Научная работа: темы и направления для студентов 3 курса МФТИ (2020 год)

Вихреразрешающее моделирование океана

Научные руководители: член.-корр. Ибраев Р.А., комн. 618, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

к.ф.-м.н. Ушаков К.В., комн. 604, e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

www.model.ocean.ru

Мировой океан многообразен в пространстве и во времени. Подобно атмосфере, его текущая погода меняется на масштабах часов и суток. Проходят вихри, штиль сменяется штормом, проявляясь в резких и труднопредсказуемых скачках температуры и скорости течения на поверхности воды. Смена сезонов влечёт закономерное изменение теплосодержания верхних слоёв, активизируется и затухает глубокая конвекция, намерзает и таёт морской лёд, изменяются направления некоторых течений. На масштабах нескольких лет происходят крупномасштабные колебания, такие как смена фаз Эль-Ниньо или Великие солёностные аномалии, затрагивающие бассейны океанов. Общей закономерностью является то, что чем большие пространства захватывает процесс, тем медленнее он происходит.

Наконец, на масштабах нескольких десятилетий и более, медленно меняющиеся средние характеристики океана (наряду со всем ансамблем проходимых им мгновенных состояний) относят к климату океана. Пространственные особенности климатической циркуляции имеют, как правило, небольшие градиенты и масштабы тысяч километров – это господствующие течения и круговороты, перепады среднего уровня морской поверхности, устойчивые тёплые и холодные районы, средние многолетние площади зимнего и летнего льда и т.д. В планетарном масштабе климатическая циркуляция образует Глобальный океанский конвейер, один цикл которого занимает порядка 1000 лет.

Тем не менее, в силу нелинейности физических законов океанской термогидродинамики, такие крупномасштабные характеристики существенно зависят от более тонкой и быстрой динамики. Так, обширные области мягкого умеренного климата в Северной Атлантике и на северо-западе Европы обязаны своим существованием тёплым водам Гольфстрима. Ширина его струи до разделения на ветви Северо-Атлантического течения составляет менее 100 км, а скорость 1-2 м/с создаёт многочисленные меандры и ринги. Климатические зоны Мирового океана часто бывают разделены достаточно резкими фронтами. Локальная динамика океана и характеристики морского ледового покрова обуславливают турбулентные потоки тепла между океаном и атмосферой на больших акваториях, а небольшие зоны, в которых происходит глубокая конвекция, являются ключевыми элементами Глобального конвейера.

И наоборот, статистика погоды и сезонных явлений (например, частота штормов или годовой перепад температур) во многом определяется средними климатическими условиями. Климат является фоновой средой, в которой разворачиваются более быстрые процессы. Поэтому относительно небольшие и медленные изменения глобальных средних климатических характеристик (естественные или антропогенные) могут сопровождаться радикальными изменениями повседневной среды жизни и хозяйственной деятельности человека на коротких временных масштабах.

Студенты МФТИ приглашаются к участию в научно-исследовательских работах с применением массивно-параллельной вихреразрешающей модели общей циркуляции океана ИВМИО. Все направления исследований предполагают работу на высокопроизводительных вычислительных кластерах и суперкомпьютерах.

1. Изменчивость циркуляции Мирового океана. Модели общей циркуляции используются для изучения динамики океана, климата Земли в целом и их изменчивости на различных пространственных и временных масштабах. В процессе численного эксперимента изучаются также характеристики моделей, особенности их «собственного» климата, возможности применения океанских моделей в качестве компонентов совместных климатических моделей более высокого уровня. Ресурсоёмкость таких задач обусловлена большой длительностью эксперимента (сотни и тысячи лет), необходимой для разгона и адаптации глубинных течений модельного океана, при том что необходимо достаточно высокое пространственное и временное разрешения для описания быстрой динамики верхних слоёв. Другими словами, необходимо моделировать долгосрочные процессы, максимально точно воспроизводя при этом последовательность проходимых системой мгновенных, быстро меняющихся состояний. Основными направлениями работы будут построение и валидация высокоразрешающих модельных конфигураций на основе кода ИВМИО, ретроспективные исследования изменчивости климата (hindcasting), оперативный прогноз состояния океана, исследование чувствительности океанcкой циркуляции к естественным и антропогенным возмущениям. Потребуется освоить статистические методы, технологии обработки и анализа больших данных.

2. Разработка динамического ядра модели ИВМИО. Расчёты с высоким разрешением требуют более совершенных численных методов. Большое значение имеют консервативность и монотонность схемы, её диффузионные и дисперсионные свойства, что в конечном итоге определяет эффективное разрешение модели. В рамках данного направления предлагаются задачи по модернизации численных схем переноса тепла, пассивных и активных примесей в модели с целью улучшения её вычислительной эффективности и разрешающей способности. Потребуется освоить объектно-ориентированное программирование на языке Fortran 2003. Участники приобретут опыт работы с конечнообъёмными методами и средствами параллельного программирования для компьютеров с распределённой памятью.

3. Разработка совместной модели атмосферы, океана и морского льда ПЛАВ-ИВМИО-CICE. Качественное прогнозирование состояния глобальной природной среды на срок нескольких недель или месяцев, также как и долгосрочные оценки сценариев изменения климата, невозможно без совместных моделей, каждый компонент которых является полноценной, интерактивной моделью одной из сред. В настоящее время к этой же парадигме приходит и классический краткосрочный прогноз погоды. Разрабатываемая в рамках данного направления совместная модель включает компоненты атмосферы и почвы (ПЛАВ), океана (ИВМИО) и морского льда (консорциум CICE). Синхронизацию и обмен данными между моделями выполняет вычислительная платформа CMF. Предлагаются задачи по моделированию климатических связей и колебаний в Земной системе, разработке технологии глобального сезонного прогноза, модернизации алгоритмов объединения моделей (каплинг). Потребуется освоить объектно-ориентированное программирование на языке Fortran 2003.

4. Усвоение данных наблюдений. Коррекция расчетов модели данными наблюдений представляет собой одну из наиболее актуальных задач в современной математической геофизике в связи с постоянным увеличением массивов наблюдаемой геофизической информации, развитием систем спутниковых измерений и высокоскоростных каналов связи. Сложность задачи связана с массивностью и нерегулярностью поступающей информации, а также жёсткими требованиями к адаптации решения (отсутствие «спинапов»). В рамках данного направления предлагаются задачи по разработке параллельных ансамблевых систем усвоения океанских данных с контактных и спутниковых платформ, включая контроль качества и препроцессинг. Потребуется знание статистических и матричных методов, программирование на языке Fortran 2003.

Внутригодовая изменчивость температуры поверхности океана (ºC) в 1982 году по данным модели ИВМИО с разрешением 0.1 градуса: http://model.ocean.ru/static/user_files/attachments/Ris8.mp4

Рис. Аномалия температуры поверхности океана в модели ИВМИО с разрешением 0.1 градуса относительно среднегодовой климатологии WOA09

Рис. Архитектура совместной модели под управлением CMF3.0: четыре компоненты (океан, лед, атмосфера, вложенное море) отправляют запросы в очередь сообщений, откуда их извлекают сервисы каплера (CPL) и ввода-вывода (IOD). Сами данные передаются через механизм виртуальных глобальных массивов. Представлены сервисные блоки нестинга (NST) и ассимиляции данных (DAS).

Рис. Температура поверхности океана (°C) в модели Северной Атлантики в базовом эксперименте (А01) и эксперименте с усвоением методом ансамблевой оптимальной интерполяции EnOI (А03). Кругами показаны расположение дрифтеров АРГО, профили температуры и солености с которых поступили на 2008-06-29. Размер кругов пропорционален разнице между температурой с дрифтеров и модельной температурой до усвоения.