Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 6. С. 63-75
Реанализ гидрофизических полей на основе ассимиляции данных ЦКП «ИКИ Мониторинг» в модели гидротермодинамики Чёрного, Азовского и Мраморного морей
Н.Б. Захарова
1 , Е.И. Пармузин
1, 2 , Н.Р. Лёзина
1 , В.И. Агошков
1, 2 , Т.О. Шелопут
1, 3 , С.А. Лебедев
4, 1 , В.П. Шутяев
1, 3 , Б.С. Шевченко
2 1 Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН, Москва, Россия
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия
3 Московский физико-технический институт (НИУ), Долгопрудный, Московская обл., Россия
4 Геофизический центр РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 21.11.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-6-63-75
Настоящая работа посвящена реанализу гидрофизических полей на основе ассимиляции данных наблюдений дистанционного зондирования в численной модели гидротермодинамики Чёрного, Азовского и Мраморного морей с целью интеграции результатов расчётов в систему мониторинга состояния морских акваторий. Проведён анализ данных наблюдений о температуре поверхности моря, полученных из Центра коллективного пользования «ИКИ Мониторинг» со спутников Aqua, Terra, Sentinel и SNPP (англ. Suomi National Polar-orbiting Partnership). Для обработки получаемых данных наблюдений, выявления и исключения ошибочных значений применяются статистический метод нахождения аномальных значений и правило трёх сигм. Реализован алгоритм вариационной ассимиляции спутниковых данных. В работе используется математическая модель морской циркуляции INMOM (англ. Institute of Numerical Mathematics Ocean Model), основанная на полных уравнениях морской гидротермодинамики. В результате моделирования с применением процедуры вариационной ассимиляции данных наблюдений построены поля основных гидрофизических параметров (температура, солёность, поле скоростей, уровень моря) для исследуемых акваторий. Рассчитанные поля интегрированы в спутниковый сервис See the Sea для решения междисциплинарных задач исследования морских акваторий. Трёхмерные поля реанализа, переданные в сервис, добавляют пользователям возможность исследования процессов, происходящих на глубине.
Ключевые слова: температура поверхности моря, вариационная ассимиляция, обработка данных, данные наблюдений со спутников, дистанционное зондирование, центр коллективного пользования, реанализ
Полный текстСписок литературы:
- Агошков В. И., Асеев Н. А., Гиниатулин С. В., Залесный В. Б., Захарова Н. Б., Пармузин Е. И. Информационно-вычислительная система «ИВМ РАН – Черное море». М.: ИВМ РАН, 2016. 137 с.
- Акимов Е. А., Станичный С. В., Полонский А. Б. Использование данных сканера SEVIRI для оценки температуры поверхностного слоя Черного моря // Морской гидрофиз. журн. 2014. № 6. С. 37–46.
- Гинзбург А. И., Федоров К. Н. Термическое состояние пограничного слоя охлаждающейся воды при переходе от свободной конвекции к вынужденной // Изв. Акад. наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14. С. 778–785.
- Гинзбург А. И., Зацепин А. Г., Федоров К. Н. Тонкая структура термического пограничного слоя в воде у поверхности раздела вода – воздух // Изв. Акад. наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. № 12. С. 1268–1277.
- Гинзбург А. И., Костяной А. Г., Серых И. В., Лебедев С. А. Климатические изменения гидрометеорологических параметров Черного и Азовского морей (1980–2020 гг.) // Океанология. 2021. Т. 61. № 6. C. 900–912. DOI: 10.1134/S0001437021060060.
- Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. 9-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2003. 479 с.
- Думанская И. О., Зеленько А. А., Мысленков С. А., Нестеров Е. С., Попов С. К., Реснянский Ю. Д., Струков Б. С. Морские гидрологические прогнозы и оперативная океанология в Гидрометцентре России // Гидрометеорологические исслед. и прогнозы. 2019. T. 374. № 4. С. 149–183.
- Зеленько А. А., Вильфанд Р. М., Реснянский Ю. Д., Струков Б. С., Цырульников М. Д., Свиренко П. И. Система усвоения океанографических данных и ретроспективный анализ гидрофизических полей Мирового океана // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 4. C. 501–513. DOI: 10.7868/S0002351516040143.
- Кныш В. В., Демышев С. Г., Кубряков А. И., Моисеенко В. А., Мизюк А. И., Инюшина Н. В., Мартынов М. В., Коротаев Г. К. Сопоставление результатов реанализа гидрофизических полей Черного моря, выполненного по моделям в σ- и z-координатах // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2011. Вып. 24. C. 19–37.
- Лаворко В. С. О турбулентном обмене и потоках тепла в воде вблизи поверхности моря // Изв. Акад. наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1970. Т. 6. № 9. С. 970–972.
- Лебедев Н. Е., Савоськин В. М., Станичный С. В. Определение поверхностной температуры и перепада температуры в скин-слое с борта движущегося судна по данным ИК-измерений // Морской гидрофиз. журн. 1994. № 2. С. 83–88.
- Лупян Е. А., Матвеев А. А., Уваров И. А., Бочарова Т. Ю., Лаврова О. Ю., Митягина М. И. Спутниковый сервис See the Sea — инструмент для изучения процессов и явлений на поверхности океана // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 2. С. 251–261.
- Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А., Балашов И. В., Барталев С. А., Ефремов В. Ю., Кашницкий А. В., Мазуров А. А., Матвеев А. М., Суднева О. А., Сычугов И. Г., Толпин В. А., Уваров И. А. Центр коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 263–284.
- Мизюк А. И. Реанализ гидрофизических полей Черного моря на основе ассимиляции данных измерений температуры и солености в z-координатной модели // Морской гидрофиз. журн. 2014. № 3. C. 30–47.
- Рубакина В. А., Кубряков А. А., Станичный С. В. Сезонная и суточная изменчивость характеристик термического скин-слоя на основе сопоставления спутниковых измерений SEVIRI и данных термопрофилирующих буев // Исслед. Земли из космоса. 2021. № 3. С. 30–44. DOI: 10.31857/S020596142102007X.
- Федоров К. Н. О физической структуре приповерхностного слоя океана // Метеорология и гидрология. 1981. № 10. С. 58–66.
- Хунджуа Г. Г., Андреев Е. Г. Экспериментальные исследования теплообмена между морем и атмосферой при мелкомасштабном взаимодействии // Изв. Акад. наук. СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10. № 10. С. 1110–1112.
- Хунджуа Г. Г., Гусев A. M., Андреев Е. Г., Скорохватов H. A., Гуров В. В. О структуре поверхностной холодной пленки океана и о теплообмене океана с атмосферой // Изв. Акад. наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. № 7. С. 753–758.
- Яковлев Н. Г., Володин Е. М., Грицун А. С. Воспроизведение уровня Мирового океана и его естественной изменчивости в климатической модели ИВМ РАН // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 4. C. 376–385. DOI: 10.7868/S000235151604012X.
- Agoshkov V. I., Parmuzin E. I., Zakharova N. B., Shutyaev V. P. Variational assimilation with covariance matrices of observation data errors for the model of the Baltic Sea dynamics // Russian J. Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2018. V. 33. No. 3. P. 149–160. DOI: 10.1515/rnam-2018-0013.
- Agoshkov V. I., Shutyaev V. P., Parmuzin E. I., Zakharova N. B., Sheloput T. O., Lezina N. R. Variational Data Assimilation in the Mathematical Model of the Black Sea Dynamics // Physical Oceanography. 2019. V. 26. No. 6. P. 515–527. DOI: 10.22449/1573-160X-2019-6-515-527.
- Belokopytov V. N. Interannual variations of the renewal of waters of the cold intermediate layer in the Black Sea for the last decades // Physical Oceanography. 2011. V. 20. No. 5. P. 347–355. DOI: 10.1007/s11110-011-9090-x.
- Donlon C., Robinson I., Casey K. S., Vazquez-Cuervo J., Armstrong E., Arino O., Gentemann C., May D., LeBorgne P., Piollé J., Barton I., Beggs H., Poulter D. J. S., Merchan C. J., Bingham A., Heinz S., Harris A., Wick G., Emery B., Minnett P., Evans R., Llewellyn-Jones D., Mutlow C., Reynolds R. W., Kawamura H., Rayner N. The global ocean data assimilation experiment high-resolution sea surface temperature pilot project // Bull. American Meteorological Society. 2007. V. 88. No. 8. P. 1197–1214. DOI: 10.1175/BAMS-88-8-1197.
- Liang X. M., Ignatov A. AVHRR, MODIS, and VIIRS radiometric stability and consistency in SST bands // J. Geophysical Research: Oceans. 2013. V. 118. No. 6. P. 3161–3171. DOI: 10.1002/jgrc.20205.
- McAlister E. D., McLeish W. Heat transfer in the top millimeter of the ocean // J. Geophysical Research. 1969. V. 74. No. 13. P. 3408–3414. DOI: 10.1029/JC074i013p03408.
- Petrenko B., Pryamitsyn V., Ignatov A., Jonasson O., Kihai Y. AVHRR GAC Sea Surface Temperature Reanalysis Version 2 // Remote Sensing. 2022. V. 14. Art. No. 3165. DOI: 10.3390/rs14133165.
- Pisano A., Nardelli B. Buongiorno, Tronconi C., Santoleri R. The new Mediterranean optimally interpolated pathfinder AVHRR SST Dataset (1982–2012) // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 176. P. 107–116. DOI: 10.1016/j.rse.2016.01.019.
- Rosner B. On the detection of many outliers // Technometrics. 1975. V. 17. No. 2. P. 221–227. DOI: 10.1080/00401706.1975.10489305.
- Sarkisyan A. S., Ibrayev R. A., Iakovlev N. G. High resolution and four-dimensional analysis as a prospect for ocean // Russian J. Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2010. V. 25. No. 5. P. 477–496. DOI: 10.1515/RJNAMM.2010.030.
- Saunders P. M. Aerial measurement of sea surface temperature in the infrared // J. Geophysical Research. 1967. V. 72. No. 16. P. 4109–4117. DOI: 10.1029/JZ072i016p04109.
- Voevodin V. l., Antonov A., Nikitenko D., Shvets P., Sobolev S., Sidorov I., Stefanov K., Voevodin Vad., Zhumatiy S. Supercomputer Lomonosov-2: Large Scale, Deep Monitoring and Fine Analytics for the User Community // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2019. V. 6. No. 2. P. 4–11. DOI: 10.14529/jsfi190201.
- Wu J. On the cool skin of the ocean // Boundary-Layer Meteorology. 1985. V. 31. No. 2. P. 203–207. DOI: 10.1007/BF00121179.
- Zalesny V. В., Diansky N. А., Fomin V. V., Moshonkin S. N., Demyshev S. G. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov // Russian J. Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. V. 27. No. 1. P. 95–111. DOI: 10.1515/rnam-2012-0006.