21.12.2020

LiveOcean

Original: http://faculty.washington.edu/pmacc/LO/how_it_works.html

Доктор Паркер МакКріді

(Dr. Parker MacCready)

Як працює модель

Огляд

Модель LiveOcean багато в чому працює, як моделі прогнозу погоди, на які ми всі покладаємося щодня. Вона бере інформацію про стан океану, атмосфери та річок на певний день, а потім використовує закони фізики (і великий комп’ютер), щоб передбачити, як стан океану в нашому регіоні зміниться протягом наступних кількох днів. Модель передбачає течії, солоність, температуру, хімічні концентрації нітратів, кисню, вуглецю та біологічні поля, такі як фітопланктон, зоопланктон та органічні частинки. Вона робить це у трьох вимірах і допускає постійні зміни протягом повних 72-годинних прогнозів, які вона робить щодня.

Сітка

Grid and Rivers

Сітка моделі показана вище. Модельна горизонтальна роздільна здатність становить 500 м у Салішковому морі та поблизу узбережжя Вашингтона, зростаючи до 1500 м на південному кордоні Орегону та в морі. Він призначений для плавної імітації взаємодії прибережного океану, прибережних лиманів, таких як річка Колумбія, затока Віллапа та Грейс-Харбор, а також усього Салішного моря (Пьюджет-Саунд, протока Джорджія та протока Хуан-де-Фука). У ньому є 45 річок, що представляють найбільші джерела прісної води (червоні лінії на лівій ділянці вище). По вертикалі модельна сітка має 30 шарів, розподілених між поверхнею моря та морським дном, з більш близькими відстанями сітки біля поверхні та дна для кращого вирішення цих важливих регіонів.

Модельний каркас

Структура моделі, яку ми використовуємо, називається Регіональною системою моделювання океану (ROMS), яка є великим, гнучким комп’ютерним кодом, який використовується прибережними та лиманними океанологами у всьому світі для моделювання різних регіонів. Відомо, що він має відмінні числові властивості, такі як низька числова дифузія, безліч варіантів параметризації турбулентності та умови відкритих меж, вбудовані біогеохімічні моделі та велика активна спільнота користувачів. Ми використовували ROMS для реалістичного моделювання в регіоні для дослідницьких проектів протягом останнього десятиліття і виявили, що це надійний інструмент.

Батиметрія

Для форматування моделі для нашого регіону нам спочатку потрібно визначити регіон та розмір сітки. Сітка повинна мати достатньо тонку роздільну здатність для вирішення важливих фізичних процесів, таких як вихори на мисі та внутрішні хвилі, але вона також повинна працювати досить швидко, щоб забезпечити широке тестування. Поточна конфігурація оптимізована на основі нашого досвіду з попередніми проектами. Батиметрія, або глибина дна, походить з різних джерел, включаючи компіляцію даних Puget Sound, зроблених в Університеті штату Вашингтон.

Форсування моделі

LiveOcean system sketch

Екологічна інформація, яку ми використовуємо для форсування моделі, походить із зовнішніх меж. На поверхні моря ми змушуємо модель вітром, нагріванням сонячним світлом та іншими обмінами тепла з атмосферою, такими як випаровування. Атмосферні поля походять від регіональної моделі прогнозу погоди, керованої групою доктора Кліфа Масса з Університету штату Вашингтон. Моделі погоди, як правило, роблять досить хороші прогнози (принаймні на кілька днів), оскільки вони ініціюються щодня, використовуючи спостереження з реального світу. Те саме стосується форсування океанічного стану, яке ми використовуємо на відкритих кордонах в Тихому океані, що походить від глобальної моделі океану, керованої ВМС, під назвою HYCOM. HYCOM асимілює спостереження із супутників, дрейфуючих поплавків ARGO та інших джерел, які гарантують, що течії та стратифікація, які ми вводимо на наших відкритих кордонах, дуже близькі до того, що відбувається насправді. Що стосується властивостей води, HYCOM надає нам лише температуру та солоність, але нам потрібна інформація про розчинений кисень, нітрат, лужність та загальний неорганічний вуглець. Ми отримуємо їх, використовуючи регресії проти солоності, використовуючи дані, зібрані NOAA. Примусовий рух до річок походить від манометрів, що підтримуються USGS та Environment Canada. Ці потоки потрібно скорегувати для непрофільованого вододілу, і ми отримуємо ці коефіцієнти коригування від Департаменту екології штату Вашингтон. Також нам потрібно знати температуру річки. Лише декілька з наших 45 річок мають реєстратори температури, тому ми оцінюємо температуру на основі температурних кліматологій, які ми розробили для сусідніх річок. Останній тип форсування необхідний для припливів. Ми використовуємо загальну оцінку 8 припливних частот, створених дослідниками з Університету штату Орегон, щоб генерувати припливні зміни на наших відкритих кордонах океану, і це, в свою чергу, породжує припливи і відпливи аж до Салішного моря. Отримання припливів і відпливів прямо в Сіетлі – це одне з перших випробувань модельної майстерності, яке ми розглядаємо, оскільки припливи та відпливи сприяють змішуванню в Салісному морі, важливому інгредієнті, що регулює якість води та функції екосистеми.

Запуск моделі

Ці чотири типи форсування генеруються автоматично на комп’ютері в Університеті штату Вашингтон щоранку, починаючи з 1 ранку, тоді о 4 ранку, якщо все на місці, суперкомп’ютер Університету штату Вашингтон (кластер зі 196 комп’ютерів, що працюють разом за одним і тим же розрахунком) запускає прогноз на 72 години на той день. Вихідні дані зберігаються у щогодинних знімках та архівуються на іншому комп’ютері, де виконується автоматизована пост-обробка. Результати прогнозу на певний день з’являються у вигляді деяких фільмів та цифр на веб-сайті LiveOcean. На веб-сайті NANOOS NVS можна переглянути всю групу полів виводу на різних рівнях глибини. Примітно, що на NVS модель інтегрована з багатьма приладами, які здійснюють спостереження в реальному часі в наших водах. Натиснувши на одному з буїв на карті, інструмент NVS “Порівняльник” дозволяє здійснити пряме порівняння змодельованих та спостережуваних властивостей, особливо для поверхневих вод, протягом останніх кількох днів. Це один із способів перевірити, наскільки добре працює модель, але найважливіший спосіб, описаний на цій сторінці, полягає у порівнянні з довгостроковими записами, наприклад, цілий рік CTD/відливання пляшок від екології, або цілий рік Дані манометра USGS.

Що ми робимо з модельними прогнозами

Поля моделі також надсилаються засобу перегляду даних NOAA IOOS EDS. Частини полів моделі використовуються як умови відкритої межі дослідниками в Канаді та Орегоні, які використовують власні моделі прогнозування, що мають менші домени.

Дійсно важливою частиною моделі LiveOcean є те, що вона імітує хімічні та біологічні поля, такі як фітопланктон, розчинений кисень, та властивості підкислення океану, такі як рН та “стан насиченості арагоніту” (що говорить про те, наскільки важко утворюється оболонкам личинок). Фінансування моделі надходить із двох основних джерел. Штат Вашингтон через Вашингтонський центр підкислення океану доручив нам створити короткострокові прогнози закислення океану, які будуть корисними для нашої аквакультурної галузі. Чи знали ви, що приблизно кожна восьма устриць, споживаних у США, походить саме з нашої власної затоки Віллапа? Подібна кількість надходить з Тоттен-Інлет на півдні Пьюджет-Саунда, тому дуже важливо, щоб ми мали хороші інструменти, щоб зрозуміти, як впливає на довкілля, що впливає на ці місця, зміна річок, додавання поживних речовин людини, таких як очищені стічні води та стічні води, морські теплові хвилі (наприклад, “Крапка” 2014-2016 рр.) та кліматичні зміни. Іншим джерелом фінансування LiveOcean є NOAA через програму під назвою MERHAB, яка призначена допомогти нашому Міністерству охорони здоров’я передбачити шкідливий цвітіння водоростей, яке може зупинити врожай молюсків бритви на узбережжі, за великих витрат для нашого прибережного громади. Ми поєднуємо спостереження за видами HAB у воді та на пляжі, зроблені коаліцією племінних, штатних та федеральних вчених, з короткостроковими модельними прогнозами того, куди підуть поверхневі води протягом наступних трьох днів. Вся ця інформація об’єднана у бюлетені HAB, який надається менеджерам ресурсів, щоб вони мали якнайкращу науку, доступну для них, у форматі, який вони можуть використовувати.

Хочете дізнатися більше?

Щоб дізнатися більше про те, як поля моделі порівнюються зі спостереженнями, перейдіть на цю сторінку. Щоб дізнатися більше про деталі побудови моделі, найкраще ознайомитися з нашими опублікованими роботами.


Останнє редагування 12/11/2020 00:34:15

About The Author

admin

Comments are closed.