Новые методы и суперкомпьютерные технологии анализа и прогноза Мирового океана и Арктического бассейна

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-77-30001

НазваниеНовые методы и суперкомпьютерные технологии анализа и прогноза Мирового океана и Арктического бассейна

Руководитель Коротаев Геннадий Константинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" , г Севастополь

Конкурс №25 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-502 - Крупномасштабные и синоптические процессы в океане

Ключевые слова морские анализы и прогнозы, суперкомпьютерные технологии, численные вихреразрешающие модели циркуляции вод, методы ассимиляции наблюдений, океанологические оперативные наблюдения, Мировой океан, Арктический бассейн, Азово – Черноморский бассейн, валидация анализов и прогнозов, оптимизация наблюдательной сети

Код ГРНТИ37.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Бурный технологический прогресс, наблюдающийся в мире течение последних двадцати лет, произвел революционные изменения в организации наблюдений океана. Высокоточные дистанционные измерения с ИСЗ позволяют контролировать с высокой подробностью во времени и по пространству температуру, цвет моря и топографию морской поверхности, а также характеристики приводного ветра, поверхностного волнения и ледовых полей. В последнее время были разработаны и внедрены в практику океанографических исследований новые методы наблюдений со свободно - дрейфующих платформ (буи - профилемеры и поверхностные дрейфующие буи) и попутных судов. Современные буи-профилемеры позволяют контролировать термохалинную стратификацию Мирового океана до глубин в несколько километров и совместно с альтиметрическими измерениями позволяют описывать мгновенное состояние океана, включая синоптических процессы. Океанографические наблюдения становится доступными потребителям в течение нескольких часов или в крайнем случае суток. Успешное функционирование глобальной океанической наблюдательной системы позволило ставить задачу создания СНАПО для прогнозирование состояния Мирового океана, окраинных и внутренних морей с детальным воспроизведением синоптической изменчивости полей, т.е. погоды морских бассейнов. Ассимиляция оперативных наблюдений в моделях циркуляции океана позволяет воспроизводить поля температуры, солености и скорости течений на регулярной сетке с заданной периодичностью во времени и давать прогноз их изменений на срок до десяти дней. Примером успешно работающей СНАПО является Морская служба программы Коперникус Европейской Комиссии (Copernicus Marine Environmental Monitoring Service, CMEMS). Учитывая необходимости проведения междисциплинарных исследований, создание CMEMS осуществлялось кооперацией представителей академической науки и гидрометеорологических организаций. Задачей службы является удовлетворение потребностей широкого круга пользователей в знании текущего состояния морской среды для решения большого спектра прикладных и научных задач. Она дает прогноз состояния Мирового океана, а также детализированные прогнозы Арктического бассейна, окраинных и внутренних морей Европы. В число продуктов входит спутниковые и контактные наблюдения, параметры поверхностного волнения, анализы и прогнозы трехмерных полей температуры, солености, скорости течений и характеристик экосистемы в любой точке Мирового океана. Востребованность продуктов CMEMS (более 5000 регулярных пользователей!) свидетельствует об актуальности проблемы создания и развития СНАПО. Продукты Морской службы программы Коперникус имеют высокую точность и считаются лучшими в мире. Вместе с тем качество прогнозов полей Арктического бассейна ввиду его физико-географической специфики требует совершенствования. Будучи ориентирована на производство качественных продуктов в морях Европы, Морская служба программы Коперникус не дает аналогичных точностей в окраинных морях России. Таким образом, для развития морского сектора экономики страны актуальной является задача создания современной СНАПО, ориентированной на прогнозирование морской погоды в Арктическом бассейне, окраинных и внутренних морях России. Именно эта задача будет решаться в рамках предлагаемого проекта. Конкретно, будет решена задача создания СНАПО - Мировой Океан, ориентированной на высокоточный прогноз гидрологических полей Арктического бассейна, окраинных и внутренних морей России и других, критически важных для страны, акваторий. В основу создания системы будут положены новые суперкомпьютерных технологий решения задач численного моделирования циркуляции вод с разрешением синоптических масштабов. Будет развиваться архитектура СНАПО, позволяющая управлять большими объемами данных, обеспечивать их хранение, обработку и визуализацию. Специальный блок СНАПО будет проводить валидацию анализов и прогнозов посредством сопоставления с натурными данными. В течение четырех лет будет создано три модуля СНАПО: для всего Мирового океана, Арктического и Азово – Черноморского бассейнов. Модуль СНАПО для Мирового океана в дополнение к своим прямым функциям будет обеспечивать необходимые граничные условия для Арктического модуля, а впоследствии и для морей Дальневосточного региона. Оперативное функционирование СНАПО позволит с наилучшей возможной точностью воспроизводить реальную морскую циркуляцию и стратификацию вод с высоким пространственно-временным разрешением, основываясь на ассимиляции доступных оперативных наблюдений в вихреразрешающих моделях циркуляции океана В процессе реализации проекта будут выполняться фундаментальные исследования, направленные на повышение точности анализов и прогнозов. По результатам валидации будут совершенствоваться используемые в моделях параметризации. Будет выполнен цикл исследований по совершенствованию методов усвоения данных наблюдений в численных моделях циркуляции Мирового океана и Арктического бассейна, направленных, в частности, на повышение их вычислительной эффективности. В рамках проекта будет также рассматриваться проблема планирования оптимизированных наблюдательных подсистем, дополняющих глобальную океаническую наблюдательную систему и позволяющих существенно повысить качество анализа и прогноза гидрологических полей в Арктическом и Азово – Черноморского бассейнах, морях Дальневосточного региона и других, критически важных для России, районах Мирового океана. Еще одним направлением работ по проекту будет разработка системы тренинга студентов, молодых специалистов и пользователей продуктов СНАПО.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шутяев В.П. Adjoint equations in variational data assimilation problems Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 33(2):137–147 (год публикации - 2018)
10.1515/rnam-2018-0012

2. Калмыков В.В., Ибраев Р.А.,Кауркин М.Н.,Ушаков К.В. Compact Modeling Framework v3.0 for high-resolution global ocean–ice–atmosphere models Geoscientific Model Development, 11, 3983–3997 (год публикации - 2018)
10.5194/gmd-11-3983-2018

3. Дорофеев В.Л., Сухих Л.И. A model for monitoring the evolution of the Black Sea ecosystem on the basis of remote sensing data assimilation International Journal of Remote Sensing (год публикации - 2018)
10.1080/01431161.2018.1523589

4. Шутяев В.П., Ле Диме Ф., Пармузин Е.И. Sensitivity analysis with respect to observations in variational data assimilation for parameter estimation Nonlinear Processes in Geophysics, Volume 25, Issue 2, Pages 429-439 (год публикации - 2018)
10.5194/npg-25-429-2018

5. Мошонкин С.Н., Залесный В.Б., Гусев А.В. Simulation of the Arctic—North Atlantic Ocean Circulation with a Two-Equation K-Omega Turbulence Parameterization Journal of Marine Science and Engineering, 6, 95 (год публикации - 2018)
10.3390/jmse6030095

6. Сухих Л.И., Дорофеев В.Л. Influence of the Vertical Turbulent Exchange Parameterization on the Results of Reanalysis of the Black Sea Hydrophysical Fields Physical Oceanography, VOL. 25 ISS. 4 (2018) (год публикации - 2018)
10.22449/1573-160X-2018-4-262-279

7. Ивченко В.О., Залесный В.Б., Синха Б. Is the Coefficient of Eddy Potential Vorticity Diffusion Positive? Part I:Barotropic Zonal Channel JOURNAL OF PHYSICAL OCEANOGRAPHY, Vol. 48, No. 7 (год публикации - 2018)
10.1175/JPO-D-17-0229.1

8. Коротаев Г.К. Wind Pulse Effect on Coastal Current Izvestiya, Atmospheric And Oceanic Physics, Vol. 54, No. 6, pp. 616–620 (год публикации - 2018)
10.1134/S0001433818060099

9. Дорофеев В.Л., Сухих Л.И. Study of the Black Sea dynamics on the basis of reanalysis results Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012142 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012142

10. Коротаев Г.К. Nonlinear response of a coastal jet to an intense storm Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012004 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012004

11. Кауркин М.Н., Ибраев Р.А. Multivariate EnOI-based data assimilation in the high resolution ocean model Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012144 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012144

12. Мизюк А.И., Пузина О.С., Сендеров М.В. Accuracy of the reconstructed temperature in the Black Sea upper layer from nowcasting/forecasting systems Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012146 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012146

13. Сендеров М.В., Мизюк А.И., Коротаев Г.К. The Bosphorus exchange flow impact on the river runoff Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012149 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012149

14. Холод А.Л., Ратнер Ю.Б., Иванчик М.В., Мартынов М.В. Estimation of the numerical modeling accuracy of the Black Sea thermohaline fields based on using ARGO profiling floats Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012150 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012150

15. Ратнер Ю.Б., Холод А.Л. Estimation of the Black Sea upper layer thickness and its relationship with atmospheric forcing according to model calculations and in situ measurements Journal of Physics: Conference Series, 1128 (2018) 012147 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1128/1/012147

16. Коротаев Г.К. Operational Oceanography: A New Branch of Modern Oceanological Science Herald of the Russian Academy of Sciences, Vol. 88, No. 4, pp. 272–280 (год публикации - 2018)
10.1134/S1019331618040032

17. Холод А. Л., Коротаев Г.К. Опыт воспроизведения инерционных колебаний, вызванных сильным штормом, в оперативной модели циркуляции вод Черного моря Russian Meteorology and Hydrology, vol. 43, No. 12 (год публикации - 2018)

18. Рябовая В.О. Развитие компьютерных технологий анализа и прогноза на основе оптимизации их функциональной нагрузки Сборник трудов «Региональная информатика и информационная безопасность», выпуск № 5 / СПОИСУ. – СПб, 2018. – С 263- 267 (год публикации - 2018)

19. Пузина О.С., Мизюк А.И. Сопоставление температуры Чёрного моря по результатам работы систем морских прогнозов Процессы в геосредах, № 3(17). – 2018. – С. 295 (год публикации - 2018)

20. Мизюк А.И., Пузина О.С., Сендеров М.В., Лишаев П.Н., Холод А.Л. Система диагноза и прогноза состояния Черного и Азовского морей Процессы в геосредах, № 3(17). – 2018. – С. 279 (год публикации - 2018)

21. Рябовая В.О. Метод структурного синтеза информационных систем экологического мониторинга морской среды Материалы XVI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ-2018)» . Санкт-Петербург, 24-26 октября 2018 г. \ СПОИСУ. – СПб, 2018, с. 278-280 (год публикации - 2018)

22. Иванчик А.М. Организация сбора данных в системе непрерывного анализа и прогноза состояния Мирового океана Современные информационные технологии: тенденции и перспективы развития: материалы XXV научной конференции (Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, 17–18 мая 2018 г.), с.77-80 (год публикации - 2018)

23. Шутяев В.П. Methods for Observation Data Assimilation in Problems of Physics of Atmosphere and Ocean Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, vol. 55, issue 1, p. 17-31 (год публикации - 2019)
10.1134/S0001433819010080

24. Дорофеев В.Л., Сухих Л.И. Influence of surface currents on the nutrient fluxes from the shelf to the deep part of the Black Sea Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012074 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012074

25. Мошонкин С.Н., Залесный В.Б., Гусев А.В. Algorithm of the k–ω Turbulence Equations Solution for the Ocean General Circulation Model Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 54, No. 5, pp. 495–506 (год публикации - 2018)
10.1134/S0001433818050079

26. Холод А.Л., Ратнер Ю.Б., Иванчик М.В. Comparison of the forecasting results of Black Sea surface temperature obtained in the FSBSI MHI and Copernicus marine environment monitoring service Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012125 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012125

27. Ратнер Ю.Б., Холод А.Л. Investigation of the spatio-temporal variability of the Black Sea upper mixed layer thickness based on the results of numerical calculations Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012126 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012126

28. Геджадзе И.Ю., Малатье П.-О., Шутяев В.П. On the use of derivatives in the polynomial chaos based global sensitivity and uncertainty analysis applied to the distributed parameter models Journal of Computational Physics, Volume 381, 15 March 2019, Pages 218-245 (год публикации - 2019)

29. Шутяев В.П., Пармузин Е.И. Sensitivity of Functionals to Observation Data in a Variational Assimilation Problem for a Sea Thermodynamics Model Numerical Analysis and Applications, Vol. 12, No. 2, pp. 191–201 (год публикации - 2019)
10.1134/S1995423919020083

30. Лишаев П.Н., Кубряков А.А. Reconstruction of the mesoscale variability of the Black Sea based on assimilation in the model of three-dimensional fields of pseudo-measurements of temperature and salinity Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012078 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012078

31. Мошонкин С.Н., Залесный В.Б., Гусев А.В. A splitting turbulence algorithm for mixing parameterization in the ocean circulation model IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 231 (2019) 012038 (год публикации - 2019)
10.1088/1755-1315/231/1/012038

32. Мизюк А.И., Коротаев Г.К. Dynamics of the Black Sea Upper Layer Based on Satellite Data: Gridded Altimetry versus High Resolution IR Images Physical Oceanography, 26(3), pp. 214-224 (год публикации - 2019)
10.22449/1573-160X-2019-3-214-224

33. Лишаев П.Н., Кныш В.В., Коротаев Г.К. 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 (год публикации - 2019)
10.22449/1573-160X-2019-2-104-122

34. Дианский Н.А., Фомин В.В., Григорьев А.В., Чаплыгин А.В., Зацепин А.Г. Spatial-temporal variability of inertial currents in the eastern part of the Black Sea in a storm period Physical Oceanography, 26(2), pp. 135-146 (год публикации - 2019)
10.22449/1573-160X-2019-2-135-146

35. Коротаев Г.К. Formation of salinity and density vertical stratification of the Black sea Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012003 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012003

36. Сендеров М.В., Мизюк А.И., Коротаев Г.К. Study of the formation of the Black Sea haline stratification from the numerical simulations Journal of Physics: Conference Series, 1359 (2019) 012076 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1359/1/012076

37. Залесный В.Б., Мошонкин С.Н., Перов В.Л., Гусев А.В. Моделирование циркуляции океана с к-омега и к-эпсилон параметризациями вертикального турбулентного обмена Physical Oceanography, № 6 (2019) (год публикации - 2019)

38. Дианский Н.А., Панасенкова И.И., Фомин В.В. Исследование отклика верхнего слоя Баренцева моря на прохождение интенсивного полярного циклона в начале января 1975 г. Physical Oceanography, № 6 (2019) (год публикации - 2019)

39. Мизюк А.И., Сендеров М.В., Коротаев Г.К. Основные закономерности долговременной эволюции халинной стратификации Черного моря Physical Oceanography, № 6 (2019) (год публикации - 2019)

40. Мошонкин С.Н., Залесный В.Б., Гусев А.В., Бышев В.И. Циркуляционные механизмы стабилизации региональной динамики деятельного слоя океана Океанологические исследования, Том 47, № 2, С. 198–219 (год публикации - 2019)
10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(2).12

41. Ушаков К.В., Кауркин М.Н. Simulation of the Pacific equatorial thermocline with an ocean general circulation model IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 386 (2019) 012026 (год публикации - 2019)
10.1088/1755-1315/386/1/012026

42. Фадеев Р., Ушаков К., Ибраев Р.А., Шашкин В., Гойман Г. Supercomputing the Seasonal Weather Prediction Voevodin V., Sobolev S. (eds) Supercomputing. RuSCDays 2019. Communications in Computer and Information Science, vol. 1129, pp.. 415–426 (год публикации - 2019)
10.1007/978-3-030-36592-9_34

43. Залесный В.Б., Агошков В.И., Шутяев В.П., Пармузин Е.И., Захарова Н.Б. Numerical Modeling of Marine Circulation with 4D Variational Data Assimilation Journal of Marine Science and Engineering, 8, 503 (год публикации - 2020)
10.3390/jmse8070503

44. Мизюк А.И., Коротаев Г.К. Black Sea Intrapycnocline Lenses according to the Results of a Numerical Simulation of Basin Circulation Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 56, no. 1, pp. 92-100 (год публикации - 2020)
10.1134/S0001433820010107

45. Коротаев Г.К. Eddy-wave range of geostrophic turbulence Journal of Physics: Conference Series, 1675 012117 (год публикации - 2020)

46. Коротаев Г.К., Шутяев В.П. Numerical simulation of ocean circulation with ultrahigh spatial resolution Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 56, No. 3, pp. 289–299 (год публикации - 2020)
10.1134/S000143382003010X

47. Пузина О.С., Мизюк А.И. The structure of the Black Sea mesoscale eddies from the numerical modeling with various spatial resolution Journal of Physics: Conference Series, 1675. 012075 (год публикации - 2020)

48. Мизюк А.И., Лишаев П.Н., Пузина О.С. Estimation of the Azov Sea state based on the Black Sea hydrography Journal of Physics: Conference Series, 1675. 012120 (год публикации - 2020)

49. Дорофеев В.Л., Сухих Л.И. Features of water circulation on the Black Sea northwestern shelf based on physical reanalysis results Journal of Physics: Conference Series, 1675. 012072 (год публикации - 2020)

50. Дорофеев В.Л., Сухих Л.И. Studying the Fluxes of the Marine Ecosystem Components from the Northwestern Shelf to the Deep Part of the Black Sea Physical Oceanography, 27(5), pp. 460-471 (год публикации - 2020)
10.22449/1573-160X-2020-5-460-471

51. Коротаев Г.К. Structure and Kinematics of Synoptic Eddies in the Ocean: Theory and Modern Observations Physical Oceanography (год публикации - 2020)

52. Гусев А.В., Залесный В.Б. Analytical solution technique in k-omega and k-epsilon turbulence parameterizations and their implementation in the OGCM EGU General Assembly 2020, EGU2020-17693 (год публикации - 2020)

53. Шутяев В.П., Пармузин Е.И. Stability of the optimal solution of the problem of variational assimilation with error covariance matrices of observational data for the sea thermodynamics model Numerical analysis and applications (год публикации - 2018)

54. Геджадзе И.Ю., Шутяев В.П., Ле Диме Ф.-Х. Hessian-based covariance approximations in variational data assimilation Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling (год публикации - 2018)

55. Мошонкин С.Н., Залесный В.Б., Гусев А.В. ALGORITHM OF THE K-OMEGA TURBULENCE EQUATIONS SOLUTION FOR THE OCEAN GENERAL CIRCULATION MODEL Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics (год публикации - 2018)

Публикации

45. Коротаев Г.К. Eddy-wave range of geostrophic turbulence Journal of Physics: Conference Series, 1675 012117 (год публикации - 2020)

51. Коротаев Г.К. Structure and Kinematics of Synoptic Eddies in the Ocean: Theory and Modern Observations Physical Oceanography (год публикации - 2020)

Публикации

45. Коротаев Г.К. Eddy-wave range of geostrophic turbulence Journal of Physics: Conference Series, 1675 012117 (год публикации - 2020)

51. Коротаев Г.К. Structure and Kinematics of Synoptic Eddies in the Ocean: Theory and Modern Observations Physical Oceanography (год публикации - 2020)

Публикации

45. Коротаев Г.К. Eddy-wave range of geostrophic turbulence Journal of Physics: Conference Series, 1675 012117 (год публикации - 2020)

51. Коротаев Г.К. Structure and Kinematics of Synoptic Eddies in the Ocean: Theory and Modern Observations Physical Oceanography (год публикации - 2020)