Интегрированная система мониторинга и прогноза для Баренцева моря

Система предварительного океанического мониторинга и прогнозирования использует цифровые модели океанической циркуляции и модели ледовых условий

БЕРТИНО Л., САНДВЕН С., САГЕН X., УИНТЕР Н., ЛИСЭТЕР К.А., СТИВЕНЗ Р.
Центр окружающей среды и дистанционного мониторинга им. Нансена
ООО «Цифровой океан»

Целостное трёхмерное изображение океанических течений и морских ледовых условий крайне необходимо для разведки и разработки нефтегазовых месторождений, а также для прогнозирования изменений на одну-две недели вперёд. Со спутника ведётся ежедневный мониторинг ледовых условий Арктического шельфа, однако, прогнозирование ледовых океанических условий на одну-две недели требует такой системы моделирования и ассимиляции данных, которая разработана в Центре изучения окружающей среды и дистанционного мониторинга им. Нансена.

Благодаря государственному финансированию и поддержке фонда Европейского Союза был разработан и внедрен ряд систем предварительного океанического мониторинга и прогнозирования на основе цифровых моделей океанической циркуляции, моделей ледовых условий, данных, полученных со спутника и разведочных площадей, а также передовой технологии ассимиляции данных. Это включает систему мониторинга и прогнозирования TOPAZ для Северной Атлантики - Арктического региона, работа по которому ведётся в Центре изучения окружающей среды и дистанционного мониторинга им. Нансена. Система TOPAZ использует поля атмосферных воздействий, которые анализируются, и составляется прогноз на 10 дней на основе данных Европейского Центра Среднесрочного Прогноза Погоды. Система моделей состоит из модели океанической циркуляции, модели HYCOM (Bleck, 2002) модели ледовых условий, основанных на реологии EVP по Ханке и Дукович (Himke & Dukowicz, 1997) для динамической части. Термодинамика этой модели ледовых условий использует отдельный класс толщины льда (Drange & Simonsen. 1994). Разрешающая способность модели по горизонтали составляет, примерно, 20 км.

Более того, передовая технология ассимиляции данных используется для включения квазиреальных наблюдений в объединённую модель океанических и морских ледовых условий. Квазиреальными наблюдениями, ассимилированными в системе TOPAZ, являются аномалии уровня моря, полученные на основе объединения данных, поступающих с 4 спутниковых альтиметров (GFO, ENVISAT, ТОРЕХ-Poseidon, и Jason-2), данных температур на поверхности моря, используя усовершенствованный радиометр со сверхвысокой разрешающей способностью, данных сплочённости льда, используя SSM/I.

Методом ассимиляции данных, используемых в системе TOPAZ, является фильтр Калмана / Ensemble Kalman Filter (Evensen, 1994. 2003). Ассимиляция параметров поверхности океана позволяет контролировать динамику поверхности океана (Brasdal et al., 2003), а ассимиляция сплоченности морского льда в объединённой модели позволяет осуществлять контроль местонахождения кромки льда (Lisaeter et al., 2003). Это позволяет модели TOPAZ чётко отображать общую циркуляцию, например. Атлантический приток в Арктику.

Баренцевоморская система основана на океанической модели HYCOM

Тем не менее, разрешающая способность, составляющая, примерно, 25 км, которая используется в системе TOPAZ, является слишком приблизительной для анализа деятельности в мезомасштабе, что так важно для локального отображения конфигурации кромки льда, дрейфа и сплочённости льда. Подробный кратко- и долгосрочный прогноз морских ледовых условий будет играть существенную роль для безопасной навигации и ведения работ в этих районах. Для выполнения этих требований создана региональная модель с высокой разрешающей способностью (4 км) для Баренцева и Карского морей. Подобно системе TOPAZ Баренцевоморская система основана на океанической модели HYCOM, а динамическая часть модели ледовых условий основана на реологии EVP, в то время как для термодинамики используется более комплексное отображение ледовых условий, которое подразделяет лёд на несколько классов по его толщине (Salas. 2002). Эта модель ледовых условий также даёт описание перераспределению толщины льда в связи с его наслоением или грядообразованием. В этой объединённой ледовой океанической модели используются данные атмосферного воздействия, полученные из Европейского Центра Среднесрочного Прогноза Погоды, самое современное представление речного стока и данные воздействия приливных течений.

Для получения точного прогноза в Баренцевом море необходимо включить в модель всю систему Северо-Атлантического и Арктического бассейна, хотя и с меньшей точностью. Это осуществляется путём включения Баренцевоморской модели в систему TOPAZ, а это означает, что модель с высокой разрешающей способностью перенимает граничные условия из менее совершенной модели TOPAZ. Баренцевоморская модель разрабатывается с октября 2002 г. Предварительный результат представлен на рис. 2, где показано, как баротропическое течение перекрывается температурным полем в пласте номер 9. Действующая система хорошо согласовывается с существующими картами течений, составленными на основе наблюдений в этом регионе. Тем не менее, поле температур должно нагреваться, но это будет отрегулировано в течение периода «раскрутки» модели и посредством оптимизации её параметров. Мы надеемся, что система будет реально введена в действие к весне 2005 г.

Аналогичная комплексная система установлена для использования в Мексиканском заливе и Западной Африке в рамках проекта EMOFOR, финансируемого организацией ENVISAT (служба спутникового мониторинга окружающей среды и прогнозирования для морской промышленности). С целью обеспечения мониторинга конкретного участка океана и прогнозирования информации для морских нефтегазовых работ создана система, основанная на web-узлах. Эта служба использует спутниковые данные высоты уровня поверхности моря, температуры поверхности моря, цвета океанической воды и данные ионизирующего излучения, а также прогнозирование, используя модель HYCOM с высокой разрешающей способностью и результаты локальных наблюдений. Работа, которая будет осуществляться на других глубоководных разведочных площадях, будет проводиться совместным предприятием Ocean Numerics Ltd, владельцами которого являются компании NERSC, Fugro GEOS и CLS.

Литература
Bertino, Lisceter, Sagen, Counillon, Winther, Stette, Natvik, Evensen, Morel, Brankart, Testut, Birol, Brasseur, Verron, Schartau, Schroter, Dombrowsky, Burillo, Larnicol, Schaeffer & Weller. Towards an Operational Prediction system for the North Atlantic and European coastal Zones - TOPAZ Final report. NERSC Technical Report. 2004. 251 pp.
Bleck. Ail oceanic general circulation model framed in hybrid isopycnic-Cartesian coordinates // Ocean Modelling. 2002. V. 4. P. 55-88.
Brusdal, Brankart, Halberstadt, Evensen, Brasseur, van Leeuwen, Dombrowsky & Verron. A demonstration of ensemble based assimilation methods with a layered OGCM // J. Marine Syst. 2003. V. 40-41. P. 253-289.
Drange & Simonsen. Formulation of air-sea fluxes in ESOP2 version of MICOM", Technical report 125. Nansen Environmental and Remote Sensing Center. Bergen, Norway. 1996.
Evensen. Sequential data ssimilation with a nonlinear quasi-geostropic model using Monte carlo methods to forecast error statisitics // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 10143-10162.
Evensen. The Ensemble Kalman Filter: theoretical formulation and practical implementation//Ocean Dynamics. 2003. V. 53. P. 343-367.
Hunke & Dukowicz. An Elastic-Viscous-Plastic Model for Sea Ice Dynamics // Physical Oceanography. 1997. №27. P. 1849-1867.
Lisceter, Rosanova & Evensen. Assimilation of ice concentration in a coupled ice-ocean model using the Ensemble Kalman Filter// Ocean Dynamics. 2003. № 53. P. 368-388.
Salas. A global coupled sea-ice ocean model // Ocean modeling. 2002. № 4. P. 137-172.

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2004"