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра России (1989-1994 гг.), на объединенном заседании Семинара по моделированию и прогнозу крупномасштабных гидрометеорологических процессов и климата и по морским гидрологическим прогнозам Гидрометцентра России (1994 г.), на семинарах в Государственном океанографическом институте (1991 г.), Санкт-Петербургском отделении ГОИНа (1991 г.), Санкт-Петербургском отделе Института Океанологии РАН (1991 г.), Арктическом и антарктическом НИИ (С. -Петербург, 1994 г.), Вычислительном центре РАН (Москва, 1994 г.), на Всесоюзной научной конференции по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебаниях климата (Одесса, 1984 г.), на Международном симпозиуме по методам среднесрочных прогнозов погоды (Москва, 1987 г.), на в IV Всесоюзной конференции по статистической интерпретации гидродинамических прогнозов с целью прогноза элементов и явлений погоды (Одесса, 1991 г.), Всероссийском .ведомственном совещании по гидрометеорологическим исследованиям на шельфе (Обнинск, 1993 г.), на семинарах Всемирной Метеорологической организации (Куала-Лумпур, Малайзия, 1986 г., Сеул, Республика Корея, 1993 г., Каир, Арабская Республика Египет, 1994 г.), на семинаре по региональному моделированию атмосферы и океана (Эриче, Италия, 1994 г.).
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе монография "Вопросы теории термоклина".
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения. Общий объем работы составляет 409 стр., включая 13 таблиц, 87 рисунков и список литературы из 185 источников.
