Восстановление температуры и солености в верхнем слое Черного моря по данным псевдоизмерений на нижележащих горизонтах

П. Н. Лишаев✉, В. В. Кныш, Г. К. Коротаев

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: pavellish@mail.ru

Аннотация

Введение. Ранее были построены трехмерные поля псевдоизмерений температуры и солености на горизонтах слоя 63–500 м с незаполненными зонами в районах справа от Основного Черноморского течения и в антициклонических вихрях до глубины 125 м по оригинальной методике комбинированного анализа альтиметрических данных и малочисленных измерений буями Argo.

Материалы и методы. Предложен алгоритм восстановления незаполненных районов значениями солености и температуры морской воды на всех горизонтах слоя 2,5–125 м (на примере измерений альтиметрии и буями Argo за 2012 г.). Среднесуточная соленость (температура) в слое 2,5–125 м восстановлена коррекцией рассчитанной в модели прогностической солености (температуры) взвешенными данными ее отклонений от псевдоизмерений с нижележащего базового горизонта. В качестве основного базового принимался горизонт 150 м, на котором имеются псевдоизмерения на всей площади моря. Весовые множители определяются функциями ковариаций солености (температуры) базового горизонта с модельной соленостью (температурой) на вышележащих горизонтах. Применена итерационная процедура восстановления псевдоизмерений солености и температуры.

Анализ результатов. Сопоставление профилей среднеквадратических отклонений восстановленных полей солености от измеренных и естественной изменчивости показало, что в галоклине на горизонте 88 м естественная изменчивость в 1,9 раза выше отклонений солености. Естественная изменчивость измеренной температуры на горизонте 88 м выше отклонений восстановленных полей температуры в 1,5 раза. Восстановленные поля псевдоизмерений солености (температуры) ассимилировались в модели Морского гидрофизического института методом адаптивной статистики для проведения реанализа полей Черного моря за 2012 г. Выполнена валидация восстановленных в реанализе полей температуры и солености. Хорошо воспроизведен холодный промежуточный слой в море, его холодозапас оказался несколько заниженным. Необходима ассимиляция спутниковых измерений температуры поверхности моря в модели циркуляции. Восстановленный в реанализе уровень моря в глубоководной области качественно и количественно оказался достаточно близким к альтиметрическому уровню.

Обсуждение и заключение. Трехмерные поля температуры и солености морской воды в главном пикноклине восстанавливаются с достаточно высокой точностью в глубоководной области Черного моря. Температура морской воды не может быть восстановлена с приемлемой точностью в приповерхностном слое моря 0–40 м. Предложенные в предыдущих работах и в настоящем исследовании подходы могут оказаться эффективными и для других морских акваторий, таких как окраинные моря океанического типа и океанические круговороты, где наблюдаются относительно однородные водные массы.

Ключевые слова

псевдоизмерения температуры и солености, альтиметрия, буи Argo, базовый горизонт, функции ковариаций, реанализ, адаптивная статистика

Благодарности

Результаты исследования, проведенные в рубрике «Процедура восстановления трехмерных полей псевдоизмерений солености и температуры в слое моря 2,5–125 м», получены в рамках государственного задания по теме № 0827-2014-0011 «Исследования закономерностей изменений состояния морской среды на основе оперативных наблюдений и данных системы диагноза, прогноза и реанализа состояния морских акваторий». Остальные результаты исследований, представленные в работе, получены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 17-77-30001) и РФФИ, грант № 16-05-00264 А.

Для цитирования

Лишаев П. Н., Кныш В. В., Коротаев Г. К. Восстановление температуры и солености в верхнем слое Черного моря по данным псевдоизмерений на нижележащих горизонтах // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 2. С. 114–133. EDN BDADVK. doi:10.22449/0233-7584-2019-2-114-133

Lishaev, P.N., Knysh, V.V. and Korotaev, G.K., 2019. Reconstruction of Temperature and Salinity in the Upper Layer of the Black Sea Using Pseudo-Measurements on the Underlying Horizons. Physical Oceanography, 26(2), pp. 104-122. doi:10.22449/1573-160X-2019-2-104-122

DOI

10.22449/0233-7584-2019-2-114-133

Список литературы

  1. The GODAE/Mercator-Ocean global ocean forecasting system: results, applications and prospects / M. Drévillon [et al.] // Journal of Operational Oceanography. 2008. Vol. 1, iss. 1. P. 51–57. doi:10.1080/1755876X.2008.11020095
  2. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Анализ изменчивости гидрофизических полей Черного моря в период 1993–2012 годов на основе результатов выполненного реанализа // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 1. С. 33–48.
  3. Dorofeev V. L., Sukhikh L. I. Modelling of Long-Term Evolution of Hydrophysical Fields of the Black Sea // Oceanology. 2017. Vol. 57, iss. 6. P. 784–796. doi:10.1134/S0001437017060017
  4. The Black Sea physical reanalysis system for the Copernicus Marine Service: description and skill assessment / B. Lemieux-Dudon [et al.] // Geophysical Research Abstracts. 2018. Vol. 20. P. 19742. URL: https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2018/EGU2018-19742.pdf (дата обращения: 20.11.2018).
  5. The Argo Program: Observing the Global Ocean with Profiling Floats / Roemmich Dean [et al.] // Oceanography. 2009. Vol. 22, no. 2. P. 34–43. https://doi.org/10.5670/oceanog.2009.36
  6. Коротаев Г. К., Лишаев П. Н., Кныш В. В. Методика анализа данных измерений температуры и солености Черного моря с использованием динамического альтиметрического уровня // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 2. С. 26–42.
  7. Korotaev G. K., Lishaev P. N., Knysh V. V. Reconstruction of the three-dimensional salinity and temperature fields of the Black Sea on the basis of satellite altimetry measurements // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52, iss. 9. P. 961–973. doi:10.1134/S0001433816090152
  8. Кныш В. В., Лишаев П. Н. Уточнение методики восстановления трехмерных полей солености и температуры Черного моря по редким измерениям и альтиметрии // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 6. С. 5–17. doi:10.22449/0233-7584-2016-6-5-17
  9. Лишаев П. Н., Кныш В. В., Коротаев Г.К. Воспроизведение изменчивости уровня и характеристик пикноклина Черного моря на основе метода адаптивной статистики // Морской гидрофизический журнал. 2018. № 4. С. 271–282. doi:10.22449/0233-7584-2018-4-271–282
  10. Восстановление синоптической изменчивости гидрофизических полей Черного моря на основе реанализа за 1980–1993 годы / П. Н. Лишаев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 5. С. 49–68.
  11. Агошков В. И., Пармузин Е. И., Шутяев В. П. Ассимиляция данных наблюдений в задаче циркуляции Черного моря и анализ чувствительности ее решения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 6. С. 643–654. doi:10.7868/S0002351513060023
  12. Numerical model of the circulation of the Black Sea and the Sea of Azov / V. B. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2012. Vol. 27, iss. 1. P. 95–111. doi:10.1515/rnam-2012-0006
  13. Применение метода адаптивной статистики для реанализа полей Черного моря c ассимиляцией псевдоизмерений температуры и солености в модели / Г. К. Коротаев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 1. С. 40–56. doi:10.22449/0233-7584-2018-1-40-56
  14. Гандин Л. С., Каган Р. Л. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. Л. : Гидрометеоиздат, 1976. 360 c.
  15. Оценка точности, методика и некоторые результаты усвоения альтиметрических данных TOPEX/POSEIDON в модели общей циркуляции Черного моря / Г. К. Коротаев [и др.] // Исследование Земли из космоса. 1998. № 3. С. 3–17.
  16. Korotaev G. K., Saenko O. A., Koblinsky C. J. Satellite altimetry observation of the Black Sea level // Journal of Geophysical Research Atmospheres. 2001. Vol. 106, no. C1. P. 917–934. doi:10.1029/2000JC900120
  17. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 212 с.
  18. Задачи вариационной ассимиляции данных наблюдений для моделей общей циркуляции океана и методы их решения / В. И. Агошков [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46, № 6. С. 734–770.
  19. Агошков В. И., Пармузин Е. И., Шутяев В. П. Ассимиляция данных наблюдений в задаче циркуляции Черного моря и анализ чувствительности ее решения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 6. С. 643–654. doi:10.7868/S0002351513060023
  20. Залесный В. Б., Ивченко В. О. Моделирование крупномасштабной циркуляции морей и океанов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51, № 3. С. 295–308. doi:10.7868/S0002351515030141
  21. Evensen G. The Ensemble Kalman Filter: theoretical formulation and practical implementation // Ocean Dynamics. 2003. Vol. 53, iss. 4. P. 343–367. doi:10.1007/s10236-003-0036-9
  22. Беляев К. П., Танажура К. А. С., Тучкова Н. П. Сравнение методов усвоения данных буев “АРГО” в гидродинамической модели океана // Океанология. 2012. Т. 52, № 5. С. 643–653.
  23. Кауркин М. Н., Ибраев Р. А., Беляев К. П. Усвоение данных ARGO в модели динамики океана с высоким разрешением по методу ансамблевой оптимальной интерполяции (EnOI) // Океанология. 2016. Т. 56, № 6. С. 852–860. doi:10.7868/s0030157416060058
  24. Залесный В. Б., Гусев А. В., Мошонкин С. Н. Численная модель гидродинамики Черного и Азовского морей с вариационной инициализацией температуры и солености // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 6. С. 699–716. doi:10.7868/S000235151306014X
  25. Pacanowsci R. C., Philander S. G. Parameterization of Vertical Mixing in Numerical Models of Tropical Oceans // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 11. P. 1443–1451. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)0111443:POVMIN2.0.CO;2
  26. Sarmiento J. L., Bryan K. An ocean transport model for the North Atlantic // Journal of Geophysical Research. 1982. Vol. 87, iss. C1. P. 394–408. https://doi.org/10.1029/JC087iC01p00394
  27. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system / D. P. Dee [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 656. P. 553–597. doi:10.1002/qj.828
  28. Сухих Л. И., Дорофеев В. Л. Влияние параметризации вертикального турбулентного обмена на результаты реанализа гидрофизических полей Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 4. С. 283–301. doi:10.22449/0233-7584-2018-4-283-301
  29. Дорофеев В. Л., Сухих Л. И. Анализ изменчивости гидрофизических полей Черного моря в период 1993–2012 годов на основе результатов выполненного реанализа // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 1. С. 33–48. doi:10.22449/0233-7584-2016-1-33-48
  30. Гидрометеорологические условия морей Украины. Т. 2. Черное море / Ю. П. Ильин [и др.]. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2012. 421 с.
  31. Dorofeev V. L., Sukhikh L. I. Study of long-term variability of Black Sea dynamics on the basis of circulation model assimilation of remote measurements // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. Vol. 53, iss. 2. P. 224–232. doi:10.1134/S0001433817020025
  32. Mellor G. L., Ezer T. A Gulf Stream model and an altimetry assimilation scheme // Journal of Geophysical Research. 1991. Vol. 96, iss. C5. P. 8779–8795. https://doi.org/10.1029/91JC00383
  33. Knysh V. V., Saenko O. A., Sarkisyan A. S. Method of assimilation of altimeter data and its test in the tropical North Atlantic // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 1996. Vol. 11, no. 5. P. 393–409. https://doi.org/10.1515/rnam.1996.11.5.393

Скачать статью в PDF-формате